发电控制与频率调节.ppt

第五讲 发电控制与频率调节,黄琦博士 电子科技大学自动化工程学院,主要内容,概述 数学模型 发电机模型 负荷模型 原动机模型 调速器模型 联络线模型 自动发电控制,概述-电力系统的频率特性,1）并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为： 式中 P发电机组转子极对数 n 发电机组的转数（r/min） f电力系统频率（Hz） 显然，电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速。,概述-电力系统的频率特性,2) 电力系统频率一致。 3)任一时刻，发供平衡。 4)负荷增加时，系统出现了功率缺额，机组的转速下降，整个系统的频率降低。 5) 调频与有功功率调节是不可分开的。 6)调频是一个要有整个系统来统筹调度与协调的问题，不允许任何电厂有一点“各自为政”的趋向。 7)调频与运行费用的关系也十分密切。 8)力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。,概述-负荷与频率变化,实际负荷变化曲线,实测频率变化曲线,概述-电力系统的频率特性,9）负荷的变动情况可以分成几种不同的分量： 一是变化周期一般小于10s的随机分量； 二是变化周期在10s3min之间的脉动分量； 三是变化周期在3min以上的持续分量，负荷预测预报这一部分。 10）第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。 11）第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。 12）第三种负荷变化，调度部门的计划内负荷，这称为频率的三次调整。,概述,经济调度和机组计划安排建立了基于经济考虑的最佳运行点； 运行点需要通过发电控制来实现： 各个发电机单元的本地控制 调度中心大系统控制和互联控制 多个电网和独立发电厂（Independent Power Produces, IPPs）的区域控制 ISO - Independent System Operator RTO - Regional Transmission System Operator,概述,考虑一个含多台发电机的电力系统 负荷持续变化 需要采取适当的控制措施来将负荷变化分派到各台发电机 调速器维持发电机机械速度（频率） 辅助控制系统动作实现负荷的分配 影响电能输出 通常需要远端信号,系统负荷变动,（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等,（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律,（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电 炉启停,发电机模型、负荷模型、原动机模型、调速器模型,发电系统及其控制系统,发电机模型,每台发电机上安装的调速器实现对频率的一次调节（primary control），控制中心的辅助调节来实现发电负荷的分配 发电和频率控制也经常被成为负荷频率控制（LFC：Load-frequency control）,发电机模型,= rotational speed = rotational acceleration = phase angle of a rotating machine Tnet = net accelerating torque in a machine Tmech = mechanical torque exerted on the machine by the turbine Telec = electrical torque exerted on the machine by the generator Pnet = net accelerating power Pmech = mechanical power input Pelec = electrical power output I = moment of inertia for the machine M = angular momentum of the machine all quantities, except for the phase angle, are expressed in per unit on the machine base and/or the standard system frequency base steady-state and nominal values have a “0” subscript added,发电机模型,基本关系 加速原理： 动量原理： 能量方程：,相角偏差,发电机模型,与标称值的偏差：,与转矩关联：,出力偏差：,发电机模型,Laplace变换：,负荷模型,通常为电阻性负荷和感应电动机负荷，负荷变化通常来自负荷本身的变化和由于频率变化导致的负荷变化：,负荷模型,传递函数框图： 从原动机侧看进去：,负荷模型,负荷模型,原动机模型（Prime-mover Model）,原动机驱动发电机发电 汽轮机 水轮机 惯性时间常数（“Charging time” time constant），Tch 汽门开度：,原动机模型（Prime-mover Model）,汽轮机模型（3-级）,水轮机模型,调速器（Governor）模型,调速器补偿转子速度变化： 负荷变化最终会引起转子速度变化 转速变化也可以看成系统频率变化 同步调速器,调速器（Governor）模型,调速器模型,同步调速器： 通过转速偏差的积分来强迫频率偏差趋于零 不能用于两台以上的发电机 机组调速器竞争系统频率 机组之间的负荷分配 采用参考信号提供频率和出力参考输入 加入一个新信号，负荷参考输入信号，控制出力 反馈环中包含R,确定调速特性,调速器模型,调速功能实现机组间的负荷分享,出力变化导致的频率变化（p.u.）,调速器模型,调速器模型,调速器特性,调速器特性 调速器实现机组间出力分配,调速器特性,通过改变负荷参考输入，可以改变调速器特性，从而在保持系统频率的条件下实现机组分配,全系统模型,全系统模型,稳态值：利用Laplace方法： 对于多机系统：,联络线模型（Tie-line model）,联络线模型,在标幺值情况下，,直流潮流（DC load flow）,联络线模型,联络线模型,当发生负荷变化后，在稳态情况下：,联络线模型,算例#5.1,算例#5.1(cont.),自动发电控制（AGC: Automatic Generation Control）,AGC的主要目标,AGC主要有三大目标： 维持系统频率 维持控制区域的能量交换 在电力市场中，需要履行与相邻区域的联络线功率输送合同 保持每台发电机组经济运行,AGC的基本功能,1、使发电自动跟踪电力系统负荷变化 2、响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为额定值 3、在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值 4、对周期性的负荷变化按发电计划调整发电功率 5、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求,附加控制（Supplementary Control Action）,负荷变化将会引起频率变化，其幅度取决于调速器特性曲线 附加控制将系统频率恢复到标称值（50 or 60 Hz） 通过在调速器中加入积分控制环实现 控制动作通过调整速度参考点输入来强迫频率偏差为零,附加控制,联络线控制,通常有两个以上电力系统互联，目的有三：1）需要时购买或销售电能；2）在紧急故障情况下提供支援；3）频率恢复时提供共同的频率基准 定义如下术语与变量 实际净交换总和（ total actual net interchange）: + for power leaving the system; for power entering the system 预计交换潮流: 联络线潮流变化:,联络线控制,联络线控制,定义区域控制偏差（Area Control Error: ACE）：需要的发电变化，表示需要恢复频率和区域功率交换预计值区域内需要的发电量。,频率偏移因子（Frequency Bias Factors）,发电分配,一个控制区域通常包含多台发电机，前面提到的联络线控制只适合单一台机组控制。 经济调度必须要与发电控制联系起来 输入是控制区域需要的出力 输出是各台机组的出力 需求是时刻变化的，