第3章电力系统频率及有功功率的自动调节

1、GiLjLS0kPPP60pnf ！ T1miiPG1miiPTG11mmiiiiPPG1G2Gm 系统系统LmiGimikimiTiPPWdtdP111)(Wki各机组各机组的动能的动能G1G2Gm 系统系统LmiGimiTiPPP11这说明，即使没有调速器参与调节原动机的输入功率，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。运行。这种能力称为自平衡能力或调节能力。转速转速n nb b远离了原来的转速远离了原来的转速n na a。这说明仅仅依靠机组的自。

2、这说明仅仅依靠机组的自平衡能力进行调节，机组的转速平衡能力进行调节，机组的转速( (频率频率) )会在较大范围内会在较大范围内变化。变化。发电机的负荷功率发电机的负荷功率原动机输入功率原动机输入功率系统频率系统频率的变化的变化电力系统负荷电力系统负荷: :不断变化不断变化 原动机输入功率的改变原动机输入功率的改变: 缓慢缓慢频率频率的波动的波动: 难免难免 维持系统频率在规定范围内维持系统频率在规定范围内; ; 力求使系统负荷在发电机组之间力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。实现经济分配。 电力系统运行中的主要电力系统运行中的主要任务之任务之，就是对频率，就是对频率进行监视和控制。进行监

3、视和控制。 电力系统负荷变动情况电力系统负荷变动情况L( )PF ff fN N 额定频率；额定频率；P PL L 系统频率为系统频率为f f时，整个系统的有功负荷；时，整个系统的有功负荷；P PLN LN 系统频率为额定值系统频率为额定值f fN N时，整个系统的有功负荷；时，整个系统的有功负荷；a a0 0，a a1 1，a an n各类负荷占各类负荷占P PLNLN的比例系数。的比例系数。化成标么值的形式化成标么值的形式nNLNnNLNNLNNLNLNLffPffPffPffPPP)()()()(332210将上式除以将上式除以PLN，则得标么值形式，即，则得标么值形式，即 1LP1f当

4、系统的频率为额定值时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。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。13210naaaaa于是于是nNLNnNLNNLNNLNLNLffPffPffPffPPP)()()()(332210nnLffffP332210由图可知：由图可知：在系统频率下降时在系统频率下降时，系统负荷从系统取系统负荷从系统取用的有功功率下降。用的有功功率下降。如果系统的频率升高，如果系统的频率升高，系统负荷从系统系统负荷从系统取用的有功功率将增大。取用的有功功率将增大。通常用负荷的频率调节效应系数通常用负荷的频率调节效应系数来

5、衡量负荷调节效应的大小。来衡量负荷调节效应的大小。nnLffffP332210nmmmnnLfmfnffdfdP111232132nnLffffP332210而而定义：定义： dfPLdfpLtanfpLtan活塞调节气阀错油门错油门从锅炉来的蒸汽从锅炉来的蒸汽活塞 活塞在特性曲线上任取两点，我们在特性曲线上任取两点，我们定义机组的定义机组的静态调差系数静态调差系数：GPR。 GPRGGNGNPPPR/：0GPR一般发电机的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值：一般发电机的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值： 对汽轮发电机组对汽轮发电机组 R*=(46)% 或或KG * = 6.16 2

6、5； 对水轮发电机组对水轮发电机组R*=(24)% 或或KG * =25 50；与与KL不同的是不同的是KG可以人为调节整定，但其大小，即调整范可以人为调节整定，但其大小，即调整范围受机组调速机构的限制。围受机组调速机构的限制。KG*GGPRK*112LPPP当系统负荷增加，经过调速器调节后，系统频率稳定在当系统负荷增加，经过调速器调节后，系统频率稳定在f f1 1，这时这时1 1号发电机组的负荷为号发电机组的负荷为P P1 1，增加了，增加了P P1 1；2 2号发电机组的负荷为号发电机组的负荷为P P2 2，增加了，增加了P P2 2；两台发电机组的增量之和为两台发电机组的增量之和为P P

7、L L 。1221PRPR1*1PR2*2PR0GPR1221PRPR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。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。负荷的波动。WNff - -调速器不能分辨的最大频率误差调速器不能分辨的最大频率误差 Wff1f2fNWPRNwWffRP1WWfRP1f1f2fNRPfwwRPfPPffwwNwNwNwffWPRf1f2fN电力系统主要由发电机组、输电网络及负荷组成，如果把输电电力系

8、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。系可简化为如图所示。在频率稳态为在频率稳态为f 时时:LGTPPP图图6.9 6.9 电力系统功率电力系统功率- -频率特性频率特性图图6.9 6.9 电力系统功率电力系统功率- -频率特性频率特性ffLLLLPPPKfP GLPPPGGKPKKPGL)(上式说明，系统负荷增加时，在发电机组功频特性和上式说明，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。负荷本身的调节效应共同作用下

9、，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；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另一方面，负荷实际取用的功率也因频率下降而有所减少。减少。GLPPLLPPGGKP LGPKKf 当转速给定装置推动当转速给定装置推动D点向点向上移动时，由于机组转速和油上移动时，由于机组转速和油动机活塞的位置尚未来的及变动机活塞的位置尚未来的及变化，化，A,B,C,F各点都不会动。各点都不会动。 这样，这样，D点向上移动，就以点向上移动，就以F点点为轴推动为轴推动E点向下移动，引起错点向下移动，引起错油门

10、凸肩下移，压力油进入油油门凸肩下移，压力油进入油动机活塞下腔，动机活塞下腔，引起阀门引起阀门开度增大，机组转速增加，开度增大，机组转速增加，A点点上移上移,C、F点上移，点上移，E点上移，点上移，直到错油门完全堵住高压油入直到错油门完全堵住高压油入口，调节过程结束。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。显然调节过程结束后，发电机组的转速升高了。DLGGLPPKfKf 进一步进行二次调频时：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在同步器的作用下，机组的功频特性上移到P PG3G3( f )( f )，运行点也随之移到运行点也随之移到6 6点，此时的频率

11、恢复为点，此时的频率恢复为f fN N ，这样，这样就实现了无差调节。就实现了无差调节。LGPP 0f 结论结论2 2：（1 1）在多台发电机组并联运行的电力系统中，当负）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容量，都毫无例外地按静态特性参加频率的一次调整。整。（2 2）而频率的二次调整一般只是由一台或少数几台）而频率的二次调整一般只是由一台或少数几台发电机组发电机组( (一个或几个厂一个或几个厂) )承担，这些机组承担，这些机组( (厂厂) )称为称为主调频机

12、组主调频机组( (厂厂) )。16. 0064. 0400100024. 006. 0250100021RR2211PRPR1112125 . 116. 024. 0PPPRRP12LPPP10005005 . 111PPMWP2002 . 05 . 25 . 01)(3005 . 112MWPP0625. 005. 080010001 . 004. 0400100021RR13. 01000130LR负荷变化量负荷变化量120.130.0051110 16LPfRR 12()LffPRR -0.30(Hz)60-0.005f)(70.5930. 0600Hzfff110.0050.0550(

13、)0.10fPMWR 220.0050.0880()0.0625fPMWR （1）由于）由于=0，稳态频率偏差标幺值为：，稳态频率偏差标幺值为：因此，因此，稳态频率偏差为：稳态频率偏差为：新的频率为：新的频率为：两个单元的发电变化量分别为：两个单元的发电变化量分别为：（1）当）当=0.804时，稳态频率偏差标幺值为：时，稳态频率偏差标幺值为：120.130.004851110 160.804LPfRR 12+LffPfRR （）-0.291(Hz)60-0.00485f因此，因此，稳态频率偏差为：稳态频率偏差为：)(709.59291. 0600Hzfff新的频率为：新的频率为：110.004

14、850.048548.5()0.10fPMWR 220.004850.077677.6()0.0625fPMWR 两个单元的发电变化量分别为：两个单元的发电变化量分别为：负荷功率变化：负荷功率变化：0.00485 0.8040.00393.9fMW （）小结小结 负荷负荷吸收的有功功率随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特性，吸收的有功功率随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特性，也称为也称为负荷的静态频率特性负荷的静态频率特性，这是负荷本身固有的调节效应。，这是负荷本身固有的调节效应。 调速系统动作调速系统动作的起因是系统内负荷变化，发电机阻力转矩变化，造的起因是系统内负荷变化，发电机阻力转

15、矩变化，造成与发电机的原动转矩（汽轮机输出转矩）不平衡；调速系统动作的目的成与发电机的原动转矩（汽轮机输出转矩）不平衡；调速系统动作的目的是达到新的转矩平衡，即功率平衡。是达到新的转矩平衡，即功率平衡。 频率的一次调整频率的一次调整通过汽轮发电机组调速系统反应机组转速变化，调节通过汽轮发电机组调速系统反应机组转速变化，调节原动力阀门开度调节转速，原动力阀门开度调节转速，其表现在某一条调节特性上运行点的变化其表现在某一条调节特性上运行点的变化，当，当负荷变化较大时，调整结束时频率与额定值偏差较大负荷变化较大时，调整结束时频率与额定值偏差较大调节结果有差；调节结果有差； 频率的二次调整通过调频器反

16、应系统频率变化，调节原动力阀门开度频率的二次调整通过调频器反应系统频率变化，调节原动力阀门开度调节转速，调节转速，表现为一条调节特性上、下平移表现为一条调节特性上、下平移，可以保证调整结束时频率与，可以保证调整结束时频率与额定值偏差很小或趋于零额定值偏差很小或趋于零调节结果是无差的；调节结果是无差的； 调频定义：调频定义： 借助借助调频器调频器对频率进行二次调整对频率进行二次调整, ,此时机组此时机组上装有有差特性的调速器上装有有差特性的调速器, ,调频器的输出作用于调频器的输出作用于调速器调速器, ,将发电机频率调节特性适当移动将发电机频率调节特性适当移动, ,以保以保持系统频率在额定值。持

17、系统频率在额定值。控制调频器的信号包括下面三种形式：控制调频器的信号包括下面三种形式：（1）比例调节：）比例调节：按按f的大小，控制调频器按比例增减机的大小，控制调频器按比例增减机组功率组功率Pref，只能减小，只能减小f，不能消除频率偏移。，不能消除频率偏移。（2）微分调节：）微分调节：按按f对时间的微分调节调频器，最初调对时间的微分调节调频器，最初调节作用明显，末段调节不是很明显，稳态时不起作用。节作用明显，末段调节不是很明显，稳态时不起作用。（3）积分调节：）积分调节：按按f的积分调节，最初调节作用不明显，的积分调节，最初调节作用不明显，延缓调节过程，末段调节作用明显，可以实现无差调节。

18、延缓调节过程，末段调节作用明显，可以实现无差调节。 实际中往往几种信号综合后作为调频器控制信号，改实际中往往几种信号综合后作为调频器控制信号，改变变Pref直到控制信号为零。直到控制信号为零。 f 、Pref调频过程结束时系统频率的增量与调频过程结束时系统频率的增量与 调调 频机组有功功率设定值的增量。频机组有功功率设定值的增量。 R 有差调频器的调差系数有差调频器的调差系数0reffRP 0reffRP 0f0f0f0fni2211refnrefirefrefPRPRPRPRxnnLRfRRRfPPPP)111(21ref2ref1ref设系统的负荷增量（即计划外的负荷）设系统的负荷增量（即

19、计划外的负荷）为为PL，则调节过程结束时，必有，则调节过程结束时，必有上式也可以写为上式也可以写为 ：xf0LRP 则每台调频机组所承担的计划外负荷为：则每台调频机组所承担的计划外负荷为： xf = -LRPrefi12(1,2,., )111(.)xLLiiinRPfPPinRRRRRR )nkkk2k10(f111123112（发电机）（发电机，主导发电机）发电机refnrefnrefirefirefrefrefrefPPPPPPPP功率分配系数发电机的有功增量台调频第-K-irefiiP2、调频过程：、调频过程： 当负荷变动，系统当负荷变动，系统 f 发生变发生变化时，调频厂中的化时，调

20、频厂中的主导机组的调频主导机组的调频系统先动作系统先动作，改变主导机组的功率，改变主导机组的功率，力图维持力图维持系统系统 f 恒定恒定，此时由于主，此时由于主导机组的功率变化，协助调频的其导机组的功率变化，协助调频的其他机组也随之作相应的功率调整，他机组也随之作相应的功率调整，力图使它们的调节功率与主导机组力图使它们的调节功率与主导机组的调节功率间的调节功率间维持给定的比例关系维持给定的比例关系。 在调节过程中，主导机组按系统在调节过程中，主导机组按系统 f 不断调节，协助调频机组也不断调节，协助调频机组也跟随主导机组进行调节直到系统频率恢复到额定值，协助调频机跟随主导机组进行调节直到系统频

21、率恢复到额定值，协助调频机组和主导机组的调节功率符合给定比例关系时为止。组和主导机组的调节功率符合给定比例关系时为止。 此时，系统内不参加调频的其余机组的功率维持不变，计划此时，系统内不参加调频的其余机组的功率维持不变，计划外负荷的变动全部由调频机组承担。外负荷的变动全部由调频机组承担。1111111.iLrefiirefiLnXKPPKPKPKKK1111(1.)0nLrefinrefiPPKKPf3、机组间有功功率的分配、机组间有功功率的分配调频结束后，必有：调频结束后，必有：各调频机组承担的功率：各调频机组承担的功率：11 1.XnKKK 其中0reffdtK PNfff ikrefP1

22、-refPfdtK10d0tf t1ref10d0tIPKf t 21d0ttf t21ref 2d0tItPKf t 即调频机组增加有功出力，频率下降达到某一最低值后，逐步上即调频机组增加有功出力，频率下降达到某一最低值后，逐步上升，直至升，直至t t2 2时刻为止时刻为止. . 434d0trefItPKf t 即调频机组有功出力减小，直至即调频机组有功出力减小，直至t t4 4时刻，调频机组出力增量又与时刻，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。计划外负荷变化相等，调节过程又一次结束。323f0treftPdt0f dft1ref122nd0d0d0refrefnK

23、Pf tKPf tKPf t1drefiiPf tK (1,2,)in由于各机组的由于各机组的f是相等的。设系统计划外负荷为是相等的。设系统计划外负荷为PL ，则，则 L111dnnrefiiiiPPftK 1d1LniiPf tK 式（式（6-38）1drefiiPf tK 1d1LniiPf tK reXfiLiKPPKniXKK1i)1(1其中1drefiiPftK (d )0irefiifRPakf t(1,2,)inP Prefrefi i第第i i台机组承担的功率调节量；台机组承担的功率调节量；R Ri i第第i i台机组的调差系数；台机组的调差系数；i i第第i i 台机组调节功

24、率的分配系数，台机组调节功率的分配系数， kk系统功率与频率的转换系数；系统功率与频率的转换系数；11nii(d )0irefiifRPak f t 在调节过程结束时在调节过程结束时f f 必须为零必须为零。计划外负荷调节量计划外负荷调节量:Lref11ddnniiiiPPak f tk f t refdiiPakf t 每台机组分担的容量每台机组分担的容量：Ldre fiiiPakftaP 即即(d )0irefiifRPak f t dkf t refdiiPakf t dk f t分散调频的特点：分散调频的特点：1）在各调频厂均设置一套精度满足要求的频差积分）在各调频厂均设置一套精度满足

25、要求的频差积分信号发生器，免去远动通道传送积差信号。信号发生器，免去远动通道传送积差信号。2）分散制方式可能存在各厂的积分信号略有差异，）分散制方式可能存在各厂的积分信号略有差异，这会产生功率分配上的误差。这会产生功率分配上的误差。3）各调频装置的误差会带来系统内无休止的无谓的）各调频装置的误差会带来系统内无休止的无谓的功率交换。功率交换。五、联合电力系统的自动调频五、联合电力系统的自动调频l两种观点：两种观点：1）把联合电力系统看成是一个统一电力系统）把联合电力系统看成是一个统一电力系统 ;2）把联合电力系统看成是若干个区域电力系统）把联合电力系统看成是若干个区域电力系统. l联合电力系统的

26、调频方式联合电力系统的调频方式: :按系统的频差要求进行调节（恒定频率控制法按系统的频差要求进行调节（恒定频率控制法FFC） 按频差要求进行调节时，最终维持的是系统频率，而对联络线上的交换按频差要求进行调节时，最终维持的是系统频率，而对联络线上的交换功率不加控制。功率不加控制。按系统内联络线上交换功率的偏差要求进行调节（恒定交换按系统内联络线上交换功率的偏差要求进行调节（恒定交换功率控制功率控制FTC） 按联络线上交按联络线上交 换功率的偏差进行调节时，最终是交换功率维持恒定，而换功率的偏差进行调节时，最终是交换功率维持恒定，而对系统的频率并不控制。对系统的频率并不控制。既按频差要求又按联络线

27、交换功率的偏差要求进行调节（频既按频差要求又按联络线交换功率的偏差要求进行调节（频率联络线功率偏差控制率联络线功率偏差控制TBC） 既按频差又按联络线交换功率调节时，维持的是各区域电网功率。既按频差又按联络线交换功率调节时，维持的是各区域电网功率。0fconstPt结论：联合电力系统中，可用流出某区功率增量的正负与系结论：联合电力系统中，可用流出某区功率增量的正负与系统频率的符号进行比较，来判断负荷变动是否在该区之内。统频率的符号进行比较，来判断负荷变动是否在该区之内。ABPtie.APtie.B0d)(.irefitieiPtPfKref0itie i atie i si(KfPP)dtP

28、if0)(reifPdtACEtie i aP tie i sP irefp.iiNffftie iP0itieiPfKACE0)(0)(.BrefBtieBBArefAtieAAPdtPfKPdtPfK0fABPtie.APtie.B0)(0)(sBtieaBtieBBBsAtieaAtieAAAPPfKACEPPfKACE1210NNN nNntie i siff.ffP 0aBtieaAtiePPABPtie.APtie.B电力系统经济调度（电力系统经济调度（EDC）：）： 在保证频率质量和系在保证频率质量和系统安全的前提下统安全的前提下, 使电力系统负荷在各机组间获得最使电力系统负荷在

29、各机组间获得最佳分配佳分配, 使所需的运行总费用为最小使所需的运行总费用为最小 。热率曲线热率曲线燃料输入量燃料输入量成本费用成本费用燃料成本曲线燃料成本曲线2iiiiiCPP2、微增率微增率 微增率是指微增率是指成本费用成本费用微增量与微增量与输出功率输出功率微增量的比值。微增量的比值。 dC -成本费用微增量成本费用微增量; dP -输出功率微增量输出功率微增量.微增率曲线微增率曲线微增率微增率bd Cd P2iiibP12b当 b时 ，总 的 燃 料 消 耗 为 最 小 。3、等微增率法则：、等微增率法则：运行的发电机组按微增率相等的原运行的发电机组按微增率相等的原 则来分配负荷。则来分

30、配负荷。而总负荷功率而总负荷功率PD为为：用拉格朗日乘子法则来求解：用拉格朗日乘子法则来求解：1gnDiiPP1gntiiCC这里功率平衡就是相应的约束条件，即这里功率平衡就是相应的约束条件，即（3-31）tLC-tgCn个 电 厂 总 的 发 电 成 本拉 格 朗 日 乘 子约 束 函 数120nDPPPP1=0gniDiPP即因因PD是常数，同时各机组的输出功率又是相互无关的，所以是常数，同时各机组的输出功率又是相互无关的，所以0tiiiCLPPP10gniDtiiii(PP)CLPPP100tiC()P0tiCPtiCP或由由tiCP1212=gngnCCCPPP可得可得 ：12bb =

31、bgn图图3-16为发电厂内为发电厂内n台机组按等微增率运行分配负荷时的台机组按等微增率运行分配负荷时的示意图示意图。总的发电功率与总负荷总的发电功率与总负荷PD及线损及线损PL相平衡，即相平衡，即1gntiiCCgn1=(0gniDLiP )PP上式对功率的偏导数为零，得：上式对功率的偏导数为零，得： -itiiCbP第 个电厂微增率-LiPP令网损微增率tLC1(gntiDLiLCP )PP即1-0tLiiiCPL)PPP（=btiiiiCdCPdP而1=1itLLiiibCP()PPPP则1-i1iLiLPP若令电厂 的惩罚因子（网损修正系数）1=1itLLiiibCP()PPPP1 1

32、22=ggnnL bL bLbG1、G2、G3为发电机组；为发电机组；ACE称为区域控制误差称为区域控制误差，用用来根据系统频率偏差以及输来根据系统频率偏差以及输电线路功率偏差来确定输出电线路功率偏差来确定输出控制信号；控制信号；负荷分配器负荷分配器根据输入的控制根据输入的控制信号大小并且根据信号大小并且根据等微增率等微增率准则或其他原则准则或其他原则来控制各台来控制各台发电机输出功率的大小。发电机输出功率的大小。经济负荷分配（经济负荷分配（EDC）每隔五分钟修改一次）每隔五分钟修改一次Pbi和和i值，以值，以适应经济调度的要求。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：各台发电机组的设定调整功率按以下公式分配： 当当ACE=0，负荷按经济调度（，负荷按经济调度（EDC）分配；）分配；当当ACE0，ACE功率按功率按 (i+i)分配。分配。（五）自动发电控制系统的硬件实现：（五）自动发电控制系统的硬件实现：（六）互联电力系统的（六）互联电力系统的AGC控制控制N满足：满足： 地区间规定的净交换功率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。保持本系统的频率为额定值。“轮轮” ：计算点：计算点f1、f2 fn 点点1：系统发生了大量的有功功率缺额；系统发生了大量的有功功率缺额； 点点2：频率