第三章电力系统频率及有功功率的自动调节-电力系统自动化

第3章电力系统频率及有功功率的自动调节3.1电力系统的频率特性有功功率不平衡时,系统频率就要发生变化,而系统的负荷是经常发生变化的,所以必须对系统频率和有功功率进行监视和调节。

目的要求：

了解电力系统调频的实质和重要性；了解负荷的静态频率特性及负荷调节效应；了解调速器的工作原理及其静态调节特性、配有调速器的发电机组的功率频率特性.重点：

负荷的静态频率特性及负荷调节效应难点：

电力系统的功率-频率特性分析一.电力系统频率和有功功率自动调节的主要任务：

及时地调整发电机的出力,使系统的有功功率保持平衡,维持系统频率在允许的范围内,并使系统负荷在同步发电机之间实现最优经济分配。

1.电力系统中负荷的功率频率特性（负荷的静态频率特性）当系统频率变化时,整个系统的负荷功率PL

也要随之改变,即

PL=F(f)标幺值形式PL*=a0+a1f*+a2f*2+·······+anf*n一般特性曲线在较小的频率变化范围内2.负荷调节效应：

系统频率变化时,总负荷吸收的有功功率也随之变化；即当频率下降时,总负荷吸收的有功功率随之下降,如果系统频率升高,总负荷吸收的有功功率随之增大.3.负荷频率应系数

KL*:衡量调节效应的大小

KL*=dPL*df*=a1+2a2f*+3a3f*2·······+nanf*n-1KL*=tgβ=ΔPL*Δf*负荷的组成不同,KL*值也不相同,一般在1～3之间.例4-1某电力系统中,与频率无关的负荷占30％,与频率一次方成比例的负荷占40％,与频率二次方成比例的负荷占10％,与频率三次方成比例的负荷占20％.试求当系统频率由50HZ

下降到47HZ时,负荷功率变化的百分数及其相应的KL*的大小.解:由公式可以求出频率下降到47HZ时系统的负荷为:

PL*=a0+a1f*+a2f*2+a3f*3=0.3+0.4×0.94+0.1×0.942+0.2×0.943=0.93则

ΔPL%=(1-0.93)×100%=7%Δf%=(1-47/50)×100%=6%于是

KL*=ΔPL*%/Δf*%=7/6=1.17例4-2某电力系统总有功负荷为3200MW(包括电网的有功损耗),系统的频率为50HZ,若KL*=1.5,试求KL.解

由式(4-8)可得KL=KL*(PLN/fN)=1.5×(3200/50)=96(MW/HZ)若系统的KL*不变，负荷的增长到3650MW时,则有KL=1.5×(3650/50)=109.5(MW/HZ)*由此可知,KL的数值与系统的负荷大小有关.

二、发电机组的功率频率特性（频率调节特性）----当系统因负荷变化导致频率改变时,发电机组的调速系统动作,改变原动机的进汽量(或进水量),调节发电机的输入功率以适应系统负荷的需要.（一）调速器：测量,放大,执行等组成,控制汽门(或导水叶)的开度,以控制进入原动机的动力元素.调速系统示意图（二）调速系统静态特性(有差调节特性)在稳态下，配有调速器的发电机组转速n与所带有功功率P的关系..PGnNnPNP△ffnon△P若发电机组原在（PN，nN）点，当有功变化为P时，调速器调节后，机组运行在（P，n）,n≠nN因此又称为有差调节特性。1.速度变动率R（调速系统静态特性的斜率）：当发电机有功功率从0增加到PN时，转速从n0

变到nN,R=-no-nNnN×100%2.发电机组的频率调节方程:

Δf*+R*·ΔPf*=0△Pε△Pε(三)调节特性的失灵区ε（迟缓率）

1．定义：由于测量元件的不灵敏性,调速系统对于微小的转速变化不能反应,调节特性实际上是一条具有一定宽度不灵敏的带子,称为失灵区。

f1f2fN△fε△fεPN0fP调速器不灵敏区ε=△fεfN2．调速器的失灵区对频率调整有何影响?将导致并联运行的发电机组之间有功功率分配产生误差或频率误差.最大误差功率

△fε与R

调差系数存在如下关系△fε△Pε=tgα=R用标幺值表示为△fε*△Pε*=R*=ε△Pε*有功功率分配的最大误差

△fε*与失灵度ε成正比,而与调差系数R*成反比

但如果不灵敏区太小或完全没有,那么当系统频率发生微小波动时,调速器就要进行调节,造成阀门调节过于频繁

三、电力系统的功率频率特性发电机组的功率特性PG

＝G(f)与负荷的功率频率特性PL＝F(f)两曲线的交点,就是电力系统频率及功率的稳定运行a点。

如负荷增加△PL,总负荷变为PL1,特性变为PL1＝F(f).（1）机组均无调速器输入功率恒定频率下降,负荷取用的有功功率也逐渐减小。靠负荷调节效应,系统达到新的平衡,运行点移到b点,

频率为,系统负荷取用的有功仍为PL。△f是相当大的。

（2）频率一次调整：通过发电机调速系统实现，反映机组转速变化而相应调整原动力阀门开度，完成调节系统频率。有调速器的作用,

增加机组的输入功率.调节结束时,稳定在PL1＝F(f)和PG＝G(f)

两曲线的交点c点.频率为f2,负荷取用的功率为PL2,△f较小,但仍然有差。（3）频率二次调整：通过发电机调频装置实现，反映频率变化而相应调整原动力阀门开度，完成调节系统频率。调频装置操作调速器的整定机构，使发电机的频率调节特性向上移为PG1＝G(f)时,则频率上升,负荷取用的功率增加,系统运行点为PL1＝F(f)和PG1＝G(f)

的交点d点,于是系统中各机组的输入功率与负荷所需的功率PL1又相平衡,系统频率可恢复为fN.PL=F(f)PL1=F(f)PG=G(f)PG=G(f)fNf2f3abcd△fL△fL2△fL1PLP2P1f0P电力系统的功率频率特性小结

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，也称为负荷的静态频率特性，这是负荷本身固有的调节效应。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。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，当负荷变化较大时，调整结束时频率与额定值偏差较大——调节结果有差；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，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额定值偏差很小或趋于零——调节结果是无差的；复习思考

1.频率和有功功率调节的主要任务是什么?2.在电力系统中,有了调速器对频率的一次调节,为什么还要引入调频器,进行二次调节?3.调速器的失灵区对频率调整有何影响?

3.2调频与调频方程式目的要求：了解发电机组的频率调节特性与机组间有功功率分配的关系.掌握电力系统的调频方式和调频准则,建立起经济调度与自动调频的基本概念.重点：联合自动调频一、调频定义：借助调频器对频率进行二次调整,此时机组上装有有差特性的调速器,调频器的输出作用于调速器,将发电机频率调节特性适当移动,以保持系统频率在额定值。二、调频方法1．主导发电机法（虚有差法）：调节过程中有差（△f≠0）、调节结束时无差（△f＝0）

一台机组上装设有调频器准则为:△f＝0

其它机组上的功率随主导机组的功率按比例地变化,协助主导发电机的调频工作。调整准则是:Pi=aiP1

(i=1,2,3,······n)实质：当负荷变动引起频率变化,主导机组的功率首先改变，各协助调频的其它机组作相应的功率调整,只有在系统频率恢复到额定值,主导机组和协助调频的其它机组间功率符合比例时为止。

应用：速度较慢

,只适用于中小型电力系统。

2．同步时间法（频率积差调节法）：频率差对时间的积分值-积差，控制调频器对机组功率来进行调节。调节准则：

△f+Ri

(△Pi-ai∫k,△fdt)=0i=(1,2,······m)式中

Ri━━━第i台机组的调差系数;

ai

━━━第i台机组的功率分配系数;

k,━━━功率与频率积差的换算系数.可以体会∫k,△fdt

是系统的计划外负荷值.

实质：系统中出现计划外负荷时,就会引起频率变化,产生△f，各调频机组承担计划外负荷的比例由功率分配系数决定，在调节过程结束时,△f＝0。应用：采用多个调频电厂调频时，可以采用分散的调频方案。难综合考虑。无法使系统中的潮统分布符合经济和安全等原则。而且在实现有功调节时，由于调频机组的功率改变滞后于频率偏差，造成调频过程缓慢。

3．联合自动调频：调度中心的自动调频装置,其负荷分配器可根据测得的发电机实际功率和频率偏差信号,按一定的准则将系统负荷分配给各机组.两种观点：1）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.

调频方式:①按系统的频差要求进行调节;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。②按系统内联络线上交换功率的偏差要求进行调节;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,而对系统的频率并不控制。

③既按频差要求又按联络线交换功率的偏差要求进行调节.（分散调频）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就地平衡。AB联合电力系统频率—交换功率特性△PAB△f0A系统B系统PAB正常运行是A系统向B系统输送有功功率PAB，要实现分区调频，当A负荷增加,B负荷不变,B系统机组出力增加,使得联络线上输送的功率PAB减小,即△PAB＜0,△f＜0.

A负荷减小,B负荷不变

,有△PAB＞0和△f＞0

当A负荷不变而B负荷变化时,A系统的频-交换功率特性,它位于二、四象限。

频率-交换功率特性的方程

A系统:△f+KA△PAB=0

B系统:△f-KB△PAB=0

优点：实现按△f和△PAB的调节方式.当A系统内机组增加的出力等于负荷的增量时,系统频率恢复到额定值,联络线上输送的功率也恢复到原值,这时△f=0,△PAB=0。分区调频方程组:A系统:∫(△f+KA△PAB)dt+△PA=0B系统:∫(△f-KA△PAB)dt+△PAB=0维持额定频率和联络线交换功率不变.

3.3电力系统的经济调度与自动调频（一）经济调度在保证频率质量的前提下,使电力系统负荷在各机组间获得最佳分配,使所需的运行总费用为最小。

（二）等微增率分配负荷的基本概念1.微增率：输入微增量与输出微增量的比值.b=dF/dP

dF

----输入消耗费用微增量;

dP

----输出功率微增量.机组负荷变化时消耗费用的变化b1＞b2:1号机组的功率减少

△P,其功率变为P1,,相应的微增率减小至b1,;2号机组增加相同的△P,其功率变为P2,

相应的微增率增大至b2,

2.等微增率法则：运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷。b1＞b2:1号机组的功率减少

△P,其功率变为P1,,相应的微增率减小至b1,;2号机组增加相同的△P,其功率变为P2,

相应的微增率增大至b2,

1号机组减少的燃料消耗费用大于2号机组增加的消耗费用,负荷转移可使消耗费用减少,当b1等于b2时,总的燃料消耗费用为最小即最经济.

系统中并联运行的发电机组经济调度的准则是:

各机组的微增率相等

（三）发电厂内各机组间负荷的经济分配

1.发电厂内各机组间负荷的经济分配原则——等微增率准则（分析）经济调度及系统调频示意图分析:

负荷增加,产生△f,经积分环节

–k1/s后得到-∫△fdt,各机组调频器动作,按同步时间法调频,使发电机组输出功率分别增加△PG1,△PG2。由于各发电机组的微增率特性不一致,上述调频过程不会同时自然地符合等微增率准则,