第五章电力系统频率及有功功率的自动调节

第五章电力系统频率及有功功率的自动调理发电自动控制表示图第一节电力系统的频率特性一、概述

频率是电能质量的重要目的之一。电网稳态条件下的频率f是全系一致致的运转参数

忽略机组内部损耗时：假设由于负荷的忽然变动，是发电机组的输出功率添加那么：

机组的输入功率小于负荷要求功率，为了坚持平衡，把转子的一部分动能转化成电功率，使发电机转速降低，系统的频率下降。第一节电力系统的频率特性

频率变化是系统负荷与电源之间的功率失去平衡所致。调频与有功功率调理密不可分。电力系统负荷不断变化，原动机输入功率变化缓慢，频率动摇在所难免。电力系统运转的主要义务之一，就是对频率进展监视和控制。频率偏向允许范围：普通偏向不超越±0.2Hz，有点地域为±0.1Hz机组的动能电力系统的频率特性电网频率变动情况tP继续分量脉动分量随机分量负荷瞬时变动情况★频率动摇对电网运转的影响：√偏离电力设备经济运转点；√影响用户消费率和产质量量；√频率过低过高都会危及电网平安运转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动,这种有功负荷随频率而改动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、紧缩机、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，负荷的功率—频率特性普通表达式普通情况下，取到三次方即可。负荷的组成和性质确定后，负荷静态频率特性也确定。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。系统功率失去平衡时，系统负荷也参与了调理作用。系统的负荷随频率下降的负荷特性有利于系统中有功功率在另一频率下重新平衡，这种景象称为负荷调理效应。fPLfNfbPLNPLbab负荷的频率调理效应系数负荷的有功功率－频率静态特性简化表达在电力系统运转中，允许频率变化的范围是很小的，负荷有功－频率静态特性用一条近似直线来表示。是系统调度部门要求掌握的实测数据，取值范围在1~3之间。取决于负荷的性质，与各类负荷所占的比例有关。例5-1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那么Δ

PL%=(1-0.93)

×100%=7%Δ

f%=(1-47

/

50)

×100%=6%于是KL*=ΔPL*%

/

Δf*%=

7

/

6

=1.17例5-2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,假设KL*=1.5,试求KL.解由式(4-8)可得KL

=

KL*

×(

PLN/

fN)

=

1.5

×

(

3200

/

50

)

=

96

(

MW

/

HZ

)假设系统负荷增长到3650MW时,那么有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.三、发电机组的功率——频率特性三、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，输出功率最大值。P*M*ω*f*PG*MG*1.01.0三、发电机组的功率——频率特性〔一〕发电机的功率-频率特性但发电机配置调速器后，随着转速的变动，不断调理进气量，使原动机的运转点从一条静态特性曲线向另一条静态特性曲线过渡。Pf1233’a’a〞a〞’有调速系统的发电机功率-频率特性：功率调整时，频率有变化，为有差调理特性。特性曲线的斜率为：标么化：或PGfPGbPGaΔPGΔfabfNf1〔二〕调差特性与机组间有功功率分配的关系两机组间的功率增量分配P1P2fABCfNP1P2P1’P2’ΔP1ΔP2ΣPLΣP’f1发电机的功率增量用用各自的标幺值表示时，在发电机组间的功率分配与机组的调差系数成反比。调差系数小的的机组承当的负荷增量标幺值较大，调差系数大的的机组承当的负荷增量标幺值较小。对没有调理容量的机组(调差系数趋于无限大)应以PiN／Ri*为零代入；多台机组调差系数等于零是不能并联运转的；一台机组的调差系数等于零与多台有差调理机组的并列运转是不现实的。在电力系统中，一切机组的调速器都为有差调理，由它们共同承当负荷的动摇。几点留意(三〕调理特性的失灵区失灵度fPfWfWPWPWfNPN过小的调差系数会引起较大的功率分配误差。为防止系统在频率微小动摇时动作，会人为加不灵敏区。汽轮发电机组的不灵敏区为0.1%--0.5%水轮发电机组的不灵敏区为0.1%--0.7%调速器的最大频率凝滞机组的最大误差功率调速器的频率调理特性是条带子，导致并联运转的发电机组间有功功率分配产生误差。〔四〕电力系统的频率特性电力系统的频率特性电力系统由发电机、输电网络、负荷组成。系统频率特性是由负荷频率特性和发电机频率特性共同构成的。〔四〕电力系统的频率特性电力系统的频率特性负荷的功率--频率特性和发电机组的功率---频率特性的交点就是电力系统频率的稳定运转点。无调速有调速到形状b，PL未变，PG没添加到形状c，再调可以到形状dPfPL=f(f)PL1=f(f)aPLfNbdPL1ΔPLcPL2f3f2ΔPL1ΔPL2PG=f(f)调速器的调理作用被称为一次调理。电力系统的频率特性思索题1知：某电力系统，，当PL=3000MW时，fN=50Hz。求负荷添加120MW时，系统调速后的运转点。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，调理速度快。并有较高的调理精度，特别是当机组甩负荷后，能稳定在额定转速运转；易实现多种控制信号的综合控制；参数的调理灵敏；省去构造复杂的飞摆机构，运转维护方便。电液式与机械式比较有以下优点：一机械液压调速器1任务原理2调速系统框图3转速给定安装调理过程4机组静特性平行挪动转速给定安装调理过程ACBDFEACBDFEACBDFEACBDFE二功率—频率电液调速器1转速丈量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，齿轮与主轴联在一同。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同旋转。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经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任务波形方框图频率—电压变送器的任务波形2功率丈量B3421将发电机的有功功率转换成与之成正比的直流电压，即有功功率变送器。UGEHTBiTAic3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细多转电位器构成。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，以顺该当地或远方控制的需求。4电液转换及液压系统电液转换器把调理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调速器的任务三数字式电液调速器控制电路部分的功能用微机实现。控制电路的功能经过微机实现。调速器的调理规律由计算机实现。主机根据采集到的实时信息，按预先确定的控制规律进展调理量计算，计算结果经过D/A变换输出去控制电/液压转换，再由液压伺服系统控制原动机的输入功率，完成调速或调频的义务。第三节电力系统频率调理系统及其特性一调理系统的传送函数1调速器的传送函数传送函数是分析调理系统性能的重要工具，电力系统的频率和有功功率调理系统，主要是由调速器、发电机与原动机和电网环节组成，传送函数分别讨论如下：调速器的输出量表达为给定值和频率两输入量间的关系。1调速器的传送函数调速器的传送函数表示了原动机调理量与控制指令信号及系统频率间的动态特性。简单的汽轮机的传送函数再热式汽轮机的传送函数水轮机的传送函数2原动机的传送函数调速器根据转速变化控制进入原动机的动力元素，下面进一步讨论原动机的传送函数。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调速器汽轮机汽轮机发电机模型原理表示图现代电力系统的规模越来越大而且互联，即一个地域的电力系统与另一个地域的电力系统相互衔接起来构成更大的系统。因此，系统的频率和功率调理以地域系统为根底作为控制区，把每个控制区作为一个等效的同步发电机群来进展调理。如今来研讨一个经过联络线路与其他控制区相互衔接的控制区i的一次调理系统的传送函数。4单区域系统、电网部分(发电机、负荷及联络线〕控制区3控制区2控制区1控制区i发电机组动能提供的功率增量；负荷的频率调理效应而引起的负荷功率变化；联络线上功率的变化。4单区域系统、电网部分(发电机、负荷及联络线〕控制区3控制区2控制区1控制区i负荷变化与发电机组输入功率变化的差值：假设在控制区i中，忽然有一个量值为的负荷变化，由于调速器的作用，这个区域频率变化为，发电机组的输入功率相应变化了功率平衡关系式〔有名值〕PLi(s)PTi(s)Gpi(s)Pti(s)Fi(s)--+功率平衡式的框图Pti(s)Fi(s)+-+-+-+++F3(s)F2(s)F1(s)联络线功率增量框图联络线功率增量关系式PLi(s)PTi(s)Gpi(s)Pti(s)Fi(s)--+F(s)Pc(s)PL(s)GnT(s)Gp(s)+-PT(s)+-5单区域的闭环调理框图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理特性1单区域电网的频率特性F(s)Pc(s)PL(s)GnT(s)Gp(s)+-PT(s)+-讨论电网中发电机组在调速器任务情况下，即一次调频时电网的频率特性。不加控制，控制功率Pc(s)为0。算例：系统总额定容量PN=2000MW正常运转的负荷PL=1000MW惯性常数H=5s调差系数R*=4.8%负荷调理效应系数KL*=0.5F(s)PL(s)GnT(s)Gp(s)-PT(s)+-系统功率频率特性系数A静态特性F(s)PL(s)GnT(s)Gp(s)-PT(s)+-B动态特性总的闭环系统的时间常数只需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向；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、开场时构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，假设长期存在会引起较大的累计频率偏向，这是不允许的。12345f=0.0234Hzf(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：当负荷忽然添加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，这时负荷所添加的功率是由系统的动能供应的(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，添加发电机的输入功率与此同时，由于频率的下降，负荷的频率调理效应使它汲取的功率有所减小。总之，添加的20MW负荷功率是由三部分来平衡的，即系统动能供应的功率，发电机添加的输入功率以及负荷少吸收的功率，在开场瞬间，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转。此时，动能已不再供应功率，20MW的负荷增量仅由后两项来供应。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〕假设两区域具有一样的参数，即假设每个区域的负荷忽然添加一个阶跃值由此可见：1、控制区2中添加的负荷是由两个控制区域共同承当的，其中50%的负荷增量由区域1经过联络线供应。2、负荷变化时，两区域控制系统的频率偏向比单一孤立系统时的频率偏向减小一半。结合调频的优越性，比单区域系统调理好。第四节电力系统自动调频一概述电力系统中的一切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，自动地调理进汽(水)阀门的开度，改动机组出力，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理特性对系统频率的调理就是频率的二次调整。手动调频自动调频带根本负荷的发电厂调峰厂调频厂主导发电机法同步时间法〔积差调理法〕结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理系统首先动作，改动主导机组的功率，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，力图使它们的调理功率与主导机组的调理功率间维持给定的比例关系。在调理过程中，主导机组按系统频率不断地调理，协助调频机组也跟随主导机进展调理，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理功率符合给定比例时为止。这时系统中不参与调频的其他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当。〔一〕主导发电机法A单机积差调理调理方程调频过程B多台机组的积差调理〔二〕积差调理法指调频系统按频率偏向的时间积分值进展调理。C改良的积差调理法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，其频率偏向在0.05一0.2Hz范围内；控制地域电网间联络线的交换功率与方案值相等，实现各地域有功功率的就地平衡；在平安运转前提下，所管辖系统范围内，机组间负荷实现经济分配。三结合电力系统调频A义务恒定频率控制FFC(FlatFrequencyControl)恒交换功率控制FTC(FlatTie-LineControl)频率联络线功率偏向控制TBC(TielineloadfrequencyBiasControl)B结合电力系统的调频方式C频率联络线功率偏向控制TBCPGAPLAKAPGBPLBKBPtA区域调理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〕。调差目的其它成比例配合。效果普通，用于小系统。AGC同步时间法结合自动调频按频率偏向的积分值调理。主导发电机法恒定频率控制法FFC电力系统自动调频结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能够会变。有协议的要素。频率联络线功率偏向控制TBC全部都思索。电力系统自动调频TBC区域调理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，调整目的设A有二次调频，B有一次调频。且即最终使得电力系统的频率调理涉及系统中有功功率平衡和潮流分布。在保证频率质量和系统平安运转前提下，如何使电力系统运转具有良好的经济性，这就是电力系统经济调度控制(EconomicloadDispatchingControl)的义务。它是结合自动调频的重要目的之一，因此也有人把EDC列为AGC功能的一部分，称之为AGC／EDC功能。EDC是按数学模型编制的程序，调用时需一定的时间开销，但它可以较长时间起动一次(普通在5min以上)。有人称EDC为三次经济调整。第五节电力系统的经济调度与自动调频一等微增率分配负荷的根本概念耗量特性是指发电机组在单位时间内所耗费的能量与输出功率之间的关系。微增率是指输入耗量微增量与输出功率微增量的比值。对发电机组来说，为燃料耗费量(或消耗费用)的微增量与发电机输出功率微增量的比值。等微增率法那么，就是运转的发电机组按微增率相等的原那么来分配负荷，这样就可使系统总的燃料耗费或费用为最小，从而是最经济的。耗量特性曲线微增率曲线对应于某一输出功率时的微增率就是耗量特性曲线上对应该功率点切线的斜率。锅炉—汽轮机—发电机组成的单元机组的耗量特性和微增率特性如图(a)和(d)的外形。随着输出添加，其耗量增量大于输出功率的增量，耗量微增率随输出功率的添加而增大。Example发电厂内并联运转机组的经济调度准那么为：各机组运转时微增率相等，并等于全厂的微增率。多台机组间按等微增率分配负荷表示图思索题求P1、P2。二发电厂之间负荷的经济分配在思索线损条件下，负荷经济分配的准那么是每个电厂的微增率与相应的线