DEH系统调频问题.doc

dehdeh 系统调频问题系统调频问题 xxxxxxxxxxxxxxxx 公司公司 二二 0000 三年十二月三年十二月 1 目目 录录 第一部分第一部分 汽轮发电机组静态特性汽轮发电机组静态特性2 1汽轮机调速系统特性2 1.1 机械液压式调速系统.2 1.2 全液压式调速系统.3 1.3 工频电液调节系统.6 2. 汽轮机调节系统静特性6 3. 一次调频特性对并网运行机组的负荷分配的影响10 3.1 单机运行.10 3.2 并网运行.10 3.3 系统速度不等率.12 4. 对一次调频特性曲线的要求13 5. 汽轮机蒸汽室容积特性14 6. 汽轮机转子运动特性15 第二部分第二部分 电力系统负荷的静态频率特性电力系统负荷的静态频率特性17 第三部分第三部分 电力系统的综合功率电力系统的综合功率-频率特性频率特性.19 第四部分第四部分 deh 系统频率调节原理系统频率调节原理 21 1. deh 频率调节原理.21 2. 关于一次调频的效果23 3. 新华 deh 在河南电厂的调频情况25 第五部分第五部分 需要讨论的几个问题需要讨论的几个问题26 2 第一部分第一部分 汽轮发电机组静态特性汽轮发电机组静态特性 1汽轮机调速系统特性汽轮机调速系统特性 1.1 机械液压式调速系统机械液压式调速系统 1784 年，瓦特应用离心式直接作用调速器（图 1-1）控制蒸汽机。 当转速升高时，重锤在离心力的作用下向外张开，使滑环向上移动 通过刚性的杠杆关小调节汽阀，使转速下降 当转速降低时，动作过程相反 在这种情况下，调节的任务就在于：随着机组角速度的变化，来增加或减少蒸汽流 量，以此来保持能量平衡。直接调节系统的控制方框图见图 1-2。 3 aob 进汽 排汽 1 2 3-发电机1-离心调速器2-汽轮机 调节汽门汽轮机 调速器 图 1-1 直接调节系统图 1-2 直接调节系统方块图 汽轮机的负荷都是通过转速（电网频率）的变化来调节的 调速器滑环的位置与汽轮机的阀门位置是一个固定的对应关系 也就是说一定的汽轮机转速与汽轮机的功率是一一对应的 因此就产生了一定的不均匀度。 这表现为虽然采用了调速器，但只能维持转速在一定的范围内，而不能保证转速 的恒定。 图 1-3 所示为带有一级放大的间接调节系统。在调速器和汽轮机阀门之间增加了 用于放大的油动机滑阀 4，此时： 调速器带动的是油动机滑阀，而由压力油来驱动阀门 当转速升高时，滑环向上移动，通过刚性的杠杆带动油动机滑阀向上移动， 油口 a 打开，压力油进入油动机上部，同时油口 b 打开，油动机下部的油排 回油，油动机 5 活塞向下移动，关小调节汽阀，使转速下降 同时反过来，油动机 5 活塞向下移动带动滑阀 4 向下移动，当油动机滑阀 4 回到原来的中间位置时，油口 a、b 关闭，油动机恢复到静止状态 当转速降低时，动作过程相反。 3 3 aob 进汽 排汽 1 2 3-发电机1-离心调速器2-汽轮机 a b 压力油 回油 4 5 4-滑阀5-油动机 调节汽门汽轮机 调速器 油动机 z 给定 图 1-3 间接调节系统图 1-4 间接调节系统方块图 在间接调节系统中： 调速器带动的不是阀门，而是一个断流式的滑阀，而由油动机活塞上下的压 差来驱动阀门，因此，可以通过增大油动机的活塞面积或供油压力，以产生 足够的力来带动阀门运动。 由于阀门停止运动时，滑阀 4 必须回到中间位置，因此调速器滑环的位置与 汽轮机的阀门位置仍然是一个固定的对应关系。也就是说一定的汽轮机转速 与汽轮机的功率是一一对应的，因此也存在不等率。 1.2 全液压式调速系统全液压式调速系统 哈尔滨汽轮机厂生产的液压调节系统如图 1-5 所示，由高速弹性调速器 1、随动 滑阀 2、分配滑阀 3、油动机滑阀 4、反馈滑阀 5、油动机 6、同步器 7 等组成。其特点 是采用由汽轮机主轴直接带动的无铰链的调速器，将转速的变化转换为挡油板的位移， 取消了原来离心式调速器的摩擦副和铰链机构，减小了摩擦和卡涩，具有较高灵敏度。 为进一步提高灵敏度，减少主油泵出口压力波动的影响，一般取脉动油压力为主油压力 的 1/2。但是由于高速弹性调速器刚性连接在主油泵的轴上，当汽轮机的主轴有轴向窜 动时，可能引起转速和负荷的波动。 3-分配滑阀1-高速弹性调速器2-随动滑阀 1 4-油动机滑阀5-反馈滑阀 a b 0 p 0 p 0 p x p 2 3 4 5 6 7 a b c 6-油动机7-同步器 s 开 关 图 1-5 哈汽厂生产的液压调速系统 上海汽轮机厂生产的液压调节系统如图 1-6 所示，由主油泵 1、旋转阻尼 2、转速 4 变换器 3、错油门 4、继动器 5、油动机 6 等组成。其特点是采用了旋转阻尼和碟阀式放 大器。旋转阻尼的出口油压可近似看作与转速的平方成正比，其转速的测量无机械移动 部件，可靠性较高。碟阀式放大器比滑阀式放大器更不易卡涩。 3-转速变换器1-主油泵2-旋转阻尼 4-错油门5-继动器6-油动机 2 3 开 关 0 p 4 a b 5 6 1 图 1-6 上汽厂生产的全液压调速系统 东方汽轮机厂生产的调节系统如图 1-7 所示，由信号油泵 1、滤网 2、压力变换器 3、油动机滑阀 4、反馈滑阀 5、油动机 6、同步器 7 等组成。 7-同步器 3-压力变换器1-信号油泵2-滤网 1 4-油动机滑阀5-反馈滑阀 a b 0 p 0 p x p a 4 5 6 b c 6-油动机 2 7 3 回油箱 进油 开 关 图 1-7 东汽厂生产的全液压调速系统 在全液压调节系统中，一次脉冲油压力与二次油压，或汽轮机的阀门位置仍然是 一个固定的对应关系。也就是说一定的汽轮机转速与汽轮机的功率是一一对应的，因此 也存在不等率。 5 机械液压调速系统或全液压调速系统的特点： 本质上是一个比例调节器，因而是有差调节系统 转速与负荷之间的静态关系是由其固有结构决定的，因此一次调频的功能是 无法切除的 迟缓率较大，控制精度较低，存在回差 调整困难，难以调整一次调频特性 不等率曲线难以兼顾启动升速、同期、并网运行 6 1.3 工频电液调节系统工频电液调节系统 随着电子技术和计算机技术的发展，汽轮机调节系统中的测量、控制与转换部分 逐步采用模拟电子和数字电子器件，代替原机械与液压部件，并增加了功率信号，使之 成为功频电液调节系统，但其基本控制原理不变，如图（1-8）所示。 负负荷荷给给定定调节器 x - + 阀阀门门指指令令 gv 功功率率变变送送器器 转转速速传传感感器器 n n 1 图 1-8 功频电液调节系统 图 1-9 汽轮机调速系统简图 采用电液调节系统后，尤其是采用数字计算机和高压抗燃油执行机构，其特点是： 系统时间常数小，可以快速响应电网频率的变化 系统迟缓率小，控制精度高，频率响应的准确性较高 静态特性可根据需要任意设定，满足各种工况需要 2. 汽轮机调节系统静特性汽轮机调节系统静特性 从前面的叙述中，可以看出，无论直接调节系统或是间接调节系统，它们产生的 控制作用都不能够使汽轮机的转速维持在一个恒定的值上，而是和汽轮机的功率具有一 定的对应关系。这种对应关系就称为调节系统的静特性。 设汽轮机在空载时的转速为，额定功率时的转速为，汽轮机额定转速为， max n min n 0 n 则将与的差值与之比来表征汽轮机转速与功率的对应关系称为速度不等率， max n min n 0 n 也称速度变动率，不均匀度等： %100 0 minmax n nn （1-1） 7 调速系统的静特性表明了整个调速系统的固有特性。其产生的原因在于采用了比 例调节的有差系统。速度不等率的倒数即为系统增益系数。一般速度不等率取为 3-6%， 1 并可根据需要进行调整。 调速系统是由检测元件、放大执行机构、控制对象等组成的，如图 1-8。因此，可 以通过单独分析各个部分的特性，然后将各个部分特性组合的办法得到调速系统的总特 性，即静特性，如图 1-9。 0 n 0 n n z x max n max x max z max n 0 n n 无差系统 有差系统 图 1-9 调速系统特性四象限图 1-10 有差系统与无差系统 对于采用带有积分特性的调节器，可以实现转速变化后，经过调节过程，达到转 速恢复原来定值的功能，所以其速度不等率。不等率等于零的系统称为无差调节0 系统。在静特性曲线图上，可表示为与横轴平行的一根直线，见图 1-10 。 在速度不等率四象限图中，可以看到，、象限中任一曲线的变化，都会 改变速度不等率特性。对于图 1-3 所示的间接调速系统，较方便的方法是改变飞锤调速 器的弹簧刚度，即改变象限的调速器特性，也可以改变油动机滑阀在杠杆上的连接点， 即改变象限的放大执行机构特性；对于哈汽厂高速弹性调速系统可以通过改变斜铁角 度来实现；上汽厂旋转阻尼调速系统可以通过改变反馈杠杆比例来实现。这两种方法均 属于改变放大执行机构特性的方法。而油动机的开度与阀门的开度关系，以及阀门开度 与汽轮机功率的关系基本无法改变。 虽然具有速度不等率的系统不能保证转速的恒定，但人们正是利用了调速系统的 这一特性来调整发电机组的频率的。因此，在具有先进控制特性的电液控制系统中，仍 然保留了速度不等率的功能。速度不等率的设置更加灵活，通过计算机软件，可以任意 设定速度不等率的数值。一般在电液控制系统中是以增量的形式来表示的。由于计算机 系统的精确性，当阀门非线性修正准确的情况下，可以保证调节系统的不等率为一根直 线。如图 1-11 所示。 但在液调系统中，由于液压调节器及液压部件的非线性，使得速度不等率不是一 根直线而是一根曲线，所以静特性曲线在不同的区段具有不同的斜率。这里采用局部速 度不等率的概念来表示： （1-2） %100/ 00 * n dn n dn 8 而速度不等率只能表示在汽轮机从空负荷到全负荷时的平均值，因此，又称 为平均速度不等率。 rpm 0 n -100 -150 150 100 n% 0 n n z x max n max x max z max n 2 1 图 1-11 数字电液调节系统不等率曲线 图 1-12 实际静特性的曲线（迟缓率） 在分析电网频率调节问题时，经常采用发电机组调差系数的概念，它表示机组出 力从空载到满载变化时，频率的变化量： )/(mwhz p f pp ff ggbga ba 写成相对量的形式： * * 0 0 * ggg p f pp ff 因此，相对调差系数就是调速系统的不等率。调差系数的倒数，称为机组的单位 调节功率： f p k g g 1 * * * * 1 f p k g g 在前面静态特性曲线的讨论和绘制过程中，假定调速系统的每个部件的特性都是 线性的，因此经过合成得到的转速与负荷之间也是单值对应的，没有考虑系统的中存在 的迟缓现象。实际上，铰链之间存在间隙、摩擦；滑阀与套筒之间存在着间隙和油口重 叠；即使是电液调节系统，也存在着滑阀结构，以及 a/d、d/a 变换的精度带来的误差。 因此，一般情况下，调速系统中的各检测、放大、执行元件均具有不同程度的迟缓。 这些迟缓造成当机组转速上升时，沿着曲线 2 的特性线，而转速下降时，沿着曲 线 1 的特性线。如图 1- 12 所示。在同一功率下，转速上升的 n-n 曲线和转速下降的 n- n 曲线之间的转速差与额定转速的比值，称为系统的迟缓率： 12 nn 0 n （1- 3 ） %100 0 12 n nn 9 系统的迟缓率是所有部件迟缓率的总和。即： （1- 4 ） . 321 系统的迟缓率实际上代表了整个调节系统对其控制的变量的敏感程度，对于调速 系统而言，转速的迟缓率就是当机组的转速发生变化时，调速系统在转速偏差达到什么 程度时才开始动作的。按照这样的物理概念，迟缓率与系统的的转速控制精度是互相对 应的。设转速的控制精度为转/分钟，则： n （1-5） %100 2 0 n n 如某调速系统的稳态转速控制精度为，则该系统迟缓率为 0.067%。 min/1r 迟缓率是调节系统的最重要指标之一，过大的迟缓率会使调节系统不能正常工作， 比如：定值控制精度差，过渡过程恶劣，甚至无法维持转速的稳定。因此必须研究减小 迟缓率的方法。这包括在设计、制造、安装以及运行过程中，都应努力将迟缓率减至最 小。 由于调速系统形式的不同，其能达到的转速控制精度也不相同，而且随着技术水 平的提高，对系统迟缓率的要求也不断提高，目前对迟缓率的要求基本上是： 高压抗燃油纯电调系统： %067.0 低压透平油纯电调系统： %1.0 机械/液压调速系统： %3.0 给水泵调速系统： %1.0 根据自动准同期并网的要求，机组转速与电网频率差在之间即可， hz)2 . 002 . 0 ( 对应的迟缓率为 0.08-0.8%，因此就该指标而言，目前的电调系统基本上都能满足要求。 10 3. 一次调频特性对并网运行机组的负荷分配的影响一次调频特性对并网运行机组的负荷分配的影响 3.1 单机运行单机运行 汽轮机发电机有两种运行方式：单机运行和并网运行。 单机稳定运行时，机组的负荷应等于用户的耗电量，汽轮机的转速在某一定值。 不考虑迟缓率的情况下，转速与功率具有一一对应的关系。当负荷变化时，汽轮机转速 将沿着静态特性曲线变化，当负荷增加时，汽轮机转速将下降；当负荷减少时，汽轮机 转速将上升。如图 1-13 所示，由于单机运行时，用户耗电量的增加，负荷从增加到 1 n ，汽轮机转速则沿着静态特性曲线 i 从下降到，显然，汽轮机的转速，在单机 2 n 1 n 2 n 运行的情况下，即认为是供电的频率的变化是用户不能接受的。如果速度不等率为 5%，那么从空负荷变化到全负荷，转速的变化将为： 。因此需要设计一种装置，将汽轮机的转速变 min/150300005 . 0 0 rnn 化回，这种装置即为同步器，其作用可将静态特性曲线 i 垂直地平移到 ii。 1 n 因此，在单机运行的情况下，垂直平移静特性曲线的作用是改变了机组的转速。 0 n n ii i 11 2 1 n 2 n 1 n 2 n 0 n n 1 i n i n 1 n 2 n i n 1 0 n n 2 ii n 2 i ii n ii n n ii i nmax ii nmax i nmax ii nmax 图 1-13 单机运行的汽轮机图 1-14 并网运行的汽轮机 3.2 并网运行并网运行 并网运行时电网中各处的频率是相等的。由于转速与频率的对应关系，所以，电 网中的各台汽轮机的转速也是一样的。即使具有半速的汽轮机的情况下，各个转速之间 也将保持固定的比例关系。而用户的耗电量等于各台汽轮机的功率的总和。 假设电网中有两台并列运行的汽轮机 i 和 ii，其静态特性曲线为一根直线。速度 不等率分别为和，且大于。在某一时刻，两台汽轮机的转速均为，根据它 1 2 1 2 1 n 们的各自的静态特性，其功率分别为和，如图 1-14 所示。 i n ii n 若系统中用户的耗电量增加了，外界负荷的增加，使得两台机组的转速同时下 n 降。同时调节系统动作，将两台机组的出力分别增加了和，从图 1-14 可以看 i n ii n 出，由于速度不等率大于，所以小于。稳定后：增加的出力必然与耗电 1 2 i n ii n 量的增加相同。即： 11 (1-6) iii nnn 根据图中的几何关系，有： ，以及 (1-7) n n n n i i i max max n n n n ii ii ii max max 合并二式，有： (1-8) n n n n n nnn ii ii i i iii )( max max max max (1-9) )( max max max max ii ii i i n n n n n n 所以，当电网频率发生变化时，各台汽轮机分担的负荷相对变化量为： (1-10) )()()( 2 max 1 max 1 max 0 max max max max 0 max max max max max max max max iii i ii ii i i i i ii ii i i i i i nn n n n n n n n n n n n n n n n n n 同理： (1-11) )( 2 max 1 max 2 max iii ii ii nn n n n 因为上面式(1-10)和(1-11)的分母基本为一常数，因此，各台汽轮机分担的负荷相 对变化量为正比于本机的最大功率，反比于本机的速度不等率。 对于一般情况，具有任意台汽轮机并列运行，其中一台汽轮机在负荷变动中的分 额是： (1-12) n j j j i i i n n n n 1 max max 12 0 n n 1 i n i n 1 n 2 n i n 1 0 n n 2 ii n 2 i ii n ii n n ii i nmax ii nmax i nmax ii nmax 图 1-15 并网运行的汽轮机（静态特性为曲线） 当汽轮机的静态特性曲线不是一根直线，而是一根曲线的情况时，如图 1-15 所示。 此时，与上述公式对应的速度不等率为局部速度不等率。即： i * (1-13) n j j j i i i n n n n 1 * max * max 3.3 系统速度不等率系统速度不等率 由式（1-9） ，对于任意台汽轮机并列运行的电网，转速的变化量为： (1-14) n i i i n i i n n n n 1 max max 1 如果系统中的负荷从零变化到满载，则相应的系统中的每台汽轮机转速变化为最 大值： (1-15) n i i i n i i n n n n 1 max max 1 max max 等式两边同时除以额定转速，并定义： 0 n (1-16) 0 max n n n 为整个系统的速度不等率，则有： 13 (1-17) n i i i n i i n n n n n 1 max 1 max 0 max 根据这一定义和式（1-13） ，我们可以用系统速度不等率的形式，来表示一台汽轮 机所分担的负荷： (1-18) n i i i i ni n n n n 1 max max 即：一台汽轮机所分担的负荷，是与该汽轮机的功率与整个系统的总功率之比成 正比，而与该汽轮机的速度不等率与整个系统的速度不等率之比成反比。 因此，当电网频率发生变化时，电网频率的变化将使电网中各汽轮机的功率按照 各自的静特性相应地增大或减小，从而使供电与用电达到平衡，同时也维持电网的频率 在一定的范围内。汽轮机的静特性对电网频率的这种作用就称为一次调频。 4. 对一次调频特性曲线的要求对一次调频特性曲线的要求 汽轮机调节系统的速度不等率是一个非常重要的参数。它的合理与否直接影响机 组的稳定运行情况，同时，也将对电网的频率稳定性产生影响。一般机组的速度不等率 在出厂时都设定为 4%5%。可知： 如果某台机组的速度不等率远比电网的平均速度不等率小，则当电网频率变 化时，该机组的负荷变化特别剧烈 如果该机组的速度不等率远比电网的平均速度不等率大，则当电网频率变化 时，该机组的负荷变化就很小 因此，应当使电网中的机组的速度不等率尽量接近 同时，考虑到大机组的经济性较好，启动复杂，应当使大型机组承担基本负 荷，因此适合采用较大的速度不等率，提高其年利用小时 而小型机组经济性差，启动过程较简单，使其承担尖峰负荷和调频任务，适 合采用较小的速度不等率。 从机组本身的运行稳定性看，速度不等率的倒数就是速度系统的增益，因 1 k 此，速度不等率越小，则系统增益越大，系统越不稳定。因此速度不等率不能过小， k 一般不能小于 1.2%。 对于液压调速系统，为了机组能够顺利并网，静特性曲线在空负荷附近可以设计 得大些，但是实际上，如果机组启动参数不同，该调速器静特性位置也是难以保证的。 而对于 deh 系统，由于并网时速度控制为 pid 调节，不存在这个问题。 14 5. 汽轮机蒸汽室容积特性汽轮机蒸汽室容积特性 静态情况下，调节阀的开度决定汽轮机的功率，但动态情况下，调节阀打开后，蒸 汽室容积的惯性使压力有一个上升的过程。随着压力的上升，汽轮机的蒸汽流量和功率 才逐渐增大。 pv, 1 q 2 q 1 z 2 z 图 1-16 蒸汽室容积示意图 根据气体连续方程： （1-19） 21 qq dt d v （1-20） pzqq pzqq , 222 , 111 将（1-20）按泰勒级数展开： （1-21）p p q z z q qp p q z z q dt d v 0 2 2 0 2 2 2 0 1 1 0 1 1 假设气体状态变化为多变过程： ，常常 n p n n p dndp 0 0 1 0 dt dp npdt d 0 0 由于：， max1 0 1 1 max1 z z q q dt pd dt ppd dt dp 0 有：（1-22） max2 2 max1 max2 0 2 2 max1 1 0max1 0 0 12 0 max1 0 z z q z z q z z p p q p p q p q dt p p d nq v 令： ， 0 p p max1 max2 0 2 2 1 q z z q a max1 0 0 12 2 q p p q p q a max1 1 1 z z max2 2 2 z z ， max1 0 0 nq v t 则：（1-23） 21120 aa dt d t 由于喷嘴组出口面积不变，有：，所以：0 2 15 120 a dt d t 当稳态时，且：时，容积内压力为，即：，所以：0 dt d 1 1 0 p11 2 a 得到蒸汽室动态特性为： （1-24） 10 dt d t 6. 汽轮机转子运动特性汽轮机转子运动特性 作用在汽轮机转子上的力矩： 蒸汽做功的主动力矩 负载产生的阻力矩 摩擦力矩 稳态时，0 flt mmm 忽略摩擦阻力：图 1-16 蒸汽室容积示意图 00lt mm （1-25） lt mm dt d j （1-26） n ghp m itt t 且已知：（1-27）),(),(tmpm dt d j lt 按泰勒级数展开： （1-28） )()()( 00 tmp p mmm dt d j l ttl （1-29） max0 max0 max0 00 0 max0 0 )( )( )( )( )(p p m tm p p p p m mm dt d p p m j t l t tl t 令：， max0 0 )(p p m j t t a max0 )( )( )( p p m tm t t l max p p ， max0 00 )( )( p p m mm t tl ， 0 且：，则： k ppp 0max 0 k p 0max pp 得到汽轮机转子运动方程为： 发电机汽轮机 p1 mt ml 16 （1-30）)(t dt d ta 由于汽轮机的自平衡能力很差，所以一般忽略自平衡系数。 假定汽轮机的蒸汽力矩与蒸汽室的压力成正比，则： ，则汽轮机在额定工况下的蒸汽力矩为：const p mt 0 )( ，则： max00 )(p p m m t t （1-31） 0 2 0 0 0 n j m j t t a 17 第二部分第二部分 电力系统负荷的静态频率特性电力系统负荷的静态频率特性 当频率变化时，系统负荷所取用的功率也将随之变化。这种有功负荷随频率而变 化的特性称为负荷的静态频率特性。 电力系统不同负荷对频率变化的敏感程度各不相同。根据有功负荷与频率的关系， 可以将负荷分为以下几类： 与频率变化无关的负荷，如照明、电热和整流负荷等； 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； 与频率的平方成正比的负荷，如变压器的涡流损耗等； 与频率的立方成正比的负荷，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正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等； 将各类负荷的效果相加，得到系统中各类负荷的综合特性： （2-1） n dnddddd f f pa f f pa f f pa f f papap 0 0 3 0 03 2 0 02 0 0100 . 其中： -频率为时整个系统的有功负荷 d pf -频率为额定值时整个系统的有功负荷 0d p 0 f -与频率的 次方成正比的负荷占的份额 i ai 0d p （2-2）1. 3210 n aaaaa 并可进一步得到相对量表示的形式： （2-3） n nd fafafafaap . 3 3 2 210 其中： ， 0 * p p p d d 0 * f f f 将负荷的频率特性表示在图 2-1 中。可知，当频率下降时，负荷取用的功率减少； 当频率升高时，负荷取用的功率增加；即当系统中有功功率失去平衡时，系统负荷也参 与了频率的调节作用，其作用是有助于系统在新的有功下达到平衡状态，这种现象就是 负荷的频率自调节效应。定义负荷的频率自调节效应系数为： mw/hz， f p k d d 18 （2-4）tg ff pp k dd d 0 0 * 在额定频率附近，由于一般频率的变化很小，可近似认为频率的变化和负荷的变化 成正比，即如图 2-2 中所示的直线关系。 0 f f d p 0d p * f *d p 1.05 1.10 1.00 0.95 0.90 0.85 0.970.950.991.011.03 图 2-1 系统负荷的频率特性图 2-2 额定工况附近系统负荷的频率特性 频率自调节效应系数与系统中的各类负荷所占比例有关，不同的电力系统的频率自 调节效应系数是不同的。甚至同一电力系统的不同运行时段，其也不同。一般电力 *d k 系统的频率自调节效应系数，可根据试验或理论计算得到。如由于某次电力31 * d k 系统事故，测得华东电网为；而一般厂用电。667 . 1 * d k4 . 2 * d k 19 第三部分第三部分 电力系统的综合功率电力系统的综合功率-频率特性频率特性 电力系统的综合功率-频率特性包括两部分： 发电机组的调节特性 电网负荷的自调节效应 图 3-1 表示把整个电力系统看作是一个等效发电机组和一个综合负荷的静态特性。 设该电力系统稳定运行时，汽轮发电机组的出力和负荷处于平衡状态： 负荷静态特性为 fpd 发电机组静态特性为 fpg 系统稳定运行于 a 点，此时系统频率为，机组出力和负荷均为 0 f b p p f 0 f c f b p c p a b b f d c g p d p d p d p g p d p d p 图 3-1 电力系统综合功率-频率静态特性 设系统负荷增加了，系统负荷静态特性变为， d p fpd 若无调速器，则运行点由 ab， b ff 0 若有调速器，则运行点由 ac， c ff 0 调速器使机组出力增加： 0 0 ffkfkp cggg 负荷的自调节作用使负荷减少： 0 0 ffkfkp cddd 且负荷的实际增量=发电机组出力增量： gdd ppp fkfkkppp sdgdgd 20 系统单位调节功率：mw/hz，越大，说明电网负 f p kkk d dgs s k 荷变动引起的频率变化越小，系统越稳定 可导出： f p f p k f p k dd d g g 0 0 * 0 0 * * * 0 0 * 0 0 * f p ff pp k p p k ddd d d g g *sdgr kkkk 系统热备用系数越大，即系统有热备用余量时，系统越稳定 0 0 d g r p p k 21 第四部分第四部分 deh 系统频率调节原理系统频率调节原理 1. deh 频率调节原理频率调节原理 在电液调节系统中，速度不等率的数值和形状，都可以采用电路或数字的形式任 意设定。在机组单机运行时，电液调节系统往往采用无差调节系统，转速控制完全由 pid 调节规律来实现，因此没有速度不等率的问题。下面仅讨论并网运行时的调频问题。 图 4-1 deh 调节原理图 升速、并网、甩负荷转速调节由 p1i1调节器完成，实现无差调节。 并网后为负荷调节，由一次调频和功率 p2i2调节两个回路组成。 如果一次调频回路不投入，而只投功率回路，系统为定功率运行 如果功率回路不投入，而只投一次调频回路，系统为有差频率运行 一次调频和功率都投入，则系统为功频调节系统。 deh 系统各主要环节传递函数如图 4-2，其对应的参数见下表： br x st k 2 2 1 st k 1 1 1 + +- + m k stm1 1 - + lvdt 主主汽汽压压 tp str1 1 ch cl + + opc tup tdown n y sta 1 ste 1 cd - + - + +- 主主变变 开开关关 br mw 转转速速 n + - 电电网网 频频率率 n0 送送入入电电网网 mw 给给定定 +3000- n n stv1 1 x n n 图 4-2 deh 调节系统传递函数 22 150 +n0 rpm mwx +nk xk -n0 -150n n 图 4-3 deh 一次调频曲线 deh 控制系统环节参数表 序名称符号单位 125mw200mw300mw600mw 1 转速调节器增益 k1383810151015 2 转速调节器时间常数 t1 秒 510510510510 3 功率调节器增益 k20.51.00.51.00.51.00.51.0 4 功率调节器时间常数 t2 秒 1015101510151015 5 伺服系统增益 km12125656 6 油动机时间常数 tm 秒 0.50.341.01.01.5 7 油动机开启时间常数 tup 秒 0.50.341.01.01.5 8 油动机快关时间常数 tdown 秒 0.150.150.150.15 9 蒸汽室时间常数 tv 秒 0.260.20.250.30.4 10 高压缸功率系数 ch1/31/31/30.28 11 中、低压缸功率系数 cl2/32/32/30.72 12 再热器时间常数 tr 秒 888810 13 转子时间常数 ta 秒 76.291089 14 汽轮机空载流量系数 %553434 15 电机同步功率时间常数 te 秒 0.0030.0030.0030.003 16 异步功率阻尼系数 cd10101010 17 调速系统不等率 %5555 18 一次调频死区 rpm2222 19 一次调频转速降范围 nkrpm12121212 20 一次调频加负荷范围 xkmw8.3313.332040 23 2. 关于一次调频的效果关于一次调频的效果 设电网中有 n n 台机组，电网简化方块图如图 4-4: 图 4-4 电网简化方块图 -电网中各机组发出功率的总和，-负荷扰动，-用户负载 0 n n 0 1 n n 0 2 n n -频率变化，1n -各机组不等率 f f ta -电网时间常数 a -电网自平衡系数也即负荷频率特性， 0 0 / / ff nn a 假设电网中各台机组均无一次调频功能，则电网频率变化相对负荷扰动的传递函数 为： asta 1 稳态值： a 1 若电网中各机组都参与一次调频，则电网频率变化相对负荷扰动的传递函数为： ast st g a i i i 1 1 1 稳态值： a i i g 1 24 假设各台机组不等率相等，且为 ， gi1 则： a 1 1 例如：某电网容量：n08000mw，某机组容量为：n1660mw 如果该机组发生甩全负荷，则负荷扰动为：%25 . 8 8000 660 0 1 n n 若取 a1.667，则：6 . 0 1 a 如果电网中所有机组均不调频，则： hzff a a 475 . 2 %95 . 4 50 %95 . 4 %25 . 8 6 . 0 1 1 0 如果每台机组都参与一次调频，且不等率相同，则： hzff a 19 . 0 %38 . 0 50 %38 . 0 %25. 8046 . 0 046 . 0 667 . 1 05 . 0 1 1 1 1 05 . 0 0 通过计算对比，可以看出：一次调频的作用：可以使频率偏差由 2.475hz 降低为 0.19hz，有效的维持了电网的稳定运行。 2001 年 6 月 10 日，河北邯峰电厂甩 660mw 负荷，西柏坡电厂 2机（300mw）参与 一次调频。根据电厂记录，其动态过程如图 4-5 所示。系统在 5 秒内稳定。转速最大变 化 8rpm（0.133hz） ，功率变化 n18.3mw。计算得出其实际转速调节不等率为 4.36%。由于再热器压力滞后的影响，实际功率值变化可能较低一些。 25 3001 2993 282.9 9:07:31323334353637 270 280 290 300 2990 2992 2994 2996 2998 3000 3002 294.6 mw 2001-06-10 西柏坡电厂#2（300mw）一次调频曲线 （河北南网8000mw，甩660mw负荷） 秒 rpm 2997 3001 3000 2996 2994 2995 2996 285.7 276.3 278.9 289.9 290.3 285.4 281.7 图 4-5 西柏坡电厂#2 机组一次调频过程 3. 新华新华 deh 在河南电厂的调频情况在河南电厂的调频情况 河南省的三门峡、安阳、永城、郑热、焦作、首阳山、周口、洛热、洛阳华润等电 厂使用了新华公司的 deh 系统。这些机组的 deh 系统均配备了频率调节系统，参数如下： 不等率：5%或 4.5% 死区：0rpm，2rpm，3rpm，5rpm，12rpm，15rpm 调频范围：12rpm，150rpm，165rpm， 26 第五部分第五部分 需要讨论的几个问题需要讨论的几个问题 按照电网的要求，理论上 deh 系统应当全范围参与电网调频，如图 5-1。但是由 于发电机组本身的问题或一些特殊要求，可以对调频功能做部分修正。包括： rpm 0 n -100 -150 150 100 n% 图 5-1 一次调频理想特性 准确性：准确性： 电液调速系统中，由于转速的测量环节、转速控制器、油动机的驱动等环节都已 达到了相当的控制精度，基本上消除了非线性和迟缓的问题。影响电液调节系统准确性 的主要问题在于调节阀门的流量非线性。例如图 5-2 所示，由于在 deh 中设置的顺序 开启的阀门之间的重叠度不合适，通过阀门的流量不连续，造成了静态特性曲线的不规 则形状。很明显局部不等率不符合要求，控制特性较差。在单阀运行的情况下，如果流 量特性修正的不好，也会造成类似的结果，如图 5-3 所示。目前这个问题的有效解决方 案是对机组进行阀门流量特性试验，将得到的数据修正 deh 中的流量特性补偿曲线。 n x z n 1 a 1 c 1 d 1 n 1 b 1 x n x z n 1 a 1 c 1 d 1 n 1 b 1 x 图 5-2 顺序阀流量不连续时的静特性图 5-3 单阀流量非线性时的静特性 快速性：快速性： 电网负荷的变化可以分为 3 种不同的分量： 变化幅度较小，频率较高的随机分量 变化幅度较大，频率较低的脉动分量 27 按照每天变化有规律的持续分量 一次调频主要克服负荷的随机变化分量，这种负荷变化的周期一般在 10 秒以内， 因此要求 deh 中的一次调频必须迅速反应，除此之外，还要求执行机构的时间常数要 小，同时有必要提高再热机组的负荷响应速度。 稳定性：稳定性： 为了机组的稳定运行，当电网频率基本稳定在额定值时，机组对频率的微小波动 不产生调节作用，因此在额定转速附近设置了死区。一般死区大小为2rp