电力系统自动控制技术：第四章-电力系统频率和有功功率自动控制

1、PAGE 第四章 电力系统频率和有功功率自动控制第一节 电力系统频率和有功功率控制的必要性电力系统频率控制的必要性频率对电力用户的影响f变化，引起异步电机转速变化，影响产品的质量。f波动影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能。f下降将使电动机的转速和出力降低，影响用户设备的正常运行。频率对电力系统的影响f下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。当f下降到47-48HZ时，火电厂厂用机械的出力下降，使锅炉和汽机出力下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降，可能出现频率崩溃。f降到一定数值时，核电厂的反应堆冷却介质泵自动跳开，反应堆停止运行。f 下降使异步机和变

2、压器激磁电流增大无功消耗增大。励磁机出力下降，导致电压水平降低。f 低到一定值，电压下降速度加快，无法恢复电压崩溃，大面积停电，系统瓦解。电力系统有功功率控制的必要性维持电力系统频率在允许范围之内电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗（包括网损）的有功功率总和之间的平衡来维持的。电力系统负荷是时刻变化，故有功功率控制要及时调节系统内并联运行机组原动机的输入功率，维持平衡关系，保证频率在允许范围之内。提高电力系统运行的经济性决定开启哪些机组并入电力系统运行；确定已并网运行的机组各发多少有功功率，用最少的一次能源消耗获得最多的可用电能。保证联合电力系

3、统的协调运行要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。第二节 发电机组调速控制的基本原理发电机组单机运行时调速控制的基本原理 (41) f :发电机频率，Hz ； p :发电机转子的极对数； n :机组转速，r/min ;(一)同步发电机组转子运动方程 （42） :机组转子的转动惯量， :机组转子的机械角加速度， :机组转子的机械角速度， :原动机（汽轮机或水轮机）产生的机械转矩, :发电机电磁转矩，机组以额定转速运行，转子中储存的动能为： 故 代入（42）得： （43）取发电机的额定有功功率为功率的

4、基准值，额定转速为转速基准值，则转矩基准值为将式（43）两边同除以，则： （44）发电机机械角速度，电角速度w和转子极对数p之间存在以下关系：,代入式（44）有： （45）:发电机组的惯性时间常数，s;:发电机电角速度的标幺值。从式（45）知：研究机组的调速控制问题，必须研究转矩和。（二）原动机的机械转矩 水轮机的机械转矩大小决定于：水头H，导水叶开度和机械转速n等。同一台水轮机在同一水头，不同导叶开度时转矩是不一样的。水轮机的机械转矩同转速关系是一个曲线族。水轮发电机组的转矩特性时，转速，若,n;应减小开度，使,使转速恢复到。发电机电磁转矩 发电机电磁转矩是发电机定子对转子的作用力矩，方向与

5、转子转动的方向相反，是阻力矩。发电机电磁转矩与电磁功率成正比，电磁功率等于发电机所带负荷的有功功率。发电机负荷功率与频率的关系： （46）:负荷有功功率的标幺值，基准值为发电机的额定功率；：频率为额定功率时，负荷有功功率的标幺值，基准值为；：频率标幺值，基准值为；：与频率无关的负荷功率所发的比例系数；：分别为与频率的1次方，2次方和n次方成正比的负荷功率所占的比例系数 考虑机组转速标幺值和频率标幺值相等有： （47）：机组转速标幺值，基准为。转矩和功率用标幺值表示时，分别为： （48） （49）一般机组转速不会偏离太多，认为，故有,所以：即：机组转速偏离额定值不太多时，可认为发电机电磁转矩和电

6、磁功率的标幺值相等。发电机组调速系统的调节原理用水轮发电机组的转矩特性说明：设a为原运行点，,，稳定运行。若负荷减小时，调速器不调节，,机组在新的平衡点c运行，具有自平衡能力。若调速器参与调节，将减少原动机的动力元素，,机组运行于b点。若再进一步调节到曲线,则可使转速恢复到，保持不变。机组并网运行的转速调节单机并入无穷大系统系统频率不会因这台机组的有功功率变化而变化，机组调速器失去调节机组转速的作用，而只能调节机组的有功出力。如下图所示：调速器调节使M从,这时有：P从，但f不变。当机组容量与系统容量相比有足够大的份额（一般大于系统总容量的8%-10%）时，机组有功出力变化可能改变系统内有功功率

7、平衡状态，使系统频率发生变化。第三节 机械液压调速器的基本原理调速器是实现电力系统频率和有功功率自动控制的基础自动化设备。机械液压调速器电气液压调速器（模拟微机）机械液压调速器的基本结构（见书P73）测速机构测速机构由汽轮机主轴带动的齿轮传动机构和离心飞摆组成。套筒A的位置表征机组转速的大小，套筒A的位移表征机组转速的变化。放大执行机构放大执行机构由错油门和油动机组成。当错油门的两个凸肩正好堵住了油动机上、下腔的油路，油动机活塞静止不动，汽轮机调节汽阀保持一定开度不变。当调节时：E点上移油动机凸肩下移关小调节汽阀E点下移油动机凸肩上移开大调节汽阀 调节结束；错油门凸肩回到中间位置。作用：（1）

8、将E点微小的机械位移放大成了调节汽阀开度的较大变化； （2）将引起E点位移的微小的作用力变成了强大的、能够操动调节汽阀开度变化的作用力。（三）转速给定装置同步器为转速给定装置。由电动机和齿轮、蜗杆组成，改变D点位置，可使调速系统的静态特性上下移动。空载时调节机组的转速（频率）设D点上移。A、B、C、F不会动（机组转速和油动机活塞的位置尚未来得及变化）。故以F点为轴。E点下移油动机凸肩上移，B上升，汽阀开度变大转速上升A点上升C、F点上移E点上移，凸肩回到中间位置。因A点上移，故转速上升了。如下图示：B与几乎重合，D上移引起A点上移，即转速机组并网运行时调节机组的有功出力D点上移，f不变故A点不

9、动开始时B点不变则E点下移B点上移，开度增大E点上移，凸肩回到中间位置，结果输出有功增大。并网时，A不变，D上移，引起B上移，汽门开大，有功多输出。调差机构 发电机组调速系统的静态特性机组调速系统对发电机频率调节的结果，并没有保证发电机频率恒定不变，而是有差的。调速器中形成调差特性的机构称为调差机构，改变C点位置，即改变AC和CB长度的比例关系，可以改变机组调速系统的调差特性。1、调差特性的形成如上图，机组运行于1点，突增负荷（如增到），调节器未开始调节时，机组转速下降fA点下移，刚开始B点不动，则E点下移增大汽门开度B上移转速上升，A点上移E回到中间位置，调节结束。这时B点上移，A点不会回到

10、原来位置而是低了一点，结果有功出力增大，频率却降低了，形成调差特性。2、调差特性的数学描述调差系数用以表示机组调差特性： (Hz/MW) （413）：用有名值和标幺值表示的调差系数。:用标幺值表示的机组频率和有功功率增量。：发电机额定有功功率。式（413）称为发电机组的静态调节方程式。二、机组调速系统的失灵区及其影响（一）失灵区的形成 由于存在机械摩擦、间隙和重叠，调速系统的静态特性为一条带状曲线，存在调节失灵区，又称调节死区。 频率在和之间变化时，调速器不进行调节，将之间称为调速系统的失灵区。用失灵度来描述： （二）失灵区的影响并网运行时，所带有功负荷不确定，如上图，对应于时，其有功功率可能

11、为和之间的任何值。调差系数：用标幺值示并做变换： （416）为了使误差功率不致过大，要求机组调速系统失灵区不能过大、调差系统不能过小。一般失灵度小于0.2%0.5%，但不能过小或为零，否则，当电力系统频率发生微小波动时，调速器也要动作。这样会使调节汽阀动作过于频繁，这对机组本身和电力系统频率调节不利。第四节 模拟电气液压调速器一、模拟电气液压调速器的优点1939年瑞士首先推出了电子管电气液压式水轮机调速器。20世纪50年代后发展较快，操纵调节汽阀（对水轮机为导水叶）开度的仍采用机液装置，其它部分由电子电路完成。优点：1、灵敏度高，调节速度快，精度高，机组甩负荷时转速超调量小。2、易于综合多种信

12、号参与调速控制（转速、功率、断路器、同期）。3、易于实现高级控制。4、安装、调试和检修方便。二、功率频率电液调速系统的基本原理构成：转速测量、功率测量、功率给定、转速给定、电量放大器、PID调节、电液转换器及机械液压随系统等。功率频率电液调速系统原理图(一）转速测量由磁阻发送器和频率电压变送器完成转速测量。1、磁阻发送器齿轮与主轴联在一起，齿顶及齿槽交替变化，引起磁阻变化磁通变化脉动信号（该信号的频率与机组转速成正比）。2、频率电压变送器作用：将磁阻发送器输出的脉动信号转换成与转速成正比的输出电压值。（二）功率测量将发电机的有功功率转换成与之成正比的直流电压。如上图所示，半导体材料在电流和磁场

13、作用下会产生霍尔电动势： (4-17)式中：霍尔系数，；d:薄片厚度，cm；：控制电流，A；B：磁感应强度，T； ：磁感应强度B与半导体薄片平面法线的夹角（）。介绍单相霍尔功率变送器电路原理图：发电机电压互感器二次侧电压UG加于TB一次侧，产生ic 418电流互感器二次侧电流iG接到TA绕组上，产生磁场强度H，则磁感应强度: 419将418和419代入417得:4-20 4-21式中为功率因数，霍尔电动势EH的平均值正比于有功功率。（三）转速和功率给定环节、PID调节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圈电位器组成。PID调节由运算放大器组成，为驱动电液转换器，加一功率放大环节。

14、（四）电液转换及机液随动系统电液转换器线圈将功率放大器输出的电量变化转换为调节油阀开度的变化，机液随动系统把信号放大，推动执行机构油动机以调节汽阀。工作过程：（图见书P81 313）电液转换器输出增大调节油阀关小油压P 继动器活塞下移（带动蝶阀下移）错油门王字形滑阀中间排油孔的排油量减少，上腔压力，使滑阀向下移动油动机活塞上移调节汽阀开大B点上移A点上移继动器活塞上移蝶阀上移王字形滑阀上移，回到原来的平衡位置。调速器的工作1、发电机组未并网运行功率给定和功率测量为零式中与转速给定对应，与机组转速对应调速：改变，调节结果使02、机组并网运行设电网频率恒定且为额定值，0，则，输出到PID，结果使0

15、，改变，则输出功率将改变。电网频率波动，机组并网运行，转速给定值和功率给定值为某一定值，调速器随输入PID的两个信号之和调节汽阀开度，改变机组的输出功率。调节结束时：用标幺值表示调速特性为： 发电机组静态调节方程式调差机构： 发电机组调速系统的静态特性机组调速系统对发电机频率调节的结果，并没有保证发电机频率恒定不变，而是有差的。机组负荷增加时，调速系统调节的结果是机组输出的有功功率增加了，频率却降低了。第六节 数字电液调速器模拟电液调速器的缺点：工作稳定性差，工作点随温度和工作电源电压的变化有所变化；实现高级控制困难不能在线修改控制参数和控制方式；功能单一，没有机组开停机控制，发电机并列等功能

16、。数字电液调速器出现于20世纪70年代初期，80年代以来，应用较广。一、数字电液调节的优点:控制品质好；功能多；灵活性好；运行稳定，抗干扰能力强，工作可靠。二、水轮发电机组微机电液调速微机电液调节器的结构微机电液调节器有数字控制器、电液转换器和机液随动系统组成。功能：调速和同期控制双重功能发电机组调速和同期综合控制器。在线变结构控制：在不同的运行工况下，微机控制器自动地变换调速器结构，PID调节参数也不同。 微机电液调速器结构框图机组开机和空载运行时的调速控制结构（书P84 图315）DL=0,TQ=0 永态转差率bp=0 (增减功率失效)开机的机组与电力系统同期并列（书P255,图622）D

17、L=0,TQ=1,跟踪同期控制机组单机带负荷运行时的调速器控制结构（书P85 图316）DL=1,bp0,PC(折算成接力器行程):DL=0,PC=Y0(Y0:水轮机导水叶的空载开度)DL=1,ZG=0,JG=0,PC=不变DL=1,ZG=1，增功率DL=1,JG=1，减功率ZG，JG: 按键，增减功率微机控制器的硬件结构1.主机对输入通道采集来的运行状态变量的数值进行调节计算和逻辑判断，并求得控制量由输出通道输出。2.输入输出接口电路输入输出过程通道信息不能直接与主机的总线相接，必须由接口电路完成信息传递任务。接口芯片：如AD、计数器、定时器等。有的CPU已集成了AD、DA等接口电路。3.输

18、入、输出过程通道 介于接口电路和控制对象之间（相当于变送器）（1）数字测频率和数字测相角（已讲）（2）位移传感器作用：将水轮机接力器的行程Y（表征水轮机导水叶的开度）变成与其成正比的05V直流电压信号。（3）功率放大器对DA转换输出的模拟电压YCA进行功率放大，以便能推动电液转换器工作。微机控制器软件决定控制规律，编写应用软件的程序设计语言开始时用汇编语言，后来逐步向可读性较好的高级语言发展，现在较普遍应用C语言。（四）调节量计算采用增量式PID算法式中（五）机组开机和空载运行时的调速控制（1）开机控制开机控制是一个功能软件。当DL=0,KJ=1(开机)时，将水轮机导叶尽可能快的从零开启到最大

19、开度。当转速达到80时，将开度关到空载开度,并开始对机组实行PID控制。（2）机组空载运行时的转速控制 使，即，即。机组单机带负荷时的调速控制（1）调速系统静态特性给定转速（）恒定时，调速系统处于平衡状态的情况下，转速相对值与主接力器行程相对值的关系曲线（见P85,见图316） Ym ：接力器最大行程图中1点：PID控制的输入为fgd:给定频率；bp：永态转差率；PC：给定接力器行程，表征给定有功功率；YD1：对应于”1”点的主接力器行程的数字量；fG1：对应于“1”点的发电机频率；PID调节结果使e=0时，YCD(PID输出)就不再变化。这时图316（P85）中，功放输出为零。有：（430）

20、 （431）调节结果使e=0。两式相减：:永态转差率定义的数学表达式。（2）水轮发电机组调速系统的静态特性的实现水轮机组调速系统水轮发电机组调速系统水轮发电机组调速系统静态特性：当调速系统处于平衡状态，给定频率不变时，相对频率（或转速）与相对功率关系。接力器行程Y表征输入机组的功率,P表征发电机输出功率.Y-P=机组的有功损耗（七）水轮发电机组调速系统的动态特性发电机转速（频率）随时间变化的关系。（八）新型水轮发电机微机电调的研究微机控制器 Z80单片机（8bits16bits32bits） PLC,IPC,MCPU应用控制方式PID变结构，变参数PID自适应控制，模糊控制，人工神经网络控制新

21、型电液转换器的研究机械液压随动系统的研究步进电机为执行元件的全数字化电动液压式水轮机调速器。第七节 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理电力系统机组及负荷数量很多，控制起来相当复杂，简化问题突出矛盾，使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制的基本原理和方法进行分析和计算。一、电力系统负荷的静态频率特性 （MW/Hz） 曲线,负荷突增P 点bc,因事故失去P出力书本P103 eg3-1、eg3-2要求掌握二电力系统等效发电机组的静态调节忽略机组损耗，等效发电机发出的功率PG与等效原动机输出的功率PT相等。即。等效机组调差系数与的倒数称为机组的单位调节功率。 （MW/Hz）（458）（4

22、59）KG表示当频率下降或上升1Hz时，发电机增发或减发的有功功率。三 电力系统频率控制的基本原理（一）频率的一次调整不变，则电网频率波动调节原动机向发电机组输入的原动力使系统频率维持在某一值，此即一次调频。PL(f)：电力系统负荷的静态频率特性曲线PG(f)：等效发电机组的静态调节特性曲线PT：原动机输入功率假设有m台机组并联运行，则原动机输出功率：发电机输出功率：。对A点，忽略机组内部损耗，则PTA=PGA=PLA （460）此时等效机组输入输出功率相等，系统将稳定在A点运行。系统突增负荷功率PL，任何时刻。等效机组必须立刻多发有功功率PL，故，使PT不变仍为PTA。有：为了维持有功平衡，

23、机组转子动能部分转成电功率送往负荷，有系统中并联运行的第i台机组转子中储存的动能系统中等效机组转子中储存的动能系统中并联运行机组的台数系统中并联运行第i台机组的机械转动惯量和机械角速度动能释放，机组调速系统按照等效机组的静态调节特性增加输入原动机的动力元素，使原动机输出功率增加；根据负荷的静态频率特性，负荷从系统取用的有功功率也减少上述过程进行到C点，此时，达稳态运行状态。有:对于得，式中：等效机组多发出的有功功率系统负荷从系统少取用的有功功率如上图，负荷增加时，若调速器不调节，则，负荷增加的功率就会全部由负荷频率调节效应来调节。系统将稳于B点，就是一次调频的调节效果。（二）频率的二次调节 改

24、变调速器给定值，增加调速器中的频率给定值就使机组静态调节特性向上平移了，。 负荷增加之后，增加给定频率值，可将系统频率，从而使系统频率保持不变。系统负荷的变化完全由等效机组输入功率的增加承担，即：（三）调频厂的选择系统负荷变化，有可调容量的机组均参与频率的一次调整，而二次调整由部分发电厂承担。选择调频厂时，主要考虑下列因素：具有足够大的容量和可调范围；允许的出力调整速度满足系统负荷变化速度的要求；符合经济运行原则；联络线上交换功率的变化不致影响系统安全运行。四、电力系统的有功功率控制（一）电力系统中的有功功率平衡电力系统负荷功率的变化是随机的，不能被准确地预知，所以电力系统有功功率平衡是一项复

25、杂的工作。（P108 图3-15.电力系统有功负荷曲线）变化慢，幅度大，有一定规律，可预测。变化周期较大，10s-3min,变化幅度较大，脉动负荷分量引起偏移较大，需一次及二次调频，才能将频率偏移调节到允许范围之内。变化周期短，幅度小，引起偏移较小，由一次调频来调节。电力系统自动调频的物质基础是电力系统中必须有足够的旋转备用容量。（二）并联运行机组有功功率分配先讨论两机组并联运行情况：两台机组并联运行时频率与有功功率的关系开始，运行于，两机组发有功功率分别为。负荷增加，一次调频使系统频率变为，增发有功为：式（4-12）为由（4-12）有：，分别为机组1和机组2的额定有功功率由（3-69）有：若有m台机组，则第i台机组增加的功率用标幺值表示的第i台机组的调差系数第i台机组的额定有功功率一次调频结束时产生的系统频率调节偏差式（4-71）中，和为机组参数，已知。求解并联运行机组间有功功率分配时，必须求出负荷变化时引起的系统频率变化。以下介绍求的方法。一台等效发电机组代替并联运行所有机组有：将（4-73）代入（4-72）,有：第i台机组的单位调节功率等效机