新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)小水力發(fā)電樊

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)小水力發(fā)電樊1機(jī)械工業(yè)出版社第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六2機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社負(fù)載要求電能的電壓和頻率應(yīng)為額定值，波動小。發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的電壓、頻率或并網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)定度分別取決于發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)內(nèi)無功與有功功率的平衡。頻率的波動是由發(fā)電機(jī)輸入功率和輸出功率之間的不平衡引起的。電壓的波動主要由負(fù)載大小的變化和負(fù)載性質(zhì)的變化（即有功功率和無功功率的變化）引起。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六3機(jī)械工業(yè)出版社

水輪發(fā)電機(jī)組控制的基本任務(wù):根據(jù)負(fù)載的變化不斷調(diào)整水輪發(fā)電機(jī)組的有功和無功功率輸出，并維持機(jī)組轉(zhuǎn)速（頻率）和輸出端電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)。兩者的調(diào)節(jié)相對獨(dú)立，相互影響較小。機(jī)械工業(yè)出版社

水輪發(fā)電機(jī)組頻率的控制由水輪機(jī)調(diào)速器實現(xiàn)端電壓的穩(wěn)定可由發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器來完成第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六4機(jī)械工業(yè)出版社式中TS——水輪機(jī)的動力轉(zhuǎn)矩（N·m）；

TL——發(fā)電機(jī)阻轉(zhuǎn)矩，包括發(fā)電機(jī)電磁制動轉(zhuǎn)矩和摩擦等制動轉(zhuǎn)矩（N·m）；

J——機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動飛輪總慣量（kg·m2）；

ω——機(jī)組的角速度（rad/s），水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動方程式可以表示為機(jī)械工業(yè)出版社1、水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)原理

5.4.1.2水輪機(jī)調(diào)速器的工作原理及特性

水輪機(jī)調(diào)速器主要用于控制水力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與出力，其品質(zhì)與性能直接影響到電能品質(zhì)和水電站的安全可靠運(yùn)行。第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六5機(jī)械工業(yè)出版社水輪機(jī)動力轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

為保證電能的頻率不變，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須恒定，dω/dt=0。

控制水輪機(jī)的動力轉(zhuǎn)矩TS時刻跟隨著TL的變化，使TS－TL=0，才能維持頻率和轉(zhuǎn)速不變。

因此，通過調(diào)速器改變水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉的開度，來改變水輪原動機(jī)的進(jìn)水量，可達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的。機(jī)械工業(yè)出版社第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六6機(jī)械工業(yè)出版社

水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本任務(wù)是：當(dāng)負(fù)載變化時，原來的穩(wěn)定平衡被破壞，動力矩和阻力矩不再相等，使轉(zhuǎn)速和頻率與額定值之間出現(xiàn)偏差，這時由頻率閉環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，可快速、準(zhǔn)確地消除偏差，使機(jī)組在新的平衡條件下運(yùn)行。這種調(diào)節(jié)作用稱為頻率調(diào)節(jié)或頻率控制。機(jī)械工業(yè)出版社2、頻率調(diào)節(jié)第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六7機(jī)械工業(yè)出版社

電力系統(tǒng)的負(fù)荷是不斷變化的，而原動機(jī)輸入功率的改變則較緩慢，因此系統(tǒng)中頻率的波動是難免的。圖5-14電力系統(tǒng)負(fù)荷瞬時變動情況機(jī)械工業(yè)出版社負(fù)荷的變動情況分解成幾個分量：1）變化周期一般小于10s的隨機(jī)分量，其變化幅度較小。2）變化周期在10s～3min之間的脈動分量，其變化幅度比隨機(jī)分量要大些。3）變化十分緩慢的持續(xù)分量并帶有周期規(guī)律的負(fù)荷，為負(fù)荷變化中主體。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六8機(jī)械工業(yè)出版社

第二種負(fù)荷變化引起的頻率偏移較大，必須由調(diào)頻器參與控制和調(diào)整．這種調(diào)整稱為頻率的二次調(diào)整(AGC)。

第一種負(fù)荷變化引起的頻率偏移，一般利用水輪發(fā)電機(jī)組上裝設(shè)的調(diào)速器來控制和調(diào)整原動機(jī)的輸入功率，以維持系統(tǒng)的頻率水平，稱為頻率的一次調(diào)整。

第三種負(fù)荷變化可以用負(fù)荷預(yù)測的方法預(yù)先估計得到。在滿足系統(tǒng)有功功率平衡的條件下，將這部分負(fù)荷按照經(jīng)濟(jì)分配原則在各發(fā)電廠間進(jìn)行分配(EDC)。機(jī)械工業(yè)出版社第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六9機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社→E、F下降至E′、F′，→活塞提升，→汽門提升，進(jìn)汽量增加→轉(zhuǎn)速就會回升。當(dāng)機(jī)組因負(fù)荷增加而轉(zhuǎn)速下降時：活塞調(diào)節(jié)進(jìn)水閥錯油門1）兩個重錘開度減小→A降至A′C點尚未移動B點降至B′D點代表有伺服電動機(jī)控制的轉(zhuǎn)速整定元件的nDEF，它不會因轉(zhuǎn)速而變動?；钊诰彭?，共三十七頁，編輯于2023年，星期六10機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社2）轉(zhuǎn)速上升后→重錘開度增加→A、B、E、F各點也隨之不斷改變；這個過程要到C點升到某一位置時，比如C〞，即導(dǎo)葉開大到某一位置時，機(jī)組的轉(zhuǎn)速通過重錘的開度使杠桿DEF重新回復(fù)到使Ⅱ的活門完全關(guān)閉的位置時才會結(jié)束，這時B點就回到原來的位置。

3）由于C〞上升了，所以A〞必定低于A。這說明調(diào)速過程結(jié)束時，出力增加，轉(zhuǎn)速稍有降低。4）調(diào)速器是一種有差調(diào)節(jié)器?；钊谑?，共三十七頁，編輯于2023年，星期六11機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社

通過伺服電動機(jī)改變D點的位置，就可以實現(xiàn)二次調(diào)頻。

當(dāng)轉(zhuǎn)速給定裝置推動D點向上移動時，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速和油動機(jī)活塞的位置尚未來的及變化，A,B,C,E各點都不會動。這樣，D點向上移動，就以E點為軸推動F點向下移動，錯油門的油門被打開，壓力油進(jìn)入油動機(jī)活塞下腔，使活塞向上移動，引起閥門開度增大，機(jī)組轉(zhuǎn)速增加，A點上移,B、C、E點上移，F(xiàn)點上移，直到錯油門完全堵住高壓油入口，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。顯然調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速升高了。D’第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六12機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社發(fā)電機(jī)組的功率—頻率特性與負(fù)荷的功率—頻率特性曲線的交點就是電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定運(yùn)行點。系統(tǒng)在頻率穩(wěn)態(tài)為f時:第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六13機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社△f一次調(diào)頻二次調(diào)頻第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六14機(jī)械工業(yè)出版社當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)載↑→系統(tǒng)頻率↓→調(diào)速器作用→輸出功率↑圖5-15同步發(fā)電機(jī)組功率頻率特性機(jī)械工業(yè)出版社

發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和頻率之間密切相關(guān)，兩者的關(guān)系稱為發(fā)電機(jī)的功率-頻率靜態(tài)特性。3、有功功率調(diào)節(jié)第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六15機(jī)械工業(yè)出版社式中K——頻率調(diào)差系數(shù)；

Δf——頻率差，對應(yīng)有功功率ΔP時頻率相應(yīng)的增量（Hz）；

ΔP——發(fā)電機(jī)有功功率增量（MW）；

同步發(fā)電機(jī)組功率-頻率特性的斜率稱為發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)差系數(shù)，即機(jī)械工業(yè)出版社式中fN、PN分別為頻率和功率的額定值；水輪發(fā)電機(jī)組的K*=（2～4）%。調(diào)差系數(shù)K的標(biāo)么值表達(dá)式為第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六16機(jī)械工業(yè)出版社圖5-16兩臺發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行曲線①-1號發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性曲線②-2號發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性

系統(tǒng)總負(fù)荷為ΣPL，如線段CB的長度所示，系統(tǒng)頻率為fN，1號機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷為P1，2號機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷為P2，于是有：P1十P2=ΣPL。機(jī)械工業(yè)出版社

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加，經(jīng)過調(diào)速器的調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)頻率為f1，1號發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P1'，增加了ΔPl；2號發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P2'，增加了ΔP2，兩臺發(fā)電機(jī)組增量之和等于ΔPL。第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六17機(jī)械工業(yè)出版社

并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組間功率分配與機(jī)組調(diào)差系數(shù)成反比，調(diào)差系數(shù)標(biāo)么值大的機(jī)組分擔(dān)的有功功率標(biāo)么值反而小。由上式可得電力系統(tǒng)中，機(jī)組調(diào)差系數(shù)等于零是不能并聯(lián)運(yùn)行的。機(jī)械工業(yè)出版社第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六18機(jī)械工業(yè)出版社調(diào)速器的靜特性是機(jī)組頻率f和導(dǎo)葉開度Y之間的關(guān)系曲線。圖5-17調(diào)節(jié)器的靜特性

圖中對應(yīng)接力器行程(0～100%)的頻差相對值，稱為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp，即：bp的值可根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)定機(jī)械工業(yè)出版社4、調(diào)速器的靜特性第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六19機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社5.4.1.3電子式水輪機(jī)調(diào)速器的總體結(jié)構(gòu)n↑→脈沖頻率↑→頻率變送器輸出↑→經(jīng)信號整形和放大后，啟動閥控→導(dǎo)葉開度↓→水輪機(jī)進(jìn)水量↓→原動機(jī)輸入功率↓→n↓圖5-19電子液壓式水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)原理示意圖

裝在發(fā)電機(jī)軸上的齒輪、脈沖傳感器和頻率變送器→轉(zhuǎn)速測量部分第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六20機(jī)械工業(yè)出版社

小水力同步發(fā)電機(jī)在實現(xiàn)水能向電能轉(zhuǎn)換的過程中，借助于勵磁系統(tǒng)中的直流電流建立的磁場作為媒介，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和輸出交流電流。勵磁電流不僅影響其能量的轉(zhuǎn)換，而且對輸出電能的質(zhì)量影響很大。通過勵磁電流的調(diào)節(jié)與控制，可穩(wěn)定輸出電壓、實現(xiàn)有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。機(jī)械工業(yè)出版社5.4.2同步發(fā)電機(jī)自動勵磁控制系統(tǒng)

5.4.2.1小水力同步發(fā)電機(jī)自動勵磁系統(tǒng)的組成及任務(wù)第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六21機(jī)械工業(yè)出版社

小水力同步發(fā)電機(jī)的自動控制勵磁系統(tǒng)是由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元、檢測部分和同步發(fā)電機(jī)組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。圖5-29同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)構(gòu)成框圖機(jī)械工業(yè)出版社1、小水力同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)的基本組成第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六22機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社2、小水力同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)的任務(wù)（1）電壓的調(diào)節(jié)（2）無功功率的調(diào)節(jié)（3）并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)之間無功功率的合理分配（4）提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性（5）改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件（6）水力發(fā)電機(jī)組要求實現(xiàn)強(qiáng)行減磁第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六23機(jī)械工業(yè)出版社

無功負(fù)載電流是造成發(fā)電機(jī)端電壓變化的主要原因。為維持端電壓的穩(wěn)定，負(fù)載變化時必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流。圖5－30為隱極同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時（不計電阻壓降）的相量圖。圖5-30同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時相量圖機(jī)械工業(yè)出版社（1）電壓的調(diào)節(jié)-發(fā)電機(jī)定子繞組中由勵磁磁場產(chǎn)生的空載感應(yīng)電動勢；-發(fā)電機(jī)定子端輸出電壓；-定子繞組中的電流；-無功電流；-有功電流；-同步電抗；-功率因數(shù)角；-和之間的夾角（同步發(fā)電機(jī)功率角）。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六24機(jī)械工業(yè)出版社由圖5-30可得

和之間的數(shù)量關(guān)系為：一般很小，可以近似認(rèn)為cos≈1，于是有機(jī)械工業(yè)出版社由上式可見，在發(fā)電機(jī)勵磁電流不變，即空載感應(yīng)電動勢Eq不變時，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無功電流的增大而減小，為維持端電壓不變，必須增大發(fā)電機(jī)的勵磁電流。同理，無功電流減小時，發(fā)電機(jī)端電壓將增大，必須減小勵磁電流。同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵磁電流來維持發(fā)電機(jī)輸出電壓為給定水平。第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六25機(jī)械工業(yè)出版社

設(shè)同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)UM并聯(lián)，因此發(fā)電機(jī)端電壓不隨負(fù)荷大小而變，其接線圖如圖5-31ａ所示，圖5-31ｂ是不同勵磁電流情況下的相量圖。

圖5-31同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)ａ）接線圖ｂ）相量圖機(jī)械工業(yè)出版社（2）無功功率的調(diào)節(jié)第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六26機(jī)械工業(yè)出版社

因發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率只與其輸入功率有關(guān)，與勵磁電流無關(guān)，所以勵磁電流變化時，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率ＰG均不變，即

式中C1——常數(shù)。

不計定子電阻和凸極效應(yīng)時，發(fā)電機(jī)有功功率又可用下式表示

式中δ——同步發(fā)電機(jī)功率角；

C2——常數(shù)。機(jī)械工業(yè)出版社第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六27機(jī)械工業(yè)出版社

由上面兩式可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)的有功功率不變而勵磁電流變化時，和的值均不變，即式中，K1、K2為常數(shù)。

由圖5-31ｂ中的相量關(guān)系可見，發(fā)電機(jī)勵磁電流的變化只是改變了機(jī)組的無功功率和功率角δ值的大小。機(jī)械工業(yè)出版社結(jié)論：與無限大容量母線并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組，調(diào)節(jié)它的勵磁電流可以改變發(fā)電機(jī)無功功率的數(shù)值。第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六28機(jī)械工業(yè)出版社

并聯(lián)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)間無功電流的分配取決于各自的外特性。圖5-32并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無功負(fù)荷的分配ａ）原理圖ｂ）外特性和無功負(fù)荷的分配機(jī)械工業(yè)出版社（3）并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)之間無功功率的合理分配第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六29機(jī)械工業(yè)出版社當(dāng)兩臺以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時：發(fā)電機(jī)的端電壓都等于母線電壓，它們發(fā)出的無功功率電流、之和必須與母線中總無功電流值相等，即機(jī)械工業(yè)出版社結(jié)論：當(dāng)電網(wǎng)需要的無功電流增大時，將改變兩機(jī)組的無功電流分配，斜率越小的機(jī)組，無功電流的增量就越大。

當(dāng)母線電壓為、無功電流為時，；當(dāng)電網(wǎng)需要的無功電流增大為時，電網(wǎng)電壓下降為，此時的無功電流增大到，的無功電流增大到，且，顯然。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六30機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定都與勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)有關(guān)。

當(dāng)電力系統(tǒng)由于種種原因，出現(xiàn)短時低電壓時，勵磁自動控制系統(tǒng)可以發(fā)揮其調(diào)節(jié)功能，即大幅度地增加勵磁以提高系統(tǒng)電壓，改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件。在機(jī)組甩負(fù)荷或其他原因造成發(fā)電機(jī)過電壓時，強(qiáng)行減磁。（4）提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性（5）改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件（6）水力發(fā)電機(jī)組要求實現(xiàn)強(qiáng)行減磁第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六31機(jī)械工業(yè)出版社

水輪發(fā)電機(jī)組自動控制系統(tǒng)的任務(wù)由勵磁調(diào)節(jié)器和勵磁功率單元共同完成，因此對兩者各自提出如下的要求：機(jī)械工業(yè)出版社3、對勵磁系統(tǒng)的基本要求（1）對勵磁調(diào)節(jié)器的要求時間常數(shù)小，能迅速響應(yīng)輸入情況的變化；能夠合理分配機(jī)組的無功功率；能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障，具備強(qiáng)行勵磁等控制功能，以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六32機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社（2）對勵磁功率單元的要求要求具有足夠的可靠性并具有一定的調(diào)節(jié)容量，以適應(yīng)電力系統(tǒng)各種運(yùn)行工況；具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度。勵磁頂值電壓是在勵磁功率單元強(qiáng)行勵磁時可能提供的最高電壓；勵磁電壓上升速度是勵磁系統(tǒng)快速響應(yīng)的動態(tài)指標(biāo)。第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六33機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社5.4.2.2小水力同步發(fā)電機(jī)自動控