第5章水能、小水力發(fā)電與控制技術(shù)主要內(nèi)容5.1水能及水力資源的特點(diǎn)5.2水力發(fā)電5.3小水輪發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成及工作原理5.4小水電的新技術(shù)及其應(yīng)用5.5小水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與SCADA系統(tǒng)5.6小水力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)小型水力發(fā)電機(jī)水電站水電站

自然界中的水體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量，稱為水能。水能的重要應(yīng)用就是水力發(fā)電。

水力發(fā)電是利用河流、湖泊中的水在流經(jīng)不同高度地形時(shí)產(chǎn)生的能量來發(fā)電，是由水輪發(fā)電機(jī)組中的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水的位能向機(jī)械能再向電能的二次轉(zhuǎn)換。

水輪發(fā)電機(jī)組主要由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，水輪機(jī)的種類很多，不同種類的水輪機(jī)在小水電中均有應(yīng)用。水輪發(fā)電機(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)。小水電的新技術(shù)重點(diǎn)：水輪發(fā)電機(jī)組的控制水輪發(fā)電機(jī)組的控制：頻率及功率控制為主水輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)：準(zhǔn)同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)，其中以準(zhǔn)同步并網(wǎng)為主電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償：由各種無功功率補(bǔ)償器完成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：小型水電站的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)水電站的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控及遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）可實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電與調(diào)度的完全自動(dòng)化。全世界技術(shù)上可開發(fā)的水能資源約15萬億kW?h。水能包括位能、壓能和動(dòng)能三種形式廣義的水能：河流水能、潮汐水能、波浪能和海洋熱能狹義的水能：河流水能，即河流、湖泊等位于高處的水流至低處時(shí)所具有的位能5.1.1水能及水力資源

水能:自然界中的水體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量5.1水能及水力資源的特點(diǎn)

根據(jù)當(dāng)前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)水平，可開發(fā)資源主要是河川水能資源，潮汐能資源占小部分，波浪能利用尚處于試驗(yàn)階段。水能資源，亦稱水力資源。水能資源分3級(jí)統(tǒng)計(jì)理論蘊(yùn)藏量技術(shù)可開發(fā)資源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)資源我國水力資源的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):5.1.2水力資源的特點(diǎn)

１)．水力資源總量較多，但開發(fā)利用率低２)．水力資源地區(qū)分布不均，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不匹配３)．大多數(shù)河流年內(nèi)、年際徑流分布不均４)．水力資源主要集中于大江大河，有利于集中開發(fā)和規(guī)模外送

當(dāng)位于高處具有位能的水流至低處沖擊水輪機(jī)時(shí)，將其中所含有的位能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)的動(dòng)能，再由水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。水能的主要應(yīng)用是水力發(fā)電。水力發(fā)電是利用河流在流經(jīng)不同高度地形時(shí)產(chǎn)生的能量來發(fā)電:

因此水力發(fā)電在某種意義上講是水的位能變成機(jī)械能，又變成電能的“轉(zhuǎn)換過程”。5.2水力發(fā)電

可利用的水量和一年中不同的流量決定了水力發(fā)電站一年的發(fā)電量是不同的。

水能的大小取決于兩個(gè)因素：河流中水的流量和水從多高的地方流下來（水頭）水的流量：指單位時(shí)間內(nèi)水流通過河流（或水工建筑物）過水?dāng)嗝娴捏w積，一般用立方米/秒（m3/s）和升/秒（l/s）來表示。水頭：用來表示發(fā)電站的發(fā)電機(jī)到水壩的水平面的高度（m）。式中P——發(fā)電機(jī)的輸出功率（kW）；

Q——流量（m3/s），單位時(shí)間內(nèi)流過水輪機(jī)水的體積；

H——水頭（m），水輪機(jī)做功用的有效水頭，為水輪機(jī)進(jìn)出口斷面的總水位差；

η——電廠的效率（包括水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的總效率）；

9.81——流速和水頭轉(zhuǎn)換為kW?h的一個(gè)常數(shù)。水力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能稱為發(fā)電機(jī)的出力。（7－1）其計(jì)算公式為對(duì)于小型水電站，水力發(fā)電機(jī)的出力近似為（7－2）年發(fā)電量的公式為（7－3）式中E——年發(fā)電量（kW?h）；——平均出力（kW）；T——年利用小時(shí)數(shù)（h）水電站的分類方式有很多種，主要有以下幾種方法：①按照水源的性質(zhì)――可分為常規(guī)水電站和抽水蓄能電站。②按水電站集中水頭的手段――可分為堤壩式、引水式和混合式水電站三種基本類型。③按水電站利用水頭的大小――可分為高水頭（70m以上）、中水頭（15～70m）和低水頭（低于15m）三種水電站。④按水電站裝機(jī)容量的大小――可分為大型水電站（裝機(jī)容量在30萬kW或以上）、中型水電站（5～30萬kW）和小型水電站（5萬kW以下）。⑤按照水庫的調(diào)節(jié)性能――可分為具有調(diào)節(jié)水量的調(diào)節(jié)水庫水電站和無水庫調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站。5.2.1水電站的分類

水力發(fā)電一般是通過集中水頭，用人工的方式引導(dǎo)水流以高速度沖擊水輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，因此典型的水電站由以下幾部分組成：（1）水工建筑物包括大壩、引水建筑物和泄水建筑物等。（2）水輪發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主軸及控制系統(tǒng)等組成。（3）廠房生產(chǎn)發(fā)電、輸電和生活的建筑。（4）變電所主要包括變壓器、各種開關(guān)控制設(shè)備等。（5）輸電線輸送電到變電站和終端用戶的線路。1．典型水電站的組成5.2.2水電站的組成圖5－1、圖5－2分別為水電站的大壩和水電站發(fā)電機(jī)房的照片

圖5－1水電站的大壩圖5－2水電站發(fā)電機(jī)房圖5－3為水力發(fā)電站發(fā)電原理示意圖圖5－3水力發(fā)電站發(fā)電原理示意圖1－擋河大壩

2－打開導(dǎo)管的閥門

3－水輪機(jī)的葉輪

4－發(fā)電機(jī)

常規(guī)水電站一般由水庫、水壩、引水隧道、發(fā)電設(shè)備、開關(guān)場(chǎng)和輸電設(shè)備等組成。圖5－4常規(guī)水力發(fā)電流程圖圖5－4為常規(guī)水力發(fā)電流程圖機(jī)械工業(yè)出版社2．常規(guī)水電站的組成

圖5－5為抽水蓄能水力發(fā)電流程圖。抽水蓄能電站由上池和上池壩、下池和下池壩、引水隧道、尾水路、發(fā)電設(shè)備、變壓器、開關(guān)場(chǎng)及輸電設(shè)備等組成。

圖5－5抽水蓄能水力發(fā)電流程圖

抽水蓄能發(fā)電為目前實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理、調(diào)節(jié)系統(tǒng)用電高峰和低谷時(shí)電量的最佳方式。機(jī)械工業(yè)出版社3．抽水蓄能電站的組成

小水電是指裝機(jī)容量50000kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱。因此，小水電也包括小小型(容量在101～500kW)和微型(小于100kW)水電站。1．小水電的定義

5.2.3小水電

2．小水電的特點(diǎn)1）小水電環(huán)境影響遠(yuǎn)小于大型水電站；2）小水電開發(fā)靈活，可以分散開發(fā)、就地成網(wǎng)、分布供電；3）小水電可與灌溉、養(yǎng)殖、防洪、航運(yùn)、旅游等有機(jī)結(jié)合，同時(shí)受公益事業(yè)制約；4）小水電站的電力生產(chǎn)規(guī)模小，單位裝機(jī)容量成本較高；5）小水電站存在著豐枯矛盾。堤壩式(包括河床式、壩后式和岸式水電站根據(jù)其集中水頭的方式來分類:我國的小水電站目前多半為引水式，一般采用梯級(jí)開發(fā)。3．小水電的類型

引水式混合式河床式壩后式岸式

小型水電站主要由及四大部分組成：組成擋水建筑物（壩）泄洪建筑物（溢洪道或閘）引水建筑物（引水渠或隧洞，包括調(diào)壓井）電站廠房（包括發(fā)電設(shè)備、尾水渠、升壓站）4．小型水電站的組成1．水輪發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成

水輪發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)水的位能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。水輪機(jī)水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器勵(lì)磁系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)電站控制設(shè)備5.3小水輪發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成及工作原理一般組成：（1）水輪機(jī)

（2）水輪發(fā)電機(jī)

水輪發(fā)電機(jī)大部分采用同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速較低，水輪發(fā)電機(jī)組的安裝型式上有立式和臥式兩種。常用的水輪機(jī)有沖擊式和反擊式兩種。（3）調(diào)速和控制裝置（包括調(diào)速器和油壓裝置）

作用是調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證輸出電能的頻率符合供電要求，并實(shí)現(xiàn)機(jī)組操作(開機(jī)、停機(jī)、變速、增、減負(fù)荷)及安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。（4）勵(lì)磁系統(tǒng)

通過對(duì)直流勵(lì)磁系統(tǒng)的控制可實(shí)現(xiàn)電能的調(diào)壓、有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。（5）冷卻系統(tǒng)

小型水輪發(fā)電機(jī)的冷卻主要采用空氣冷卻，大容量水輪發(fā)電機(jī)采用了定、轉(zhuǎn)子繞組直接水冷的方式；或者定子繞組用水冷，而轉(zhuǎn)子用強(qiáng)風(fēng)冷卻。

電站控制設(shè)備目前主要以微機(jī)為主，實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)、調(diào)壓、調(diào)頻、功率因數(shù)的調(diào)節(jié)、保護(hù)和通信等功能。（6）電站控制設(shè)備（7）制動(dòng)裝置

額定容量超過一定值的水輪發(fā)電機(jī)均設(shè)有制動(dòng)裝置。

2．水輪發(fā)電機(jī)組的工作原理

水輪發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程分為二個(gè)階段：

水輪機(jī)在水流的沖擊作用下開始旋轉(zhuǎn)，將水的位能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

發(fā)電機(jī)將水輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能：水輪機(jī)帶動(dòng)同軸相連的水輪發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在勵(lì)磁電流的作用下，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)勵(lì)磁磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)的定子繞組切割勵(lì)磁磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。所以水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)是水輪發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的兩個(gè)部件。

水輪機(jī)的本體由轉(zhuǎn)輪、座環(huán)、蝸殼和主軸等組成。除此以外，根據(jù)型號(hào)的不同，還配有附屬裝置和部件。不同型式的水輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)和適用范圍不甚相同。水輪機(jī)是水渦輪機(jī)的簡稱。

水輪機(jī)是根據(jù)水的流量和水頭大小進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的，作用是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。5.3.1水輪機(jī)

Q=Av

（7－4）式中A——水輪機(jī)的過水?dāng)嗝娴拿娣e，單位m

2；

v——過水?dāng)嗝嫫骄魉伲瑔挝粸閙/s。1)水輪機(jī)的基本工作參數(shù)水輪機(jī)的基本工作參數(shù)有水頭、流量、轉(zhuǎn)速、出力和效率。水輪機(jī)水頭：指水輪機(jī)進(jìn)口斷面與其出口斷面的單位重量水流能量的差值，用H表示，單位為m。水輪機(jī)流量：指單位時(shí)間內(nèi)通過水輪機(jī)過水?dāng)嗝娴乃黧w積，單價(jià)為m3/s，通常用Q來表示，即1.水輪機(jī)的主要工作參數(shù)式中ηs——水輪機(jī)的效率；

Pi——水流輸入水輪機(jī)的功率（kW）。

水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速：指水輪機(jī)主軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)，水輪機(jī)的出力：指水輪機(jī)軸端輸出的功率，其表達(dá)式為Ps=9.81QH

（7－5）

式中Ps——水輪機(jī)軸端輸出的功率(kW)。水輪機(jī)效率：指水輪機(jī)出力與水流出力之比，其表達(dá)式為（7－6）式中ns——水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速；

n——水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。2)水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的的定義為：幾何相似的水輪機(jī)，當(dāng)水頭為1m、輸出的機(jī)械功率為1kW時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速。水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為（7－7）

水輪機(jī)按照工作原理可分為:--轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動(dòng)能均發(fā)生變化，主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。2.水輪機(jī)的分類

沖擊式水輪機(jī)反擊式水輪機(jī)--轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。1)．沖擊式水輪機(jī)沖擊式水輪機(jī)根據(jù)水流噴射條件和轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的不同，可分為水斗式、斜擊式、雙擊式三種，其中以前兩種為主。

圖5－6水斗式水輪機(jī)

a）水斗式水輪發(fā)電機(jī)組b）雙噴嘴水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪a）b）水斗式水輪機(jī)又稱培爾頓(Petion)水輪機(jī)，如圖5－6所示。（1）水斗式水輪機(jī)c）水斗式水輪機(jī)工作原理示意圖1－轉(zhuǎn)輪室2—水輪機(jī)葉片3—射流制動(dòng)器4—折向器水斗式水輪機(jī)

從噴嘴噴出來的射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向射向雙U型的水斗中部，然后在水斗中轉(zhuǎn)向兩側(cè)排出，領(lǐng)先壓力水，通過噴嘴形成一股強(qiáng)有力的高速射流射出，沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗使其旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。a）斜擊式水輪發(fā)電機(jī)組

b）斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

圖5－7斜擊式水輪機(jī)a）b）

斜擊式水輪機(jī)中的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機(jī)基本相同，只是射流方向有一個(gè)傾角。如圖7－7所示。（2）斜擊式水輪機(jī)斜擊式水輪機(jī)圖5－7斜擊式水輪機(jī)

c）斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)1－射流2—噴嘴3—轉(zhuǎn)輪4—斗葉

噴嘴與轉(zhuǎn)輪平面成大約22.5o的角度，射流傾斜于轉(zhuǎn)輪軸線，從進(jìn)口平面一側(cè)射向葉片，通過葉片后從另一側(cè)排出。

雙擊式水輪機(jī)噴嘴中的水流首先從轉(zhuǎn)輪外周進(jìn)入葉片流道，其中大部分（70%～80%）水流的能量轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能，然后離開流道穿過轉(zhuǎn)輪中心部分的自由空間，第二次從內(nèi)周進(jìn)入葉片流道，剩余（20%～30%）的水流能量再轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)輪的機(jī)械能，最后水流從轉(zhuǎn)輪外周流出。（3）雙擊式水輪機(jī)

在反擊式水輪機(jī)中，由于水流充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時(shí)受到水流的作用，所以在同樣的水頭下其轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機(jī)，其最高效率也高于沖擊式水輪機(jī)，但當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水輪機(jī)的效率將受到不同程度的影響。

反擊式水輪機(jī)根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流的特點(diǎn)和水輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式四種。2）反擊式水輪機(jī)

a）b）（1）混流式水輪機(jī)圖5－8混流式水輪機(jī)a）混流式水輪發(fā)電機(jī)組

b）混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

混流式水輪機(jī)又稱為弗朗西斯水輪機(jī)。如圖7－8所示。混流式水輪機(jī)c）混流式水輪機(jī)工作原理示意圖1－導(dǎo)葉2—轉(zhuǎn)輪3—水輪機(jī)軸圖5－8混流式水輪機(jī)

水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5－9為軸流式水輪機(jī)。a）

b）

圖5－9軸流式水輪機(jī)a）軸流式水輪發(fā)電機(jī)組

b）軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

軸流式水輪機(jī)又可分為轉(zhuǎn)槳式和定槳式水輪機(jī)。（2）軸流式水輪機(jī)軸流式水輪機(jī)圖5－9軸流式水輪機(jī)c）軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)d）軸流式水輪機(jī)工作原理示意圖1—導(dǎo)葉2—輪葉3—轉(zhuǎn)轂

在軸流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)葉，軸向進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

a)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組

b）燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組剖面圖

貫流式水輪機(jī)可分為全貫流式和半貫流式。貫流式又分為燈泡式和豎井式，燈泡式如圖5－10所示。

（3）貫流式水輪機(jī)c）燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和原理示意圖１－尾水管２－轉(zhuǎn)輪３－活動(dòng)導(dǎo)葉４－固定導(dǎo)葉５－發(fā)電機(jī)６－燈泡體圖5－10貫流式水輪機(jī)斜流式水輪機(jī)如圖5－11所示

圖5－11斜流式水輪機(jī)

a)斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪b)斜流式水輪機(jī)工作原理示意圖

1－導(dǎo)葉2—輪葉3—水輪機(jī)軸a)b)（4）斜流式水輪機(jī)

同步發(fā)電機(jī)是交流電機(jī)的一種，其運(yùn)行特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度嚴(yán)格同步，既電能的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有著嚴(yán)格的不變的關(guān)系；同步發(fā)電機(jī)可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來改變功率因數(shù)和穩(wěn)定輸出電壓，以改善供電質(zhì)量。小型水輪發(fā)電機(jī)多數(shù)為同步發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)使用較少。

微型水輪發(fā)電機(jī)有異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)，其中又分為單相和三相發(fā)電機(jī)。5.3.2水輪同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)主要有兩大類：供給勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)通過整流裝置將交流電流整成直流電流以滿足需要直流發(fā)電機(jī)供給直流勵(lì)磁電流同步發(fā)電機(jī)按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)來分有隱極式和凸極式兩種。1．同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)2．同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)（1）額定容量SN

發(fā)電機(jī)出線端額定視在功率，單位：kVA（2）額定功率PN發(fā)電機(jī)出線端額定輸出的有功功率，單位：kW（3）額定電壓UN發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓，單位：V或kV（4）額定電流IN發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流，單位：A（5）額定功率因數(shù)cosφN發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。（6）

額定效率ηN發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率。（7）額定頻率fN

發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子電流的頻率，單位：Hz。3．水輪同步發(fā)電機(jī)的額定值

對(duì)于直流勵(lì)磁系統(tǒng)，還有額定勵(lì)磁電流IfN（A）、額定勵(lì)磁電壓UfN（V）。（8）額定轉(zhuǎn)速nN

發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位：r/min。其中（5－8）水輪發(fā)電機(jī)還有飛逸轉(zhuǎn)速、飛輪轉(zhuǎn)矩和短路比等參數(shù)：飛逸轉(zhuǎn)速：是在考慮發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求決定的。飛輪轉(zhuǎn)矩：是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量與飛輪直徑平方的乘積。短路比：是發(fā)電機(jī)在空載額定電壓時(shí)勵(lì)磁電流與三相穩(wěn)態(tài)短路額定電流時(shí)勵(lì)磁電流的比值。

空載特性、短路特性、負(fù)載特性則是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)基本性能的特性。

水輪同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性：空載特性、短路特性、負(fù)載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性等。

外特性和調(diào)節(jié)特性是主要運(yùn)行特性，根據(jù)這兩種特性，可以判斷發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，以便及時(shí)調(diào)整，確保電能的質(zhì)量。4．水輪同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

同步發(fā)電機(jī)不同功率因數(shù)時(shí)的外特性如圖5－12所示。

外特性是發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為額定值、勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變的條件下，發(fā)電機(jī)端電壓U和負(fù)載電流I之間的關(guān)系曲線U=f（I）。圖5－12同步發(fā)電機(jī)的外特性感性、純電阻負(fù)載：即I↑→U↓容性負(fù)載時(shí)：I↑→U↑感性負(fù)載：過勵(lì)狀態(tài)容性負(fù)載：欠勵(lì)狀態(tài)為使在不同功率因數(shù)條件下發(fā)電機(jī)工作于額定點(diǎn)：(1)外特性

調(diào)整特性是發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為額定值、勵(lì)磁電流和端電壓不變的條件下，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流If和負(fù)載電流I之間的關(guān)系曲線If=f（I）。圖5－13為同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性曲線。圖5－13同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性容性負(fù)載：I↑→If↓感性和純電阻性負(fù)載：I↑→If↑為維持端電壓不變：（2）調(diào)整特性小水電的新技術(shù)及其應(yīng)用：5.4小水電的新技術(shù)及其應(yīng)用

5.4.1概述１．采用新材料和新技術(shù)２．應(yīng)用高科技提高發(fā)電機(jī)的性價(jià)比３．箱式整裝小水電站的應(yīng)用５．采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控新技術(shù)

４．水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制其中以頻率及功率控制為主。水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)有：水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并列自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁、頻率和有功功率無功功率的補(bǔ)償輔機(jī)的自動(dòng)控制水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)操作，自動(dòng)保護(hù)等5.4.2水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)負(fù)載要求電能的電壓和頻率應(yīng)為額定值，波動(dòng)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(dòng)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(dòng)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。

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(duì)獨(dú)立，相互影響較小。

水輪發(fā)電機(jī)組頻率的控制由水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)端電壓的穩(wěn)定可由發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來完成式中TS——水輪機(jī)的動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和摩擦等制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N·m）；

J——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)方程式可以表示為(5－9)1）水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)原理

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輪發(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。水輪機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為（5－10）式中ρ——水的密度（kg/m3）。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(dòng)力轉(zhuǎn)矩TS時(shí)刻跟隨著TL的變化，使TS－TL=0。

由式（5－10）可見，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(dòng)機(jī)的進(jìn)水量，可達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本任務(wù)是：當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，原來的穩(wěn)定平衡被破壞，動(dòng)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(shí)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。頻率調(diào)節(jié)或頻率控制：2）頻率調(diào)節(jié)

電力系統(tǒng)的負(fù)荷是不斷變化的，而原動(dòng)機(jī)輸入功率的改變則較緩慢，因此系統(tǒng)中頻率的波動(dòng)是難免的。圖5－14電力系統(tǒng)負(fù)荷瞬時(shí)變動(dòng)情況電力系統(tǒng)負(fù)荷瞬時(shí)變動(dòng)情況如圖5－14所示。負(fù)荷的變動(dòng)情況分解成幾個(gè)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(dòng)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。

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(dòng)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(cè)的方法預(yù)先估計(jì)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。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7－15同步發(fā)電機(jī)組功率頻率特性

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，如圖5－15所示。3）有功功率調(diào)節(jié)式中K——頻率調(diào)差系數(shù)；Δf——頻率差，對(duì)應(yīng)有功功率ΔP時(shí)頻率相應(yīng)的增量（Hz）；ΔP——發(fā)電機(jī)有功功率增量（MW）；式中負(fù)號(hào)表示發(fā)電機(jī)輸出功率的變化和頻率變化符號(hào)相反。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（5－11）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（5－12）

發(fā)電機(jī)組功率—頻率特性的調(diào)差系數(shù)主要決定于調(diào)速器的靜態(tài)調(diào)節(jié)特性，與機(jī)組間有功功率的分配密切相關(guān)。

兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)其調(diào)差特性與機(jī)組間的有功功率的分配情況可用圖5－16來說明。

圖5－16兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行曲線①—1號(hào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性

曲線②—2號(hào)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(hào)機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷為P1，2號(hào)機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷為P2，于是有：P1十P2=ΣPL。

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(hào)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P1'，增加了ΔPl；2號(hào)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P2'，增加了ΔP2，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組增量之和等于ΔPL。

式（5－13）表明，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。

由式（5－12）可得（5－13）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。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

如圖5－17所示。因并網(wǎng)后有功功率調(diào)節(jié)的需要，其頻率必須是有差調(diào)節(jié)。圖5－17調(diào)節(jié)器的靜特性圖5－17中對(duì)應(yīng)接力器行程(0～100%)的頻差相對(duì)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4）調(diào)速器的靜特性現(xiàn)代水輪機(jī)的調(diào)速器（控制器）功能：3.水輪機(jī)調(diào)速器的總體結(jié)構(gòu)功率調(diào)節(jié)水輪機(jī)葉片開度調(diào)節(jié)起停機(jī)操作及工況轉(zhuǎn)換等功能不同，調(diào)速器的結(jié)構(gòu)也不盡相同。速度調(diào)節(jié)

采集各種外部信號(hào)（狀態(tài)和命令）實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)導(dǎo)葉開度Y的控制。

圖5－18電子式調(diào)速器總體結(jié)構(gòu)

a）模擬式綜合b）數(shù)字式綜合調(diào)速器的總體結(jié)構(gòu)主要有機(jī)械式和電子式兩種。電子式又分為模擬式和數(shù)字式，如圖5－18所示。

電子控制器的任務(wù)：n↑→脈沖頻率↑→頻率變送器輸出↑→經(jīng)信號(hào)整形和放大后，啟動(dòng)閥控→導(dǎo)葉開度↓→水輪機(jī)進(jìn)水量↓→原動(dòng)機(jī)輸入功率↓→n↓圖5－19為電子液壓式水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)原理示意圖。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(cè)量部分1)微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖5－20微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)4.水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

微機(jī)調(diào)速器組成的水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，由被控對(duì)象水輪發(fā)電機(jī)組、檢測(cè)部分、微機(jī)智能控制器、執(zhí)行器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖5－20所示。2)微機(jī)調(diào)節(jié)器的控制功能一套為自動(dòng)調(diào)節(jié)器，另一套為手動(dòng)調(diào)節(jié)器。正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)調(diào)節(jié)器，手動(dòng)調(diào)節(jié)器在自動(dòng)調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時(shí)備用。微機(jī)調(diào)節(jié)器除了轉(zhuǎn)速（頻率）控制外，一般還具備水輪機(jī)的開度調(diào)節(jié)、水位控制和發(fā)電機(jī)輸出有功功率的調(diào)節(jié)。微機(jī)調(diào)節(jié)器微機(jī)調(diào)節(jié)器一般由兩套調(diào)節(jié)器組成：3)微機(jī)調(diào)節(jié)器控制策略

由微機(jī)調(diào)節(jié)器組成的水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速(頻率)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制策略通過軟件來實(shí)現(xiàn)，各種控制方法目前有許多研究，但主要還是以數(shù)字PID控制方法為主，數(shù)字PID控制器是將連續(xù)域的PID控制器離散化得到的。

圖5－21為PID調(diào)節(jié)器的框圖，圖中r（t）為調(diào)節(jié)器的給定輸入信號(hào)，u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，e（t）為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，y（t）為系統(tǒng)的輸出。

圖5－21PID調(diào)節(jié)器框圖調(diào)節(jié)器的輸入和輸出之間的關(guān)系為式中

Kp——比例系數(shù)；

τi——積分時(shí)間常數(shù)；

τd——微分時(shí)間常數(shù)。

（5－14）其傳遞函數(shù)為（5－15）式中

Ki——積分系數(shù)，Ki=Kp/τi；

Kd——微分系數(shù)，Kd=Kpτd。對(duì)式（5－14）離散化，可得數(shù)字PID調(diào)節(jié)器為式中

T——采樣周期，為保證精度采樣周期應(yīng)可能短；

——采樣后的積分系數(shù)，

——采樣后的微分系數(shù)，u（kT）——第k次采樣周期的輸出量；e（kT）、e（kT－1）——分別為第k次、k－1次采樣周期的輸入誤差。（5－16）

式（5－16）稱為位置式PID，其特點(diǎn)是調(diào)節(jié)器的輸出u（kT）與過去的狀態(tài)有關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)算工作量大，需要對(duì)e（kT）作累加，從而產(chǎn)生誤差積累，影響控制系統(tǒng)的性能。

在水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速控制中，一般采用增量式PID，通過對(duì)式（5－16）取增量，可得數(shù)字式調(diào)節(jié)器的增量輸出為

（5－17）

PID調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得在水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速（調(diào)頻）控制中，誤差為式中

f*——給定頻率；

f——實(shí)測(cè)的頻率；

f0——基準(zhǔn)頻率，f0=50Hz。（5－18）（5－19）

為提高PID調(diào)節(jié)器的抗干擾能力，一般用實(shí)際微分環(huán)節(jié)取代理想微分環(huán)節(jié)，即用Kds/（1+τds）取代Kds，此外水輪機(jī)在并網(wǎng)前（空載時(shí)）按PID調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行頻率控制外，并網(wǎng)后需按穩(wěn)態(tài)（永態(tài)）轉(zhuǎn)差系數(shù)bp作頻率的有差調(diào)節(jié)，此時(shí)式（5－14）中的積分項(xiàng)用下式代替式中bp——永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；

Y*——接力器的行程給定；

Y——接力器的實(shí)際行程。（5－20）因此，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

（5－21）

式（5－17）中增量的積分項(xiàng)可表達(dá)為式（5－17）中增量的微分項(xiàng)可表達(dá)為

（5－22）；。式中可以推導(dǎo)出水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)器實(shí)用的增量型PID控制算式

（5－23）

圖5－22為帶電液隨動(dòng)系統(tǒng)的增量式數(shù)字PID微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的原理圖，圖中步進(jìn)電機(jī)與機(jī)液隨動(dòng)系統(tǒng)組成數(shù)字式電液隨動(dòng)系統(tǒng)。圖5－22增量式數(shù)字PID微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的原理圖4)微機(jī)調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理框圖

由PLC組成的微機(jī)調(diào)速器其頻率的測(cè)量一般由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，圖5－23為由單片機(jī)80C51組成的智能測(cè)頻單元。圖5－23單片機(jī)測(cè)頻原理框圖5)智能測(cè)頻單元6)微機(jī)調(diào)速器的三種調(diào)節(jié)模式及其轉(zhuǎn)換微機(jī)調(diào)速器有頻率調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)和水輪機(jī)開度調(diào)節(jié)三種調(diào)節(jié)模式。不同的工況下，微機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式不同：空載狀態(tài)下只能是頻率模式；并網(wǎng)后如調(diào)度中心要求機(jī)組擔(dān)任調(diào)頻任務(wù)，則調(diào)速器必須處于頻率調(diào)節(jié)模式；如果調(diào)度中心要求機(jī)組擔(dān)任額定負(fù)載調(diào)節(jié)，則調(diào)速器可處于功率調(diào)節(jié)或開度調(diào)節(jié)模式下運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)組處于空載運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器在自動(dòng)工況，頻率跟蹤功能退出，此時(shí)頻率給定為f*，頻率反饋為f，控制策略一般為PID控制。其調(diào)節(jié)框圖如圖5－24所示。

圖5－24頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)原理圖1)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)（1）頻率調(diào)節(jié)與跟蹤

當(dāng)投入頻率跟蹤功能時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)地將網(wǎng)頻作為頻率給定，與頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)過程一樣，在調(diào)節(jié)過程終了時(shí)，機(jī)頻與網(wǎng)頻相等，實(shí)現(xiàn)機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率的功能。2）頻率跟蹤3）相位控制

調(diào)速器處于頻率跟蹤方式運(yùn)行時(shí)，即使機(jī)組頻率等于電網(wǎng)頻率，但由于可能存在相位差，也不能使機(jī)組快速并網(wǎng)。為此增加相位控制功能，這時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖5－25所示。5－25具有相位控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

圖5－26功率調(diào)節(jié)原理框圖（2）功率調(diào)節(jié)

并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)的調(diào)速器受電網(wǎng)頻率及功率給定值控制。功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)原理如圖5—26所示。

機(jī)組并網(wǎng)前bp＝0，并網(wǎng)后，頻率給定自動(dòng)整定為50Hz，bp置整定值，實(shí)現(xiàn)有差調(diào)節(jié)；同時(shí)切除微分作用，采用PI控制，并投入人工失靈區(qū)。當(dāng)調(diào)速器處于水位調(diào)節(jié)運(yùn)行方式時(shí)，發(fā)電狀態(tài)下的調(diào)速器按水位給定值采用PI控制，如圖7－27所示。圖7－27水位控制原理圖(3)水位（開度）調(diào)節(jié)三種調(diào)節(jié)模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖7－28。圖5－28微機(jī)調(diào)速器的三種調(diào)節(jié)模式及其轉(zhuǎn)換

水輪同步發(fā)電機(jī)在實(shí)現(xiàn)水能向電能轉(zhuǎn)換的過程中，借助于勵(lì)磁系統(tǒng)中的直流電流建立的磁場(chǎng)作為媒介，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和輸出交流電流。勵(lì)磁電流不僅影響其能量的轉(zhuǎn)換，而且對(duì)輸出電能的質(zhì)量影響很大。通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)與控制，可穩(wěn)定輸出電壓、實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。5.4.3同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)

1.同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)的組成及任務(wù)

同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元、檢測(cè)部分和同步發(fā)電機(jī)組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，如圖5－29所示。圖7－29同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成框圖1)同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)的基本組成2)同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)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）水輪發(fā)電機(jī)組要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁

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(shí)必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。圖7－30為隱極同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)（不計(jì)電阻壓降）的相量圖。圖7－30同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)相量圖（1）電壓的調(diào)節(jié)---發(fā)電機(jī)定子繞組中由勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；---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）。由圖7－30可得

（7－24）和之間的數(shù)量關(guān)系為一般很小，可以近似認(rèn)為cos≈1，

（7－25）于是，上式可簡化為結(jié)論：由式（5－25）可見，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流不變，即空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eq不變時(shí)，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(lì)磁電流。同理，無功電流減小時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓將增大，必須減小勵(lì)磁電流。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來維持發(fā)電機(jī)輸出電壓為給定水平。

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(lì)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（2）無功功率的調(diào)節(jié)

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(lì)磁電流無關(guān)，所以勵(lì)磁電流變化時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率ＰG均不變，即

式中

C1——常數(shù)。（5－26）不計(jì)定子電阻和凸極效應(yīng)時(shí)，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)。（5－27）由上面兩式可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)的有功功率不變而勵(lì)磁電流變化時(shí)，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(lì)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。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(lì)磁電流可以改變發(fā)電機(jī)無功功率的數(shù)值。

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，如圖5－32所示。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（3）并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)之間無功功率的合理分配

當(dāng)兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：它們發(fā)出的無功功率、即

（5－28）、發(fā)電機(jī)的端電壓都等于母線電壓之和必須與母線中總無功電流

當(dāng)電網(wǎng)需要的無功電流增大時(shí)，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。，電流值相等，結(jié)論：電網(wǎng)需要的無功電流↑→U↓→＜電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定都與勵(lì)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(shí)低電壓時(shí)．勵(lì)磁自動(dòng)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(lì)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(shí)，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）水輪發(fā)電機(jī)組要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁

水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁功率單元共同完成，因此對(duì)兩者各自提出如下的要求：3)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求（1）對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求（2）對(duì)勵(lì)磁功率單元的要求4)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律有比例式（P）、比例積分式（PI）及比例積分微分式（PID）。比例式是按發(fā)電機(jī)電壓及電流的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。比例積分式除按比例式調(diào)節(jié)外，尚有積分部分，可提高調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度。比例積分微分式除按比例調(diào)節(jié)外，還引入電壓、電流的導(dǎo)數(shù)或轉(zhuǎn)速頻率等信號(hào)，以改善電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)有直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)三大類。

直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中采用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的勵(lì)磁電流。直流機(jī)勵(lì)磁方式又可分為自勵(lì)式和它勵(lì)式。2.同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)１)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

圖中直流發(fā)電機(jī)LG本身的勵(lì)磁電流通過自勵(lì)方式獲得。其勵(lì)磁繞組LLQ與直流發(fā)電機(jī)電樞繞組并聯(lián)，直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電提供給同步發(fā)電機(jī)G的勵(lì)磁繞組FLQ，TV為變壓器。TA為電流互感器。圖5－33自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖圖5－33為自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖。圖5－34為他勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖。圖5－34他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖

它是在自勵(lì)系統(tǒng)中增加副勵(lì)磁機(jī)，用來供給勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，副勵(lì)磁機(jī)FL為主勵(lì)磁機(jī)JL的勵(lì)磁機(jī)，副勵(lì)磁機(jī)與主勵(lì)磁機(jī)均與發(fā)電機(jī)同軸。２)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的核心設(shè)備是交流勵(lì)磁機(jī)，交流勵(lì)磁機(jī)容量相對(duì)較小，只占同步發(fā)電機(jī)容量的0.3～0.5，且時(shí)間常數(shù)也較小（即響應(yīng)速度快）。交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)也有他勵(lì)方式和自勵(lì)方式兩種。交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)是采用專門的交流勵(lì)磁機(jī)代替了直流勵(lì)磁機(jī)，并與發(fā)電機(jī)同軸。它運(yùn)行發(fā)出的交流電，經(jīng)整流電路后變成直流，供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。

自并勵(lì)系統(tǒng)中，因沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故又稱靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，如圖5－35所示。圖5－35發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)框圖３)發(fā)電機(jī)自并勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)（靜止勵(lì)磁系統(tǒng)）無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，如下圖5－36所示。圖5－36無刷勵(lì)磁系統(tǒng)框圖4)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)

同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，其基本原理如圖5－37所示。

圖5－37自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)基本原理框圖3.晶閘管同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)

典型的晶閘管自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的框圖如圖5－38所示。它是由測(cè)量、放大、同步、觸發(fā)、反饋、調(diào)差、起勵(lì)及輔助（穩(wěn)定、限制）等單元組成。圖5－38典型的晶閘管自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的框圖4.微機(jī)同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)微機(jī)(數(shù)字)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器其構(gòu)成的主要環(huán)節(jié)與模擬型調(diào)節(jié)器相似微機(jī)型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是由一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件(即電氣元件)和軟件(即程序)兩部分組成硬件的基本配置為主機(jī)、輸入、輸出接口和輸入、輸出過程通道等環(huán)節(jié)組成。它的典型框圖如圖5—39所示。圖5－39典型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器框圖1)硬件電路微機(jī)同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)(1)主機(jī)由微處理器CPU、RAM、ROM存儲(chǔ)器等組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的控制。(2)模擬量輸入通道輸入的模擬量主要有測(cè)量出的發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓UG、無功功率Q、有功功率P和勵(lì)磁電流IE等。(3)開關(guān)量輸入、輸出通道開關(guān)量輸入主要有發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信息，如斷路器、滅磁開關(guān)等的狀態(tài)信息。(4)脈沖輸出通道輸出的控制脈沖信號(hào)需經(jīng)中間和末級(jí)放大后，才能觸發(fā)大功率晶閘管控制其輸出電流。

微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和限制及控制等功能都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖如圖5－40所示。微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。圖5－40微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖2)軟件結(jié)構(gòu)交流信號(hào)的采樣中斷服務(wù)子程序，流程圖如圖5—41所示；觸發(fā)脈沖軟件分相和輸出電壓測(cè)頻中斷服務(wù)子程序，流程圖如圖5—42所示。中斷服務(wù)子程序圖5－41采樣中斷服務(wù)子程序流程圖

圖5－42觸發(fā)脈沖及電壓測(cè)頻中斷服務(wù)子程序流程圖5.4.4無功功率補(bǔ)償技術(shù)及裝置在電力系統(tǒng)中電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，由前面的分析可知，無功功率是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素。可以說，電壓問題本質(zhì)上就是無功功率問題。因此解決好無功功率補(bǔ)償問題，具有十分重要的意義。1．無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?1)減少電力損失一般工廠動(dòng)力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況，其電力損耗約2%～3%左右，使用無功功率補(bǔ)償后提高了功率因數(shù)，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。(2)改善供電品質(zhì)提高功率因數(shù)，減少負(fù)載總電流及電壓降，提高供電設(shè)備容量的利用率。(3)延長設(shè)備壽命改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近或已經(jīng)飽和的變壓器、開關(guān)等機(jī)器設(shè)備和線路容量負(fù)荷降低，因此可以降低溫升增加壽命。

（5－29）—電源提供的無功功率，包括由發(fā)電機(jī)提供的無功功率和無功功率補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無功功率；—感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷所需的無功功率；—輸電設(shè)備（包括輸配電變壓器、輸電線路等）引起的無功功率損耗。式中

電網(wǎng)中無功功率電源所發(fā)出無功功率必須與無功功率負(fù)荷及無功功率損耗相平衡，即2．電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓的關(guān)系

（１）補(bǔ)償容量不足時(shí)的無功功率平衡圖5－43系統(tǒng)負(fù)荷無功功率一電壓特性

負(fù)荷無功功率―電壓特性可以用圖5－43所示的二次曲線表示。進(jìn)行系統(tǒng)無功功率平衡的前提是保持系統(tǒng)的電壓水平正常。正常情況下，U=UN無功功率↓→U↓在正常情況下(系統(tǒng)電壓為額定電壓)，系統(tǒng)無功電源Q同電壓U的關(guān)系如圖7－44中的曲線１所示，負(fù)荷的無功電壓特性為曲線2，兩者的交點(diǎn)a確定了負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓Ua。圖7－44電力系統(tǒng)和無功功率電壓的靜態(tài)特性正常情況下，U=UaQ↑→曲線2→2ˊ，無功電源不變→U=Ua′U↓Q↑→無功電源↑→U=Ua(2)補(bǔ)償容量充足時(shí)的無功功率平衡3．無功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?1)低壓個(gè)別補(bǔ)償(2)低壓集中補(bǔ)償(3)高壓集中補(bǔ)償4．電力系統(tǒng)的無功電源電力系統(tǒng)的無功電源除了同步電機(jī)外，還有靜止電容器、靜止無功補(bǔ)償器以及靜止無功發(fā)生器，這4種裝置又稱為無功補(bǔ)償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無功功率又能吸收感性無功功率。同步電機(jī)中有同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)和同步調(diào)相機(jī)三種。1）同步發(fā)電機(jī)

同步發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以發(fā)出無功功率:式中，Q、S、P、分別是無功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。(5－30)2）同步調(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)是空載運(yùn)行的同步電機(jī)，可視為不帶有功負(fù)荷的同步發(fā)電機(jī)或是不帶機(jī)械負(fù)荷的同步電動(dòng)機(jī)。(1)同步電機(jī)電容器所輸出的無功功率Qc與其端電壓U的平方成正比，即式中

Xc——電容器容抗。

（5－31）

由式(5—31)可知，當(dāng)電容器安裝處節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，其所提供給電力系統(tǒng)的無功功率也將減少，而此時(shí)正是電力系統(tǒng)需要無功功率電源的時(shí)候，這是其不足之處。（2）并聯(lián)電容器

圖5－45TCR的基本原理圖a）基本原理圖

b）電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)

c）三相TCR的基本結(jié)構(gòu)

靜止補(bǔ)償器是一種動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。有兩種基本結(jié)構(gòu)型式的SVC：晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。圖5－45為TCR的基本原理圖。（3）靜止無功補(bǔ)償器（SVC）

晶閘管投切電容器（TSC）是由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成靜態(tài)開關(guān)與電容串聯(lián)組成，其單相結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)原理圖如圖5－46所示。圖5－46TSC單機(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)原理圖a)TSC單機(jī)結(jié)構(gòu)b)TSC控制系統(tǒng)

靜止無功發(fā)生器（SVG）的主體是一個(gè)電壓源型逆變器，通過對(duì)可關(guān)斷晶閘管進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐〝嗫刂疲蛊涮幱谌菪浴⒏行曰蛄阖?fù)荷狀態(tài)。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖5－47所示。圖5－47靜止無功發(fā)生器（SVG）的基本結(jié)構(gòu)（4）靜止無功發(fā)生器（SVG）靜止無功發(fā)生器（SVG）的等效電路及其工作原理如圖5－48所示。圖5－48靜止無功發(fā)生器（SVG）的等效電路及其工作原理a)單相電路b)相量圖——電網(wǎng)電壓——SVG輸出的交流電壓，——連接電抗器的電壓。

的大小來控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前90o或滯后90o，同時(shí)可以控制電流的大小。由5．無功功率補(bǔ)償策略無功功率補(bǔ)償策略目前可分為三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)兩種。三相共補(bǔ)是根據(jù)三相總的無功需求來投切電容器組，電容器接法為三角形。三相共補(bǔ)適用于三相負(fù)載較平衡的場(chǎng)合。三相分補(bǔ)則是根據(jù)每相各自的無功需求投切電容器組，電容器接法為星形。三相分補(bǔ)用于三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合。把三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)相結(jié)合，便實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償綜合方案－－混補(bǔ)，可以用于任何負(fù)載。6．微機(jī)無功功率補(bǔ)償控制器靜止無功補(bǔ)償器（SVC）的控制器是無功補(bǔ)償裝置的指揮系統(tǒng)，目前一般由單片機(jī)、PLC、DSP等微機(jī)控制。無功功率補(bǔ)償控制器有三種采樣方式，功率因數(shù)型、無功功率型、無功電流型。采樣方式不同，無功功率補(bǔ)償控制器不同。主要有功率因數(shù)型控制器和無功電流（無功功率）型控制器兩種。

圖5－49為無功功率補(bǔ)償原理圖。圖中電壓電流互感器組檢測(cè)出的電壓和電流等參數(shù)，送入檢測(cè)控制器中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出應(yīng)該投入的電容容量，然后在電容組合方式中選出一種最接近但又不會(huì)過補(bǔ)償?shù)慕M合方式，電容器投切一次到位。圖5－49無功功率補(bǔ)償原理圖

圖5－50為采用DSP組成的靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由DSP基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、補(bǔ)償電容器投切單元三個(gè)部分組成。圖5－50由DSP組成的靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)5.4.5水輪同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)1.概述由于水電廠的調(diào)節(jié)性能好、調(diào)節(jié)速度快，一般情況下由水電廠承擔(dān)電力系統(tǒng)中峰荷和備用機(jī)組。水輪同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方法可分為準(zhǔn)同步（準(zhǔn)同期）并網(wǎng)和自同步（自同期）并網(wǎng)兩種。一般采用準(zhǔn)同步并網(wǎng)方法將發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行。準(zhǔn)同步并網(wǎng):設(shè)待并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組G已經(jīng)加上了勵(lì)磁電流，調(diào)節(jié)待G的電壓，使之符合并網(wǎng)條件并將發(fā)電并入系統(tǒng)的操作。準(zhǔn)同步并網(wǎng)條件：要求并網(wǎng)發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓的波形、頻率、幅值、相位及相序相同。圖5－51同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)a）電路示意圖b）相量圖c）等值電路圖并列斷路器合閘之前．QF兩側(cè)電壓的狀態(tài)量一般不相等，通過對(duì)發(fā)電機(jī)組G進(jìn)行控制使它符合并網(wǎng)條件，然后發(fā)出QF的合閘信號(hào)，使發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。QF另一側(cè)為電網(wǎng)電壓在圖5－51b中，斷路器QF兩端的電位差=當(dāng)符合準(zhǔn)同步并網(wǎng)條件時(shí)，=0，這時(shí)并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流為零，對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)最小。圖中QF為并列斷路器，

電壓幅值差Us產(chǎn)生的沖擊電流主要為無功沖擊電流，若其他準(zhǔn)同步并網(wǎng)條件滿足，只有并網(wǎng)點(diǎn)兩端電壓的大小不相同，合閘時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流的最大值可用下式近似計(jì)算式中

I0max——并網(wǎng)時(shí)沖擊電流最大值；

Xd"——待并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)的縱軸次暫態(tài)電抗。

（5－32）

一般要求沖擊電流不超過發(fā)電機(jī)機(jī)端短路電流的0.05～0.1倍，準(zhǔn)同步并網(wǎng)時(shí)偏差電壓US不能超過額定電壓的5％～10％，盡量避免無功沖擊電流。（１）電壓允許偏差

實(shí)際運(yùn)行中待并發(fā)電機(jī)組除相序必須與電網(wǎng)嚴(yán)格相同外，頻率、幅值、相位允許有一定的偏差。

如果電壓、頻率相同，只有合閘瞬間相位不同，當(dāng)相位差δc較小時(shí)，由其引起的沖擊電流主要為有功電流，其最大值近似為

（7－33）

并網(wǎng)時(shí)，若相位差δc增大，沖擊電流也增大。根據(jù)沖擊電流不超過發(fā)電機(jī)機(jī)端短路電流的0.1倍的要求，合閘時(shí)相位差一般不超過10?。式中Xq"——待并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)的交軸次暫態(tài)電抗。（２）相位允許偏差

發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的頻率差稱為轉(zhuǎn)差頻率。頻率不相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電流，脈動(dòng)電流將產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而引起剛并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)軸振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能使發(fā)電機(jī)失去同步。要求待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的頻率差不超過0.1～0.25Hz。（３）頻率允許偏差

為了使待并發(fā)電機(jī)組滿足并網(wǎng)條件，自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置一般設(shè)置三個(gè)控制單元。1）自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置的組成2.自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置

(2)電壓差控制單元

(3)合閘信號(hào)控制單元（1）頻率差控制單元

圖5—52為典型自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖，由圖中可見自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置主要由頻差控制單元，壓差控制單元，合閘信號(hào)控制單元和電源部分等組成。圖5—52典型自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖

在準(zhǔn)同步并網(wǎng)操作中，合閘信號(hào)控制單元是準(zhǔn)同步并網(wǎng)裝置的核心部件，其控制原則是在頻率和電壓都滿足并列的條件下，在和重合之前發(fā)出合閘信號(hào)，該合閘信號(hào)稱為提前圖5－53準(zhǔn)同步并網(wǎng)合閘信號(hào)控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖量信號(hào)，圖5－53為準(zhǔn)同步并網(wǎng)合閘信號(hào)控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖。圖5－54微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖

微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置是以微處理器(CPU)為核心的一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其硬件的基本配置由主機(jī)，輸入、輸出接口和輸入、輸出過程通道等部件組成。構(gòu)成框圖如圖5－54所示。2．微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置(1)主機(jī)主機(jī)由微處理器(CPU)、存貯器(RAM、ROM)等組成。（2）輸入通道輸入通道按發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件，分別從發(fā)電機(jī)和母線電壓互感器二次側(cè)交流電壓信號(hào)中提取電壓幅值、頻率和相角差等三種信息，作為并網(wǎng)操作的依據(jù)。

最簡單的辦法是采用變送器，將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，通過A/D接口電路送入主機(jī)，CPU讀得發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓值后，由軟件判斷是否符合并網(wǎng)的條件，如圖5－55所示。圖5－55交流電壓幅值的測(cè)

1）交流電壓幅值測(cè)量

頻率測(cè)量的基本方法是測(cè)量交流信號(hào)波形的周期T，交流電壓正弦信號(hào)通過降壓濾波后轉(zhuǎn)換為方波，再經(jīng)二分頻后輸入微機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)接口電路，它的半波時(shí)間即為交流電壓的周期T，如圖5－56所示。圖5－56交流電壓頻率的測(cè)量2）頻率測(cè)量

相角差δc的測(cè)量方法有幾種，其中一種方法是將交流電壓uM、uG信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻、同相的方波后接到異或門中，當(dāng)兩個(gè)方波輸入電平不同時(shí)，異或門的輸出為高電平，此電平信號(hào)用于控制可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間，其計(jì)數(shù)值與相角差相對(duì)應(yīng)，如圖5－57所示。圖5－57相角δc的測(cè)量3）相角差δc的測(cè)量輸出通道輸出的控制信號(hào)有：

這些控制信號(hào)可由并行接口電路輸出，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)繼電器，通過觸點(diǎn)控制相應(yīng)的電路。（3）輸出通道發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的增速減速信號(hào)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的升壓、降壓信號(hào)并網(wǎng)斷路器合閘脈沖控制信號(hào)。（4）人一機(jī)聯(lián)系人一機(jī)聯(lián)系屬常規(guī)外部設(shè)備。其配置則視具體情況而定。主要用于程序調(diào)試、設(shè)置或修改參數(shù)。在裝置運(yùn)行時(shí)，用于顯示發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程中主要變量，如相角差，頻率差、電壓差的大小和方向以及調(diào)速、調(diào)壓的情況。為運(yùn)行操作人員監(jiān)視裝置的運(yùn)行提供方便。常用的設(shè)備有鍵盤、按鈕和CRT顯示器等。5.5小水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與SCADA系統(tǒng)

5.5.1小水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)用于小型水電站的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)，可對(duì)水電站實(shí)行遙測(cè)、遙信、遙調(diào)和遙控，使水電站運(yùn)行實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)少人或無人值班，提高了電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。小型水電站一般用于滿足本地區(qū)負(fù)荷所需，單機(jī)容量小，機(jī)組事故停機(jī)對(duì)系統(tǒng)的影響較小。此類電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)本著安全經(jīng)濟(jì)的原則，根據(jù)小型水電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，尋求適合小型水電站的模式。小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式一般有4種基本形式：

1.小水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的類型

目前大部分小水電站采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、常規(guī)設(shè)備為輔的CBSC方式或全計(jì)算機(jī)監(jiān)控的SCADA方式。以常規(guī)控制裝置為主，計(jì)算機(jī)監(jiān)控為輔的方式，簡稱CASC方式；簡單的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與常規(guī)控制裝置雙重設(shè)置方式，簡稱CCSC方式；以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、常規(guī)設(shè)備為輔的CBSC方式；融合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與數(shù)字監(jiān)控為一體的全計(jì)算機(jī)監(jiān)控SCADA方式。

小水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般都是按“無人值班”或“少人值班”設(shè)計(jì)的，其功能主要包括：2

.

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)的采集預(yù)處理機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)記錄與打印機(jī)組的正常自動(dòng)化操作機(jī)組的機(jī)械保護(hù)與電氣保護(hù)有功和無功的自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）自動(dòng)電壓控制（AVC）輔助設(shè)備的自動(dòng)控制等功能。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。集中式監(jiān)控系統(tǒng)功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)

目前機(jī)組臺(tái)數(shù)較少、控制功能簡單的總?cè)萘繛?000kW及以下的小型水電站多采用集中監(jiān)控系統(tǒng)。總裝機(jī)容量大于2000kW的小型水電站多采用分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。１）集中式監(jiān)控系統(tǒng)

集中式監(jiān)控系統(tǒng)是全廠只設(shè)置一臺(tái)或二臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)水電廠進(jìn)行集中監(jiān)視、控制。3.

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)２）分散式監(jiān)控系統(tǒng)分散式監(jiān)控系統(tǒng)是指以功能分散為主要特征，使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載分散、危險(xiǎn)分散、功能分散、地域分散，就水電廠生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的功能而言，主要是數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)節(jié)和事件記錄等功能，因此可以按照這些功能設(shè)立多套相應(yīng)的設(shè)備，獨(dú)立完成各自的功能。分布式監(jiān)控系統(tǒng)是指以控制對(duì)象分散為主要特征。３）分布式監(jiān)控系統(tǒng)其控制在物理上一般分為兩層：一是對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行集中控制的部分，稱之為廠級(jí)或主控級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)；另一部分是位于水輪發(fā)電機(jī)層、開關(guān)站等設(shè)備附近的控制部分，稱為現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的主要組成部分就是現(xiàn)場(chǎng)控制單元LCU（LocalControlUnit），兩層之間通過以太網(wǎng)連接。

分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5－58所示。主要由電站控制層（控制室）、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制層兩大部分組成。圖5－58分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖4.

分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)電站控制層即上位機(jī)系統(tǒng)主要硬件一般包括：

小型水電站主控級(jí)通常采用單機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)兼作操作員工作站。目前主機(jī)一般選用工業(yè)控制用微機(jī)。1)電站控制層（主控級(jí)）1～2臺(tái)主計(jì)算機(jī)操作員工作站和工程師工作站（兼培訓(xùn)工作站）外圍設(shè)備等主控層的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集和處理監(jiān)視和控制自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）自動(dòng)電壓控制（AVC）記錄和打印通訊控制電站運(yùn)行管理系統(tǒng)診斷軟件開發(fā)，模擬培訓(xùn)等。（1）數(shù)據(jù)采集與處理功能數(shù)據(jù)采集主要是采集各控制單元上送的操作和事件數(shù)據(jù)，包括電氣量、模擬量、狀態(tài)量、溫度量以及脈沖量，并存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，用于畫面更新、控制調(diào)節(jié)、趨勢(shì)分析、記錄打印、操作指導(dǎo)及事故記錄和分析；數(shù)據(jù)處理功能是對(duì)模擬量、狀態(tài)量、脈沖量、事件順序數(shù)據(jù)處理、主要參數(shù)趨勢(shì)分析處理、事故追憶以及相關(guān)量記錄處理。

(2)監(jiān)視與控制功能主控級(jí)對(duì)電站主要運(yùn)行參數(shù)及事故、故障狀態(tài)，以數(shù)字、文字、圖形、表格、曲線等形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，并在主計(jì)算機(jī)CRT上顯示；主控級(jí)的控制由值班人員通過CRT、鍵盤、鼠標(biāo)等，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

(3)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）功能AGC功能是根據(jù)給定的運(yùn)行方式，如調(diào)功方式、負(fù)荷曲線方式、調(diào)頻方式等，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)頻率，全站總功率給定值等，按全站發(fā)電總耗水量最小的優(yōu)化準(zhǔn)則，避開機(jī)組振動(dòng)、氣蝕等約束條件．確定本站的最佳開機(jī)臺(tái)數(shù)、開停機(jī)順序以及機(jī)組間負(fù)荷的優(yōu)化分配，進(jìn)行機(jī)組的自動(dòng)開停機(jī)控制或負(fù)荷調(diào)整。(4)自動(dòng)電壓控制(AVC)功能AVC功能是根據(jù)給定的高壓母線電壓控制曲線，監(jiān)視高壓母線電壓變化，合理分配機(jī)組間的無功功率，經(jīng)機(jī)組控制單元調(diào)節(jié)機(jī)組勵(lì)磁，使電站高壓母線電壓維持在給定的范圍內(nèi)。(5)模擬培訓(xùn)功能利用工程師工作站（兼培訓(xùn)工作站），進(jìn)行值班操作人員的模擬操作培訓(xùn)、維護(hù)培訓(xùn)、軟件開發(fā)培訓(xùn)以及管理培訓(xùn)。2)現(xiàn)場(chǎng)控制層現(xiàn)場(chǎng)控制層由一系列水電站綜合自動(dòng)化裝置組成，包括機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制單元、開關(guān)站及公用設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制單元、微機(jī)保護(hù)測(cè)控單元、輔機(jī)控制單元。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一套現(xiàn)場(chǎng)控制單元(LCU)，全站公用設(shè)備設(shè)置一套現(xiàn)場(chǎng)控制單元(LCU)，開關(guān)站也設(shè)置一套現(xiàn)場(chǎng)控制單元(LCU)。目前現(xiàn)場(chǎng)單元的結(jié)構(gòu)普遍采用工業(yè)控制級(jí)（IPC）+可編程控制器（PLC）+自動(dòng)化裝置的形式或可編程控制器（PLC）+自動(dòng)化裝置的形式。現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的功能主要是：數(shù)據(jù)采集與處理安全運(yùn)行監(jiān)視控制與調(diào)節(jié)歷史事件順序記錄通信及自診斷等功能（1）數(shù)據(jù)采集和處理LCU每隔一定時(shí)間間隔采集一次被監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)或狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)或狀態(tài)，可以在中心站查詢時(shí)即時(shí)發(fā)送，也可將采集的數(shù)據(jù)或狀態(tài)與正常值或原狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行比較后作出相應(yīng)的處理(如報(bào)警、報(bào)警解除或求平均值等)。（2）安全運(yùn)行監(jiān)視狀態(tài)變化監(jiān)視越限檢查報(bào)警過程監(jiān)視趨勢(shì)分析等。LCU根據(jù)上位機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)接口下達(dá)的命令，可進(jìn)行：(3)控制與調(diào)節(jié)機(jī)組開停機(jī)順序控制緊急事故時(shí)的停機(jī)控制事故復(fù)歸處理根據(jù)給定值進(jìn)行機(jī)組的有功功率、無功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制(4)歷史事件順序記錄(5)通信(6)自診斷和自恢復(fù)（7）自動(dòng)同步并網(wǎng)5.計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求１．系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性２．系統(tǒng)的高可靠性３．系統(tǒng)的易維護(hù)性４．系統(tǒng)的安全性5.5.2數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)SCADA監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SupervisoryControlAndDataAcquisition）簡稱SCADA系統(tǒng)，又稱計(jì)算機(jī)四遙（遙調(diào)、遙控、遙測(cè)、遙信）系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，其技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和傳感技術(shù)。將SCADA技術(shù)應(yīng)用于小水電站，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電與調(diào)度的完全自動(dòng)化。1．SCADA系統(tǒng)的組成及主要功能目前的SCADA系統(tǒng)一般采用分散式測(cè)控、集中式管理的方式，整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個(gè)分散的遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU（RemoteTerminalUnit）和通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。(1)監(jiān)控中心

監(jiān)控中心又稱主站或操作站，是SCADA系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)監(jiān)控、管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。(2)遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTURTU又稱外圍站點(diǎn)，是采用微處理器、PLC或DSP的可獨(dú)立運(yùn)行的智能測(cè)控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及與遠(yuǎn)程控制中心的通信，具有易擴(kuò)展性和易維護(hù)性特點(diǎn)。RTU的主要配置有CPU模塊、I/O（輸入/輸出）模塊、通信接口單元，以及通信機(jī)、天線、電源、機(jī)箱等輔助設(shè)備。(3)通信網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)主要用于RTU與操作站或與其他RTU之間的通信。SCADA系統(tǒng)的發(fā)展共經(jīng)歷了三代：2．SCADA系統(tǒng)的發(fā)展第一代是基于專用計(jì)算機(jī)和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。第二代是基于通用計(jì)算機(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其他計(jì)算機(jī)以及其他通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。第一代與第二代SCADA系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基于集中式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)維護(hù)，升級(jí)以及與其他聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難。目前，國外的SCADA軟件已經(jīng)發(fā)展到第三代，主要特征是采用互聯(lián)網(wǎng)、基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。小水電有跨水利與電力兩個(gè)行業(yè)的特殊性：5.6