华电电力系统自动化第10讲-有功调节.ppt

North China Electric Power University第十讲 频率及有功功率自动调节(1)肖仕武Office:J5B309Tel:80794899North China Electric Power University2/452023/4/24主要内容l电力系统频率特性n负荷的功率-频率特性n发电机组的功率-频率特性n发电机组调差系数与有功功率分配n调速器调节特性的失灵区n电力系统的频率特性l调速器原理n机械液压调速器n模拟式电气液压调速器u转速测量/功率测量/给定环节及PID调节器/电液转换器u工作状态：未并网，并网频率恒定、并网频率波动n数字式电液调速器North China Electric Power University3/452023/4/24第一节 电力系统频率特性系统内有系统内有m台机组，电功率输出为台机组，电功率输出为 ，原动机的输入总功，原动机的输入总功率为率为 ，在忽略内部损耗的条件下，存在关系：，在忽略内部损耗的条件下，存在关系：系统负荷变动使机组输出电功率增加系统负荷变动使机组输出电功率增加 ，而机械功率来，而机械功率来不及做出反应，这时不及做出反应，这时为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，机组转速降低，系统频率下降机组转速降低，系统频率下降North China Electric Power University4/452023/4/241、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统负荷变动情况电力系统负荷变动情况电力系统运行中的主要任务之一就电力系统运行中的主要任务之一就是对频率进行监视和控制，保证电是对频率进行监视和控制，保证电力系统频率的偏移在允许范围内力系统频率的偏移在允许范围内调节频率就是改变单位时间内进调节频率就是改变单位时间内进入原动机的动力元素（蒸汽或水）入原动机的动力元素（蒸汽或水）力求电力系统负荷在安全运行约力求电力系统负荷在安全运行约束条件下，实现经济运行及在发束条件下，实现经济运行及在发电机组之间实现经济分配。电机组之间实现经济分配。励磁调节基本目标：励磁调节基本目标：发电机端电压发电机端电压和和无功功率分配无功功率分配调速器的基本目标：调速器的基本目标：发电机频率发电机频率和和有功功率分配有功功率分配North China Electric Power University5/452023/4/241、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统中有功功率与频率之间的关系：电力系统中有功功率与频率之间的关系：1、与频率变化无关的负荷：、与频率变化无关的负荷：照明、电弧炉、整流负荷照明、电弧炉、整流负荷2、与频率成正比的负荷：、与频率成正比的负荷：切削机床、球磨机、压缩机切削机床、球磨机、压缩机3、与频率的二次方成正比的负荷：、与频率的二次方成正比的负荷：变压器中的涡流损耗变压器中的涡流损耗4、与频率的三次方成正比的负荷：、与频率的三次方成正比的负荷：通风机、静水头阻力不大的通风机、静水头阻力不大的循环水泵循环水泵5、与频率的高次方成正比的负荷：、与频率的高次方成正比的负荷：静水头阻力很大的循环水泵静水头阻力很大的循环水泵North China Electric Power University6/452023/4/241、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统有功负荷的静态频率特性方程电力系统有功负荷的静态频率特性方程 当电力系统内机组的输入功率当电力系统内机组的输入功率和负荷功率之间失去平衡时和负荷功率之间失去平衡时,系系统负荷也参与了调节作用。统负荷也参与了调节作用。这种特性有利于系统中的有功这种特性有利于系统中的有功功率在另一个频率下重新获得平功率在另一个频率下重新获得平衡衡负荷的频率调节效应负荷的频率调节效应North China Electric Power University7/452023/4/241、电力系统负荷的功率-频率特性为负荷的频率调节效应系数，用为负荷的频率调节效应系数，用以衡量调节效应的大小。以衡量调节效应的大小。根据国内外的实测数据表明，根据国内外的实测数据表明，有功负荷与频率之间的关系有功负荷与频率之间的关系曲线接近于一条直线。曲线接近于一条直线。有功功率有功功率变化量变化量相对应有功功相对应有功功率变化的频率率变化的频率的变化量的变化量 是电力系统调度部门要求掌握的一个数是电力系统调度部门要求掌握的一个数据。它表明系统频率变化据。它表明系统频率变化1%时负荷功率变化时负荷功率变化的百分数。的百分数。North China Electric Power University8/452023/4/242、发电机组的功率-频率特性发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的功率功率-频率特性取决于调速器系统的特性频率特性取决于调速器系统的特性发电机组无调速器发电机组无调速器在调速器的作用在调速器的作用下不断改变进气下不断改变进气量，使原动机的量，使原动机的运行点不断地从运行点不断地从一根静态特性向一根静态特性向另一根静态特性另一根静态特性曲线过渡。曲线过渡。此时原动机进气量达到最大值，调此时原动机进气量达到最大值，调速器不起作用，当频率速器不起作用，当频率f继续下降时继续下降时，运行点只能沿着对应于最大进气，运行点只能沿着对应于最大进气量的静态特性曲线移动。量的静态特性曲线移动。North China Electric Power University9/452023/4/242、发电机组的功率-频率特性对应于频率下降对应于频率下降 ，发电机组输，发电机组输出功率增加出功率增加 ，这是一种有差调，这是一种有差调节特性节特性发电机组的发电机组的调差系数调差系数负号表示发电机输出功率负号表示发电机输出功率的变化和频率变化相反的变化和频率变化相反发电机组的静态调节方程发电机组的静态调节方程North China Electric Power University10/452023/4/242、发电机组的功率-频率特性计算功率和频率关系时，常采用调差系数的倒数来表示计算功率和频率关系时，常采用调差系数的倒数来表示 为发电机组的功率为发电机组的功率-频率静态特性系数，或者是原动机的单频率静态特性系数，或者是原动机的单位调节功率。位调节功率。发电机组的调差系数主要决定于调速器的静态调节特性。发电机组的调差系数主要决定于调速器的静态调节特性。与机组间的有功功率分配相关。与机组间的有功功率分配相关。调节特性的失灵区又造成机组间的有功功率分配的不确定性。调节特性的失灵区又造成机组间的有功功率分配的不确定性。调差系数调差系数机组间有功分配机组间有功分配调速器的静态特性调速器的静态特性调节特性的失灵区调节特性的失灵区North China Electric Power University11/452023/4/243、发电机组调差系数与有功功率分配机组间的有功功率分配与机机组间的有功功率分配与机组的调差系数成反比组的调差系数成反比推广到多台发电机组并联运行的情况：推广到多台发电机组并联运行的情况：North China Electric Power University12/452023/4/243、发电机组调差系数与有功功率分配 系统等值机的系统等值机的调差系数调差系数系统中负荷变化后，每台系统中负荷变化后，每台发电机所承担的功率发电机所承担的功率1、多台发电机的调差系数为零是不能并联运行的、多台发电机的调差系数为零是不能并联运行的2、含有一台调差系数为零机组的系统在理论上是可行的，但是、含有一台调差系数为零机组的系统在理论上是可行的，但是在实际上是不能运行的。原因是就目前的系统容量而言不可能仅在实际上是不能运行的。原因是就目前的系统容量而言不可能仅由一台机组来完成全部的调差任务。因此，只能是由多台有差调由一台机组来完成全部的调差任务。因此，只能是由多台有差调节机组并联运行节机组并联运行North China Electric Power University13/452023/4/244、调速器调节特性的失灵区机械式调速器对于微小的转速变化是不能反应的，因此调速器具机械式调速器对于微小的转速变化是不能反应的，因此调速器具有一定的失灵区，调节特性实际上就是一条具有一定宽度的带子。有一定的失灵区，调节特性实际上就是一条具有一定宽度的带子。不灵敏区宽度可以用失灵度不灵敏区宽度可以用失灵度 来描述：来描述：为机组间的最大误差为机组间的最大误差为调速器最大的频率呆滞为调速器最大的频率呆滞North China Electric Power University14/452023/4/244、调速器调节特性的失灵区 与与 成正比，与成正比，与 成成反比。反比。若调差系数很小，则机组间的若调差系数很小，则机组间的最大误差功率就会很大，这样最大误差功率就会很大，这样就会引起机组间功率分配误差就会引起机组间功率分配误差的增大。的增大。若不灵敏区宽度很小，则调速若不灵敏区宽度很小，则调速器在频率的微小波动时就会动器在频率的微小波动时就会动作，机械动作会频繁。作，机械动作会频繁。调差系数不能很小调差系数不能很小在电液调速器中设置在电液调速器中设置一个人为的失灵区一个人为的失灵区North China Electric Power University15/452023/4/245、电力系统的频率特性PffaPafbfcPcPd负荷负荷=1.0负荷负荷=1.1North China Electric Power University16/452023/4/24第二节 调速器原理l机械液压调速器机械液压调速器l电气液压调速器电气液压调速器n模拟式模拟式n数字式数字式North China Electric Power University17/452023/4/24第二节 调速器原理机械液压机械液压调速器调速器North China Electric Power University18/452023/4/24第二节 调速器原理电气液压调速器电气液压调速器(模拟式模拟式)North China Electric Power University19/452023/4/24第二节 调速器原理电气液压调速器电气液压调速器(数字式数字式)North China Electric Power University20/452023/4/241、机械液压调速器(1)B、D点不动点不动(2)A、D点不动点不动E E点的位移正比于点的位移正比于A A、B B两点的位两点的位移之和，具有加法性质。移之和，具有加法性质。DFEBAC=A点上升点上升 E点上升点上升=B点下降点下降 E点下降点下降DEBACFNorth China Electric Power University21/452023/4/241、机械液压调速器在在C点不动的情况下点不动的情况下:B点上升点上升 A点下降；点下降；B点下降点下降A点上升点上升;B B点具有反馈作用点具有反馈作用DFEBAC3、C点不动点不动:North China Electric Power University22/452023/4/241、机械液压调速器1、在、在B、D点不动的情况下，点不动的情况下，A点上升点上升-E点上升点上升2、在、在A、D点不动的情况下，点不动的情况下，B点下降点下降-E点下降点下降E E点的位移正比于点的位移正比于A A、B B两两点的位移之和，具有加点的位移之和，具有加法性质。法性质。3、在、在C点不动的情况下，点不动的情况下，B点上升点上升 A点下降；点下降；B点下降点下降A点上升点上升B B点具有反馈作用点具有反馈作用North China Electric Power University23/452023/4/241、机械液压调速器负荷突然减少负荷突然减少转速升高转速升高A增大增大E点减小点减小减小开度减小开度开度反馈开度反馈B减少减少达到新的达到新的平衡点平衡点North China Electric Power University24/452023/4/241、机械液压调速器a)未并网未并网:A点可动点可动(2)并网并网:A点不动点不动对应的机组静特性平移。对应的机组静特性平移。DFEBACDEBACF(4)D点上移点上移 初始运行特性初始运行特性North China Electric Power University25/452023/4/241、机械液压调速器调频器启动调频器启动D点增大点增大E点增大点增大开度增大开度增大B点增大点增大开度反馈开度反馈达到新达到新平衡点平衡点North China Electric Power University26/452023/4/242、电气液压调速器12345North China Electric Power University27/452023/4/242、电气液压调速器转速测量磁阻发送器磁阻发送器作用是将转速转换为相应频率的电压信号。作用是将转速转换为相应频率的电压信号。齿轮与铁芯之间齿轮与铁芯之间的磁阻变化导致通的磁阻变化导致通过测速磁头的磁通过测速磁头的磁通发生相应变化，在发生相应变化，在线圈中感应出微弱线圈中感应出微弱的脉动信号，该信的脉动信号，该信号的频率与机组转号的频率与机组转速成正比。速成正比。North China Electric Power University28/452023/4/24补充：转速&相位测量加装键相传感器lTSI汽轮机保护系统：n本特利nEPROl常用键相传感器类型：n电涡流型n霍尔型North China Electric Power University29/452023/4/24发电机转速传感器实物图片l圆柱型，长度小于150mm，直径为14mml电源及输出信号线共3芯，铠装，长度3m5ml1030V直流供电lPR9376，EPRO公司TSI系统专用传感器，霍尔原理l德国原装进口l电源及输出信号线共3芯，4m铠装缆，根据需要续接普通电缆North China Electric Power University30/452023/4/24汽轮机的键相传感器安装North China Electric Power University31/452023/4/24水轮机轴上原有的贴片传感器机组大轴North China Electric Power University32/452023/4/24PMU特点：简单实用的子站数据分析软件North China Electric Power University33/452023/4/242、电气液压调速器转速测量转速转速/频率频率-电压变送器电压变送器将磁阻发送器输出的脉将磁阻发送器输出的脉动信号转换为与转速成动信号转换为与转速成正比的电压输出值。正比的电压输出值。微分电路在方波的上升沿时获得正微分电路在方波的上升沿时获得正向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器后，输出一个幅度为后，输出一个幅度为v宽度为宽度为t的正向的正向方波脉冲。在单位时间内，单稳态触方波脉冲。在单位时间内，单稳态触发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输出信号频率成正比出信号频率成正比滤波器实际上是个积分器，在单位时滤波器实际上是个积分器，在单位时间内脉冲个数越多则输出的电压越高间内脉冲个数越多则输出的电压越高North China Electric Power University34/452023/4/242、电气液压调速器功率测量将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压有功功率变送器有功功率变送器执行元件就是霍尔效应原理的测量元件执行元件就是霍尔效应原理的测量元件霍尔效应系数霍尔效应系数霍尔元件厚度霍尔元件厚度控制电流控制电流磁感应强度磁感应强度磁感应强度与元件磁感应强度与元件平面法线的夹角平面法线的夹角North China Electric Power University35/452023/4/242、电气液压调速器功率测量正比于有功功率正比于有功功率North China Electric Power University36/452023/4/242、电气液压调速器给定环节及PID调节器用高精度稳定电源供电用高精度稳定电源供电的精密多转电位器构成的精密多转电位器构成由运算放大器构成由运算放大器构成North China Electric Power University37/452023/4/242、电气液压调速器电液转换器功率放大器输出功率放大器输出增大增大电液转换器线圈电磁力电液转换器线圈电磁力增大增大调节油阀调节油阀关小关小在十字弹簧在十字弹簧的压力下的压力下继动器输入油压继动器输入油压升高升高继动器蝶阀继动器蝶阀下移下移继动器排油继动器排油增加增加North China Electric Power University38/452023/4/242、电气液压调速器电液转换器继动器内腔油压继动器内腔油压升高升高继动器滑阀继动器滑阀下移下移油动机入油油动机入油增加增加油动机活塞油动机活塞上移上移汽门调节阀汽门调节阀开大开大进入汽轮机的有功进入汽轮机的有功增大增大North China Electric Power University39/452023/4/242、电气液压调速器电液转换器油动机活塞油动机活塞上移上移B点点上移上移A点点上移上移继动器蝶阀继动器蝶阀上移上移稳定在新的工作点稳定在新的工作点North China Electric Power University40/452023/4/242、电液转换器A Big Picture继动器继动器油动机油动机蒸汽阀蒸汽阀AB杠杆杠杆功率放大器功率放大器AB+-+North China Electric Power University41/452023/4/242、电气液压调速器调速器工作1、发电机组未并网、发电机组未并网=0趋于零趋于零North China Electric Power University42/452023/4/242、电气液压调速器调速器工作2、发电机组并网，频率恒定、发电机组并网，频率恒定=0趋于零趋于零North China Electric Power University43/452023/4/242、电气液压调速器调速器工作3、发电机组并网，频率波动、发电机组并网，频率波动North China Electric Power University44/452023/4/243、数字式电液调速器与模拟式一样与模拟式一样控制算法控制算法除了基本功能外，实现辅助功能：除了基本功能外，实现辅助功能：机组自启动控制机组自启动控制、跟跟踪电网频率快速同期并列、启动过程的热应力管理踪电网频率快速同期并列、启动过程的热应力管理North China Electric Power University45/452023/4/24小结小结1、负荷的功率、负荷的功率-频率特性频率特性2、发电机组的功率、发电机组的功率-频率特性频率特性3、调差特性与有功功率分配的关系、调差特性与有功功率分配的关系4、调节特性的失灵区、调节特性的失灵区5、电力系统的频率特性、电力系统的频率特性6、机械调速器的基本原理及控制框图、机械调速器的基本原理及控制框图7、电气液压调速器的基本原理、电气液压调速器的基本原理8、调速器的工作过程、调速器的工作过程9、数字式电气液压调速器、数字式电气液压调速器