电力系统有功功率和频率控制

1、2021-6-17电力系统有功功率和频率控制1电力系统有功功率和频率控制 中国电力科学研究院2021-6-17电力系统有功功率和频率控制2讨论目的和内容n有功功率缺额扰动下的频率变化特性；n一次调频，原动机调速器特性；n二次调频，负荷频率控制（LFC）。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制3引言n电力系统频率波动对用户、发电厂和整个电力系统都会产生许多不良影响，因此，维持系统频率恒定是电力系统控制的一个重要目标。n运行中需要不断随负荷变化相应调整系统中发电出力，使发电功率和负荷平衡。n当负荷突然增加，从电网中吸取电能，使发电机的旋转动能转换成电能，因此，系统频率下降。负荷的频率效应有利

2、于阻止频率下降趋势。另一方面，频率下降使发电机调速系统动作，实行频率的一次调整和随后的二次调整，增加原动机的输入功率，使系统频率恢复到正常水平。n对于一个大型互联系统，必须实现有功功率和频率的及时调整，使整个系统的发电功率和负荷功率维持平衡，保证系统频率和联络线交换功率维持恒定。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制4频率控制的基本概念n保证频率基本恒定是电力系统可靠运行的必要条件（发电厂）；n系统的频率依赖于有功功率平衡；n频率是系统的共同因子，因此一个点上的有功功率供-需变化通过频率的变化反映到整个系统中。n将供-需变化分配到各发电机的方法：n调速器（一次调节：速度调节）n控制中心的

3、辅助控制分配发电功率（二次调节AGC）n互联系统联络线控制（频率及联络线交换功率控制TBC）2021-6-17电力系统有功功率和频率控制52021-6-17电力系统有功功率和频率控制6一、电力系统在有功功率缺额扰动下的频率变化特性n发电机工作原理n发电机对负荷变化的响应n负荷对频率偏差的响应2021-6-17电力系统有功功率和频率控制7功率缺额在各机组分配规律n电力系统功率缺额在各机组分配规律（一次调节）三阶段：n按照整步功率大小（电气距离）分配；n按照惯性大小分配（平均减速度）；n按照调速器特性分配。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制8功率缺额刚发生阶段频率下降n在功率缺额刚发生阶

4、段，由于调速器动作延迟，系统频率下降程度和速度主要取决于三个因素：n发电出力缺额数量；n负荷阻尼系数（负荷频率特性）；n所有发电机总转动惯量（惯性常数）。n频率下降曲线承指数下降函数；n对于孤立系统发生大功率缺额时，低频减载主要依据该情况设计，使频率下降得以限制在可接受的水平。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制92021-6-17电力系统有功功率和频率控制10给单独负荷供电的发电机工作原理2021-6-17电力系统有功功率和频率控制11转子运动方程（单质量块旋转体） Tj d/dt = Tm Te = Ta d/dt = 其中， Ta 加速力矩 转速 Tj 惯性时间常数 2021-6

5、-17电力系统有功功率和频率控制12 Pm Pe = Tm Te考虑从初始值的微小偏差发电机对负荷变化的响应-速度和功率关系的传递函数2021-6-17电力系统有功功率和频率控制13负荷对频率偏差的响应n综合负荷对对频率的关系Pe = Pl + D rD=负荷阻尼系数，典型值D=1-2D=2，表示1%频率变化引起2%负荷变化2021-6-17电力系统有功功率和频率控制14包括阻尼影响的研究系统频率对负荷变化的响应（没有调速器时静态转速偏差由负荷频率特性决定）2021-6-17电力系统有功功率和频率控制15 其中， 发电机功率缺额（标幺值） 频率下降（标幺值） 惯性常数（秒） 负荷阻尼系数Kef

6、Tt)-L(1LfMDK=1/DT=M/D2021-6-17电力系统有功功率和频率控制16 东北华北华中全国Time(sec.)403020100F(HZ)0-1-2-3-42021-6-17电力系统有功功率和频率控制17模拟功率扰动后频率变化曲线的困难n频率问题伴随有功角问题和电压问题（电网/联网薄弱，电动机负荷模型）；n负荷频率特性；n调速器死区及仿真计算的数值计算处理。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制18n二、电力系统一次调频的调速器特性n带调速器的发电机工作原理2021-6-17电力系统有功功率和频率控制192021-6-17电力系统有功功率和频率控制20 三峡Time(s

7、ec.)151050F(HZ)0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5河南沁北电厂1200MW（单机600MW） 2021-6-17电力系统有功功率和频率控制21汽轮机/水轮机-调速系统的响应速度n再热式和非再热式汽轮机及水轮机的静态速度偏移可能是一致的，但暂态响应可明显不同。机组响应特性取决于多种因素：n电厂类型；n电厂控制和运行方式（炉跟机/机跟炉）；n运行点（靠近阀门位置点或靠近负荷极限）。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制22汽轮机和水轮发电机组对负荷阶跃变化的响应2021-6-17电力系统有功功率和频率控制23机炉控制系统对大负荷变化响应比较2021-6-17电力系统有功

8、功率和频率控制24一次调频中影响原动机控制（抑制）频率下降能力的因素n发电机出力只能增加到所具备的旋转备用限制；n受热应力限制，汽轮机的带负荷速度在刚开始时可快速承担大约10%的汽轮机额定输出，不会发生过热损坏。随后可以每分钟大约2%慢速增加；n汽轮机阀门打开时，蒸汽流量增加导致压力下降，锅炉增加燃料恢复压力需几分钟。对抑制频率下降作用不大；n调速器有3-5秒延迟。n因此，用于频率控制的发电机备用仅限于所剩余发电容量的一小部分。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制25旋转备用的三个要素n备用容量；n备用容量调出速度（机组分配、水/火电）；n备用容量安排地点。n事故实例1：南方电网199

9、4，5，25振荡事故；n事故实例2：北美1996，8，10 大停电事故。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制26电力系统的一次调频复合（调速器）调节特性n电力系统一次调频特性取决于：n发电机的功率-频率特性；n负荷的频率特性。n系统负荷变化Pl时，在一次调频作用下，稳态频率偏差为： fss = -Pl /（1/Req + D）其中，Req = 1 /（1/R1 +1/R2+ +1/Rn)，为系统复合调差系统的复合频率响应特性（刚性系数）： = -Pl/ fss = 1/Req + D MW/0.1Hz系统复合调节特性：1/ 2021-6-17电力系统有功功率和频率控制27当负荷增加 P

10、l，机组减速，调速器增加出力直至达到新频率f，每台机所分配到的负荷反比于调差系数R，调差系数相等时，每台机输出功率的变化正比于它的额定容量。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制28无差调速器特性2021-6-17电力系统有功功率和频率控制29带无差调速器的发电机功率-频率特性2021-6-17电力系统有功功率和频率控制30无差调速器的实现和应用n负荷变化使转速变化，转速与参考速度比较后的转速偏差信号被放大、积分成为一个控制信号去调整原动机阀门开度，由于积分控制器的复位作用，直到转速偏差信号为零时，达到一个新的功率输出稳态。功率的增加等于负荷增加的总量。n在单机供电系统中，或多机系统中只

11、有一台发电机需要对负荷变化响应时，无差特性调速器的工作是满意的；但多台机并列运行需做功率分配时，所有的调速器都必须是具有下降特性的。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制31有差特性调速器的发电机响应2021-6-17电力系统有功功率和频率控制32复合调速器和负荷特性2021-6-17电力系统有功功率和频率控制33损失盘山电厂1000MW（+2000MW区外） 2021-6-17电力系统有功功率和频率控制34静态频率偏差的影响因素n静态频率偏差决定于：n系统等值调差特性Req；n系统频率特性D；n系统总负荷Pl；n系统发电旋转备用容量及分布在多少发电容量机组上pi，i=n；n调速器死区的

12、影响。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制35静态频率偏差的算例n系统条件：n系统负荷30000MW，n负荷突增3000MW，nReq=5%，nD=1.2，n旋转备用600MW（2%），平均分布在10000MW机组上，n受调速器死区的影响，相当于80%的发电容量参与调节。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制36示例n负荷30000+3000=33000，n阻尼系数D=(1.2x33000/100)x(100/50 x1)=792MW/Hz,n没有调速器时，导致频率下降dltPl/D=3000/792=3.79Hz,n有调速器时，负荷+备用=30000+2021-6-17电力系统

13、有功功率和频率控制37静态频率偏差的算例（续1）n无调速器：完全靠负荷频率特性2021-6-17电力系统有功功率和频率控制38带有调节转速-负荷关系的负荷参考控制的调速器2021-6-17电力系统有功功率和频率控制39影响调速器正常发挥作用的因素，系统频率恢复过慢n备用容量不足；n备用容量过分集中于少数机组；n电调数量增加，有些不投一次调频。投了的也有延时才升负荷；n调速器调差系数大；n调速器死区过大，要求（DEH验收技术条件）2转0.033Hz，但大部分放12转0.2Hz 以后才调；n大量火电机组的“机跟炉”控制方式。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制40三、电力系统二次调频特性2

14、021-6-17电力系统有功功率和频率控制41自动发电控制AGC的基本原理n当系统有基本的调速器控制时，系统负荷变化后，最终会有一个静态频率偏差，其数值决定于：n调速器下降特性；n负荷的频率系数。n所有带调速器的发电机都对发电总变化量有贡献（贡献量取决于本机组的调速器下降特性）。n要把系统频率恢复正常值，需要附加控制调节选定机组的负荷参考设定值。通过动作选定机组的调速马达，使机组功频特性曲线向上或向下平移的方法改变负荷参考点，达到改变发电出力的目的。自动发电控制AGC是频率功率二次调整的自动闭环控制实现方式。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制42孤立系统中的AGC（负荷 - 频率控制

15、LFC）n辅助发电控制比调速器控制慢得多，只有当调速控制（所有机组都参与调节）已稳定了系统频率后才起作用；nAGC调整所选定机组的负荷参考设定值，改变其输出功率，以抵消电力系统复合频率调节特性的影响，把频率恢复到给定正常值；n使无AGC作用的其他机组发电出力回到原计划安排值；n经济分配发电功率变化；nAGC通过在调速器的负荷参考设定值上增加一个积分控制环节实现，确保频率静态误差为另；nAGC放在机还是放在炉，有差别。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制43孤立电力系统中的AGC2021-6-17电力系统有功功率和频率控制44互联系统的频率功率控制n互联系统的二次频率功率调整的目的是使不

16、同地区电网之间的负荷和发电恢复平衡。当控制作用（通过调整被选定机组的输出，实现了：n频率恢复到正常值；n保证联络线交换功率为给定值；即，频率偏差和联络线潮流偏差均为另时，二次调整的目的就达到了。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制45联络线频率偏差控制n区域控制误差ACE设定：nACE2 =P21 +B2 fnB2=2 = 1/R2 +D2；nACE1 = P12 +B1 fnB1=1 = 1/R1 + D1；nACE代表区域发电量所需要的变化（MW）；nB 通常为频率偏差因子（MW/0.1Hz)。nACE作用到每个区域中所选定的若干机组，通过积分环节，动作于其负荷参考设定值。n区域频率响应特性（1/R + D）可通过跳机试验录波得到。2021-6-17电力系统有功功率和频率控制46频率偏差设定n北美每年对每个控制区设定一个频率偏差，为根据该区的最高负荷预测对应的自然调节特性 ：（1/R +D）。根据预测峰荷和旋转备用，平均的频率偏差设定值为每0.1Hz为2%，全年不变。但低谷负荷时偏差系数比实际频率调节特性大许多，导致调节不稳、振荡、非计划累积交换功率大、累积时差大。n国家电网公司国调2001，558号文要求暂按照上一年最高负荷1% - 1.2%考虑。n华北350MW/ 0.1