电力系统自动装置第五章

第五章电力系统频率及有功功率的自动调节第一节电力系统的频率特性一、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：机组的动能电力系统的频率特性电网频率变动情况tP持续分量脉动分量随机分量负荷瞬时变动情况★频率波动对电网运行的影响：√偏离电力设备经济运行点；√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的频率特性调频与有功功率调节是不可分的，应满足平安运行约束；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一一般允许频率偏差为±0.1Hz★每分钟转数

每秒钟转数

系统频率

正常情况负荷突然变动而使发电机组电功率增加

PL

机组转速降低，系统频率下降。第一节电力系统的频率特性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。二电力系统负荷的功率—频率特性

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。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，电力系统的频率特性电力系统负荷的功率-频率特性

负荷的静态频率特性：频率下降时，负荷功率也下降到；频率上升时，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1~3之间。fPLfNfbPLNPLbab电力系统负荷的功率—频率特性

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。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，fPL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。负荷的频率调节效应系数负荷的功率—频率特性一般表达式负荷的有功功率－频率静态特性简化表达当频率偏离额定值不大时，负荷有功－频率静态特性用一条近似直线来表示。负荷的频率调节效应系数或称为负荷的频率调节效应，表示负荷随频率的变化程度。例5－1三、发电机组的功率——频率特性〔一〕发电机的功率-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。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*ω*f*PG*MG*1.01.0Pf1233’a’a〞a〞’电力系统的频率特性有调速系统的发电机功率-频率特性：有差调节调差系数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。PGfPGbPGaΔPGΔfabfNf1P1P2fABCfNP1P2P1’P2’ΔP1ΔP2ΣPLΣP’f1二发电机组的功率—频率特性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—频率特性发电机组的功率—频率静特性系数汽轮发电机组:16.6—25

水轮发电机组:25—50fPG发电机组的调差系数

调差特性与机组间有功功率分配的关系P1P’2P’1P2PP12f两机组间的功率增量分配多机组间的功率增量分配对没有调节容量的机组(调差系数趋于无限大)应以Pie／Ri*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几点注意调节特性的失灵区失灵度fP

fW

fW

PW

PWfePe电力系统的频率特性思考题1：两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。假设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？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。无调速有调速到状态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)aPLfNbdPL1ΔPLcPL2f3f2ΔPL1ΔPL2三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电力系统的频率特性思考题2：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。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。调速器通常分为比例积分(PI)调速器比例—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：一机械液压调速器1工作原理2调速系统框图

3

转速给定装置调节过程4机组静特性平行移动转速给定装置调节过程ACBDFEACBDFEACBDFEACBDFE转速给定装置调节过程BCAEFDBCAEFDBCAEFDBCAEFD二功率—频率电液调速器

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局部组成，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。B频率—电压变送器频率—电压变送器的输出特性

工作波形方框图频率—电压变送器的工作波形

2功率测量B3421UGEHTBiTAic3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

三数字式电液调速器控制电路局部的功能用微机实现。调速器原理机械液压式调速器原理功率-频率电液调速系统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。简单的汽轮机的传递函数

再热式汽轮机的传递函数

水轮机的传递函数

2原动机3调速器+汽轮机

F(s)

PT(s)

Pc(s)

XB(s)Gn(s)GT(s)+-

F(s)

PT(s)

Pc(s)GnT(s)+-KnKT=1发电机组动能提供的功率增量；负荷的频率调节效应而引起的负荷功率变化；联络线上功率的变化。4电网局部(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功率平衡关系式〔有名值〕

PLi(s)

PTi(s)Gpi(s)

Pti(s)

Fi(s)--+功率平衡式的框图功率平衡关系式〔标么值〕联络线功率增量关系式

Pti(s)

Fi(s)+-+-+-+++

F3(s)

F2(s)

F1(s)联络线功率增量框图

PLi(s)

PTi(s)Gpi(s)

Pti(s)

Fi(s)--+

F(s)

Pc(s)

PL(s)GnT(s)Gp(s)+-

PT(s)+-5单区域的闭环调节框图

F(s)

PT(s)

Pc(s)GnT(s)+-

F(s)

Pc(s)

PL(s)GnT(s)Gp(s)+-

PT(s)+-

Pti(s)

Fi(s)+-+-+-+++

F3(s)

F2(s)

F1(s)6与其他系统相联的控制区域i的闭环框图

二电网的频率调节特性

1单区域电网的频率特性

系统功率频率特性系数

A静态特性

F(s)

Pc(s)

PL(s)GnT(s)Gp(s)+-

PT(s)+-系统总额定容量Pe=2000MW正常运行的负荷PL=1000MW惯性常数H=5s调差系数R*=4.8%负荷调节效应系数KL*=0.5B动态特性总的闭环系统的时间常数只有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响所起的作用(即调速器的作用)；减小R值使增大，可以减小稳态频率偏差；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；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。12345

f=0.0234Hz

f(Hz)Tn=TT=0Tn=0.08sTT=0.3st(s)以上讨论中关于系统变化过程解释如下：当负荷突然增加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20MW／s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负荷功率是由三局部来平衡的，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的负荷增量仅由后两项来供给。

Pc1(s)

F1(s)

PL1(s)GnT1(s)Gp1(s)+-

PT1(s)+-

F2(s)

Pc2(s)

PL2(s)GnT2(s)Gp2(s)+-

PT2(s)+-+-2多区域系统的频率特性〔二区域系统为例〕二区域系统静态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的频率调节系统及其特性发电机功率增加负荷功率减少功率平衡起作用的三个局部：系统动态响应曲线系统动能电力系统的频率调节系统及其特性联合调频比单区域系统调节好。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，那么每台发电机的调速器都将反响系统频率的变化，自动地调节进汽(水)阀门的开度，改变机组出力，使有功功率重新到达平衡。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主导发电机法同步时间法（积差调节法）联合电力系统调频二自动调频方式当负荷变动系统频率发生变化时，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，方案外负荷的变动全部由调频机组承担。〔一〕主导发电机法A

单机积差调节调节方程调频过程B

多台机组的积差调节〔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。C改进的积差调节法D

集中制与分散制调频

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；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；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(FlatFrequencyControl)

恒交换功率控制FTC(FlatTie-LineControl)

频率联络线功率偏差控制TBC(TielineloadfrequencyBiasControl)B

联合电力系统的调频方式C

频率联络线功率偏差控制TBC

PGA

PLAKA

PGB

PLBKB

PtA区域调节作用的信号称为区域控制误差(AreaControlError)。控制误差控制误差调整结果电力系统自动调频电厂带根本负荷厂1调频厂1调频厂2调频厂3调峰厂1调峰厂2调峰厂3带根本负荷厂2带根本负荷厂3电力系统自动调频一台发电机（主导机）。调差目标其它成比例配合。效果一般，用于小系统。AGC同步时间法联合自动调频按频率偏差的积分值调节。主导发电机法恒定频率控制法FFC电力系统自动调频联合电力系统的调频恒定交换功率控制FTC无关频率。一个系统与另一个系统之间交换的Pt恒定，但f可能会变。有协议的因素。频率联络线功率偏差控制TBC全部都考虑。电力系统自动调频TBC区域调节作用的信号称为区域控制误差ACE。相应的控制功率当负荷变动时