电力系统频率及有功功率的自动调节

1、第五章第五章 电力系统频率及有功电力系统频率及有功功率的自动调节功率的自动调节电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理第一节第一节 电力系统的频率特性电力系统的频率特性v 一、概述一、概述 电网稳态条件下的频率 f 是全系统一致的运行参数 频率变化是系统负荷与电源之间的功率失去平衡所致。 原动机输入功率：60pnf 机组的动能)(111mkimmlgitiwdtdppp电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率特性电力系统的频率特性电网频率变动情况tp持续分量持续分量脉动分量脉动分量随机分量随机分量负荷瞬时变动情况负荷瞬时变动情况频率波动对电网运行的影响： 偏离电力设备经济运行点；

2、 影响用户生产率和产品质量； 频率过低过高都会危及电网安全运行电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率特性电力系统的频率特性调频与有功功率调节是不可分的，应满足安全运行约束；符合经济运行要求，发挥能源最大效益；频率偏差控制在预定范围内，保证电能质量。调频是电力系统运行的主要任务之一调频是电力系统运行的主要任务之一一般允许频率偏差为一般允许频率偏差为0.1hz电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理每分钟转数 n每秒钟转数 60n系统频率 60pnf mgimtipp11正常情况mkilmgimtiwdtdppp111lmgimtippp11负荷突然变动而使发电机组电功率增加pl

3、机组转速降低，系统频率下降。第一节 电力系统的频率特性电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理发电机的负荷功率原动机输入功率系统频率的变化电力系统负荷: 不断变化 原动机输入功率的改变: 缓慢频率的波动: 难免 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实现经济分配。 电力系统运行中的主要任务之，就是对频率进行监视和控制。 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理二 电力系统负荷的功率频率特性 1. 当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变, 这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率频率特性。 与频率变化无关的负荷，如照明、电弧

4、炉、电阻炉、整流负荷等； 与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等； 与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗，但这种损耗在电网有功 损耗中所占比重较小; 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; 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。 2. 电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为以下几类，电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率特性电力系统的频率特性v 电力系统负荷的功率电力系统负荷的功率 - - 频率特性频率特性 负荷的静态频率特性：)( ffpl频率下降时，负荷功率也下降到 ；频率上升

5、时，负荷功率也上升到 。负荷特性有利于系统中有功功率在另一频率下重新平衡，这种现象称为负荷调节效应负荷调节效应。lbplap负荷的频率调节效应系数：因为频率变化很小，所以 为一直线，取值范围在13之间。dfdpklldfdpkllfplfnfbplnplbab电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理 电力系统负荷的功率频率特性 1. 当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变, 这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率频率特性。 与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等； 与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等； 与频率的二次方成比例的负

6、荷，如变压器中的涡流损耗，但这种损耗在电网有功 损耗中所占比重较小; 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; 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。 2. 电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为以下几类，电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理fpl4. 系统的负荷随频率下降的特性有利于系统中有功功率在另一频率值下重新平衡。这种现象称为负荷的频率调节效应。其大小用kl表示。1*11*2*3*21*32mmnnnllfamfnafafaadfdpk5. 负荷的频率调节效应系数nnlneleneleeleelelelfafafafaapffp

7、affpaffpaffpapap*3*32*2*10*3322103. 负荷的功率频率特性一般表达式电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理负荷的有功功率频率静态特性简化表达当频率偏离额定值不大时当频率偏离额定值不大时，负荷有功频率静态特性用一，负荷有功频率静态特性用一条近似直线来表示。条近似直线来表示。fptgkdd fpffppkdndndd/负荷的负荷的频率调节效应系频率调节效应系数数或称为负荷的或称为负荷的频率调频率调节效应节效应，表示负荷随频，表示负荷随频率的变化程度。率的变化程度。例例5 51 1电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理三、发电机组的功率三、发电机组的功率频率特性频

8、率特性v （一）发电机的功率（一）发电机的功率 - 频率特性频率特性 发电机转矩方程： 功率方程： 无调速器时，转速和转矩都为额定值。bamg221ccpg加调速器后，将从一条静态特性曲线向另一条静态特性曲线过渡。p*m*f*pg*mg*1.01.0pf1233aa”a”电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率特性电力系统的频率特性有调速系统的发电机功率-频率特性：rk1有差调节调差系数gpfr调差特性与机组间有功功率的分配调差特性为区域，有失灵区。kr ,pgfpgbpgapgfabfnf1p1p2fabcfnp1p2p1p2p1p2plpf1电力系统电力系统自动装置原理自动装

9、置原理二 发电机组的功率频率特性 1. 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持性。 未配调速器的发电机组功率频率特性 配有调速器的发电机组功率频率特性 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理*1fprkgg3. 发电机组的功率频率静特性系数汽轮发电机组: 16.625 水轮发电机组: 2550 fpg*ggegegpfppffrpfr2. 发电机组的调差系数 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理4. 调差特性与机组间有功功率分配的关系p1p2p1p2pp12f*1*2*2*1*0rrppprfggg两机组间的功率增量分配电力系统电力系统自动装置原理自动

10、装置原理5. 多机组间的功率增量分配*22*211*1*1igieegiegiegiieggeggniigieenigieeeeniigieenigirppprppprpprpprpprfrpprpppffrrpffppgieeigiigipffrpfrp*11电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理 对没有调节容量的机组(调差系数趋于无限大)应以pieri*为零代入； 多台机组调差系数等于零是不能并联运行的； 一台机组的调差系数等于零与多台有差调节机组的并列运行是不现实的。在电力系统中，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。6 几点注意电力系统电力系统自动装置原理自动装置原

11、理7. 调节特性的失灵区ewff失灵度*/rprpfrpfwwwwwfpfwfwpwpwfepe电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率特性电力系统的频率特性v 思考题思考题1 已知：两机组并联于一条母线上， 。且调速系统保证了两台机完全同步。若1号、2号机组额定功率分别为60mw，80mw，两机均额定运行。求：当系统要求增加20mw的输出时，母线的频率为多少？每台发电机分别承担多少功率？%5%,421rr电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率特性电力系统的频率特性v 电力系统的频率特性电力系统的频率特性 系统频率特性是由负荷频率特性和发电机频率特性共同形成的。无

12、调速有调速21lllppp到状态b，pl未变，pg没增加到状态c，再调可以到状态dpfpl = f(f)pl1 = f(f)aplfnbdpl1plcpl2f3f2pl1pl2电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理三 电力系统的频率特性 调速器的调节作用被称为一次调节。 12fe34所有机组均无调速器机组装有调速器pl=f(f)pg=f(f)pf电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率特性电力系统的频率特性v 思考题思考题2 已知：某电力系统， ，当pl=3000mw时，fn=50hz。求负荷增加120mw时，系统调速后的运行点。20, 5 . 1glkk电力系统电力系统自动装

13、置原理自动装置原理第二节 调速器原理 机械液压调速器：将转速的变化转变成离心 飞摆的位移量。 电气液压调速器：将转速的变化变成电信号。 调速器通常分为v 比例积分(pi)调速器v 比例积分微分(pid)调速器按其控制规律来划分 电液调速系统的灵敏度高，调节速度快。并有较高的调节精度，特别是当机组甩负荷后，能稳定在额定转速运行； 易实现多种控制信号的综合控制； 参数的调节灵活； 省去结构复杂的飞摆机构，运行维护方便。电液式与机械式比较有以下优点：电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理一 机械液压调速器1 工作原理 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理2 调速系统框图 3 转速给定装置调节过

14、程4 机组静特性平行移动 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理转速给定装置调节过程a c bd f ea c bd f ea c bd f ea c bd f e电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理转速给定装置调节过程b c ae f db c ae f db c ae f db c ae f d电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理二 功率频率电液调速器 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理1 转速测量 a 磁阻发送器 磁阻发送器的作用是将转速转换为相应频率的电压信号。它由齿轮和测速磁头两部分组成，齿轮与主轴联在一起。测速磁头由永久磁铁和线圈组成，且与齿轮相距一定间隙。当汽轮机

15、转动时带动齿轮一起旋转。测速磁头所对的齿顶及齿槽交替地变化，这种磁阻的变化导致通过测速磁头磁通的相应变化，于是在线圈中感应出微弱的脉动信号，该信号的频率与机组转速成正比。 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理b 频率电压变送器 3) 频率电压变送器的输出特性 2) 工作波形1) 方框图 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理频率电压变送器的工作波形 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理2 功率测量 810cosbidrechhb3421电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理ugehtbitaictiuettiukkkbiketikikbtukukimmhmmchmmgc2cosco

16、s2sinsinsinsin32132211电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理3 转速和功率给定环节 转速和功率给定环节用高精度稳压电源供电的精密多转电位器构成。其输出电压值即可表示为给定转速或功率，多转电位器由控制电机带动，以适应当地或远方控制的需要。 4 电液转换及液压系统电液转换器把调节量由电量转换成非电量油压。液压系统由继动器、错油门和油动机组成。 5 调速器的工作 pmrfmpf00pfkpmrfmgpf电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理三 数字式电液调速器 控制电路部分的功能用微机实现。 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理调速器原理调速器原理机械液压式调速器原理功

17、率-频率电液调速系统原理电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理第三节 电力系统频率调节系统及其特性 一 调节系统的传递函数 1 调速器如果b点和d点不动，a点向上移动时，带动e点也向上移动；如果a点和d点不动，b点向下移动时，带动e点也向下移动；如果a点和b点不动，d点向上移动时，带动e点向下移动。电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理dtxkxxkdtxdebeb33 ssxksxeb3 sfrspsgsxsfrspstksxsfkkspskkkksxksksfkspksxsfkspksxksksxkspksfksxkscnbcnnbcbcbcbbcb111111214342341212

18、344213bcecdabdaexkpkfkxpkxfkxxkxkxkx42121421 sxkspksfksxbce421电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理 ttbttstksxspsg1 简单的汽轮机的传递函数 再热式汽轮机的传递函数 rtrtbttststskrtksxspsg111 水轮机的传递函数 ststsxspsgwwbtn5 . 0112 原动机电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理3 调速器+汽轮机r1nnstk1ttstk1f(s)pt(s)pc(s)xb(s)gn(s)gt(s)+-r1tnstst111f(s)pt(s)pc(s)gnt(s)+-knkt=1电力

19、系统电力系统自动装置原理自动装置原理1) 发电机组动能提供的功率增量； 2) 负荷的频率调节效应而引起的负荷功率变化；3) 联络线上功率的变化。 4 电网部分(发电机、负荷及联络线） 负荷变化与发电机组输入功率变化的差值： 控制区3控制区2控制区1控制区i电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理 sfsgspspspstksgsfstkspspspfkwtkksfsfkwkspspspspsfksfwspsppfkdtfdfwppdtfdfwdtdwwffwfffwffwpfkdtdwppipitilitipipipiipipitilitielikiepilipiielikielitiliti

20、tiiliekielititiiliiekielitiiekiekikieeikieeiekieeikitiilikiliti1112,1122222122功率平衡关系式（有名值）功率平衡关系式（有名值）电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理pipistk1pli(s)pti(s)gpi(s)pti(s)fi(s)-+功率平衡式的框图电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理 sfsgspspspstksgsfstkspspspfkhtkksfsfkhkspspspspsfksfhspsppfkdtfdfhpppwhppfkdtfdfwppipitilitipipipiipipitilitie

21、liipilipiieliilitilititiilieilititiiliieilitiiekieiietiiliiekieliti*1112,11222,2功率平衡关系式（标么值）功率平衡关系式（标么值）电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理jiijljiijijijljiijijijijljijiijnjijtixuupxuuddppxuuppppcoscossin1 njjiijtisfsftssp12njjiijtijiijijjiijjiijijijdtfdtftpdtfdtftpfdttpp1max222cos联络线功率增量关系式联络线功率增量关系式电力系统电力系统自动装置原理

22、自动装置原理12itpti(s)fi(s)+-+-+-22it32it+s1f3(s)f2(s)f1(s)联络线功率增量框图联络线功率增量框图电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理pipistk1pli(s)pti(s)gpi(s)pti(s)fi(s)-+r1tnstst111ppstk1f(s)pc(s)pl(s)gnt(s)gp(s)+-pt(s)+-5 单区域的闭环调节框图r1tnstst111f(s)pt(s)pc(s)gnt(s)+-电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理r1tnstst111ppstk1f(s)pc(s)pl(s)gnt(s)gp(s)+-pt(s)+-12i

23、tpti(s)fi(s)+-+-+-22it32it+s1f3(s)f2(s)f1(s)6 与其他系统 相 联 的控制区域i的 闭 环 框图 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理二 电网的频率调节特性 1 单区域电网的频率特性 flllllppslntpplntppkkrkrkpprkksfsfspsgsgrsgsfspsgsgrsgsf111lim111110系统功率频率特性系数 a 静态特性r1tnstst111ppstk1f(s)pc(s)pl(s)gnt(s)gp(s)+-pt(s)+-电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理系统总额定容量 pe=2000mw正常运行的负荷 pl=

24、1000mw惯性常数 h=5s调差系数 r*=4.8%负荷调节效应系数 kl*=0.5hzfpfpmwprkellll0234. 001. 0200020,2033.21%8 . 415 . 01*电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理b 动态特性spskrrtspskrrtkrrkspkrsrtrklpplpppplppp11111pplrtkrssp11 spstkrstksflpppp1111 tefsssf13. 210234. 013. 2110234. 0205015 . 05052225 . 011*leplpkfhtkk电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理1)总的闭环系统

25、的时间常数只有0.4687s，比表征电厂本身的时间常数tp(为20s)要小得多，这主要是由于闭环系统中的反馈所起的作用(即调速器的作用)；2)减小r值使增大，可以减小稳态频率偏差；3)当计及tn、tt时，f 随时间变化曲线不是纯指数型的，在初期出现了振荡、 开始时形成一个较大的瞬时频率降落； 4)算例中，当负荷变化20mw时、频率降落为0.0234hz，如果长期存在会引起较大的累计频率偏差，这是不允许的。 1 2 3 4 5f=0.0234hzf(hz)tn=tt=0tn=0.08stt=0.3st(s)电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理以上讨论中关于系统变化过程解释如下：当负荷突然增加

26、l(即20mw)时，系统功率平衡遭到破坏，起初瞬间由于频率尚未下降汽轮发电机的调速系统还未动作，所以发电机的输入功率不变。因此，这时负荷所增加的功率是由系统的动能供给的(动能以20mws的速率减小)。随着系统动能的减小，发电机的转速下降(即系统频率下降)，调速系统随之动作，增加发电机的输入功率与此同时，由于频率的下降，负荷的频率调节效应使它吸取的功率有所减小。 总之，增加的20mw负荷功率是由三部分来平衡的，即系统动能供给的功率，发电机增加的输入功率以及负荷少吸收的功率，在开始瞬间，后两项为零，随着频率降低，它们就逐渐增大，最后在一个较低的频率下稳定运行。此时，动能已不再供给功率，20mw的负

27、荷增量仅由后两项来供给。 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理pc1(s)11r11111tnstst111ppstkf1(s)pl1(s)gnt1(s)gp1(s)+-pt1(s)+-21r22111tnstst221ppstkf2(s)pc2(s)pl2(s)gnt2(s)gp2(s)+-pt2(s)+-12as1122 t+-2 多区域系统的频率特性（二区域系统为例） 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理1122122111122112222221111*1*221121222111, 2, 1112221122211,110,21,11,1apppapapfpfkpfrpfkp

28、frdtfdpfkdtfdfhppfrpfrpffffrpfrppppapppapppplltlltlltllitliieilitigggglltteeetet二区域系统静态特性电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率调节系统及其特性电力系统的频率调节系统及其特性单个区域的频率闭环调节框图电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率调节系统及其特性电力系统的频率调节系统及其特性发电机功率增加发电机功率增加 负荷功率减少负荷功率减少 功率平衡起作用的三个部分：系统动态响应曲线系统动能系统动能 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统的频率调节系统及其特性电力系统的

29、频率调节系统及其特性联合调频比单区域系统调比单区域系统调节好。节好。电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理第四节 电力系统自动调频 一概述 电力系统中的所有发电机组均装有调速器，如系统负荷发生变化，则每台发电机的调速器都将反应系统频率的变化，自动地调节进汽(水)阀门的开度，改变机组出力，使有功功率重新达到平衡。这就是频率的一次调整。 利用同步器平移机组调节特性对系统频率的调节就是频率的二次调整。手动调频 自动调频 带基本负 荷的发电厂 调峰厂 调频厂v 主导发电机法 v 同步时间法（积差调节法） v 联合电力系统调频 二 自动调频方式电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理当负荷变动系统频率

30、发生变化时，调频电厂中主导发电机组的调节系统首先动作，改变主导机组的功率，力图维持系统频率恒定。这时，由于主导机组的功率变化，协助调频的其它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的调节功率间维持给定的比例关系。在调节过程中，主导机组按系统频率不断地调节，协助调频机组也跟随主导机进行调节，直到系统频率恢复到额定值，协助调频机组与主导机组的调节功率符合给定比例时为止。这时系统中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。 10papfii（一）主导发电机法电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理fdtkfdtkppkfdt10a 单机积差调节调节方程

31、调频过程 b 多台机组的积差调节kpkpfdtkpkkppfdtkpfdtkpfdtkpfdtkpiiniiniiniiniinn11111111（二）积差调节法 指调频系统按频率偏差的时间积分值进行调节。 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理papfdtkfdtkappfdtkapendfdtkapkfiiiiniiiiiii 10c 改进的积差调节法 d 集中制与分散制调频 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理1) 维持系统频率为额定值，在正常稳态情况下，其频率偏差在0.05一0.2hz范围内； 2) 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的就地平衡； 3)

32、 在安全运行前提下，所管辖系统范围内，机组间负荷实现经济分配。 三 联合电力系统调频a 任务 恒定频率控制ffc(flat frequency control) 恒交换功率控制ftc(flat tie-line control) 频率联络线功率偏差控制tbc(tie line load frequency bias control)b 联合电力系统的调频方式电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理c 频率联络线功率偏差控制tbcpgaplakapgbplbkbpta区域调节作用的信号称为区域控制误差(area control error)。000fppfpacefpacedtfpkpdtfpk

33、pfpacefpacetbtabtbbataabtbibgbataiagabtbbataa控制误差控制误差调整结果电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理baalblalbbalagataatablbtaagalatalbblbtalaagalatblblbgbtalalagapppfpppfpfppfpppfkrppfkrpppfkpppfkpp 1011电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统自动调频电力系统自动调频电电 厂厂 带基本负荷厂带基本负荷厂1 调频厂调频厂1 调频厂调频厂2 调频厂调频厂3 调峰厂调峰厂1 调峰厂调峰厂2 调峰厂调峰厂3 带基本负荷厂带基本负荷厂2 带基

34、本负荷厂带基本负荷厂3 电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统自动调频电力系统自动调频0f一台发电机（主导机）。调差目标其它成比例配合。效果一般，用于小系统。agc同步时间法同步时间法联合自动调频联合自动调频按频率偏差的积分值调节。0 fdtkapkfiii主导发电机法主导发电机法)(fbpapfgiiciifgiiicifbpap)(电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理恒定频率控制法恒定频率控制法ffc电力系统自动调频电力系统自动调频v 联合电力系统的调频联合电力系统的调频0f恒定交换功率控制恒定交换功率控制ftcconstpt无关频率。一个系统与另一个系统之间交换的pt恒定，

35、但f可能会变。有协议的因素。频率联络线功率偏差控制频率联络线功率偏差控制tbc全部都考虑。电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统自动调频电力系统自动调频vtbc区域调节作用的信号称为区域控制误差ace。bbtbbaataafpacefpacedtfpkpdtfpkpbbtbibgbaataiaga相应的控制功率当负荷变动时，调整目标0, 0baaceacetblblbgbtalalagapfkpppfkpp设a有二次调频，b有一次调频。tbtapp talbblbtalaagalapfkrppfkrpp11且即0taapf最终使lbbapf1baalbtapp得电力系统电力系统自动装置原理自动装置原理电力系统自动调频电力系