水轮机调节系统基本原理及应用

1、目 录第一章 水轮机调节系统概述及对电力系统中的影响2第一节 水轮机调节系统概况2第二节 水轮机调节系统对电力系统运行的影响6第二章 水轮机调速系统的基本原理9第一节 水轮机调速系统的原理及分类9第二节 水轮机调速系统的调差参数及不灵敏区11第三章 电力系统对调速系统的控制13第一节 电力系统频率控制的基本概念13第二节 频率的一次调节16第三节 自动发电控制（AGC）17第一节 电力系统频率的二次调节23第四章 电力系统的自动发电控制系统30第一节、调度端自动发电控制系统概述30第二节 自动发电控制系统（AGC）31第三节 水电机组的调节能力34第四节 水电厂自动控制系统37第一章 水轮机调

2、节系统概述及对电力系统中的影响第一节 水轮机调节系统概况一、 水轮机调节的任务和特点随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。系统负荷发生变化时，对机组产生两方面的影响：系统负荷变化系统电压发生变化发电机励磁装置动作发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。系统负荷变化系统电流的频率f发生变化，由于f是磁极对数p和转速n的函数发电机调速器动作发电机的转速恢复并保持在许可范围内。水轮机调节的任务：随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。维持机组转速在额定转速附近，满足电网一次调频要求；完成调度下达的功率指令，调节水轮机组有功功率

3、，满足电网二次调频要求；完成机组开机、停机、紧急停机等控制任务；执行计算机监控系统的调节及控制指令。保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏差不超过0.5Hz，大电力系统不超过0.2Hz。启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。水轮机调节的特点：1必须具备有足够大的调节功能 水轮发电机组是把水能转换成电能的机械而水能因受自然条件的限制，通常水电站水头在几米至几百米的范围内，水轮机上的压力只有零点儿MPa至几MP,因此，发出较多的电功率，常需相当大的流量，水轮机及其导水机构尺寸也需要相应加大。为推动笨重的导水机构需要有足够大的调节功能，调速器需要设

4、置多级液压放大(通常为两级)和外加能源(油压装置)，并采用较大的液压接力器作为执行元件。2调节滞后易产生过调节 水轮机调节装置(即调速器)的执行机构液压接力器具有较大的时间常数(一般达零点几秒到几秒)，调节对象也有较大的惯性时间。因此，当负荷变化时，导水机构不可能突然动作，以使水轮机的主动力矩适应外界负荷的变化，而是有一定的延迟时间，在这时间内机组转速不断升高或降低。当导水机构变化到动力矩与阻力矩相适应时，这时转速偏离额定值已有一定的数量，要使转速恢复到额定值也要合一定的时间，此时导水机构变化的数值又已超过需要调节的数值了，这就是所谓的过调节现象。这种过调节现象使水轮机调节系统变得不容易稳定。

5、3水击的反调效应水电站因受自然条件的限制，常有较长的压力过水管道，管道长，水流惯性大，导水机构开关时会在压力过水管道内引起水击(即水轮机工作水头变化)作用。而水击作用通常是与导水机构瞬间的调节作用相反，即导水机构关闭位机组输入能量与输出功率减少。但此时产生的水击会使机组功率增加并部分抵消调节作用，使调节作用产生滞后，从而恶化了调节系统的动态品质，而且不利于水轮机调节系统的稳定。4结构较复杂 对于低水头的转桨式水轮机和贯流式水轮机，为了提高水轮机的效率，以确保在不同水头下均能获得较高的运行效率其不仅要调节导水机构，还要调节桨叶开度；而对高水头的冲击式水轮机，则要调节喷针和折向器。另外，有的混流式

6、水轮机装有控制水击作用的调压阀。于是，对于这样的一些水轮机，其调速器中需增加一套调节执行机构(通常是随动系统)，从而增加了调速器结构的复杂性。此外水轮机调速器还有控制机构(如机械开限和紧急停机装置等)，有的还有分段关闭装置。 总之，水轮机调节系统相对来说，是不易稳定的，所以水轮机调速器的结构相对于其他原动机的控制装置要复杂些，放大元件的级数也多一些，功能也更强一些。二、水轮机调速器的发展历程水轮机调速器问世以来，水轮机调速器先后经历了三代的发展：水压放大、油压放大式的机械式液压调速器（20世纪初-20世纪50年代）、模拟电路加液压随动系统构成的电液式调速器（20世纪50年代-20世纪80年代）

7、和微机调节器配以相应的机械液压系统构成的微机调速器（20世纪80年代至今）。目前微机调速器以可靠性高、操作简便全面取代其他类型的调速器。解放初期，我国水轮机调速器事业一片空白，几乎从零开始，大部分产品从苏联购买，少量制造亦是照搬苏联图纸生产。5060年代，我国水轮机调速器大部分系机械液压型调速器。在大跃进年代，当时的水利水电科学研究院、哈尔滨工业大学、哈尔滨电机厂等单位曾联合研制了我国第一台电子管电液调速器，并安装在广东从化流溪河水电站运行了一段时间。60年代初，当时的水利水电科学研究院、天津电气传动设计研究所、长江流域规划办公室等单位联合研制了我国第一台晶体管电液调速器，并在湖北陆水试验电站

8、运行了相当长一段时间。70年代至80年代初，新建的大中型水电站较多地采用了电子管、晶体管或小规模集成电路电液调速器，一些小型水电站也少量采用了电液调速器，此阶段可算是机械液压调速器与电气液压调速器并重。但电气液压调速器由于所选用的主要电子元件/组件质量不过关，其长期使用的可靠性普遍较低。我国水轮机调速器的快速发展是从80年代初开始的，由于改革开放和科技进步，国内有关科研单位、高等院校及制造部门为提高调速器的运行可靠性与调节品质，开始研制微机调速器。华中科技大学、电力自动化研究院（能源部南京自动化所）、天津电气传动设计研究所、中国水利水电科学研究院、长江流域规划办公室等单位相继开展了以微处理器为

9、核心的电液调速器的研制。 华中科技大学自1981年底开始研制适应式变参数并联PID微机调节器，1984年11月在湖南欧阳海水电厂投入运行。1989年与天津传动设计研究所、湖南水科所、武汉水电控制设备公司及天津水电控制设备厂共同研制的WT-S双微机调速器通过产品鉴定，并投入小批量生产，微机调节器以Z-80单板机为硬件核心，两台微机配以相同功能的测频、CPU、D/A及A/D模块，双微机互为备用，采用适应式变参数PID调节模式，较好地满足了电站运行要求，但与外国产品相比，因我国基础工业水平的制约，整机硬件可靠性较低，性能一致性与长期运行的稳定性难以保证。 90年代以来，随着可编程控制器（PLC）技术

10、的不断完善，各单位相继开展了将可编程控制器应用到调速器中的研究工作。华中科技大学分别与有关单位合作开发不同品牌的PLC微机调节器，首台调节器于1993年5月在欧阳海水电厂投入运行。目前，PLC型电液调速器已成为我国微机电液调速器的主导产品。此外，华中科技大学还分别与哈尔滨电机厂、东方电机厂等单位合作研制出以8086、8096CPU为核心，采用STD总线结构和MIC-2000工控机型双微机调速器，成功地在岩滩、宝珠寺等水电厂投入运行。电力自动化研究院在继承ST-700系列微机调速器的双微机双通道系统结构基础上，研制了基于MC68322微机的水轮机调速器。现在由于在水轮机调速器中广泛采用电子技术、

11、液压技术和自控技术的最新技术成果，使现代水轮机调速器的面貌焕然一新。其可靠性和主要技术指标大为提高，控制功能不断扩展和完善。不仅适应了水电厂计算机监控的需要，而且为机组安全和经济运行奠定了基础。三、我国主要调速器制造企业的产品情况中国水利水电科学研究院生产的微机调速器以PLC/IPC为硬件平台，采用液压数字逻辑插装技术或比例插装技术，以快速开关阀和插装阀等元件/组件分别代替电液转换器和主配压阀，系统无需D/A转换，调节与控制无需由阀的中间位置来保证，具有静态耗油量小、性能一致性好、元件互换性好、集成化程度高等优点，且能实现液压系统全面的容错控制，彻底解决了长期困扰水电厂的调速器拒动、发卡、漏油

12、等问题，还具有显著的节能、降耗、增寿、环保等特点。 天津电气传动设计研究所生产的微机电调采用以PLC为核心的调节器，步进电机-凸轮传动装置取代电液转换器。这种不用油的电机转换元件解决了过去电液转换器抗油污能力差、易卡阻之弊病。武汉三联水电控制设备公司生产微机电调采用PLC步进缸构成电液随动系统为主。部分电液随动系统采用脉宽调制开关阀主配结构的形式。 武汉事达电气有限公司生产的微机电调均以PLC为核心，用步进电机螺纹伺服缸取代电液转换器，构成新型电液随动系统。 长江控制设备研究所的微机电调采用PLC或工控机并以伺服电机螺杆机构取代中间接力器，或以电动集成阀控制主配压阀，以机械液压随动系统驱动主接

13、力器。 南京自动化研究所的微机电调采用自制硬件构成的双微机冗余系统，应用比例伺服阀和脉宽调制式电磁阀构成的液压容错控制。东方电机股份有限责任公司的微机电调采用双工控机冗余系统，电液随动系统中配用比例伺服阀，并设有液压跟踪手动控制阀供手动运行用。 能达通用电气公司的微机电调以PLC为核心，步进电机螺杆机构取代中间接力器，并配以机械液压随动系统。 此外，我国中小型微机电调的液压系统除了传统结构产品外，中国水利水电科学研究院、长江控制设备研究所等单位还采用16MPa的皮囊式蓄能器的高油压液压系统；可减少液压放大环节和减小尺寸、简化结构，省去为油罐补充干燥压缩空气的专用的供气系统及相应设备，同时能解决

14、调速器液压系统中存在的油/水混合、气/液混合带来的元件锈死、腐蚀、振动和气蚀等方面问题。与国外同类产品相比，目前我国生产的微机型电液调速器性能与国外水平相当，个别甚至略优，主要差距在加工工艺水平，且大型调速器6.4Mpa以上的液压系统起步不久。四、 国外主要调速器产品的特点1.美国GE（原WOODWARD公司）采用三机表决系统，其余均为单机系统（按中国用户要求提供双机系统除外），产品质量性能稳定、可靠性高。 2.除ALSTOM、HYDRO VEVEY SA两公司采用串联PID结构外，其余均采用并联PID结构；PID参数均按空载、孤立网运行、大网运行三种工况给定。 3.微机更新升级快，均采用32

15、位微机，速度快、容量大，为扩展调速器功能创造了条件。 4.具有较强的诊断及容错功能和较强的抗干扰能力。 5.除VEVEY、KMW公司采用机械液压随动系统外，其余均采用电液随动系统。 6.除GE和VA TECHE-SCHER WYSS公司采用比例阀外，ALSTOM、VOITH、VEVEY均采用自制电液转换器。7.为改善静、动态性能，大多数国外产品在电液随动系统中引入了PI、PD或PID调节。 8.增强智能化功能，如VOITH公司500系列产品机组启动加速控制。 9.在三峡工程，美国GE公司曾提出三机表决系统、双比例阀液压冗余方案，并与哈电合作，在三峡右岸机组中中标；而ALSTOM以双电液转换器方

16、案在三峡左岸工程中中标。第二节 水轮机调节系统对电力系统运行的影响一、 电力系统频率质量对社会和电力企业的影响众所周知，电网频率是电能质量三大指标之一，电网的频率反映了发电有功功率和负荷之间的平衡关系，是电力系统运行的重要控制参数，与广大用户的电力设备以及发供电设备本身的安全和效率有着密切的关系。电力系统的频率稳定问题是指，当系统频率下降时，发电设备的效率会降低、或产生功能异常；为了保护发电设备不受损害，当系统频率下降到一定程度时需要将发电机组解列，这样会造成发电功率下降，使频率进一步下降，如此恶性循环，最终造成系统频率崩溃。频率波动对发电厂设备和用户设备都会造成很大影响影响。用户的旋转设备一

17、般是由电动机驱动的，因此，与发电厂的设备相同，频率的波动对其有着严重影响。尽管许多用户设备能在较宽的频率范围内正常工作，但随着科学技术的发展，一些新的电子设备及精密加工设备对电网频率提出了更高的要求，频率的波动，会使产品质量下降或设备损坏。根据IEEE 446-1995标准和BS EN50160:1995标准，0.5Hz的是许多最终用户设备的频率波动的最大容限。频率波动的长期积累效应也会影响用户设备的正常工作，尽管以同步电机驱动的时钟已不再时兴，但是仍有部分设备依然以电力系统作为参照系，特别是那些与时间有关、需长期运行、但又难以通过外部进行授时的设备仍然需要以电钟为计时手段。如数量巨大的用户分

18、时电度表，不具备自动与标准时间对时的手段，如要依靠人工对时，则工作量巨大，如以电钟为计时手段，既可保持时间的准确度，又可降低电度表的结构复杂性和造价。频率质量改善对经济效益造成很大影响，众所周知，频率偏差反映了发电与负荷间的不平衡，特别是频率偏高，反映发电量超出了用电的需求量，造成了用户电费的额外支出，以及能源的浪费。综上所述，使频率稳定在额定值，是电力系统运行的重要任务。二、 电力系统频率指标和控制要求为了满足发电厂设备、用户设备和电力系统正常运行的需要，必须根据各电力系统的特点，提出频率指标和控制要求。为此，需要考虑的问题有：基准频率和频率的正常范围基准频率是由设计确定的，中国、西欧、澳大

19、利亚、日本的一部分的电力系统基准频率为50Hz；而北美、日本的另一部分的电力系统的基准频率为60Hz。在各个电力系统中，所有的发电和用电设备均按在基准频率下运行效率最高的原则来设计的。确定频率的正常控制范围应考虑三个重要因素：对发电、用电设备经济性的影响，使其能发挥最佳的效率。对故障状态下频率允许范围的影响，当电力系统中发生故障时，频率不越出相应故障状态的频率允许范围。对安全性和经济性的综合分析。由于电力系统绝大部分时间必须运行在频率的正常控制范围之内，因此，确定频率的正常控制范围对电力系统运行的经济性影响较大，如果放宽对频率正常控制范围的要求，会降低对维持正常频率的辅助服务的要求，同时也降低

20、了成本；但是却增加了在电力系统发生故障时将频率维持在故障状态下频率允许范围内的难度。故障状态的频率允许范围。规定故障状态下的频率允许范围需考虑的因素有：对发电、用电设备功能性的影响，不能影响设备的正常功能。对发电、用电设备安全性的影响，不能造成设备的损坏。对电力系统运行安全性的影响，不能由于频率异常，造成发电设备解列，而危及整个系统的安全运行。由于电力系统故障状态千变万化，因此故障状态下的频率允许范围往往分为几级：常见故障（如N-1故障）状态下的频率允许范围。严重故障（如N-2故障）状态下的频率允许范围。特别严重故障（如多个设备故障）状态下的频率允许范围。电力系统解列成几块运行时故障状态下的频

21、率允许范围。频率越限的允许时间规定频率越限后恢复至正常范围的允许时间需要考虑的因素有：频率越限的延续时间对旋转设备寿命的影响。在频率越限故障处理期间发生第二次事件的危险性。如果发生第二次事件，可能会导致系统频率越出相应故障状态下频率允许范围，从而产生切负荷装置动作等严重后果。第二章 水轮机调速系统的基本原理第一节 水轮机调速系统的原理及分类一、 水轮机调节的基本原理水轮发电机组的运动方程式为：式中： Mt水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)Mg 发电机的阻力矩J 机组惯性矩；角速度；由此方程可见：当Mt- Mg0时，机组转速上升；当Mt- Mg0时，机组转速下降；当Mt- Mg=0时，机组转速保

22、持不变。所以当负荷变化时，应调节Mt，使Mt=Mg，n=ne又：所以，要使=C，一般不能改变H和效率，而是通过改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。二、 水轮机调速系统分类当发电机组的原动机功率与输出功率不平衡时，必然引起发电机转速的变化。为了控制发电机的转速，发电机组均安装有调速系统。根据测量环节的工作原理，调速系统分为机械式和电气液压式两大类。机械式调速系统：在早期的发电机组上安装的调速系统基本上是机械式的，机械式调速系统的结构见图2-1。在机械式调速系统中，转速测量元件由离心飞摆、弹簧和套筒组成，它与原动机转轴相联接，能直接反映原动机转速的变 化。当原动机有某一恒定转速时，作用在飞摆上的离

23、心力、重力和弹簧力在飞摆处于某一位置时达到平衡。当负荷增加时，发电机的有功功率输出也随之增加，原动机的转速降低，使飞摆的离心力减小。在重力和弹簧力的作用下，飞摆靠拢到新的位置才能使各力重新达到平衡。飞摆的运动，使套筒的位置下降，通过杠杆的作用，增大了调节汽门（或导水翼）的开度，增加进汽（水）量，使原动机的输入功率增加，转速开始回升。如此反复动作，直至在阻尼作用下，在一个新的位置达到平衡。电气液压式调速系统：电气液压式调速系统的结构见图2-2。在电气液压式调速系统中，转速测量元件由齿轮和脉冲传感器（或电压互感器）、频率变送器等组成。当发电机转速下降时，频率变送器的输出也下降，经信号整形和放大后，

24、启动阀控，增大调节汽门（或导水翼）的开度，增加进汽（水）量，以达到调整原动机的输入功率，调节发电机转速的目的。第二节 水轮机调速系统的调差参数及不灵敏区Pc图2-3 发电机组的功率-频率特性P0 P1 Pmaxba01P一、调速系统的调差系数在发电机组调速系统的作用下，发电机组输出功率随电力系统频率变化而变化，这就是发电机组的频率一次调节作用。反映发电机组的频率一次调节过程结束后，发电机组输出功率和频率关系的曲线称为发电机组的功率-频率静态特性，它可以近似地用直线来表示。如图2-3所示。发电机组以额定频率0运行时（相当于图中的a点），其输出功率为P0；当系统负荷增加而使频率下降到1时，发电机组

25、由于调速系统的作用，使输出功率增加到P1（相当于图中的b点）。如果原动机的调节汽门（或导水翼）的开度已达到最大位置（相当于图中的c点），则频率再下降，发电机组的输出功率也不会增加。发电机组的功率-频率特性曲线的斜率为： R=- P式中R是发电机组的调差系数，负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化方向相反。调差系数R的标么值表示式为：/0 *R*=- =- P/P0 P*调差系数的倒数是机组的单位调节功率（或称发电机组的功频静特性系数）KG，KG的数值表示频率发生单位变化时，发电机组输出功率的变化量。KG的标么值表示形式为KG*。与负荷的频率调节效应系数D*不同，发电机组的调差系数R*和功频静

26、特性系数KG*是可以整定的，根据北美电力系统可靠性协会（NERC）运行手册的最新规定，发电机组的调差系数R*的整定范围为4%7%（60Hz条件下），即KG*的整定范围为14.425。一般情况下，水轮发电机组R*的整定范围为4%5%；汽轮发电机组R*的整定范围为5%7%。根据北美电力系统的运行经验，相同类型、相同容量的机组的调差系数R*宜一致，图2-4表示了两台相同容量、但不同调差系数的机组的工作情况。机组A的调差系数R*为5%，机组B的调差系数R*为3%；在初始状态，系统频率为60Hz，两台机组均满负荷运行。由于某种原因，系统失去了一部分负荷，系统频率上升到60.5Hz，机组A的输出功率下降了

27、83Mw，而机组B的输出功率下降了138Mw，造成同类型、同容量机组之间的不平衡，对系统的稳定、经济运行造成危害。因此，北美电力系统可靠性协会部分区域协会（如西部协会WSCC）要求，在同一个交流互联的电力系统中采用统一的机组调差系数。NERC也曾一度规定机组调差系数统一采用5%。二、调速系统的不灵敏区发电机组调速系统不灵敏区的标准定义是：“速度持续变化的总范围，在这个范围内，没有可测量的由调速系统控制的阀门位置的变化。”发电机组调速系统不灵敏区用额定速度的百分数表示。在发电机组调速系统中，存在两种不灵敏区：固有的、和可整定的。根据北美电力系统对不同类型的调速系统的测试表明，调速系统固有的不灵敏

28、区很小（一般小于0.005Hz）。而调速系统可整定的不灵敏区，则是由运行人员设定的电力系统频率正常偏差的范围，在此范围内，减少调速系统控制器的动作。发电机组调速系统不灵敏区的存在，一方面可以减少调速系统的动作、减少阀门位置的变化，提高发电机组运行的稳定性；同时也可满足电力系统正常运行中某些使频率偏离额定值的需要（如调整电力系统时间偏差的需要）。另一方面，由于不灵敏区的存在，在系统扰动情况下，频率和联络线功率振荡的幅值和时间都将增加，将加重二次调频的负担。因此，合理设定发电机组调速系统不灵敏区非常重要，北美电力系统为了调整电力系统时间偏差的需要，允许频率偏差0.02Hz，NERC规定发电机组调速

29、系统的不灵敏区为额定速度的0.06%（0.036Hz）。第三章 电力系统对调速系统的控制第一节 电力系统频率控制的基本概念通过对电力系统各种负荷分量变化规律的分析，有利于采取不同的措施，来控制原动机功率和发电机电磁功率之间的不平衡，达到控制系统频率的目的。一、频率的一次调节电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机的调速器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。（一） 频率一次调节的基本原理（1） 电力系统负荷的频率一次调节作用当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，存储在系统负荷的电磁场和旋转质量（如电动机、照明镇流器等）中的能量

30、会发生变化，以阻止系统频率的变化，即当系统频率下降时，系统负荷会减少；当系统频率上升时，系统负荷会增加。这称为系统负荷的惯性作用，它用负荷的频率调节效应系数（又称系统负荷阻尼常数）D来表示：D = P/ （Mw/Hz）系统负荷阻尼常数D常用标么值来表示，其典型值为12。D=2意味着1%的频率变化会引起系统负荷2%的变化。 （2）发电机的频率一次调节作用当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机的转速即发生变化，如转速的变化出发电机组规定的不灵敏区，该发电机的调速器就会动作，改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率，以求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况，即当系统频率下降时，发电机的蒸汽阀门

31、或进水阀门的开度就会增大，增加原动机的功率；当系统频率上升时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会减小，减少原动机的功率。发电机调速器的这种特性称为机组的调差特性，它用调差率R来表示：R = （NoN）/ NR * 100%式中：No表示无载静态转速（主阀在无载位置）N表示满载静态转速（主阀全开）NR表示额定转速调差率R的实际涵义是，如R=5%，则系统频率变化5%，将引起主阀位置变化100%。 二、频率一次调频的特点 （1）一次调节对系统频率变化的响应快，根据IEEE的统计，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般在10秒左右。（2） 由于发电机的一次调节仅作用于原动机的阀门位置，而未作用于火力

32、发电机组的燃烧系统。当阀门开度增大时，是锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功率，由于燃烧系统中的化学能量没有发生变化，随着蓄热量的减少，原动机的功率又会回到原来的水平。因而，火力发电机组一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火力发电机组，由于蓄热量的不同，一次调节的作用时间为0.5到2分钟不等。（3） 发电机的一次调节采用的调整方法是有差特性法，其优点是所有机组的调整只与一个参变量有关（即与系统频率有关），机组之间互相影响小。但是，它不能实现对系统频率的无差调整。（一） 频率一次调节在频率控制中的作用根据电力系统频率一次调节的特点可知，一次调节在频率控制中的作用是：（1） 自动平衡第一种负荷分量，

33、即那些快速的、幅值较小的负荷随机波动。（2） 对异常情况下的负荷突变，起缓冲作用。图2-5显示了北美西部互联电力系统在一台1040Mw发电机跳闸时，在一次调节的作用下，系统频率变化的情况。（二） 频率一次调节与其它频率调节方式的关系频率一次调节是控制系统频率的一种重要方式，但由于它的作用衰减性和调整的有差性，不能单独依靠一次调节来控制系统频率。要实现频率的无差调整，必须依靠频率的二次调节。图3-1北美西部互联电力系统1040Mw发电机跳闸时频率变化曲线三、频率的二次调节（AGC）（一） 电力系统频率二次调节的基本概念+B1RPTPe+PT12Hs+D调速器和原动机电厂AGC控制和同步器集中的A

34、GC算法由于发电机组一次调节实行的是频率有差调节，因此，早期的频率二次调节，是通过控制调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率的无差调整。但未实现对火力发电机组的燃烧系统的控制，为使原动机的功率与负荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功率的基准值，达到改变原动机功率的目的。随着科学技术的进步，火力发电机组普遍采用了协调控制系统，由自动控制来代替人工进行此类操作。在现代化的电力系统中，各控制区则采用集中的计算机控制。这就是电力系统频率的二次调节，即自动发电控制（AGC）。具有频率二次调节作用的电力系统的模型如图3-2所示。图3-2 频率二次调节模型框图（二） 频率二次调节

35、的特点（1） 频率的二次调节(不论是分散的，还是集中的调整方式)，采用的调整方式对系统频率是无差的。（2） 在协调控制的火力发电机组中，由于受能量转换过程的时间限制，频率二次调节对系统负荷变化的响应比一次调节慢得多，它的响应时间一般需要12分钟。（3） 频率的二次调节对机组功率往往采用比例分配，使发电机组偏离经济运行点。（三） 频率二次调节在频率控制中的作用（1） 根据电力系统频率二次调节的这些特点可知，由于二次调节的响应时间较慢，因而不能调整那些快速的负荷随机波动，但它能有效地调整分钟级及更长周期的负荷波动。（2） 频率二次调节的另一主要作用是实现频率的无差调整。（四） 频率二次调节与其它频

36、率调节方式的关系1. 由于响应时间的不同，频率二次调节不能代替频率一次调节的作用；而频率二次调节的作用开始发挥的时间，与频率一次调节的作用开始逐步失去的时间基本相当，因此，两者在时间上配合好，对系统发生较大扰动时快速恢复系统频率相当重要（见图3-3）。2. 频率二次调节带来的使发电机组偏离经济运行点的问题，需由频率的三次调节（负荷经济分配）来解决；同时，集中的计算机控制也为频率的三次调节提供了有效的闭环控制手段。四、频率的三次调节（负荷经济分配）（一） 电力系统频率三次调节的基本概念电力系统频率三次调节的任务是经济、高效地实施功率和负荷的平衡。频率三次调节要解决的问题是：1. 以最低的开、停机

37、成本（费用）安排机组组合，以适应日负荷的大幅度变化。2. 在机组之间经济地分配负荷，使得发电成本（费用）最低。在地域广阔的电力系统中，需考虑发电成本（发电费用）和网损（输电费用）之和最低。3. 为预防电力系统故障时对负荷的影响，在机组之间合理地分配备用容量。4. 在互联电力系统中，通过调整控制区之间的交换功率，在控制区之间经济地分配负荷。（二） 频率三次调节的特点1. 频率三次调节与频率一、二次调节不同，不仅要对实际负荷的变化作出反应，更主要的是要根据预计的负荷变化，对发电功率作出安排。2. 频率三次调节不仅要解决功率和负荷的平衡问题，还要考虑成本或费用的问题，需控制的参变量更多，需要的数据更

38、多，算法也更复杂，因此其执行周期不可能很短。（三） 频率三次调节在频率控制中的作用频率三次调节主要是针对一天中变化缓慢的持续变动负荷安排发电计划（即调峰）；以及在负荷或发电功率偏离经济运行点时，对负荷重新进行经济分配。其在频率控制中的作用主要是提高控制的经济性。但是，发电计划的优劣对频率二次调节的品质有重大的影响，如果发电计划与实际负荷的偏差越大，则二次调节所需的调节容量越大，承担的压力越重。因此，应尽可能提高三次调节的精确度。第二节 频率的一次调节一. 负荷的频率特性（一）. 负荷按频率特性的分类电力系统中各种有功负荷，根据其与频率的关系，可以分为以下几类：1) 与频率变化无关的负荷，如白炽

39、灯、电弧炉、电阻炉、整流负荷等。2) 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。3) 与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗。4) 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。5) 与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很大的循环水泵等。（二）. 负荷的静态频率特性电力系统全部有功负荷与频率的关系为： PD=0 PDN+1 PDN()+2 PDN()2 +3PDN()3 + N N N式中：PD为频率等于时电力系统全部有功负荷； PDN为频率等于额定值 N时电力系统全部有功负荷； i（i=0，1，2，）为与频率的i次方成比例的负荷

40、在PDN中所占的份额。有0 +1 +2 +3+=1公式（3.1.1）即电力系统负荷的静态频率特性的数学表达式，若以PDN和 N分别作为功率和频率的基准值，以PDN去除公式（3.1.1）的各项，便得到用标么值表示的功率频率特性：PD=0 +1 *+2 *2+3 *3+由于与频率的更高次方成比例的负荷所占的比重很小，可以忽略。（三）. 负荷频率特性系数D图3-4 有功负荷的频率静态特性PDNPD当频率偏离额定值不大时，负荷的频率静态特性常用一条直线近似表示（见图3-4），图中直线的斜率 PD=tg= （Mw/Hz） 或用标么值表示: P/PDN P*D*= / N *D、D*称为负荷的频率调节效应

41、系数，D*的数值取决于电力系统中各类负荷的比重，因此D*是一个随时间变化的数值，在实际系统中，D*=13，它表示频率变化1%，负荷有功功率相应变化1%3%。由于负荷变化与频率变化的方向一致，因此D为正数。第三节 自动发电控制（AGC）一、 自动发电控制（AGC）系统总体结构 电力系统自动发电控制（AGC）系统由主站控制系统、信息传输系统、和电厂控制系统等组成. 二、 自动发电控制（AGC）主站系统自动发电控制（AGC）主站系统，又称能量管理系统（EMS），为实现自动发电控制，EMS应由以下部分组成：（一）主站计算机系统能量管理系统是一个功能复杂的计算机系统，现代的EMS的一般结构见图2-9，其

42、主要组成部分有：1. 通信工作站：与远动装置(RTU)、厂站自动化系统、其它调度机构的能量管理系统等进行通信，执行采集信息、发送控制指令的功能。2. 电力系统应用工作站：执行对电力系统运行进行计划、统计、监视、控制、计算、分析等功能。3. 数据管理服务器：执行对电力系统运行所需的实时、和历史的数据，设备参数的存储、管理功能。4. 人机界面工作站：通过显示画面、报表等媒介，向调度员提供电力系统运行信息；向调度员提供输入控制指令的手段。（二）能量管理软件系统系统软件电力系统应用软件SCADA图3-4 能量管理软件系统的层次结构支撑系统1. 系统软件：由计算机厂商提供的、用于管理计算机系统资源的操作

43、系统，以及用于诊断、调试、维护、编程的支持工具。2. 支撑软件：为支撑SCADA、电力系统应用软件运行所需的数据库管理、人机界面管理等软件系统。3. SCADA：对实时数据进行采集和处理，对电力系统设备进行监视和控制的软件系统。4. 电力系统应用软件：实现对发电生产进行调度和控制（发电调度）、电力系统的运行进行安全分析（网络分析）、对电力系统运行人员进行模拟培训（DTS）、支撑电力市场运作等功能的软件系统。（一） 自动发电控制应用软件自动发电控制主站功能除需有整个主站计算机系统、能量管理软件系统的支撑外，其主要功能是通过发电调度诸应用软件来实现的。发电调度的主要应用有：1. 负荷频率控制：调节

44、发电机的发电功率，以响应系统频率、联络线功率的变化，使系统频率、联络线功率维持在规定值；纠正电力系统时钟偏差和无意交换电量；与经济调度相结合，降低发电总成本或总费用。2. 备用监视：周期性地监视整个电力系统发电备用容量；根据事故预想，检查发电备用容量的充裕度；按规定的标准，计算实际备用容量对标准的符合度。3. 控制性能评价：按规定的标准，跟踪和分析负荷频率控制的性能。4. 联络线交换计划：接受来自其它应用（如电力市场支持功能）、或调度人员输入的交易计划，将其转换成联络线功率交换计划，提供给负荷频率控制、机组组合、经济调度等应用使用。5. 负荷预计：又分为短期负荷预计和超短期负荷预计，短期负荷预

45、计可预计明日至数日内规定时间间隔（如1小时）的负荷，是编制发电计划的基础；超短期负荷预计可预计未来数小时内更小时间间隔（如10分钟）的负荷，是调整发电计划和改变自动发电控制基点功率的依据。6. 机组组合：在满足各种发电和输电的限制条件下，确定优化的发电机组启停计划，并确定初步的发电计划。7. 经济调度：在运行的发电机组中经济地分配负荷，使发电成本（发电费用）最低。其中经经济调度计算，直接修改AGC机组基点功率的闭环控制方式，又称为经济调度控制（EDC）。三、 自动发电控制（AGC）信息传输系统如果把能量管理系统比作自动发电控制的大脑，信息传输系统则好比神经系统，用于传输自动发电控制主站系统计算

46、所需的信息、以及主站系统发送给电厂的控制指令。（一） 自动发电控制传输的信息类型为实现自动发电控制，需传输的主要信息类型有：1. 计算控制偏差所需的信息，如系统频率、与相邻区域的联络线交换功率等。2. 执行机构的工况信息，如参与AGC运行的发电机的实际发电功率、发电功率调节的限制条件（调节范围、调节速率）、电厂控制系统的运行状态等。3. 控制指令，如调节发电功率的功率设定值或升降命令、改变发电机运行状态或电厂控制系统运行状态的控制指令。（二） 信息传输技术用于传输自动发电控制所需信息的主要技术有：1. 远动通信技术：是一种采用专用通道、专用通信协议的通信技术，其特点是：1) 由于采用专用通信协

47、议，通信的额外开销少，所需设备和软件简单；但通用性差。2) 由于采用专用通道，信息传输不受其它系统通信的影响，传输时间易保证，排错较容易；但为保证传输的可靠性，一般需配置主备通道，通道资源利用率低。3) 信息传输一般需经过调制成模拟信号、传输、解调成数字数据的过程，传输速率一般较低，常用的传输速率为1200bps9600bps。2. 数据网络通信技术：是一种采用标准通信协议、共用数据通信网络的通信技术，其特点是：1) 由于采用标准通信协议，通用性好；但通信协议较复杂，通信的额外开销大，所需设备和软件较复杂。2) 由于采用共用数据通信网络，通道资源利用率高；但传输时间易受数据通信网络负载轻重的影

48、响，排错较复杂。3) 由于数据通信网络采用数字通信技术，传输速率较高，一般在64kbps以上。（三） 信息传输系统的组成部分及其作用1. 主站通信工作站：能量管理系统的一部分，承担与外部通信，交换数据的任务。进行通信协议的解释和转换，数据的预处理，差错控制等工作。根据所采用的通信技术，又分为RTU通信工作站和数据网络通信工作站。2. 通信网络：信息传输的媒介，主要有微波通信网络和光纤通信网络。3. 数据网络：采用标准的通信协议，复用通信网络，提供数据网络通信业务的增值业务通信网络。目前常用的数据网络有：分组交换网、数字数据网（DDN）、帧中继网、异步传递方式网（ATM）等。4. 远动装置(RT

49、U)：采集遥测、遥信数据，发送遥控、遥调信号的设备；5. 厂站自动化系统：除具有远动装置的信息采集和控制功能外，还具有人机会话和数据处理功能；一般通过数据网络与主站系统进行通信。四、 自动发电控制（AGC）电厂控制系统发电厂用于接受控制信号、控制发电机组调整发电功率的系统或设备有：（一） 调速器调速器是控制发电机组输出功率最基本的执行部件，改变调速器的功率基准值或转速基准值是进行频率二次调节最基本的方法。对于那些具有功率基准值输入接口的功频电液调速器、或微机调速器，可通过RTU、或电厂自动化系统直接将功率设定值或升降命令发送到调速器，实现AGC控制。（二） 调功装置对于那些不具备功率基准值输入

50、接口的调速器（如机械式调速器），必须由调功装置进行控制信号的转换，如转换成对调速电动机的控制信号。同时，调功装置还具有功率限制控制、转速控制、汽温汽压保护等功能。（三） 协调控制系统（CCS）单元汽轮发电机组的发电机、汽轮机和锅炉是一个有机的整体，对汽轮发电机组的运行要求是：当电力系统负荷变化时，机组能迅速满足负荷变化的要求，同时保持机组主要运行参数（特别是主汽压）在允许的范围内。而调功装置运用于汽轮发电机组的控制，只能实现对汽轮机响应负荷变化的控制，无法实现对锅炉的控制。因此，需要采用协调控制系统，对汽轮发电机组机、电、炉的多个变量进行协调控制，使机组既能满足电力系统的运行要求，又能保证整个

51、机组的安全性、经济性。（四） 全厂控制系统在有多台机组的电厂中，采用全厂控制系统对主站的AGC指令在机组之间进行负荷分配，能降低每台机组调节的频繁程度；进一步提高负荷分配的经济性；避开机组不宜运行的区域（如水电机组的振动区、气蚀区）；当其中某些机组因运行工况不能响应控制指令时（如启、停辅机），将控制指令转移给其它机组。因此，全厂控制系统是提高电厂的的安全性、经济性，改善控制性能的有效手段。四. 频率一次调节的运用（一）. 发电机组频率一次调节技术条件的确认发电机组投入运行以前，必须进行试验，确认其是否符合频率一次调节的技术条件。但为了每台机组的试验去改变系统频率是不现实的，因此，试验必须用模拟

52、频率偏移，并使其越出调速系统的不灵敏区的范围的方法来进行。在试验时，应给出一串试验用的频率信号。该信号的频率值，应根据试验机组调速系统的不灵敏区和调差特性进行计算，使其满足所需测试的频率响应量的要求。试验中，应记录每次试验信号输入前一分钟的平均功率值、频率变化后十秒钟的功率值、以及频率变化后十秒钟到十分钟的每分钟平均功率值，由此，可以得出试验机组调速系统实际的不灵敏区和调差特性，以及频率一次调节作用的维持时间。调速系统这些实际的特性参数应与设定的特性参数基本一致，才能确认其符合频率一次调节的技术条件。（二）. 发电机组频率一次调节符合性评价发电机组投入运行以后，必须监视其频率一次调节的作用，并

53、对其符合性作出评价。根据NERC的规定，监视和评价的方法是：每当系统频率偏差超过一定的范围（如0.1Hz）时，记录频率偏移发生前、后一分钟内每个扫描周期（如AGC扫描周期）的所有具有频率一次调节作用的发电机组的实际输出功率，并与各机组申报的频率一次调节容量进行比较。如果在一个季度中，有75%及以上的时间，能够达到所申报的频率一次调节容量，则认为其符合要求。（三）. 系统对频率一次调节容量的要求和互联电力系统中一次调节容量的分配1. 系统频率一次调节容量的定义：系统频率一次调节容量，又称系统频率响应备用容量，是用来在频率响应备用活动期内响应频率偏差的。频率响应备用活动期是指从频率偏差产生后的10

54、秒至60秒的这段时间。系统频率一次调节容量是一个与系统运行状态有关的参数，当频率发生偏差时，能对频率作出响应的可控制的资源有负荷、发电机组、和根据频率切除可中断的负荷，而系统的频率一次调节容量是指在一定的频率偏差的条件下，各种资源能作出的频率响应的总和。但是上述三种资源对频率响应的特性各不相同，负荷对频率的响应是近似线性的。发电机组对频率的响应受到调速系统的不灵敏区和发电机组的出力备用等因素的限制，如按表3-1-2所列的运行条件，在频率偏差为0.1Hz时，发电机组能作出的频率响应总量为68.33Mw；而在频率偏差为0.2Hz时，发电机组能作出的频率响应总量为118.66Mw。而根据频率切除可中

55、断的负荷对频率的响应则是阶梯式的，与设定的切除负荷的频率值有关。2. 系统对频率一次调节容量的要求：当电力系统发生突然的负荷或发电功率变化时，系统中应有足够的一次调节容量，使系统频率保持在安全运行的范围内，使系统不发生连锁的失去发电机或其它设备，不发生切除固定负荷（非可中断负荷）。在确定系统对频率一次调节容量的要求时，应考虑两个因素，一是负荷的随机波动，二是由于电力系统设备故障引起的负荷或发电功率的突变。在一般情况下，负荷的随机波动的幅值远小于因设备故障引起的负荷或发电功率突变的幅值，因此系统对频率一次调节容量的要求一般仅考虑失去系统中单个最大的发电机组、负荷、或外部注入所引起的功率突变。NERC在新制订的运行手册（草案）中，对北美三大交流互联电力系统的频率一次调节容量