电力系统频率及有功功率的自动调节(1)

1、North China Electric Power University 第八讲 电力系统频率及有功 功率的自动调节（1） 主讲人：李岩松 North China Electric Power Universitypage22021-8-4 第一节 电力系统频率特性 系统内有系统内有m台机组，电功率输出为台机组，电功率输出为 ，原动机的输入总功率，原动机的输入总功率 为为 ，在忽略内部损耗的条件下，存在关系：，在忽略内部损耗的条件下，存在关系： m Gi P 1 m Ti P 1 mm GiTi PP 11 系统负荷变动使机组输出电功率增加系统负荷变动使机组输出电功率增加 ，而机械功率来不及

2、，而机械功率来不及 做出反应，这时做出反应，这时 L P L m Gi m Ti PPP 11 为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率， m KiL m Gi m Ti W dt d PPP 111 机组转速降低，系统频率下降机组转速降低，系统频率下降 North China Electric Power Universitypage32021-8-4 1、电力系统负荷的功率-频率特性 电力系统负荷变动情况电力系统负荷变动情况 电力系统运行中的主要任务之一就电力系统运行中的主要任务之一就 是对频率进行监视和控制，保证电是对

3、频率进行监视和控制，保证电 力系统频率的偏移在允许范围内力系统频率的偏移在允许范围内 调节频率就是改变单位时间内进调节频率就是改变单位时间内进 入原动机的动力元素（蒸汽或水）入原动机的动力元素（蒸汽或水） 力求电力系统负荷在安全运行力求电力系统负荷在安全运行 约束条件下，实现经济运行及在约束条件下，实现经济运行及在 发电机组之间实现经济分配。发电机组之间实现经济分配。 励磁调节基本目标：励磁调节基本目标：发电机端电压发电机端电压 和和无功功率分配无功功率分配 调速器的基本目标：调速器的基本目标：发电机频率发电机频率和和 有功功率分配有功功率分配 North China Electric Pow

4、er Universitypage42021-8-4 1、电力系统负荷的功率-频率特性 电力系统中有功功率与频率之间的关系：电力系统中有功功率与频率之间的关系： 1、与频率变化无关的负荷：、与频率变化无关的负荷：照明、电弧炉、整流负荷照明、电弧炉、整流负荷 2、与频率成正比的负荷：、与频率成正比的负荷：切削机床、球磨机、压缩机切削机床、球磨机、压缩机 3、与频率的二次方成正比的负荷：、与频率的二次方成正比的负荷：变压器中的涡流损耗变压器中的涡流损耗 4、与频率的三次方成正比的负荷：、与频率的三次方成正比的负荷：通风机、静水头阻力不大的通风机、静水头阻力不大的 循环水泵循环水泵 5、与频率的高次

5、方成正比的负荷：、与频率的高次方成正比的负荷：静水头阻力很大的循环水泵静水头阻力很大的循环水泵 n n LNn N LN N LN N LNLNL f f Pa f f Pa f f Pa f f PaPaP . 3 3 2 210 North China Electric Power Universitypage52021-8-4 1、电力系统负荷的功率-频率特性 1. . 3210 * 3 *3 2 *2*10* n n nL aaaaa fafafafaaP 电力系统有功负荷的静态频率特性方程电力系统有功负荷的静态频率特性方程 当电力系统内机组的输入功率当电力系统内机组的输入功率 和负荷

6、功率之间失去平衡时和负荷功率之间失去平衡时,系系 统负荷也参与了调节作用。统负荷也参与了调节作用。 这种特性有利于系统中的有功这种特性有利于系统中的有功 功率在另一个频率下重新获得平功率在另一个频率下重新获得平 衡衡负荷的频率调节效应负荷的频率调节效应 * * * df dP K L L North China Electric Power Universitypage62021-8-4 1、电力系统负荷的功率-频率特性 n m m m L L fma df dP K 1 1 * * * * 为负荷的频率调节效应系数，用为负荷的频率调节效应系数，用 以衡量调节效应的大小。以衡量调节效应的大小。

7、 根据国内外的实测数据表明，根据国内外的实测数据表明， 有功负荷与频率之间的关系有功负荷与频率之间的关系 曲线接近于一条直线。曲线接近于一条直线。 * * * f P tgK L L f P K L L LN N LL P f KK * 有功功率有功功率 变化量变化量 相对应有功功相对应有功功 率变化的频率率变化的频率 的变化量的变化量 是电力系统调度部门要求掌握的一个数是电力系统调度部门要求掌握的一个数 据。它表明系统频率变化据。它表明系统频率变化1%时负荷功率变化时负荷功率变化 的百分数。的百分数。 *L K North China Electric Power Universitypag

8、e72021-8-4 2、发电机组的功率-频率特性 发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的 功率功率-频率特性取决于调速器系统的特性频率特性取决于调速器系统的特性 * BWAM G 2 *2*1* fCfCP G 发电机组无调速器发电机组无调速器 在调速器的作用在调速器的作用 下不断改变进气下不断改变进气 量，使原动机的量，使原动机的 运行点不断地从运行点不断地从 一根静态特性向一根静态特性向 另一根静态特性另一根静态特性 曲线过渡。曲线过渡。 此时原动机进气量达到最大值，此时原动机进气量达到最大值， 调速器不起作用，当

9、频率调速器不起作用，当频率f继续继续 下降时，运行点只能沿着对应于下降时，运行点只能沿着对应于 最大进气量的静态特性曲线移动。最大进气量的静态特性曲线移动。 North China Electric Power Universitypage82021-8-4 2、发电机组的功率-频率特性 对应于频率下降对应于频率下降 ，发电机组输出功，发电机组输出功 率增加率增加 ，这是一种有差调节特性，这是一种有差调节特性 f G P G P f R 发电机组的发电机组的 调差系数调差系数 负号表示发电机输出功率负号表示发电机输出功率 的变化和频率变化相反的变化和频率变化相反 * * * G GN G N

10、P f P P f f R 0 * G PRf 发电机组的静态调节方程发电机组的静态调节方程 North China Electric Power Universitypage92021-8-4 2、发电机组的功率-频率特性 计算功率和频率关系时，常采用调差系数的倒数来表示计算功率和频率关系时，常采用调差系数的倒数来表示 * * * * 1 f P R K G G 0 * GG PfK 为发电机组的功率为发电机组的功率-频率静态特性系数，或者是原动机的单频率静态特性系数，或者是原动机的单 位调节功率。位调节功率。 *G K 发电机组的调差系数主要决定于调速器的静态调节特性。发电机组的调差系数主

11、要决定于调速器的静态调节特性。 与机组间的有功功率分配相关。与机组间的有功功率分配相关。 调节特性的失灵区又造成机组间的有功功率分配的不确定性。调节特性的失灵区又造成机组间的有功功率分配的不确定性。 调差系数调差系数 机组间有功分配机组间有功分配 调速器的静态特性调速器的静态特性 调节特性的失灵区调节特性的失灵区 North China Electric Power Universitypage102021-8-4 3、发电机组调差系数与有功功率分配 *G PRf *1 *2 *2 *1 R R P P 机组间的有功功率分配与机机组间的有功功率分配与机 组的调差系数成反比组的调差系数成反比 n

12、 i i GiN N n i Gi R P f f PP 1 * 1 推广到多台发电机组并联运行的情况：推广到多台发电机组并联运行的情况： North China Electric Power Universitypage112021-8-4 3、发电机组调差系数与有功功率分配 N N P f f R P * 1 n i i GiN N R P P R 1 * * 系统等值机的系统等值机的 调差系数调差系数 * * i GiN N Gi R P P PR P 系统中负荷变化后，每台系统中负荷变化后，每台 发电机所承担的功率发电机所承担的功率 1、多台发电机的调差系数为零是不能并联运行的、多台发

13、电机的调差系数为零是不能并联运行的 2、含有一台调差系数为零机组的系统在理论上是可行的，但是、含有一台调差系数为零机组的系统在理论上是可行的，但是 在实际上是不能运行的。原因是就目前的系统容量而言不可能仅在实际上是不能运行的。原因是就目前的系统容量而言不可能仅 由一台机组来完成全部的调差任务。因此，只能是由多台有差调由一台机组来完成全部的调差任务。因此，只能是由多台有差调 节机组并联运行节机组并联运行 North China Electric Power Universitypage122021-8-4 4、调速器调节特性的失灵区 机械式调速器对于微小的转速变化是不能反应的，因此调速器具机械式

14、调速器对于微小的转速变化是不能反应的，因此调速器具 有一定的失灵区，调节特性实际上就是一条具有一定宽度的带子。有一定的失灵区，调节特性实际上就是一条具有一定宽度的带子。 不灵敏区宽度可以用失灵度不灵敏区宽度可以用失灵度 来描述：来描述： N w f f w P为机组间的最大误差为机组间的最大误差 为调速器最大的频率呆滞为调速器最大的频率呆滞 w f * * * ww w PP f R Rtg P f w w North China Electric Power Universitypage132021-8-4 4、调速器调节特性的失灵区 * * * ww w PP f R 与与 成正比，与成正

15、比，与 成反比。成反比。 w P * R 若调差系数很小，则机组间若调差系数很小，则机组间 的最大误差功率就会很大，这的最大误差功率就会很大，这 样就会引起机组间功率分配误样就会引起机组间功率分配误 差的增大。差的增大。 若不灵敏区宽度很小，则调若不灵敏区宽度很小，则调 速器在频率的微小波动时就会速器在频率的微小波动时就会 动作，机械动作会频繁。动作，机械动作会频繁。 调差系数不能很小调差系数不能很小 在电液调速器中设置在电液调速器中设置 一个人为的失灵区一个人为的失灵区 North China Electric Power Universitypage142021-8-4 5、电力系统的频率

16、特性 P f fa Pa fb fc Pc Pd 负荷负荷=1.0 负荷负荷=1.1 North China Electric Power Universitypage152021-8-4 1、机械液压调速器 1、在、在B、D点不动的情况下，点不动的情况下， A点上升点上升- E点上升点上升 2、在、在A、D点不动的情况下，点不动的情况下， B点下降点下降- E点下降点下降 E E点的位移正比于点的位移正比于A A、B B两两 点的位移之和，具有加点的位移之和，具有加 法性质。法性质。 3、在、在C点不动的情况下，点不动的情况下， B点上升点上升 A点下降；点下降； B点下降点下降A点上升点上

17、升 B B点具有反馈作用点具有反馈作用 North China Electric Power Universitypage162021-8-4 1、机械液压调速器 负荷突然减少负荷突然减少转速升高转速升高A增大增大E点减小点减小 减小开度减小开度开度反馈开度反馈B减少减少 达到新的达到新的 平衡点平衡点 North China Electric Power Universitypage172021-8-4 1、机械液压调速器 调频器启动调频器启动D点增大点增大E点增大点增大 开度增大开度增大B点增大点增大开度反馈开度反馈 达到新达到新 平衡点平衡点 North China Electric P

18、ower Universitypage182021-8-4 2、电气液压调速器转速测量 磁阻发送器磁阻发送器 作用是将转速转换为相应频率的电压信号。作用是将转速转换为相应频率的电压信号。 齿轮与铁芯之间齿轮与铁芯之间 的磁阻变化导致通的磁阻变化导致通 过测速磁头的磁通过测速磁头的磁通 发生相应变化，在发生相应变化，在 线圈中感应出微弱线圈中感应出微弱 的脉动信号，该信的脉动信号，该信 号的频率与机组转号的频率与机组转 速成正比。速成正比。 North China Electric Power Universitypage192021-8-4 2、电气液压调速器转速测量 转速转速/频率频率-电压

19、变送器电压变送器 将磁阻发送器输出的脉将磁阻发送器输出的脉 动信号转换为与转速成动信号转换为与转速成 正比的电压输出值。正比的电压输出值。 微分电路在方波的上升沿时获得正微分电路在方波的上升沿时获得正 向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器 后，输出一个幅度为后，输出一个幅度为v宽度为宽度为t的正向的正向 方波脉冲。在单位时间内，单稳态触方波脉冲。在单位时间内，单稳态触 发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输 出信号频率成正比出信号频率成正比 滤波器实际上是个积分器，在单位时滤波器实际上是个积分器，在单位时 间内脉冲个数越多则输出的电压越高间

20、内脉冲个数越多则输出的电压越高 North China Electric Power Universitypage202021-8-4 2、电气液压调速器功率测量 将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压有功功率变送器有功功率变送器 执行元件就是霍尔效应原理的测量元件执行元件就是霍尔效应原理的测量元件 8 10cos Bi d R E c H H 霍尔效应系数霍尔效应系数 霍尔元件厚度霍尔元件厚度 控制电流控制电流 磁感应强度磁感应强度 磁感应强度与元件磁感应强度与元件 平面法线的夹角平面法线的夹角 North China Electric Power

21、Universitypage212021-8-4 2、电气液压调速器功率测量 tUKi mc sin 1 tIKB m sin 2 t IU K ttIUKKKE mm mmH 2coscos 2 sinsin 321 正比于有功功率正比于有功功率 North China Electric Power Universitypage222021-8-4 2、电气液压调速器给定环节及PID调节器 用高精度稳定电源供电用高精度稳定电源供电 的精密多转电位器构成的精密多转电位器构成 由运算放大器构成由运算放大器构成 North China Electric Power Universitypage23

22、2021-8-4 2、电气液压调速器电液转换器 功率放大器输出功率放大器输出增大增大 电液转换器线圈电磁力电液转换器线圈电磁力增大增大 调节油阀调节油阀关小关小 在十字弹簧在十字弹簧 的压力下的压力下 继动器输入油压继动器输入油压升高升高 继动器蝶阀继动器蝶阀下移下移 继动器排油继动器排油增加增加 North China Electric Power Universitypage242021-8-4 2、电气液压调速器电液转换器 继动器内腔油压继动器内腔油压升高升高 继动器滑阀继动器滑阀下移下移 油动机入油油动机入油增加增加 油动机活塞油动机活塞上移上移 汽门调节阀汽门调节阀开大开大 进入汽轮

23、机的有功进入汽轮机的有功增大增大 North China Electric Power Universitypage252021-8-4 2、电气液压调速器电液转换器 油动机活塞油动机活塞上移上移 B点点上移上移 A点点上移上移 继动器蝶阀继动器蝶阀上移上移 稳定在新的工作点稳定在新的工作点 North China Electric Power Universitypage262021-8-4 2、电气液压调速器电液转换器 继动器继动器 油动机油动机 蒸汽阀蒸汽阀 AB杠杆杠杆 功率放大器功率放大器 A B + - + North China Electric Power Universitypage272