电力系统频率及有功功率的自动调节

第3章电力系统频率及有功功率的自动调节,本章主要内容,第一节电力系统的频率特性第二节调频与调频方程式第三节电力系统的经济调度与自动调频第四节电力系统低频减载第五节功率频率控制系统的模型与仿真,第一节电力系统的频率特性,学习目的：了解电力系统频率及有功功率控制的必要性；了解频率调节的原理；掌握电力系统负荷的功率频率特性；了解调速器的工作原理，掌握配有调速器的发电机组的功率频率特性，以及发电机组的频率调节特性与机组间有功功率分配的关系；掌握电力系统的频率特性；,第一节电力系统的频率特性,补充（回顾）：一、电力系统频率控制的必要性(一)频率对电力用户的影响1、电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化。2、电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。这对一些重要工业和国防是不能允许的。3、电力系统频率降低会使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和出力降低，影响电力用户设备的正常运行。,(二)频率对电力系统的影响,1、频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。对于额定频率为50HZ的电力系统。当频率低到45HZ附近时，某些汽轮机的叶片可能因发生共振而断裂，造成重大事故。2、频率下降到4748HZ时，由异步电功机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨煤机等火电厂厂用机械的出力随之下降，使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降，这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度，这种现象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。,3、在核电厂中，反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。当频率降到一定数值时，冷却介质泵即自动跳开，使反应堆停止运行。4、电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功消耗增加，引起系统电压下降。频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时可能出现电压快速而不断地下降，即所谓电压雪崩现象。出现电压雪崩会造成大面积停电，甚至使系统瓦解。,(二)频率对电力系统的影响,1、维持电力系统频率在允许范围之内电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。,二、电力系统有功功率控制的必要性,2.提高电力系统运行的经济性,电力系统经济调度包括两个方面：第一，在某一负荷情况下，哪些机组投入电力系统运行；需要考虑发电机组的效率、各种发电机组(水电、火电、核电)的协调、电力系统网损等问题，目的是提高电力系统运行的经济性，降低电能成本。第二，确定该负荷情况下并联运行机组的有功出力。前者是发电机组经济调度问题，后者是有功负荷的经济分配问题。,3、保证联合电力系统的协调运行,电力系统的规模在不断地扩大，已经出现了将几个区域电力系统联在一起组成的联合电力系统。有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。电力系统频率和有功功率控制是密切相关和不可分割的，应统一考虑并协同控制。,一、概述1、并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为：,P发电机组转子极对数n发电机组的转数（r/min）f电力系统频率（Hz）,显然，电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速！,第一节电力系统的频率特性,2、频率调节的原理,（1）正常运行时：假设系统中有m台机组，各机组原动机的输入总功率为：,各机组的发电功率总输出为：,当忽略机组内部损耗时，输入输出功率平衡：,（2）负荷突然增加PL时：使发电机组输出功率增加PL,但由于机械惯性，输入功率来不及做出反应，此时：,2、频率调节的原理,机组只有把转子的一部分动能转换成电功率，致使机组转速下降，系统频率下降。,为了保持功率平衡,Wki各机组的动能,设机组运行在a点，机组以转速na稳定运行。当负荷增加时，发电机电磁转矩特性曲线向上方平移设移到曲线MG2的位置。如果此时不调节进入原动机的动力元素(蒸汽或水),机组调速器不动作，则原动机的机械转矩特性仍为曲线MT1。机组就会在新的平衡点b以转速nb稳定运行.,用图示说明：,这说明，即使没有调速器参与调节原动机的输入功率，机组也可以从一个稳定运行工况过渡到另一个稳定工况运行。这种能力称为自平衡能力或调节能力。转速nb远离了原来的转速na。这说明仅仅依靠机组的自平衡能力进行调节，机组的转速(频率)会在较大范围内变化。,电力系统的负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变较缓慢，因此系统中频率的波动是难免的。,结论：电力系统频率的变化是由于发电机的负荷与原动机输入功率之间失去平衡所致，调频与有功功率的调节是分不开的。,3、电力系统负荷的变动情况,电力系统负荷变动情况,负荷分类：一是变化周期一般小于10s的随机分量；二是变化周期在10s3min之间的脉动分量；三是变化周期在3min以上的持续分量，负荷预测预报这一部分。,第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。,第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。,第三种负荷变化，调度部门的计划内负荷，这称为频率的三次调整。,二、电力系统负荷的功率频率特性,1、负荷的功率频率特性定义：当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变，即这种有功负荷随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特性，即负荷的静态频率特性。,2、电力系统的负荷类型,按负荷与频率的关系分类：(1)与频率变化无关的负荷如白炽灯、电弧炉、电阻炉和整流负荷等。(2)与频率成正比的负荷如切削机床、球磨机、压缩机和卷扬机等。这类负荷占有较大比重。(3)与频率的二次方成比例的负荷如变压器中的涡流损耗。这种损耗在电网有功损耗中所占比重较小。(4)与频率的三次方成比例的负荷如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等。(5)与频率的更高次方成比例的负荷如静水头阻力很大的给水泵等。,3、负荷的功率频率特性方程式,fN额定频率；PL系统频率为f时，整个系统的有功负荷；PLN系统频率为额定值fN时，整个系统的有功负荷；a0，a1，an各类负荷占PLN的比例系数。,化成标么值的形式,将上式除以PLN，则得标么值形式，即,当系统的频率为额定值时:,通常与频率变化三次方以上成正比的负荷很少，可忽略其影响。,于是,4、负荷的静态频率特性,当系统负荷的组成及性质确定后，负荷的静态频率特性方程也就确定了，因此也可以用曲线来表示，如图所示：,由图可知：在系统频率下降时，系统负荷从系统取用的有功功率下降。如果系统的频率升高，系统负荷从系统取用的有功功率将增大。,当系统内机组的输入功率和负荷功率间失去平衡时，系统负荷也参与了调节作用，这种特性有利于系统中有功功率在另一频率下重新平衡。这种现象称为负荷的频率调节效应。,通常用负荷的频率调节效应系数KL*来衡量负荷调节效应的大小。,5、负荷的频率调节效应系数KL*,由上式可知，系统的KL*值决定于负荷的性质，它与各类负荷所占总负荷的比例有关。,而,KL*定义：,综合负载的功率-频率特性近似表达式：,根据国内外一些实例，负荷的静态特性曲线在额定频率附近（4851HZ）接近于一条直线，如图所示。直线的斜率为：,是调度部门必须掌握的一个数据！,说明：1）负荷的频率效应起到减轻系统能量不平衡的作用。3）电力系统允许频率变化的范围很小，为此负荷功率与频率的关系曲线可近似地视为具有不变斜率的直线。这斜率即为。4）表明系统频率变化1%时，负荷功率变化的百分数。5）对于不同的电力系统，值也不相同。一般=13。即使是同一系统的，也随季度及昼夜交替导致负荷组成的改变而变化。,三、发电机组的功率频率特性,发电机组的功率频率特性取决于调速系统的特性。当系统的负荷变化引起频率改变时，发电机组调速系统工作，改变原动机进汽量(或进水量)，调节发电机组的输入功率以适应负荷的需要。,发电机组的功率频率特性定义：通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率频率特性或调节特性。,（一）机械式调速器简介,E、F下降至E、F，活塞提升，汽门提升，进汽量增加转速就会回升。,当机组因负荷增加而转速下降时：,活塞,调节气阀,错油门,从锅炉来的蒸汽,1）两个重锤开度减小A降至AC点尚未移动,B点降至B,D点代表有伺服电动机控制的转速整定元件的nDEF，它不会因转速而变动。,活塞,2）转速上升后重锤开度增加A、B、E、F各点也随之不断改变；这个过程要到C点升到某一位置时，比如C，即汽门开大到某一位置时，机组的转速通过重锤的开度使杠杆DEF重新回复到使的活门完全关闭的位置时才会结束，这时B点就回到原来的位置。,3）由于C上升了，所以A必定低于A。这说明调速过程结束时，出力增加，转速稍有降低。4）调速器是一种有差调节器。5）通过伺服电动机改变D点的位置，就可以达到将调速器特性上下平移的目的。,活塞,（二）发电机组的功率频率静态特性,反映调整过程结束后发电机输出功率和频率关系的曲线称为发电机组的功率频率静态特性，可以近似的表示为一条直线：,在特性曲线上任取两点，我们定义机组的静态调差系数：,负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化符号相反。,（三）发电机组的静态调差系数R,用标么值表示：,称为发电机组的静态调节方程。,发电机组的功率频率静态特性系数KG*,在计算功率与频率的关系时，常常采用调差系数的倒数。,一般发电机的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值：对汽轮发电机组R*=(46)%或KG*=6.1625；对水轮发电机组R*=(24)%或KG*=2550；,与KL不同的是KG可以人为调节整定，但其大小，即调整范围受机组调速机构的限制。,KG*发电机的功率-频率特性系数，或原动机的单位调节功率。,（四）调差特性与机组间有功功率分配的关系,假设此时系统总负荷为PL，如线段CB的长度所示：,以两台发电机组为例，分析并列运行时有功功率的分配情况：曲线1代表1号发电机组的调节特性，曲线2代表2号发电机组的调节特性。,系统频率为fN时:1号发电机组承担的负荷为P1，2号发电机组承担的负荷为P2，于是有:,当系统负荷增加，经过调速器调节后，系统频率稳定在f1，这时1号发电机组的负荷为P1，增加了P1；2号发电机组的负荷为P2，增加了P2；两台发电机组的增量之和为PL。,结论：当发电机组的功率增量用各自的标么值表示时，发电机组间的功率分配与机组的调差系数成反比，与单位调节功率成正比。调差系数小的机组承担的负荷增量标么值就会增大，而调差系数大的机组承担的负荷增量标么值就会变小。,在电力系统中，如果没有调节容量的发电机，则取该机组的单位调节功率为零。电力系统中所有机组的调速器都为有差调节，由它们共同承担负荷的波动。,2、调节特性的失灵区,(1)失灵区的形成以上讨论中，都是假定机组的调节特性是一条理想的直线。但是实际上，由于测量元件的不灵敏性，对微小的转速变化不能反应，特别是机械式调速器更为明显。也就是说调速器具有一定的失灵区，因而调节特性实际上是一条具有一定宽度的带子，如图6.8所示。失灵区的宽度可以用失灵度来描述：即,-调速器不能分辨的最大频率误差,(2)失灵区的影响由于调速器的频率调节特性是条带子，因此会导致各并联运行的发电机组间有功功率的分配产生误差。对应于一定的失灵度,最大误差功率与调差系数R存在如下关系:,而,（1）PW*与失灵度成正比，而与调差系数成反比。过小的调差系数将会引起较大的功率分配误差，所以调差系数R的值不能太小。（2）不灵敏区的存在虽然会引起一定的功率误差或频率误差。但是，不灵敏区不能太小或完全没有。因为当不灵敏区不能太小或完全没有，当系统频率发生微小波动时，调速器也要调节，这样会使阀门的调节过分频繁。,通常：汽轮发电机组调速器的不灵敏区为0.1%0.5%；水轮发电机组调速器的不灵敏区为0.1%0.7%。,最大误差功率与调差系数的关系:,结论：,四、电力系统的频率特性,发电机组的功率频率特性与负荷的功率、频率特性曲线的交点就是电力系统频率的稳定运行点。,电力系统主要由发电机组、输电网络及负荷组成，如果把输电网络的功率损耗看成是负荷的一部分，则电力系统功率频率关系可简化为如图所示。在频率稳态为f时:,四、电力系统的频率特性,以一台发电机组和一个负荷的情况为例介绍：负荷和发电机组的静态特性如图6.9所示。,1、正常运行时：发电机组的功率频率特性与负荷的功率-频率特性曲线相交于1点。对应的频率为fN，功率为PL1。在频率为fN时，发电机的输出功率和负荷功率达到了平衡。,2、当系统中的负荷增加PL时:即负荷由PL1增加到PL2，也就是将PL1(f)曲线平行移到PL2(f)曲线，（1）假设此时系统内的所有机组均无调速器：机组的输入功率恒定为PT且等于PL1，则系统频率将逐渐下降，负荷所取用的有功功率也将逐渐减小。依靠负荷调节效应系统达到新的平衡，运行点移到图中2点。,图6.9电力系统功率-频率特性,频率稳定值下降到f2，系统负荷所取用的有功功率仍然为原来的PL1值。在这种情况下，频率偏差值f决定于PL值的大小，一般是相当大的。,（2）实际上各发电机组均装有调速器,当系统负荷增加，频率开始下降后，调速器动作，以增加机组的输入功率PT。经过一段时间后，运行点稳定在3点，这时系统负荷所取用的功率为PL3，其值小于额定频率下所需的功率PL2，频率稳定在f3。此时的频率偏差f比无调速器时小得多。,此时，发电机组增发的功率为：,负荷的频率调节效应所产生的负荷功率变化为：,负荷功率的实际增量为：,负荷增量应同发电机组的功率增量相平衡，即：,上式说明，系统负荷增加时，在发电机组功频特性和负荷本身的调节效应共同作用下，又达到了新的平衡。一方面，负荷增加，频率下降，发电机组按照有差调节特性增加输出；另一方面，负荷实际取用的功率也因频率下降而有所减少。,K称为系统的功频特性系数,或系统的单位调节功率。,五、电力系统的频率调整,1、一次调频的概念：当电力系统负荷发生变化引起系统频率变化时，系统内并联运行机组的调速器会根据电力系统频率变化自动调节进入它所控制的原动机的动力元素，改变输入原动机的功率，使系统频率维持在某一值运行，这就是电力系统频率的一次调整，也称为一次调频。,（一）一次调频,2、一次调频的情况:,结论：以K*为基础的一次调频的作用是有限的，它只适用于变化幅值小、变化周期短的负荷，对于变化幅值较大、变化周期较长的负荷。一次调频不能保证频率偏移在运行范围之内。,在这种情况下，需要发电机的转速控制机构（调频器）来进行频率的二次调整。,（二）二次调频,1、二次调频概念：当机组负荷变动引起频率变化时，利用同步器（调频器）平移机组工频特性来调节系统频率，称为电力系统频率的二次调节，也称为二次调频。,通过伺服电动机改变D点的位置，就可以达到将调速器特性上下平移的目的。,当转速给定装置推动D点向上移动时，由于机组转速和油动机活塞的位置尚未来的及变化，A,B,C,F各点都不会动。这样，D点向上移动，就以F点为轴推动E点向下移动，引起错油门凸肩下移，压力油进入油动机活塞下腔，引起阀门开度增大，机组转速增加，A点上移,C、F点上移，E点上移，直到错油门完全堵住高压油入口，调节过程结束。,显然调节过程结束后，发电机组的转速升高了。,D,进行二次调频时：在同步器的作用下，机组的功频特性上移到PG2(f)，运行点也随之移到3点，此时的频率为f3。由图6.10可知，系统负荷的增量PL=PL2-PL1由三部分组成，可表示为：,PG由二次调频而得到的发电机组的功率增量(图中45段)-KGf由一次调频而得到的发电机组的功率增量(图中14段)；-KLf由负荷本身的调节效应所得到的功率增量(图中56段)。,2、调节过程当负荷增加PL=PL2-PL1时，即负荷由PL1增加到PL2时，未进行二次调频时：运行点将移到2点，系统频率将下降到f2，,进一步进行二次调频时：在同步器的作用下，机组的功频特性上移到PG3(f)，运行点也随之移到6点，此时的频率恢复为fN，这样就实现了无差调节。,结论1：通过二次调节，系统负荷的变化PL就完全由等效机组输入功率的增加承担了，即：,结论2：（1）在多台发电机组并联运行的电力系统中，当负荷变化时，配置了调速器的机组，只要还有可调的容量，都毫无例外地按静态特性参加频率的一次调整。（2）而频率的二次调整一般只是由一台或少数几台发电机组(一个或几个厂)承担，这些机组(厂)称为主调频机组(厂)。,本节小结,掌握电力系统负荷的功率频率特性的概念、方程式，掌握负荷调节效应系数的含义。掌握发电机组的功率频率特性的概念、方程式，掌握发电机的调差系数和功率频率静态特性系数的含义，掌握调差特性与机组间有功功率分配的关系；了解调节特性的失灵区对静态特性的影响；掌握电力系统功频特性的概念，电力系统功频特性系数的含义。掌握电力系统的频率调整，一次调频和二次调频的概念。,第二节调频与调频方程式,主要内容：了解调频有哪几种方法；掌握积差调频方法；掌握改进积差调频方法；,注意：调频指的是二次调频：利用自动改变功率给定值PC，即上下平移调速器的调节特性来调节系统频率。调速器的控制电动机称为同步器或调频器。,第二节调频与调频方程式,第二节调频与调频方程式,第二节调频与调频方程式,一、电力系统自动调频方法（1）有差调频法（2）主导发电机法（3）积差调节法,一、有差调频法有差调频法指系统中的调频机组用有差调频器并联运行，达到系统调频的目的。1、调频方程式：有差调频器的稳态工作特性可以用下式表示，即,第二节调频与调频方程式,f、Pc调频过程结束时系统频率的增量与调频机组有功功率的增量。R有差调频器的调差系数,2、调频过程：调频器的调整是向着满足调频方程式的方向进行的。,第二节调频与调频方程式,3、机组间有功功率的分配：当系统中有n台机组参加调频：,第二节调频与调频方程式,设系统的负荷增量（即计划外的负荷）为PL，则调节过程结束时，必有：,第二节调频与调频方程式,上式也可以写为：,则每台调频机组所承担的计划外负荷为：,4、优缺点：（1）各机组同时参加调频，没有先后之分；（2）计划外负荷在调频机组间是按一定的比例分配的；（3）频率稳定值的偏差较大。,第二节调频与调频方程式,二、主导发电机法无差调频器虽具有频率偏差值为零的优点，但无差调频器不能并联运行。为此，只可在一台主要的调频机组上使用无差调频器，而在其余的调频机组上均只安装功率分配器，这样的调频方法称为主导发电机法。1、调频方程式：,第二节调频与调频方程式,第二节调频与调频方程式,第二节调频与调频方程式,4、优缺点：1）各调频机组间的出力也是按照一定的比例分配的。2）在无差调频器为主导调频器的主要缺点是各机组在调频过程中的作用有先有后，缺乏“同时性”。,第二节调频与调频方程式,二、积差调频法,积差调节法是根据系统频率偏差的累积值调节频率的。1、先假定系统中由一台发电机组进行频率积差：（1）调节方程式为：,系统频率偏差；调频机组的有功出力增量；调频功率比例系数；积分控制增益。,（2）调节过程,在0t1时段内：f=fN，f=0，则有设t1时出现了计划外负荷增量:在t1t2时段内：f0，,即调频机组有功出力减小，直至t4时刻，调频机组出力增量又与计划外负荷变化相等，调节过程又一次结束。,(3)积差调节法的特点,随着负荷的变化，频率发生变化，产生频率偏差，即。就不断积累，调频器动作移动调速器调节特性，改变进入机组的进汽(或进水)量，使频率力求恢复额定值，频率调节过程只能在f=0时结束。此时系统中的功率达到新的平衡。推广到电力系统中，采用多台发电机组进行积差调频时，调节方程式为：,2、采用多台发电机组进行积差调频时：,（1）调节方程式为,由于各机组的f是相等的。设系统计划外负荷为PL，则,式（6-38）,(2)每台调频机组承担的计划外负荷为:,上式表明，调节过程结束后，各调频发电机组按一定比例分担了系统计划外负荷，使系统有功功率重新平衡，实现了无差调节。,第i台调频机组的有功功率分配系数,3、积差调节法的缺点：频率的积差信号滞后于频率瞬时值的变化，因此调节过程缓慢。不能保证频率的瞬时偏差在规定范围内。4、改进：通常不单纯采用积差调节，而是采用在频率积差调节的基础上，增加频率瞬时偏差调节信号，构成改进的频率积差调节方程。,三、改进的频率积差调频法,1、调频方程式在频率积差调节的基础上增加频率瞬时偏差的信息,PCi第i台机组承担的功率调节量；Ri第i台机组的调差系数；i第i台机组调节功率的分配系数，k系统功率与频率的转换系数；,2、调频过程,当系统频率变化时，按f启动的调速器会使按积差工作的调频器先进行大幅度的调整,但不会达到额定频率；到频差累积到一定值时，调频器会取代调速器的工作特性，使调频按照式（6-38）调节，使频率稳定在fN。,在调节过程结束时f必须为零。,计划外负荷调节量:,每台机组分担的容量：,调节过程结束后，计划外负荷按照一定比例在调频机组间进行分配。,即,四、积差调频的实现,积差调节法维持系统频率的精度取决于各调频机组的频差积分信号数值的一致性。,（一）集中调频制,积差调节法的频差积分信号在电网调度中心集中产生，即装设一套高精度频率发生器集中产生积差信号，从而确定各调频电厂应该承担的负荷变化量，通过远动通道送给各调频电厂，各调频电厂再根据运行方式分配给各调频机组。,集中调频制的优点：各调频电厂的频差积分信号是一致的；集中调频制的缺点：需要远动通道。,（二）分散调频制,当采用多个调频电厂调频时，可以采用分散方式，即参与调频的电厂各有一套频差信号发生器，就地产生信号进行调频。不用远动装置就可使计划外负荷在所有调频机组间按一定比例分配。,为了使各调频机组所在地测得的f尽可能一致，避免频率偏差积分值的差异而造成功率分配上的误差，所以对标准频率的要求比较高，通常用石英晶体振荡器经分频后得到。,五、分区调频法,本节小结,有差调频法主导发电机法积差调频与改进积差调频方法；积差调频方法的实现。分区调频法,第三节电力系统的经济调度与自动调频,思想1：最经济的分配负荷是：当系统负荷增加时，使效率最好的机组先增加负荷，直至其最高效率；然后再让效率次之的机组也增加负荷直到其最高效率时的负荷为止，以此类推。,最经济的分配是按等微增率分配负荷。,一、等微增率分配负荷的基本概念微增率是指输入耗量微增量与输出功率微增量的比值。等微增率法则就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，这样就可使系统总的燃料消耗（或费用）为最小。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,第三节电力系统的经济调度与自动调频,对应于某一输出功率时的微增率就是耗量特性曲线上对应于该功率点切线的斜率，即,b耗量微增率（或简称微增率）；F输入耗量微增量P输出功率微增量,第三节电力系统的经济调度与自动调频,以两台机组并联运行为例，说明等微增量法则：,第三节电力系统的经济调度与自动调频,等微增量法则数学推导：设有n台机组，每台机组承担的负荷为P1，P2，Pn，对应的燃料消耗为F1，F2，Fn，则总的燃料消耗为：,第三节电力系统的经济调度与自动调频,而总负荷功率PL为：,用拉格朗日乘子法则来求解：,取拉格朗日方程,第三节电力系统的经济调度与自动调频,这里功率平衡就是相应的约束条件，即,（3-31）,使总燃料消耗最小的条件是（3-31）式对功率的偏导数为零。即,第三节电力系统的经济调度与自动调频,因PL是常数，同时各机组的输出功率又是相互无关的，所以,或,设每台机组都是独立的，那么每台机组燃料消耗只与本身的输出功率有关。因此，上式可写成：,第三节电力系统的经济调度与自动调频,由此可得：,结论：发电厂内并联运行机组的经济调度准则为：各机组运行时微增率b1,b2,bn相等，并等于全厂的微增率。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,图3-16为发电厂内n台机组按等微增率运行分配负荷时的示意图。,二、发电厂之间负荷的经济分配（考虑网损时）设有n个发电厂，每个电厂承担的负荷分别为P1，P2，Pn，相应的燃料消耗为F1，F2，Fn，则全系统总的燃料消耗为：,第三节电力系统的经济调度与自动调频,总的发电功率与总负荷PL及线损Pe相平衡，即,拉格朗日方程为：,上式对功率的偏导数为零，得：,第三节电力系统的经济调度与自动调频,结论：在考虑线损条件下，负荷经济分配的准则是每个电厂的微增率与相应的线损修正系数的乘积相等。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,为了求得各电厂的微增率bi，必须计算出线损Pe（一般事先根据运行工况而选定的线损系数求得），然后算出各电厂的线损微增率i，即,在和i已知后，就可求出bi，即,调频电厂按（3-42）式运行是最经济的负荷分配方案,三、自动发电控制（AGC/EDC功能）（一）概述电力系统中发电量的控制，一般分为三种情况:1、由同步发电机的调速器实现的控制（一次调整，10S）；2、由自动发电控制（简称AGC，即英文AutomaticGenerationControl的缩写）（二次调整，10S3min）；（以控制发电机组输出功率来适应负荷波动的反馈控制。）3、按照经济调度（简称EDC，即英文EconomicDispatchControl）（三次调整，3min）（在保证频率质量和系统安全运行前提下、如何使电力系统运行具合良好的经济性，这就是电力系统经济调度控制。）,第三节电力系统的经济调度与自动调频,（二）自动发电控制的基本原理1、单台发电机组的AGC系统,第三节电力系统的经济调度与自动调频,2、具有多台发电机的AGC系统,第三节电力系统的经济调度与自动调频,G1、G2、G3为发电机组；ACE称为区域控制误差，用来根据系统频率偏差以及输电线路功率偏差来确定输出控制信号；负荷分配器根据输入的控制信号大小并且根据等微增率准则或其他原则来控制各台发电机输出功率的大小。,（三）自动发电控制系统的基本任务和目标：使全系统的发电机输出功率和总负荷功率相匹配；将电力系统的频率偏差调整控制到零，保持系统频率为额定值；控制区域间联络线的交换功率与计划值相等，以实现各个区域内有功功率和负荷功率的平衡；在区域网内各发电厂之间进行负荷的经济分配。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,（四）自动发电控制系统的组成：（1）负荷分配器作用：根据电力系统频率和其它有关测量信号，按照一定的调节控制准则确定各发电机组的最佳设定输出功率。（2）发电机组控制器作用：根据负荷分配器所确定的各发电机组的最佳输出功率，控制调速器的调节特性，使发电机组在电力系统额定频率下所发出的实际功率与设定的输出功率相一致。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,第三节电力系统的经济调度与自动调频,经济负荷分配（EDC）每隔五分钟修改一次Pbi和i值，以适应经济调度的要求。,各台发电机组的设定调整功率按以下公式分配：,有时为了增大加到发电机组上的误差信号信息，可以使用一个或者多个附加的负荷分配回路，如图3-19所示。这样的附加分配回路可以用一个分配系数i来表示，但它与按经济调度调整负荷的“分配系数i”不同，它不受经济调度的约束，所以称为调整分配。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,自动发电控制（AGC）的分配方式为：,第三节电力系统的经济调度与自动调频,当ACE=0，负荷按经济调度（EDC）分配；当ACE0，ACE功率按(i+i)分配。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,（五）自动发电控制系统的硬件实现：,第三节电力系统的经济调度与自动调频,（六）互联电力系统的AGC控制,N满足：地区间规定的净交换功率PA+PB+PC保持本系统的频率为额定值。,本节小结,掌握经济调度的概念及微增率分配负荷的含义；掌握发电机组间负荷的经济分配原则；掌握发电厂间负荷的经济分配；掌握自动发电控制的作用、基本原理、系统组成，了解自动发电控制的硬件实现及联合电力系统的AGC；,了解常用的常规稳定装置的作用；重点掌握低频减载装置原理；,第四节电力系统稳定控制装置,一、概述在电力系统发生事故时，突然造成系统有功功率严重不平衡，引起系统频率的剧烈变化，将造成系统运行稳定性破坏。造成系统有功功率平衡关系破坏的主要原因有：(1)系统内突然故障，造成大面积切除负荷；(2)系统之间的联络线故障，断路器跳闸，造成系统解列；(3)系统内大机组因故突然退出运行；(4)系统内大量负荷突然投入；(5)系统内大机组突然投入。,第四节电力系统稳定控制装置,由于出现电源和负荷间有功功率的严重不平衡，会引起系统频率急剧变化，威胁系统安全稳定运行。系统频率过高：系统频率急剧下降：会对电力系统造成灾难性的影响，必须迅速制止频率下降，同时又要在不使频率崩溃的前提下尽量保住更多的用户用电。,采取措施：及时切除部分电源就可使系统频率下降；,采取措施：一方面：立即增加具有旋转备用容量的发电机组的有功出力。另一方面：采取特殊的稳定控制装置。,稳定控制装置的作用：,（1）加快切除故障时间，提高系统暂态稳定性。（2）维持送受端功率平衡：保证送端机组不至于加速而与系统失步；受端系统不至于功率缺额而导致电压、频率崩溃等恶性事故的发生。,二、常规稳定装置,（一）常规稳定装置的类型：1、低频自起动发电机装置适用于：水轮发电机组对于处在低频自起动备用状态的水轮发电机组，在系统频率下降到低频起动整定值(49.5Hz49.0Hz)时，低频起动装置会自动起动机组，并以自同期方式并入电力系统，整个过程可以在40s内将水轮发电机组从静止状态升速到额定转速，并入系统接带负荷。,(2)低频调相改发电装置,水轮发电机可根据系统需要作调相运行，此时发电机组不发有功功率。当系统频率下降时，可通过低频继电器起动这一装置，使处于调相运行的发电机组迅速转为发电运行。这种装置很简单，实际上是水轮发电机组控制回路中的一部分。目前国内安装的水轮发电机组都具有这一功能。,(3)低频降低电压装置,当系统频率降低到某一定值时，低频降低电压装置动作，自动调节变压器有载调压分接头位置，使用户电压在短时间内降低5%8%。由于电压的降低，负荷所吸收的有功功率随之减小，这样就会借助于负荷的调节效应缓解有功功率供求不平衡的矛盾，抑制系统频率下降。可以为其他措施发挥作用赢得宝贵时间。这一方法在国外的一些电力系统中已被采用。,(4)低频抽水改发电装置,在抽水蓄能水电厂，当系统频率下降时，利用低频继电器使发电机组由抽水运行方式迅速改为发电运行方式。抽水蓄能机组都是可逆的，既可抽水蓄能，又可放水发电。,(5)自动低频减载装置,当频率下降到某一定值时，低频减负荷装置起动，自动切除预先安排的部分负荷，同时迅速启动备用发电机组，能有效地抑制频率的继续下降，使之逐步恢复到稳定运行状态。这种办法称为按频率自动减负荷。中文简拼为“ZPJH”；英文为UFLS（UnderFrequencyLoadShedding）。,当系统频率超过某一整定值时，利用高频继电器起动，将部分运行的发电机组退出运行，以减轻系统功率过剩。,(6)高频切机装置,(7)高频减出力装置,当系统频率升高时，可用短时减小汽轮机主汽门或水轮机导水叶开度的方法，减少发电机组的出力，当系统故障消除后，又很容易恢复到正常出力。这种方法比高频切机装置的灵活性好。,“轮”：计算点f1、f2fn点1：系统发生了大量的有功功率缺额；点2：频率下降到f1，第一轮继电器起动，经一定时间t1点3：断开一部分用户，这就是第一次对功率缺额进行的计算。点3-4：如果功率缺额比较大，第一次计算不能求到系统有功功率缺额的数值，那么频率还会继续下降，很显然由于切除了一部分负荷，功率缺额已经减小，所有频率将按3-4的曲线而不是3-3曲线继续下降。,三、自动低频减载装置,（一）自动低频减载装置的工作原理,点4：当频率下降到f2时，ZPJH的第二轮频率继电器启动，经一定时间t2后，点5：又断开了接于第二轮频率继电器上的用户。点5-6：系统有功功率缺额得到补偿。频率开始沿56曲线回升，最后稳定在f2()。逐次逼近：进行一次次的计算，直到找到系统功率缺额的数值（同时也断开了相应的用户）。即系统频率重新稳定下来或出现回升时，这个过程才会结束。,自动低频减负荷必须经过严格的整定计算，一般经过ZPJH动作五级(轮)之后，就会使系统频率恢复到允许频率值。,（二）最大功率缺额的确定：1、保证在系统发生最大可能的功率缺额时，也能断开相应的用户，避免系统的瓦解，使频率趋于稳定。2、对系统中可能发生的最大功率缺额应作具体分析：有的按系统中断开最大容量的机组来考虑；有的要按断开发电厂高压母线来考虑等。3、系统功率最大缺额确定以后，就可以考虑接于减负荷装置上的负荷的总数。要求恢复频率fhf可以低于额定频率。4、考虑到负荷调节效应，接于减负荷装置上的负荷总功率PJH可以比最大功率缺额Pqe小些。,三、自动低频减载装置,根据负荷调节效应系数公式,可以得到,三、自动低频减载装置,PJH接于减负荷装置上的负荷总功率Pqe最大功率缺额。,(3-47),三、自动低频减载装置,（三）各轮动作功率的选择1、第一级动作频率一般的一级启动频率整定在49Hz。2、最后一轮的动作频率自动减负荷装置最后一轮的动作频率最好不低于4646.5Hz。（大型机组应大于等于48Hz）3、前后两级动作的频率间隔前后两级动作的时间间隔是受频率测量元件的动作误差和开关固有跳闸时间限制的。,三、自动低频减载装置,