电力系统自动调节装置原理自学指导书

《电力系统自动调节装置原理》自学指导书

一、课程编码及适用专业 课程编码： 总学时：74 面授学时：28 自学学时：46

适用专业 ：电气工程及自动化专业 二、课程性质、目的和要求

《 电力系统自动调节装置原理》是电气工程及其自动化专业的主干课程。本课程的目的是要求学生系统地掌握同步发电机准同期并列装置的构成、基本原理；同步发电机的自动励磁控制系统的构成、基本原理，掌握同步发电机励磁调节器静态特性的调整和并联运行同步发电机无功功率的分配；掌握电力系统频率及有功功率的自动调节和经济分配；掌握调差特性与发电机组间有功功率分配的关系；掌握等微增率的概念和等微增率分配负荷的基本概念；掌握低频继电器的构成原理和电力系统频率静态特性；了解电力系统调频方式与准则。掌握各种自动装置的整定计算。

三、本课程与其他课程的关系

本课程必须在讲授过《电路》、《数字电路》、《模拟电路》、《电机学》、《电力系统》、《发电厂电气部分》及《电力系统继电保护》等课程的基础上开设。 四、本课程学习的重点

本课程的重点是同步发电机自动并列的意义，准同期并列、自同期并列和非同期并列的概 念。准同期并列的基本原理。自同期并列装置的构成原理和框图，滑差角频率的概念，线性整 步电压的形成。同步发电机励磁控制系统的任务，对励磁自动控制系统的基本要求，同步发电 机励磁系统的种类，励磁系统的可控硅整流电路，励磁调节器的基本特性与框图，相位复式励 磁的特点，半导体励磁调节器的构成及工作原理，励磁调节器静态特性的调整。并列运行发电 机组间无功功率的分配，励磁自动控制系统的动态特性的主要性能指标。电力系统频率及有功 功率的自动调节，电力系统负荷的功率频率特性，发电机的功率频率特性，调差特性与机组间 有功功率分配的关系；低频继电器的构成原理和整定计算。

五、自学内容与指导

绪论

了解电能在生产、传输和分配过程中遵循功率平衡的原则。电力系统自动控制的划分：电力

系统自动监控和控制，其主要任务是提高电力系统的安全，经济运行水平；电厂动力机械自动控制，电厂动力机械随电厂类型不同而有很大差别，如水电厂、火电厂、核电厂等。现在新建的200MW 以上气轮发电机组，需要配置专用计算机进行监控；电力系统自动装置；发电厂、变电所电气主接线设备运行的控制与操作的自动装置，是直接为电力系统安全、经济和保证电能质量服务的基础自动化设备。

第一章 同步发电机的自动并列

（一）本章重点

同步发电机并列的意义、种类和方法，压差和频差检测环节的基本原理和装置构成，同步发电机的并列的条件、恒定越前时间、恒定越前相角的形成、线性整步电压的形成，自动准同期并列装置的构成原理。

（二）本章难点

本章的难点是恒定越前时间、恒定越前相角的形成、线性整步电压的形成。 （三）本章考点

1. 同步发电机并列的条件，准同期并列、自同期并列及滑差角频率的概念。 2. 恒定越前时间、恒定越前相角的形成及计算。 3. 线性整步电压的形成。 4．滑差角频率的计算。 （四）自学指导 §1-1 概述

同步发电机并列的意义，发电机在投入电力系统运行之前，它的电压与系统并列母线的状态变量往往不相等，须对发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才，才允许断路器合闸并网运行，这一系列操作称为并列操作。并列的条件为电压差、频率差和相角差都不超过允许值。并列的种类有准同期并列、自同期并列和非同期并列。

§1-2 准同期并列装置的基本原理

准同期并列装置的基本原理和构成；脉动电压的形成，滑差角频率的概念。自动准同期并列装置的组成；主要有频差控制单元、压差控制单元、合闸控制单元构成，掌握其工作原理和原理框图。准同期并列合闸信号的控制。恒定越前时间并列装置的整定计算；越前时间的计算，允许压差的计算，允许滑差角频率的计算，脉动周期的计算。

§1-3 恒定越前时间准同期并列装置

理解并列装置控制逻辑框图。正弦整步电压的取得；了解并列条件的检测；线性整步电压

的产生，恒定越前时间信号，频率差检测，压差检测。并列装置合闸信号控制逻辑电路。半波线性整步电压的形成电路，矩形波宽度与相角差δ的关系。全波线性整步电压的形成电路。频率差检测的相位角比较法；相位差变化率法。频率差控制单元的任务是在并列操作过程中，自动调节待并发电机的频率，使频率差符合并列条件。

§1-4 频差控制

了解频率差方向测量环节中的相位差鉴别法、逻辑判别法的原理。频差方向判别的逻辑框图。控制执行环节的原理框图。电压差控制单元的任务是在并列操作过程中，自动调节待并发电机的电压，使电压差符合并列条件。

§1-5 数字式并列装置

了解数字式并列装置硬件电路的原理框图；输入、输出接口电路；输入、输出过程通道。数字式并列装置的软件：电压检测，频率检测，越前时间检测。

（五） 作业：

1、什么是电力系统的自动并列？电力系统中采用的并列方式有几种？各有什么不同之处？各有什么优缺点？

2、准同期并列为什么要满足同期并列的三个条件？什么是准同期并列的理想条件？ 3、脉动电压有何特点？如何用它反映同期并列的三个条件？

4、同步发电机准同期并列的允许频差，通常可取0.2~0.5%，试计算相应的脉动周期。如发电机断路器的合闸时间为0.4秒，求所对应的越前相角的变化范围。

第二章 同步发电机自动励磁控制系统

（一）本章重点

重点是励磁自动控制系统的任务、基本要求、励磁调节装置的构成原理、并列运行发电机组间的无功功率的分配。

（二）本章难点

励磁调节装置的构成原理，励磁调节器的静态工作特性，掌握并列运行发电机组间的无 功功率的分配。

（三）本章考点

1. 励磁自动控制系统的任务；

2. 对励磁自动控制系统的基本要求、励磁调节装置的构成原理； 3. 并列运行发电机组间的无功功率的分配。 （四）自学指导 §2-1 概述

电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并列运行机组间无功

功率的分配。

同步发电机的励磁系统一般是由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成。

同步发电机励磁自动控制系统的任务是：（1）电压控制；电力系统正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应变化。随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节，以维持发电机端或系统某一点的电压在给定的水平。（2）控制无功功率的分配；发电机励磁电流的变化只是改变机组的无功功率和功率角δ值的大小。调节发电机励磁电流的大小，可以改变发电机无功功率的数值。既改变发电机的励磁电流，就可改变发电机无功功率的分配。（3）提高同步发电机并列运行的稳定性；励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定功率极限；当励磁系统既有快速响应又有高强励倍数时，对改善电力系统静态稳定的（4）改善电力系统的运行条件；当电力系统由于某种原因出现低电压时，励磁自动控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度地增加励磁电流以提高系统电压。从而改善异步电动机的自起动条件；同时也为发电机的异步运行创造条件；提高继电保护装置工作的正确性。（5）水轮发电机组要求实行强行减磁。

对励磁系统的基本要求分为对励磁调节器的要求和励磁功率单元的要求。 对励磁调节器的要求为：（1）励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机机端电压在给定水平；（2）励磁调节器应能合理分配发电机组的无功功率；（3）对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区；（4）励磁调节器应能迅速反应系统故障，应具备强行励磁等功能，以提高暂态稳定和改善系统运行条件；（5）具有较小的时间常数，能迅速反应输入信息的变化。

对励磁功率单元的要求为：（1）要求励磁功率单元有足够的可靠性，并具有足够的调节容量；（2）具有足够的励磁电压顶值和电压上升速度。

§2-2 同步发电机励磁系统

同步发电机直流励磁系统的种类及各自的特点。静止励磁控制系统的特点。

直流励磁机励磁系统又分为自励直流励磁机励磁系统和他励直流励磁机励磁系统。 交流励磁机励磁系统又分为他励交流励磁机励磁系统和自励交流励磁机励磁系统。

静止励磁系统又称发电机自并励系统。其主要优点为（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高；（2）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，以节省投资；（3）直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度；（4）由发电机端取得励磁能量。其缺点有（1）静止励磁系统的顶值电压受发电机和系统侧故障的影响；（2）由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否能够正确动作。

§2-3 同步发电机的可控整流电路

掌握同步发电机励磁系统的整流电路的种类、特点。三相桥式半控整流电路的工作原理；输出电压与控制角的关系，失恐现象和续流二极管的作用；三相桥式全控整流电路的工作原理，输出电压与控制角的关系；了解整流电路的换流压降及外特性；最小逆变角的确定。 §2-4 励磁调节装置原理

掌握励磁调节器基本特性和原理框图，比例励磁调节器的调节特性。了解励磁调节器的发展及分类。掌握半导体励磁调节器的原理：励磁控制系统的框图，比例式励磁调节器的调节特性；复式励磁装置原理接线图；掌握励磁调节器的静态工作特性。理解电压测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元的工作原理，励磁调节器静态特性的合成，发电机励磁控制系统静态特性，发电机励磁控制系统静态特性的调整。了解自动励磁控制器中的辅助控制。掌握发电机无功功率调节特性；理解调差系数的意义。

励磁调节特性的平移与机组无功功率的关系。

最小励磁电流限制：发电机欠励运行时，发电机吸收系统的无功功率，这种运行状态称为发电机的进相运行。发电机进相运行受静态稳定极限的限制；瞬时电流限制和最大励磁电流限制，最大励磁电流限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。 §2-5 并联运行机组间无功功率的分配

掌握并联运行机组间无功功率的分配。

一台无差调节特性的机组与有差调节特性的机组的并联运行，无差调节特性的机组将承担无功功率的全部增量，机组间的无功功率分配不合理；两台无差调节特性发电机组不能并联运行。励磁调节特性的平移与机组无功功率的关系。

正调差特性的发电机的并联运行；机组无功功率的分配取决于各自的调差系数。。 §2-6 数字式自动电压调节器

了解数字式自动电压调节器的构成与工作原理。数字式自动电压调节器的组成，模拟量输入通道的构成。模拟量输入及接口电路。电量变送器、交流采样、调节量计算、数字移相脉冲和电压调节器的辅助功能。 （五）作业

1、 自动励磁调节系统由哪几部分组成？在电力系统中的主要作用是什么？ 2、 对励磁系统的基本要求是什么？ 3、 同步发电机有哪些励磁方式？

4、 并联机组运行时，对调差系数有何要求？哪些外特性不适合并联运行？

5、 发电机在公共母线上运行。额定功率均为200MW ，额定功率因数都是0.85， 励磁调节器的调差系数为：δ1=0.04，δ2=0.05。若系统无功负荷波动，使电厂无 功增量为两台机组总无功容量的20%，问各机组承担的无功负荷增量是多少？母 线电压变化量是多少？ （一）本章重点

重点是励磁自动控制系统的主要指标。 （二）本章难点

（三）本章考点

励磁自动控制系统的主要指标，对励磁自动控制系统的传递函数作一般了解。 （四）自学指导

§3-1 概述

同步发电机励磁自动控制系统。掌握自动励磁控制系统实际运行中常用的主要指标：上升时间，超调量，调整时间等概念。

§3-2 励磁控制系统的传递函数

了解自动励磁控制系统的传递函数的意义。直流电机的传递函数，交流励磁机的传递函数。励磁调节器各单元的传递函数：电压测量比较单元的传递函数，综合放大单元的传递函数，功率放大单元的传递函数；同步发电机的传递函数。励磁控制系统的传递函数。

§3-3 励磁自动控制系统的稳定性

了解典型励磁控制系统的稳定计算和空载稳定性的改善。自动励磁控制系统稳定器电路的构成。 §3-4 励磁自动控制系统对电力系统稳定的影响

ˊ

了解同步发电机的动态特性：同步发电机动态方程线性化的条件；暂态电势E q 的方程；发电机转子运动方程和发电机电磁转矩方程，发电机端电压方程，同步发电机动态方程组；励磁控制对电力系统静态稳定的影响；改善电力系统稳定性的措施：低频振荡的产生及校正，电力系统稳定器的传递函数，电力系统稳定电路简介。

第三章 励磁自动控制系统的动态特性

（五）作业

1、什么是励磁自动控制系统动态特性的上升时间？ˊ 2、什么是励磁自动控制系统动态特性的调整时间？ 3、什么是励磁自动控制系统动态特性的超迢量？ 4、画出电力系统稳定器硬件电路框图。

第四章 电力系统及有功功率的自动调节

（一）本章重点

重点是电力系统负荷的功率—频率特性和发电机的功率—频率特性，调差特性与机组 间有功功率的分配关系。

（二）本章难点

电力系统负荷的功率—频率特性及电网的频率调节特性。 （三）本章考点

电力系统负荷的功率—频率特性及电网的频率调节特性。 （四）自学指导

§4-1 电力系统的频率特性。

频率是电能质量的重要指标之一，在稳定运行条件下，电力系统的频率是一个全系统一致的运行参数。系统频率f 与发电机组转速n 有如下关系 f=pn/60

式中 p －发电机磁极对数； ｎ－发电机每分钟转数。

掌握电力系统负荷的功率－频率特性；发电机组的功率频率－特性；调差特性与机组间有功功率的分配关系。了解什么是调节特性的失灵区和电力系统的频率特性。 §4-2 调速器原理

了解调速器的种类、机械液压调速器的构成和工作原理；频率-电压变送器的输出特性。了解功率-频率电液调速器的原理框图；了解数字式电液调速器的构成和原理框图。 §4-3 电力系统频率调节系统及其特性。

了解调速系统的传递函数，了解电网的频率调节特性。单区域电网的频率特性，多区域电网的频率特性。 §4-4 电力系统自动调频

了解什么是调频电厂，什么是调峰电厂，什么是带基本负荷的电厂。调频的方法（1）主导发电机法；（2）同步时间法；（3）联合自动调频；联合电力系统的调频：联合电力系

统的调频方式，频率联络线功率偏差控制。控制调频器的信号有（1）比例调节，（2）积分调节，（3）微分调节。电力系统的一次调频和二次调频。 §4-5 电力系统的经济调度与自动调频

掌握电力系统的经济调度和等微增率的概念，等微增率分配负荷的基本概念，发电厂之间负荷的经济分配原则，发电厂机组功率控制方式：（1）调节指令直接下达给各调频机组，（2）调节指令为全厂总调节量。 （五）作业

1、什么是电力系统负荷的功率－频率特性？ 2、什么是等微增率准则？

3、什么是电力系统的一次调频和二次调频？

第五章 电力系统自动低频减载及 其他安全自动控制装置

（一）本章重点

低频继电器的构成、电力系统频率静态特性和频率动态特性。低频继电器的整定计算。 （二）本章难点

低频继电器的构成原理和整定计算。 （三）本章考点 低频继电器的整定计算。 （四）自学指导 §5-1 概述

了解电力系统自动装置对提高电力系统安全运行的意义。 §5-2 自动低频减载

了解低频运行对电力系统的影响，自动低频减载继电器的构成原理、频率特性和整定计算。最大功率缺额的确定，第一级起动频率的选择，末级起动频率的选择，频率级差的选择。

§5-3 其他安全自动控制装置

在电力系统中采用自动解列的意义，自动切机与电气制动的意义。

（五）作业

1、 简述低频运行对电力系统的影响？

2、 简述什么是低频减载继电器的基本级？什么是附加级？

六、自学进度及各章节学时安排

自学周数20周，每周保证不少于2～3学时，总计46学时。在自学过程中，除了保证

时间外一定要做习题，独立完成布置的作业分两次寄回学校。只有通过练习才能达到对所学内容的深刻理解、从而进一步掌握所学知识。各章节学时安排如下（不包括作业学时）。

六、参考资料

1、《电力系统自动调节装置原理》 杨冠城主编 （第二版） 电力工业出版社 2、《电力系统自动化》 浙江大学主编 电力工业出版社 3、《电力系统自动装置》 许正亚主编 水利电力工业出版社 编写人 胡希同 2005年6月