第5章-水能、小水力發(fā)電與控制技術(shù)

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)性評價小型水力發(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：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)實現(xiàn)自動并網(wǎng)，其中以準(zhǔn)同步并網(wǎng)為主電網(wǎng)的無功功率補償：由各種無功功率補償器完成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：小型水電站的自動監(jiān)測、控制和保護(hù)水電站的現(xiàn)場監(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)）可實現(xiàn)水力發(fā)電與調(diào)度的完全自動化。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過程中產(chǎn)生的能量5.1水能及水力資源的特點

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階段。水能資源，亦稱水力資源。水能資源分3級統(tǒng)計理論蘊藏量技術(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主要有以下幾點:5.1.2水力資源的特點

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，將其中所含有的位能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)的動能，再由水輪機(jī)作為原動機(jī)推動發(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）其計算公式為對于小型水電站，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)電為目前實現(xiàn)負(fù)載管理、調(diào)節(jié)系統(tǒng)用電高峰和低谷時電量的最佳方式。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、旅游等有機(jī)結(jié)合，同時受公益事業(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)運行。（4）勵磁系統(tǒng)

通過對直流勵磁系統(tǒng)的控制可實現(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)帶動同軸相連的水輪發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在勵磁電流的作用下，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動勵磁磁場旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)的定子繞組切割勵磁磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出電能實現(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)計和制造的，作用是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并帶動水輪發(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?，單位為m/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：指單位時間內(nèi)通過水輪機(jī)過水?dāng)嗝娴乃黧w積，單價為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時的轉(zhuǎn)速稱為水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速。水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的計算公式為（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，由于水流充滿整個轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，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，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)水流的特點和水輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點，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?；炝魇剿啓C(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，帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。

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，帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。

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，其運行特點是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度嚴(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)的勵磁系統(tǒng)主要有兩大類：供給勵磁電流的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(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)額定運行時定子的線電壓，單位：V或kV（4）額定電流IN發(fā)電機(jī)額定運行時定子的線電流，單位：A（5）額定功率因數(shù)cosφN發(fā)電機(jī)額定運行時的功率因數(shù)。（6）

額定效率ηN發(fā)電機(jī)額定運行時的效率。（7）額定頻率fN

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

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

發(fā)電機(jī)額定運行時轉(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)在空載額定電壓時勵磁電流與三相穩(wěn)態(tài)短路額定電流時勵磁電流的比值。

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

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

同步發(fā)電機(jī)不同功率因數(shù)時的外特性如圖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：I↑→U↑感性負(fù)載：過勵狀態(tài)容性負(fù)載：欠勵狀態(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：(1)外特性

調(diào)整特性是發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為額定值、勵磁電流和端電壓不變的條件下，發(fā)電機(jī)勵磁電流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)的性價比３．箱式整裝小水電站的應(yīng)用５．采用計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控新技術(shù)

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

1.水輪發(fā)電機(jī)組自動控制系統(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。

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)組的運動方程式可以表示為(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行。水輪機(jī)動力轉(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)的動力轉(zhuǎn)矩TS時刻跟隨著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，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)荷瞬時變動情況電力系統(tǒng)負(fù)荷瞬時變動情況如圖5－14所示。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。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）；式中負(fù)號表示發(fā)電機(jī)輸出功率的變化和頻率變化符號相反。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)。

兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行時其調(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5－16兩臺發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行曲線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。

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。

式（5－13）表明，并聯(lián)運行的發(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（狀態(tài)和命令）實現(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)自動調(diào)速系統(tǒng)，由被控對象水輪發(fā)電機(jī)組、檢測部分、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調(diào)節(jié)器，另一套為手動調(diào)節(jié)器。正常運行時采用自動調(diào)節(jié)器，手動調(diào)節(jié)器在自動調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時備用。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)自動控制系統(tǒng)，其控制策略通過軟件來實現(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，u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號，e（t）為調(diào)節(jié)器的偏差信號，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——積分時間常數(shù)；

τd——微分時間常數(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)運算工作量大，需要對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——實測的頻率；

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）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)，此時式（5－14）中的積分項用下式代替式中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）中增量的積分項可表達(dá)為式（5－17）中增量的微分項可表達(dá)為

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

（5－23）

圖5－22為帶電液隨動系統(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)液隨動系統(tǒng)組成數(shù)字式電液隨動系統(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)速器其頻率的測量一般由單片機(jī)實現(xiàn)，圖5－23為由單片機(jī)80C51組成的智能測頻單元。圖5－23單片機(jī)測頻原理框圖5)智能測頻單元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)模式下運行。

當(dāng)機(jī)組處于空載運行時，調(diào)速器在自動工況，頻率跟蹤功能退出，此時頻率給定為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頻率自動調(diào)節(jié)原理圖1)頻率自動調(diào)節(jié)（1）頻率調(diào)節(jié)與跟蹤

當(dāng)投入頻率跟蹤功能時，調(diào)節(jié)器自動地將網(wǎng)頻作為頻率給定，與頻率自動調(diào)節(jié)過程一樣，在調(diào)節(jié)過程終了時，機(jī)頻與網(wǎng)頻相等，實現(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行時，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，頻率給定自動整定為50Hz，bp置整定值，實現(xiàn)有差調(diào)節(jié)；同時切除微分作用，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)運行方式時，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)。5.4.3同步發(fā)電機(jī)自動勵磁控制系統(tǒng)

1.同步發(fā)電機(jī)自動勵磁系統(tǒng)的組成及任務(wù)

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)，如圖5－29所示。圖7－29同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)構(gòu)成框圖1)同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)的基本組成2)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)運行的穩(wěn)定性（5）改善電力系統(tǒng)的運行條件（6）水輪發(fā)電機(jī)組要求實現(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)載變化時必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流。圖7－30為隱極同步發(fā)電機(jī)運行時（不計電阻壓降）的相量圖。圖7－30同步發(fā)電機(jī)運行時相量圖（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）。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。

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（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)。（5－26）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)。（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。結(jié)論：與無限大容量母線并聯(lián)運行的機(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。

并聯(lián)運行的各發(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)運行各發(fā)電機(jī)之間無功功率的合理分配

當(dāng)兩臺以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行時：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，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)運行的穩(wěn)定性（5）改善電力系統(tǒng)的運行條件（6）水輪發(fā)電機(jī)組要求實現(xiàn)強(qiáng)行減磁

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：3)對勵磁系統(tǒng)的基本要求（1）對勵磁調(diào)節(jié)器的要求（2）對勵磁功率單元的要求4)自動勵磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律自動勵磁調(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，以改善電力系統(tǒng)的動態(tài)性能。

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

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

圖中直流發(fā)電機(jī)LG本身的勵磁電流通過自勵方式獲得。其勵磁繞組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的勵磁繞組FLQ，TV為變壓器。TA為電流互感器。圖5－33自勵式直流勵磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖圖5－33為自勵式直流勵磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖。圖5－34為他勵式直流勵磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖。圖5－34他勵直流勵磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖

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

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

同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)實際上是一個電壓負(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自動勵磁系統(tǒng)基本原理框圖3.晶閘管同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)

典型的晶閘管自動勵磁調(diào)節(jié)器的框圖如圖5－38所示。它是由測量、放大、同步、觸發(fā)、反饋、調(diào)差、起勵及輔助（穩(wěn)定、限制）等單元組成。圖5－38典型的晶閘管自動勵磁調(diào)節(jié)器的框圖4.微機(jī)同步發(fā)電機(jī)自動控制勵磁系統(tǒng)微機(jī)(數(shù)字)式勵磁調(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)型勵磁調(diào)節(jié)器是由一臺專用的計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成計算機(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)自動控制勵磁系統(tǒng)(1)主機(jī)由微處理器CPU、RAM、ROM存儲器等組成。實現(xiàn)對勵磁電流的控制。(2)模擬量輸入通道輸入的模擬量主要有測量出的發(fā)電機(jī)運行電壓UG、無功功率Q、有功功率P和勵磁電流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需經(jīng)中間和末級放大后，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現(xiàn)的。微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖如圖5－40所示。微機(jī)勵磁調(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)勵磁調(diào)節(jié)器的軟件流程框圖2)軟件結(jié)構(gòu)交流信號的采樣中斷服務(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)脈沖及電壓測頻中斷服務(wù)子程序流程圖5.4.4無功功率補償技術(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)量的一個重要因素?？梢哉f，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償問題，具有十分重要的意義。1．無功功率補償?shù)淖饔?1)減少電力損失一般工廠動力配線依據(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償設(shè)備供應(yīng)的無功功率；—感應(yīng)電動機(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）補償容量不足時的無功功率平衡圖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a確定了負(fù)荷節(jié)點的電壓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)補償容量充足時的無功功率平衡3．無功補償?shù)囊话惴椒?1)低壓個別補償(2)低壓集中補償(3)高壓集中補償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、靜止無功補償器以及靜止無功發(fā)生器，這4種裝置又稱為無功補償裝置。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)下運行時，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)點電壓下降時，其所提供給電力系統(tǒng)的無功功率也將減少，而此時正是電力系統(tǒng)需要無功功率電源的時候，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)

靜止補償器是一種動態(tài)無功功率補償裝置。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）靜止無功補償器（SVC）

晶閘管投切電容器（TSC）是由兩個反并聯(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）的主體是一個電壓源型逆變器，通過對可關(guān)斷晶閘管進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐〝嗫刂?，使其處于容性、感性或零?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，同時可以控制電流的大小。由5．無功功率補償策略無功功率補償策略目前可分為三相共補和三相分補兩種。三相共補是根據(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。三相共補適用于三相負(fù)載較平衡的場合。三相分補則是根據(jù)每相各自的無功需求投切電容器組，電容器接法為星形。三相分補用于三相負(fù)載不平衡的場合。把三相共補和三相分補相結(jié)合，便實現(xiàn)補償綜合方案－－混補，可以用于任何負(fù)載。6．微機(jī)無功功率補償控制器靜止無功補償器（SVC）的控制器是無功補償裝置的指揮系統(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為無功功率補償原理圖。圖中電壓電流互感器組檢測出的電壓和電流等參數(shù)，送入檢測控制器中進(jìn)行計算，計算出應(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過補償?shù)慕M合方式，電容器投切一次到位。圖5－49無功功率補償原理圖

圖5－50為采用DSP組成的靜止無功補償系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由DSP基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、補償電容器投切單元三個部分組成。圖5－50由DSP組成的靜止無功補償系統(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，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，=0，這時并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流為零，對電網(wǎng)的擾動最小。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)點兩端電壓的大小不相同，合閘時產(chǎn)生的沖擊電流的最大值可用下式近似計算式中

I0max——并網(wǎng)時沖擊電流最大值；

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

實際運行中待并發(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，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，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，會產(chǎn)生脈動電流，脈動電流將產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，從而引起剛并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)軸振動，嚴(yán)重時可能使發(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，自動準(zhǔn)同步裝置一般設(shè)置三個控制單元。1）自動準(zhǔn)同步裝置的組成2.自動準(zhǔn)同步裝置

(2)電壓差控制單元

(3)合閘信號控制單元（1）頻率差控制單元

圖5—52為典型自動準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖，由圖中可見自動準(zhǔn)同步裝置主要由頻差控制單元，壓差控制單元，合閘信號控制單元和電源部分等組成。圖5—52典型自動準(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，該合閘信號稱為提前圖5－53準(zhǔn)同步并網(wǎng)合閘信號控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖量信號，圖5－53為準(zhǔn)同步并網(wǎng)合閘信號控制的邏輯結(jié)構(gòu)框圖。圖5－54微機(jī)自動準(zhǔn)同步裝置構(gòu)成框圖

微機(jī)自動準(zhǔn)同步裝置是以微處理器(CPU)為核心的一臺專用的計算機(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)自動準(zhǔn)同步裝置微機(jī)自動準(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

1）交流電壓幅值測量

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

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

這些控制信號可由并行接口電路輸出，經(jīng)放大后驅(qū)動繼電器，通過觸點控制相應(yīng)的電路。（3）輸出通道發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的增速減速信號調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的升壓、降壓信號并網(wǎng)斷路器合閘脈沖控制信號。（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)。在裝置運行時，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。為運行操作人員監(jiān)視裝置的運行提供方便。常用的設(shè)備有鍵盤、按鈕和CRT顯示器等。5.5小水電站的計算機(jī)監(jiān)控與SCADA系統(tǒng)

5.5.1小水電站的計算機(jī)監(jiān)控計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)用于小型水電站的自動監(jiān)測、控制和保護(hù)，可對水電站實行遙測、遙信、遙調(diào)和遙控，使水電站運行實現(xiàn)高度自動化，實現(xiàn)少人或無人值班，提高了電站運行的經(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)對系統(tǒng)的影響較小。此類電站的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)本著安全經(jīng)濟(jì)的原則，根據(jù)小型水電站自動化設(shè)計的特點，尋求適合小型水電站的模式。小型水電站計算機(jī)監(jiān)控方式一般有4種基本形式：

1.小水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的類型

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

小水電站的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計一般都是按“無人值班”或“少人值班”設(shè)計的，其功能主要包括：2

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

計算機(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)?？傃b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)置一臺或二臺計算機(jī)對整個水電廠進(jìn)行集中監(jiān)視、控制。3.

計算機(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)實現(xiàn)負(fù)載分散、危險分散、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，獨立完成各自的功能。分布式監(jiān)控系統(tǒng)是指以控制對象分散為主要特征。３）分布式監(jiān)控系統(tǒng)其控制在物理上一般分為兩層：一是對全廠設(shè)備進(jìn)行集中控制的部分，稱之為廠級或主控級監(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)場控制系統(tǒng)。現(xiàn)場控制系統(tǒng)的主要組成部分就是現(xiàn)場控制單元LCU（LocalControlUnit），兩層之間通過以太網(wǎng)連接。

分層分布式計算機(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)場控制層兩大部分組成。圖5－58分層分布式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖4.

分層分布式計算機(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）1～2臺主計算機(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)視和控制自動發(fā)電控制（AGC）自動電壓控制（AVC）記錄和打印通訊控制電站運行管理系統(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，并存入實時數(shù)據(jù)庫，用于畫面更新、控制調(diào)節(jié)、趨勢分析、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對電站主要運行參數(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)行動態(tài)監(jiān)視，并在主計算機(jī)CRT上顯示；主控級的控制由值班人員通過CRT、鍵盤、鼠標(biāo)等，對被控制對象進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

(3)自動發(fā)電控制（AGC）功能AGC功能是根據(jù)給定的運行方式，如調(diào)功方式、負(fù)荷曲線方式、調(diào)頻方式等，自動跟蹤系統(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、氣蝕等約束條件．確定本站的最佳開機(jī)臺數(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)組的自動開停機(jī)控制或負(fù)荷調(diào)整。(4)自動電壓控制(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)場控制層現(xiàn)場控制層由一系列水電站綜合自動化裝置組成，包括機(jī)組現(xiàn)場控制單元、開關(guān)站及公用設(shè)備現(xiàn)場控制單元、微機(jī)保護(hù)測控單元、輔機(jī)控制單元。每臺機(jī)組設(shè)置一套現(xiàn)場控制單元(LCU)，全站公用設(shè)備設(shè)置一套現(xiàn)場控制單元(LCU)，開關(guān)站也設(shè)置一套現(xiàn)場控制單元(LCU)。目前現(xiàn)場單元的結(jié)構(gòu)普遍采用工業(yè)控制級（IPC）+可編程控制器（PLC）+自動化裝置的形式或可編程控制器（PLC）+自動化裝置的形式。現(xiàn)場控制級的功能主要是：數(shù)據(jù)采集與處理安全運行監(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每隔一定時間間隔采集一次被監(jiān)測的數(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即時發(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)信號進(jìn)行比較后作出相應(yīng)的處理(如報警、報警解除或求平均值等)。（2）安全運行監(jiān)視狀態(tài)變化監(jiān)視越限檢查報警過程監(jiān)視趨勢分析等。LCU根據(jù)上位機(jī)或現(xiàn)場人機(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）自動同步并網(wǎng)5.計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點和要求１．系統(tǒng)的實時性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)，又稱計算機(jī)四遙（遙調(diào)、遙控、遙測、遙信）系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，其技術(shù)綜合了計算機(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，可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能，實現(xiàn)水力發(fā)電與調(diào)度的完全自動化。1．SCADA系統(tǒng)的組成及主要功能目前的SCADA系統(tǒng)一般采用分散式測控、集中式管理的方式，整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個分散的遠(yuǎn)程測控終端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、管理整個系統(tǒng)的運行。(2)遠(yuǎn)程測控終端RTURTU又稱外圍站點，是采用微處理器、PLC或DSP的可獨立運行的智能測控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場執(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。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算機(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其他計算機(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)的共同特點是基于集中式計算機(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)、基于分布式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。小水電有跨水利與電力兩個行業(yè)的特殊性：5.6