第五章_电力系统频率及有功功率的自动调节.pptx

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1、发电自动控制示意图发电自动控制示意图第1页/共84页第一节第一节 电力系统的频率特性电力系统的频率特性一、概述一、概述 频率是电能质量的重要指标之一。电网稳态条件下的频率 f 是全系统一致的运行参数 忽略机组内部损耗时：如果由于负荷的突然变动，是发电机组的输出功率增加 则：机组的输入功率小于负荷要求功率，为了保持平衡，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2页/共84页第一节第一节 电力系统的频率特性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。调频与有功功率调节密不可分。电力系统负荷不断变化，原动机输入功率变化缓慢，频率 波动在所难免。电力

2、系统运行的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制。频率偏差允许范围：一般偏差不超过 0.2Hz，有点地区为 0.1Hz机组的动能第3页/共84页电力系统的频率特性电力系统的频率特性电网频率变动情况tP持续分量持续分量脉动分量脉动分量随机分量随机分量负荷瞬时变动情况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第4页/共84页二二 电力系统负荷的功率电力系统负荷的功率频率特性频率特性 1.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

3、、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。2.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，第5页/共84页3.负荷的功率频率特性一般表达式一般情况下，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。第6页/共84页电力系统的频率特性电力系统的频率特性电力系统负荷的功率电力系统负荷的功率 -频率特性

4、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节作用。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，这种现象称为负荷调节效应负荷调节效应。fPLfNfbPLNPLbab负荷的频率调节效应系数第7页/共84页负荷的有功功率频率静态特性简化表达在电力系统运行中，允许频率变化的范围是很小的在电力系统运行中，允许频率变化的范围是很小的，负荷，负荷有功频率静态特性用一条近似直线来表示。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13之间。取决于负荷的性质，

5、与各类负荷所占的比例有关取决于负荷的性质，与各类负荷所占的比例有关。第8页/共84页例5-1某某电力系力系统中中,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+0.40.94+0.10.942+0.20.943=0.93则PL%=(1-0.93)100%=7%f%=(1-47/50)100%=6%于是KL*=PL*%/f*%=7/6

6、=1.17第9页/共84页例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,若KL*=1.5,试求KL.解由式(4-8)(4-8)可得KL=KL*(PLN/fN)=1.5(3200/50)=96(MW/HZ)若系统负荷增长到3650MW3650MW时,则有KL=1.5(3650/50)=109.5(MW/HZ)*由此可知由此可知,KL的数的数值与系与系统的的负荷大小有关荷大小有关.第10页/共84页三、发电机组的功率三、发电机组的功率频率特性频率特性第11页/共84页三、发电机组的功率三、发电机组的功率频率特性频率特性（一）发电机的功率（一）发电机的功率-

7、频率特性频率特性 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*f*PG*MG*1.01.0第12页/共84页三、发电机组的功率三、发电机组的功率频率特性频率特性（一）发电机的功率（一）发电机的功率-频率特性频率特性但发电机配置调速器后，随着转速的变动，不断调节进气量，使原动机的运行点从一条静态特性曲线向另一条静态特性曲线过渡。Pf1233aa”a”第13页/共84页有调速系统的发电机功率有调速系统的发电机功率-频率特性：频率特性：功率调整时，频率有变化，为有差调节特性。特性曲线的斜率为：标么化：或PGfPGbPGaPGfabfNf1第14页/共84页第1

8、5页/共84页（二）调差特性与机组间有功功率分配的关（二）调差特性与机组间有功功率分配的关系系两机组间的功率增量分配P1P2fABCfNP1P2P1P2P1P2PLPf1 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担的负荷增量标幺值较大，调差系数大的的机组承担的负荷增量标幺值较小。第16页/共84页第17页/共84页对没有调节容量的机组(调差系数趋于无限大)应以PiNRi*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

9、它们共同承担负荷的波动。几点注意几点注意第18页/共84页(三）调节特性的失灵区三）调节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。为避免系统在频率微小波动时动作，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%调速器的最大频率呆滞机组的最大误差功率调速器的频率调节特性是条带子，导致并联运行的发电机组间有功功率分配产生误差。第19页/共84页（四）电力系统的频率特性（四）电力系统的频率特性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

10、频率特性共同形成的。第20页/共84页（四）电力系统的频率特性（四）电力系统的频率特性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行点。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)aPLfNbdPL1PLcPL2f3f2PL1PL2PG=f(f)调速器的调节作用被称为一次调节。第21页/共84页电力系统的频率特性电力系统的频率特性思考题思考题1 已知：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22页/共84页第二

11、节第二节 调速器原理调速器原理 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v比例积分(PI)调速器v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：第23页/共84页一一 机械液压调速器机械液压调速器1 工作原理工作原理 第24页/共84页2 调调速系统框图速系统框图 第25页/共84页3 转速给定装转速给定装置置调节过

12、程调节过程4 机组静特性平行移动机组静特性平行移动 第26页/共84页转速给定装置调节过程A C BD F EA C BD F EA C BD F EA C BD F E第27页/共84页二二 功率功率频率电液调速器频率电液调速器 第28页/共84页1 转速测量转速测量 A 磁阻发送器磁阻发送器 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

13、信号的频率与机组转速成正比。第29页/共84页B 频率频率电压变送器电压变送器 3)频率电压变送器的输出特性 2)工作波形1)方框图 第30页/共84页频率电压变送器的工作波形 第31页/共84页2 功率测量功率测量 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。第32页/共84页UGEHTBiTAic第33页/共84页3 转速和功率给定环节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及液压系统电液转换器把调节

14、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 调速器的工作调速器的工作 第34页/共84页三三 数字式电液调速器数字式电液调速器 控制电路部分的功能用微机实现。第35页/共84页控制电路的功能通过微机实现。调速器的调节规律由计算机实现。主机根据采集到的实时信息，按预先确定的控制规律进行调节量计算，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，完成调速或调频的任务。第36页/共84页第三节第三节 电力系统频率调节系统及其特性电力系统频率调节系统及其特性 一一 调节系统的传递函数调节系统的传递函数 1 调速器的传递函数调速器的传递函数 传

15、递函数是分析调节系统性能的重要工具，电力系统的频率和有功功率调节系统，主要是由调速器、发电机与原动机和电网环节组成，传递函数分别讨论如下：调速器的输出量调速器的输出量 表达为表达为给定值给定值 和频率和频率 两输入量两输入量间的关系。间的关系。第37页/共84页1 调速器的传递函数调速器的传递函数 调速器的传递函数表示了调速器的传递函数表示了原动机调节量原动机调节量与与控制指令信号控制指令信号及系统频率间及系统频率间的动态特性。的动态特性。第38页/共84页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 原动原动机机的传递函数的传递函数 调速器根据转速变化控制进入原动机的

16、动力元素，下面进一步讨论原动机的传递函数。第39页/共84页3 调速器调速器+汽轮机汽轮机F(s)PT(s)Pc(s)XB(s)Gn(s)GT(s)+-F(s)PT(s)Pc(s)GnT(s)+-KnKT=1调速器调速器 汽轮机汽轮机第40页/共84页汽轮机发电机模型原理示意图汽轮机发电机模型原理示意图第41页/共84页现代电力系统的规模越来越大而且互联，即一个地区的电力系统与另一个地区的电力系统相互连接起来构成更大的系统。因此，系统的频率和功率调节以地区系统为基础作为控制区，把每个控制区作为一个等效的同步发电机群来进行调节。现在来研究一个通过联络线路与其他控制区相互连接的控制区i的一次调节系

17、统的传递函数。4 单区域系统、电网部分单区域系统、电网部分(发电机、负荷及联络线）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第42页/共84页1)发电机组动能提供的功率增量；2)负荷的频率调节效应而引起的负荷功率变化；3)联络线上功率的变化。4 单区域系统、电网部分单区域系统、电网部分(发电机、负荷及联络线）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，突然有一个量值为 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 第43页/共84页功功率率平平衡衡关关系系式式（有有名名值值）第44

18、页/共84页PLi(s)PTi(s)Gpi(s)Pti(s)Fi(s)-+功率平衡式的框图第45页/共84页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框图联络线功率增量关系式第46页/共84页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单区域的闭环调节框图图F(s)PT(s)Pc(s)GnT(s)+-第47页/共84页F(s)Pc(s)PL(s)GnT(s)Gp(s)+-PT(s)+-Pti(s)Fi(s)+-+-+-+F3(s)F

19、2(s)F1(s)6 与与其其他他系系统统 相相 联联 的的控控制制区区域域i的的 闭闭 环环 框框图图 第48页/共84页二二 电网的频率调节特性电网的频率调节特性 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工作情况下，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。第49页/共84页算例：算例：系统总额定容量 PN=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*=0.5F(s)PL(s)GnT(s)Gp(s)-PT(s)+-第50页/

20、共84页系统功率频率特性系数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)+-第51页/共84页第52页/共84页B 动态特性动态特性第53页/共84页1)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馈所起的作用(即调速器的作用)；2)减小R值使增大，可以减小稳态频率偏差；3)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；4)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

21、是不允许的。1 2 3 4 5f=0.0234Hzf(Hz)Tn=TT=0Tn=0.08sTT=0.3st(s)第54页/共84页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20MWs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负荷功率是由三部分来平衡的，即系统动能

22、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。第55页/共84页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）第56页/共84页假设两区域具有相同的参数，即假设每个区域的负荷突然增加一个阶跃值 由此可见：1、控制区2中增加的负荷是由两个控制区域共同承担的，其中50%的负荷增量由区域1

23、通过联络线供给。2、负荷变化时，两区域控制系统的频率偏差比单一孤立系统时的频率偏差减小一半。联合调频的优越性，比单区域系统调节好。第57页/共84页第四节 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，则每台发电机的调速器都将反应系统频率的变化，自动地调节进汽(水)阀门的开度，改变机组出力，使有功功率重新达到平衡。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v主导发电机法 v同步时间法（积差调节法）v联合电力系统调频 二 自动调频方式第58页/共84页当负荷变动系统频

24、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，计划外负荷的变动全部由调频机组承担。（一）主导发电机法第59页/共84页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

25、的时间积分值进行调节。第60页/共84页C 改进的积差调节法 D 集中制与分散制调频 第61页/共84页1)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；2)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；3)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(Flat Frequency Control)恒交换功率控制FTC(Flat Tie-Line Control)频率联络线功率偏差控制TBC(Tie line load frequency Bias Control)B 联

26、合电力系统的调频方式第62页/共84页C 频率联络线功率偏差控制TBCPGAPLAKAPGBPLBKBPtA区域调节作用的信号称为区域控制误差(Area Control Error)。控制误差控制误差调整结果第63页/共84页第64页/共84页电力系统自动调频电力系统自动调频电电厂厂带基本负荷厂1 调频厂调频厂1调频厂调频厂2调频厂调频厂3调峰厂调峰厂1调峰厂调峰厂2调峰厂调峰厂3带基本负荷厂2带基本负荷厂3第65页/共84页电力系统自动调频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同步时间法同步时间法联合自动调频联合自动调频按频率偏差的积分值调

27、节。主导发电机法主导发电机法第66页/共84页恒定频率控制法FFC电力系统自动调频电力系统自动调频联合电力系统的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。第67页/共84页电力系统自动调频电力系统自动调频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，调整目标设A有二次调频，B有一次调频。且即最终使得第68页/共84页 电力系统的频率调节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安全运行前提下，如何使电力系统运行具有良好的经济性，这就是

28、电力系统经济调度控制(Economic load Dispatching Control)的任务。它是联合自动调频的重要目标之一，因此也有人把EDC列为AGC功能的一部分，称之为AGCEDC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(一般在5min以上)。有人称EDC为三次经济调整。第五节第五节 电力系统的经济调度与自动调电力系统的经济调度与自动调频频第69页/共84页一一 等微增率分配负荷的基本概念等微增率分配负荷的基本概念 耗量特性是指发电机组在单位时间内所消耗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

29、说，为燃料消耗量(或消耗费用)的微增量与发电机输出功率微增量的比值。等微增率法则，就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，这样就可使系统总的燃料消耗或费用为最小，从而是最经济的。第70页/共84页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。第71页/共84页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)的形状。随着输出增加，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增加而增大。Example 第72页/共84页第73页/共84页发发电电厂厂内内并并联联运运行行机机组组的的经经济济调调度度准准则则为为：各各

30、机机组运行时微增率相等，并等于全厂的微增率组运行时微增率相等，并等于全厂的微增率。第74页/共84页多台机组间按等微增率分配负荷示意图多台机组间按等微增率分配负荷示意图v思考题求P1、P2。第75页/共84页二二 发电厂之间负荷的经济分配发电厂之间负荷的经济分配 第76页/共84页在考虑线损条件下，负荷经济分配的准则是每个电厂的微增率与相应的线损修正系数的乘积相等。线损修正系数 系统微增率电厂微增率第77页/共84页三 发电厂机组功率控制 调度所计算机系统执行AGC功能给调频电厂的调节指令有两种方式下达给各调频机组下达全厂总调节量第78页/共84页调节指令直接下达给各调频机组第79页/共84页

31、调节指令为全厂总调节量第80页/共84页思考题思考题1 已知：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。若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？思考题思考题2 已知：某电力系统，KL*=1.5，KG*=20，当PL=3000MW时，fN=50Hz。求负荷增加120MW时，系统调速后的运行点。第81页/共84页1什么叫做一次调频？什么叫做二次调频？2、什么叫负荷调节效应？用何参数表示？3、发电机组调速系统失灵区过大、过小（或完全没有）有何影响？第82页/共84页1什么叫做一

32、次调频？什么叫做二次调频？一次调频：当电力系统负荷发生变化引起系统频率变化时，系统内并联运行机组的调速器会根据电力系统频率的变化自动调节进入它所控制的原动机的动力元素，改变输入原动机的功率，使系统频率维持在某一值运行，这就是电力系统频率的一次调整，也称为一次调频，是自动的有差调节过程。二次调频：用手动或通过自动装置改变调频器的频率（或功率）给定值，平移机组有功功率-频率静态特性，调节进入原动机的动力元素来维持电力系统频率的调节方法，称为二次调频，可以做到无差调节，其前提为调频机组有足够的热备用（或旋转备用）容量。2、什么叫负荷调节效应？用何参数表示？负荷调节效应：当系统频率下降时，负荷从系统取用的有功功率将下降，系统频率升高时，负荷从系统取用的有功功率将增加，这种现象称为电力系统负荷的频率调节效应，简称负荷调节效应。一般用负荷调节效应系数来衡量负荷调节效应作用的大小。3发电机组调速系统失灵区过大、过小（或完全没有）有何影响？失灵区会引起误差功率，若机组调速系统的失灵区过大，会使误差功率过大。若失灵区过小或完全没有，当电力系统频率发生微小波动时，调速器也要动作，这样会使调节气阀动作过于频繁，使磨损加快，减少寿命，对机组本身和电力系统频率调节不利。第83页/共84页感谢您的观看！第84页/共84页