第9讲 电力系统频率及有功功率的自动调节与控制(2)

1、North China Electric Power University 第九讲 电力系统频率及有功功 率的自动调节与控制（2） 主讲人：李岩松 华北电力大学 电气与电子工程学院 North China Electric Power University pagepage2 22021-7-62021-7-6 第五章 电力系统频率及有功功率的自动调节与控制 本章就电力系统的频率特 性和调频的有关问题展开讨论， 阐述了经济调度和自动调频的 问题。 North China Electric Power University pagepage3 32021-7-62021-7-6 第三节 电力系统

2、调频和自动发电控制 现代电力系统调频的主要任务现代电力系统调频的主要任务维持系统频率在给定水平，考维持系统频率在给定水平，考 虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性 带基本负荷发电厂带基本负荷发电厂经济性较好经济性较好 的高参数火电厂、热电厂、核电厂的高参数火电厂、热电厂、核电厂 调峰厂调峰厂经济性较差的机组经济性较差的机组 调频厂调频厂承担计划负荷与实际负荷的差值部分承担计划负荷与实际负荷的差值部分 在电网容量较大时，由多个电厂共同完成调频任务在电网容量较大时，由多个电厂共同完成调频任务 North China Electric Power Univer

3、sity pagepage4 42021-7-62021-7-6 1、主导发电机法 1、在调频电厂中有一台主导机组上装设无差调节器，、在调频电厂中有一台主导机组上装设无差调节器， 调节准则是：调节准则是：0f 2、在其他机组上装设有功功率调整器，使这些机组、在其他机组上装设有功功率调整器，使这些机组 的功率随主导机组的功率按比例变化，协助主导发电的功率随主导机组的功率按比例变化，协助主导发电 机调频工作，机调频工作， 调节准则是：调节准则是： Lii PaP.3 , 2 , 1i 协助调频机组协助调频机组 的调节功率的调节功率 主导发电机的主导发电机的 调节功率调节功率 比例系数比例系数 No

4、rth China Electric Power University pagepage5 52021-7-62021-7-6 1、主导发电机法 负荷变动负荷变动 系统频率改变系统频率改变 主导发电机组调节系统动作主导发电机组调节系统动作 协助调频机组调整功率协助调频机组调整功率 系统频率随之改变系统频率随之改变 频率恢复频率恢复 到额定值到额定值 调节结束调节结束 Lii PaP L P 否否 是是 存在的问题存在的问题调节缓慢，适应于调节缓慢，适应于 中小电力系统中小电力系统 North China Electric Power University pagepage6 62021-7-6

5、2021-7-6 2、同步时间法 0 . 0 . 0 11 GnGn GiGi GG PKfdt PKfdt PKfdt 同步时间法（积差调差）同步时间法（积差调差）就是按频率偏差的积分值来进行调就是按频率偏差的积分值来进行调 节，因为频率偏差的积分反映了在一定时间段内同步时间对标准节，因为频率偏差的积分反映了在一定时间段内同步时间对标准 时间的偏差。时间的偏差。 n GsGs n Gi n Gi nn Gi Gi PK K Pfdt K fdtP 111 11 1 1 North China Electric Power University pagepage7 72021-7-62021-

6、7-6 改进方法改进方法:将频率将频率f 的瞬时偏差的瞬时偏差 和频率偏差积分和频率偏差积分 相结合相结合, 构成频率积差调节方法构成频率积差调节方法. f fdt 2、同步时间法 0 fdtKaPKf GsiGiGi 0 GiGi fdtK P GiGs n GiGi KKPP 1 积分方法调节缓慢，不能保证频率的瞬时偏差在规定的范围内。积分方法调节缓慢，不能保证频率的瞬时偏差在规定的范围内。 dtfKaP GsiGi 每台机组分担的有功功率每台机组分担的有功功率 North China Electric Power University pagepage8 82021-7-62021-7-

7、6 3、自动发电控制 电力电力 系统系统 自动自动 调频调频 的任的任 务务 1、维持系统频率为额定值、维持系统频率为额定值 2、经济功率分配、经济功率分配 3、系统潮流分布符合经济、系统潮流分布符合经济 安全原则安全原则 主导发电机组法主导发电机组法 同步时间法同步时间法 联合自动调频法联合自动调频法 在电网调度的在电网调度的SCADA系统的基础上，在调度中心的监系统的基础上，在调度中心的监 控计算机中配置控计算机中配置AGC（自动发电控制）功能软件（自动发电控制）功能软件 实现方法实现方法 North China Electric Power University pagepage9 92

8、021-7-62021-7-6 3、自动发电控制AGC 自动发电控制自动发电控制AGC的的基本目标：基本目标： 1、使全系统的发电机输出功率和总负荷功率相匹配、使全系统的发电机输出功率和总负荷功率相匹配 2、维持系统频率为额定值，在正常稳态情况下，其频率偏差在、维持系统频率为额定值，在正常稳态情况下，其频率偏差在 0.050.2Hz范围内。范围内。 3、控制地区电网间联络线的交换功率与计划值相等，实现各地、控制地区电网间联络线的交换功率与计划值相等，实现各地 区有功功率就地平衡。区有功功率就地平衡。 4、在安全运行前提下，所管辖系统范围内，机组间负荷实现经、在安全运行前提下，所管辖系统范围内，

9、机组间负荷实现经 济分配。济分配。 5、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。 North China Electric Power University pagepage10102021-7-62021-7-6 3、自动发电控制AGC AGC是是建立在电网调度自动化能量管理系统与发电机组协调控建立在电网调度自动化能量管理系统与发电机组协调控 制系统（简称制系统（简称CCS）间闭环控制的一种先进技术手段。）间闭环控制的一种先进技术手段。 调节结束时频率偏差为零。调节结束时频率偏差为零。 机组控制环机组控制环 区域调度控制环区域调度控制环 计划跟踪

10、环计划跟踪环 Tiii PfACE控制误差控制误差 North China Electric Power University pagepage11112021-7-62021-7-6 3、自动发电控制AGC AGC有三种基本控制方式有三种基本控制方式 1、恒定频率控制、恒定频率控制FFC（Flat Frequency Control）按照频率按照频率 偏差进行调节，在频率偏差为零时调节结束。偏差进行调节，在频率偏差为零时调节结束。 对联络线不加以控制对联络线不加以控制 适用于电厂间联系紧密的小型系统适用于电厂间联系紧密的小型系统 2、恒定交换功率控制、恒定交换功率控制FTC（Flat Tie

11、-line Control）按照控制按照控制 调频机组保持交换功率恒定进行调节。调频机组保持交换功率恒定进行调节。 对系统频率不加以控制对系统频率不加以控制 只适用于两个系统间按照协议交换功率的情况。只适用于两个系统间按照协议交换功率的情况。 North China Electric Power University pagepage12122021-7-62021-7-6 频率联络线功率偏差控制（TBC） 3、频率联络线功率偏差控制、频率联络线功率偏差控制TBC（Tie-line load frequency Bias Control） 既按照频率偏差又按照联络线交换功率进行既按照频率偏差又

12、按照联络线交换功率进行 调节，维持各地区电力系统负荷波动的就地平衡。调节，维持各地区电力系统负荷波动的就地平衡。 适用于大型电力系统或联合电力系统（常用方法）适用于大型电力系统或联合电力系统（常用方法） BBtBB AAtAA fPACE fPACE 0 0 tBtA PP f 定义本区域调节作用信号定义本区域调节作用信号 为区域控制误差为区域控制误差ACE dtfPKP dtfPKP BBtBiBGB AAtAiAGA 控控 制制 功功 率率 0 0 B A ACE ACE 调整结果在稳调整结果在稳 态情况下满足态情况下满足 North China Electric Power Univer

13、sity pagepage13132021-7-62021-7-6 电力系统典型事故 电力系统自动装置电力系统自动装置就是针对危及系统安全运行的故障所采用就是针对危及系统安全运行的故障所采用 的自动化对策，他们的任务就是当系统发生某些故障时，按照预的自动化对策，他们的任务就是当系统发生某些故障时，按照预 定的控制准则迅速作出反应，采取必要的措施以避免事故扩大。定的控制准则迅速作出反应，采取必要的措施以避免事故扩大。 事故事故1：A电厂发生故障而切机，电厂发生故障而切机，B系统突然减少了功率系统突然减少了功率 。 如果运行机组备用容量远小于如果运行机组备用容量远小于 ，则会造成电网功率的严重，则

14、会造成电网功率的严重 缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及 系统安全，甚至整个系统崩溃。系统安全，甚至整个系统崩溃。 A P A P North China Electric Power University pagepage14142021-7-62021-7-6 电力系统典型事故 事故事故2：在双回线路上输送的功率：在双回线路上输送的功率 很大，当有一回线三相短很大，当有一回线三相短 路而被切除，路而被切除， 超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果 不迅速减少输送功率，则可能由于系

15、统稳定破坏而解列。造成不迅速减少输送功率，则可能由于系统稳定破坏而解列。造成 受端更为严重的功率缺额。受端更为严重的功率缺额。 A P A P 事故处理：事故处理： 1、对于事故、对于事故1，B系统迅速切除负荷系统迅速切除负荷 2、对于事故、对于事故2，A电厂迅速减少输送功率电厂迅速减少输送功率 North China Electric Power University pagepage15152021-7-62021-7-6 电力系统典型事故 存在问题存在问题：如果由调度人员在很短的时间内正确判断事故并如果由调度人员在很短的时间内正确判断事故并 且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远

16、动信息传且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远动信息传 输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会 失去及时处理事故的良机。失去及时处理事故的良机。 解决办法解决办法：针对引发系统性事故的紧急操作任务必须依靠：针对引发系统性事故的紧急操作任务必须依靠 自动控制系统装置来完成。自动控制系统装置来完成。 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Sec. 电磁暂态电磁暂态 Electromagnetic Switching Transient 暂态稳定暂态稳定 Transient stability（angl

17、e and voltage） 系统运行系统运行 Power system operation 小扰动稳定小扰动稳定 Small signal stability 长期电压稳定长期电压稳定 Long term voltage stability 继电保护范围继电保护范围 自动装置范围自动装置范围 自动化系统范围自动化系统范围 人员操作范围人员操作范围 North China Electric Power University pagepage16162021-7-62021-7-6 第四节 电力系统自动低频减载 电力系统的频率反映了发电机组所发出的有功功率与负荷所需有电力系统的频率反映了发电机组

18、所发出的有功功率与负荷所需有 功功率之间的平衡状况。功功率之间的平衡状况。 当电力系统发生了当电力系统发生了较大的事故较大的事故时，系统出现了时，系统出现了严重的功率缺额严重的功率缺额， 其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系 统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的最大功率，仍最大功率，仍 然不能满足负荷功率的需要然不能满足负荷功率的需要，所引发的系统频率下降值远远超，所引发的系统频率下降值远远超 出了系统安全运行所允许的范围。出了系统安全运行所允许的范围。 为了保证电网安全和对

19、重要用户的供电，必须采取措施，为了保证电网安全和对重要用户的供电，必须采取措施，切切 除部分负荷除部分负荷，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。 North China Electric Power University pagepage17172021-7-62021-7-6 频率降低对电力系统的影响 系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩 溃的严重后果。溃的严重后果。 1、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生裂纹，、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生

20、裂纹， 甚至叶片断裂。甚至叶片断裂。 2、发生频率崩溃现象、发生频率崩溃现象 3、发生电压崩溃现象、发生电压崩溃现象 频率降低频率降低 火电厂厂用机械出力降低火电厂厂用机械出力降低 锅炉出力降低锅炉出力降低发电厂出力降低发电厂出力降低 频率降低频率降低 励磁机、发电机转速下降励磁机、发电机转速下降 电动势下降电动势下降加剧无功不足加剧无功不足电压水平下降电压水平下降 North China Electric Power University pagepage18182021-7-62021-7-6 1、电力系统频率的静态特性 在电力系统出现较大的功率缺额时，如能在较低的频率维持运在电力系统出现

21、较大的功率缺额时，如能在较低的频率维持运 行，主要是依靠负荷频率特性的调节作用。行，主要是依靠负荷频率特性的调节作用。 当频率降低时，负荷按照自身的频率特性自动地减少了从系统当频率降低时，负荷按照自身的频率特性自动地减少了从系统 中所吸收的功率，使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。中所吸收的功率，使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。 此时，系统所减少的功率就是系统的功率缺额。此时，系统所减少的功率就是系统的功率缺额。 h L P K f 1 LNL h PK P f * 50 系统功率缺额系统功率缺额 负荷的频率调节特性负荷的频率调节特性 系统功率缺额系统功率缺额 North Chin

22、a Electric Power University pagepage19192021-7-62021-7-6 2、电力系统频率的动态特性 研究电力系统频率的动态过程研究电力系统频率的动态过程 （1）单机）单机系统系统 M dt d J M dt dW N KN 2 2 * * 22 M dt d P W dt d P W GN KN NGN KN * * 2 LTG GN KN PP dt d T dt d P W 系统出现有功缺额时，转子运动方程系统出现有功缺额时，转子运动方程 2 2 1 NKN JW转子动能转子动能 * PM * 考虑到机械角速考虑到机械角速 度变化不太快度变化不太快

23、 North China Electric Power University pagepage20202021-7-62021-7-6 2、电力系统频率的动态特性 （2）机组机组并联运行：并联运行： 考虑忽略各节点频率偏差考虑忽略各节点频率偏差 的差异，把全系统的所有机组看作的差异，把全系统的所有机组看作 一台等值机。一台等值机。 i f 电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯 量，可以忽略，这样并不会影响计算结果。量，可以忽略，这样并不会影响计算结果。 * * LTX PP dt d T dt fd dt d dt d *

24、 等值机的惯性等值机的惯性 时间常数时间常数 L h xf K P f dt fd T North China Electric Power University pagepage21212021-7-62021-7-6 2、电力系统频率的动态特性 * * * * L h LN GN X K P f dt fd P P T 当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率 的动态特性可用指数曲线来描述。的动态特性可用指数曲线来描述。 tf X 在事故初期，频率下在事故初期，频率下 降的速度与功率缺额降的速度与功率缺额 成正比成正比 North China E

25、lectric Power University pagepage22222021-7-62021-7-6 2、电力系统频率的动态特性 当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ， 若若 则有曲线则有曲线C 1 f L P hL PP 当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ， 若若 ，且使，且使 则有曲线则有曲线d 1 f L P hL PP 1 ff X 当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ， 若若 ，且使，且使 则有曲线则有曲线e 1 f L P hL PP bX ff 结论：如果能够及时切除负荷功率，就可以延缓系统频结论：如果能够及时切除负荷功率，就可以延缓系

26、统频 率下降过程。率下降过程。 North China Electric Power University pagepage23232021-7-62021-7-6 3、自动低频减载的工作原理 当电力系统发生严重的功率缺额时，低频减载装置的任务就是迅当电力系统发生严重的功率缺额时，低频减载装置的任务就是迅 速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的 情况下，达到有功功率平衡，以确保电力系统安全运行，防止事情况下，达到有功功率平衡，以确保电力系统安全运行，防止事 故进一步扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护故进一步

27、扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护 装置。装置。 1、最大功率缺额的确定、最大功率缺额的确定 2、自动低频减载装置的动作顺序、自动低频减载装置的动作顺序 3、频率级差的选择、频率级差的选择 4、每段切除功率的限制、每段切除功率的限制 5、自动减载装置的延时与防止误动作、自动减载装置的延时与防止误动作 6、特殊轮、特殊轮 North China Electric Power University pagepage24242021-7-62021-7-6 （1）最大功率缺额的确定 考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现最大可能考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现

28、最大可能 的功率缺额时，接至自动低频减载装置的用户功率量（待切除的的功率缺额时，接至自动低频减载装置的用户功率量（待切除的 负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。 确定系统事故情况下最大的可能功率缺额，以及接入自动低频减确定系统事故情况下最大的可能功率缺额，以及接入自动低频减 载装置的功率值，是系统安全运行的重要保证。载装置的功率值，是系统安全运行的重要保证。 一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的 最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机

29、组，或者某一最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机组，或者某一 电厂来考虑。电厂来考虑。 一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于系统额定频率一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于系统额定频率 Nh ff max. h P 自动低频减载装置的最大可能断开的功率自动低频减载装置的最大可能断开的功率 要小于最大功率要小于最大功率 缺额缺额 max.L P max.max.hL PP North China Electric Power University pagepage25252021-7-62021-7-6 （1）最大功率缺额的确定 hN fff * max. max.max. fK P

30、P PP L LLN Lh * *max. max. 1fK fPKP P L LNLh L h L P K f 1 根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额 ，可以，可以 计算出接到自动低频减载装置的功率总数。计算出接到自动低频减载装置的功率总数。 max. h P North China Electric Power University pagepage26262021-7-62021-7-6 （2）自动低频减载装置的动作顺序 系统运行方式有很多种，事故的严重程度也很大差别，而对于自系统运行方式有很多种，事故的严重程度也很大差别，而对于自 动低

31、频减载装置都必须做出恰当的反应，切除相应数量的负荷。动低频减载装置都必须做出恰当的反应，切除相应数量的负荷。 解决的办法解决的办法只有分批断开负荷功率，采用逐步修正的办法，只有分批断开负荷功率，采用逐步修正的办法， 才能取得较为满意的结果。才能取得较为满意的结果。 尽管频率动态方程表明频率下降速率载有有功缺额的信息，但是，尽管频率动态方程表明频率下降速率载有有功缺额的信息，但是， 在实际应用中，按频率降低值来切除负荷，即按频率自动减载。在实际应用中，按频率降低值来切除负荷，即按频率自动减载。 自动低频减载装置是在电力系统发生事故后系统频率下降时，按自动低频减载装置是在电力系统发生事故后系统频率

32、下降时，按 照频率的不同数值按顺序依次切除负荷，也就是将最大开断功率照频率的不同数值按顺序依次切除负荷，也就是将最大开断功率 分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。 为了确定自动低频减载装置的级数，应该确定第一级启动频率为了确定自动低频减载装置的级数，应该确定第一级启动频率 和最末一级启动频率和最末一级启动频率 的数值。的数值。 1 f n f North China Electric Power University pagepage27272021-7-62021-7-6 （2）自动低频减载装置的动作顺序 1、第一级启动频率、第一级启动频率 在

33、事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程是有利。在事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程是有利。 第一级启动频率选择高值，在第一级启动频率选择高值，在48.5Hz-49Hz之间。之间。 2、最末一级启动频率、最末一级启动频率 在电力系统中允许最低频率受到在电力系统中允许最低频率受到“频率崩溃频率崩溃”和和“电压崩溃电压崩溃” 的限制，一般取的限制，一般取46Hz-46.5Hz之间。之间。 3、频率级差、频率级差 1 1 f ff n n n级数越大，每级开断的级数越大，每级开断的 功率越少，适应性越好。功率越少，适应性越好。 North China Electric Power

34、University pagepage28282021-7-62021-7-6 （3）频率级差的选择 按照选择性确定频率级差按照选择性确定频率级差 强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率 下降的情况下，后一级才能动作。下降的情况下，后一级才能动作。 yt ffff 2 频率测量元件的频率测量元件的 最大误差频率最大误差频率 对应于对应于 时间时间 内频率的变化内频率的变化 t 频率裕度频率裕度 频率级差的主要决定因素频率级差的主要决定因素 North China Electric Power University pagep

35、age29292021-7-62021-7-6 （4）每段切功率的限制 在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因 此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。 切除功率的限值计算切除功率的限值计算按照按照“第第i-1级动作切除负荷后，系统级动作切除负荷后，系统 的稳定频率正好在第的稳定频率正好在第i级的启动频率上级的启动频率上”来考虑。来考虑。 iNi fff N i L i k LkLN i f f K PP P * 1 1 1 1 i P（1）系统缺额功率）系统缺额功率 系统缺额由负

36、荷调节系统缺额由负荷调节 效应来补偿效应来补偿 * 1 1 *1 1 iL i k Lki fKPP North China Electric Power University pagepage30302021-7-62021-7-6 （4）每段切功率的限制 （2）当第）当第i级切除负荷级切除负荷 后，系统后，系统 ，这时系统，这时系统 功率缺额由负荷调节效应来补偿。功率缺额由负荷调节效应来补偿。 *Li P h ff * 1 * 1 hL i k Lkhi fKPP （3） *1hiLii PPP * * 1 1 * * 1 * 1 1 * 1 1 11 hL hiL i k Lk hL i k LkiL i k LkLi fK ffK P fKPfKPP 每级切除的负荷功率值每级切除的负荷功率值 North China Electric Power University pagepage31312021-7-62021-7-6 （5）自动减载