一次调频的原理与作用

1、和利时公司 刘康宁电话-mail:1.电网调频问题概述2.控制对象概述3.电网调频原理4.发电机组转速调节系统5.需要澄清的问题6.改进传统DEH系统7.总结电力部门的首要任务是持续稳定地向用户提供质量（频率、电压等）符合国家规范要求的电能，以保证国家经济建设、人民生产生活的需要。电网供电频率的稳定性和准确性，是供电质量的重要指标。国家规定额定供电频率为50Hz，频率允许偏差为0.2Hz，对于小容量系统可放宽到0.5Hz 。 从宏观上看电网各处的供电频率相等。同步发电机组的转速与供电频率对应相等。当电网中发电机组生产的有功功率总和大于电网所消费的有关功率总和时，供电频

2、率增大；反之则减小。用户负荷会随生产生活的需要而不断变化，发电机组生产的功率也会随工艺过程变化，因此电网有功功率总和的生产、消费间的平衡随时都会被打破，从而引起供电频率变化。有功功率利用现有的技术还不能廉价地大量储存。发电机组生产的功率在一定范围内连续可调。为了将电网频率控制在规定的范围内，在正常情况下，通过调整发电机组生产的功率，使生产的总功率随消费的总功率变化，两者达到动态平衡。通过发电机组上安装的转速反馈调节系统，即可自动根据实际转速偏离额定值的程度来调节发电机组生产的有功功率。为了使电网中的发电机组均担功率负荷不平衡量，且保证系统的稳定。此转速反馈调节系统（即一次调频）要求采用比例调节

3、方式，且比例系数基本相等。比例调节使转速是有差的。通过电网中调的积分调节作用，改变调频机组的功率，使供电频率回到额定值（即二次调频） 。对于幅度微小且变化很快的功率负荷不平衡扰动量，由于电网中旋转机械的惯性作用（即自然调频），即可维持供电频率稳定在规定的范围内。对于幅度较小且变化较快的功率负荷不平衡扰动量，利用电网的一次调频作用，即可维持供电频率稳定在规定的范围内。对于幅度较大且变化较慢的功率负荷不平衡扰动量，可利用电网的二次调频作用，使供电频率恢复到额定值。在发生故障的情况下，性能优良的一次调频作用是维持机组安全、电网稳定运行的有力保障。电力系统：主要由发电厂、变电站、输电线路和电力用户四大

4、部分组成。 为了提高供电的可靠性，通常将各个发电厂、变电站通过超高压输电线路连接起来，组成一个容量很大、地域很广的电网。电网中各个发电机组输出的功率相互支援。随着电网容量的增大，电网功率负荷不平衡量相对减小，因此电网容量越大供电频率稳定性越好。在大电网下，因单台发电机组的容量占电网总容量的比例很小，当单台机组进汽量变化时对电网频率影响很小。表现为只是机组功率随之变化。 远 方 输 电 电 网发电机变压器断路器断路器变压器变电所变电所变压器断路器断路器发电机变压器变压器断路器当 地 输 电 电 网当 地 输 电 电 网断路器变压器用电户变压器发电机断路器用电户用电户当 地 输 电 电 网断路器变

5、压器变压器发电机断路器断路器变压器变电所电 网 结 构 示 意 图在孤立小电网下，因单台发电机组的容量占电网总容量的比例很大，发电机组输出的功率必须即时跟随用户负荷而变，以维持供电频率稳定。当单台机组进汽量变化时对电网频率影响很大。必须具有良好的一次调频性能才能维持频率稳定。当发生输电线路开关跳闸将某个局部电网从大电网中分裂出来，形成小的孤立电网的情况时。若调节系统的一次调频性能不完善，可能造成局部电网供电频率大幅度波动，甚至出现大面积停电。 电网总负荷明显地表现为一种时变随机过程。 其统计特性具有以下特点：变化很快的幅度很小、变化周期较长的幅度较大、变化幅度很大的非常缓慢。 时间负荷负 荷

6、变 化 曲 线汽轮发电机组： 在锅炉中通过燃烧煤炭释放出热能。水在锅炉中吸收热能后，转化为过热蒸汽。具有热力势能的过热蒸汽进入汽轮机后膨胀做功，将热力势能转换为驱动发电机组转子的机械功率。发电机再将机械功率转换为电磁功率。做功后的低能蒸汽在凝汽器中凝结成水。给水泵将水再打入锅炉，强制形成连续循环，使发电机组可连续地生产出电能。 汽轮机的机械功率正比于其进汽流量。而流量又正比于蒸汽压力与进汽阀门有效开度之积。因此，改变阀门开度或蒸汽压力，即可改变机械功率。前者称为定压调节方式，后者称为滑压调节方式。汽轮机调节系统通过改变调节阀开度，使功率负荷达到平衡，最终达到稳定供电频率的目的。 空气空气冷却塔

7、给水泵循环泵凝汽器发电机汽轮机高压缸锅 炉电 网油开关再热调节阀过热器再热器再热主汽阀高压主汽阀 高压调节阀高压逆止阀低压旁路汽轮机低压缸火 力 发 电 厂 热 力 循 环 示 意 图发电机： 同步发电机转子线圈励磁后，在汽轮机的驱动下旋转。发电机定子线圈切割磁力线产生感应电动势。当发电机出口开关闭合时，发电机通过出口变压器与电网母线相连。发电机有关功率可由下式给出： sin3cos3XUEUINGTWGTTTNNNdtdJ221定 子转子油开关电 网变压器发电机定 子励磁发电机电压电 网油开关总电抗感 应电动势电网电压电流同 步 发 电 机 概 念 示 意 图转子方程：机械功率NT与电磁功率

8、NG和损耗功率NTW之差对机组转子做功，引起转子动能变化。因汽轮机的转子时间常数Ta及转子自平衡系数T较小，其自平衡能力很弱，需要良好的转速反馈调节系统控制，才能维持转速稳定。TWGTTTNNNdtdJ221GeeTaNJT2eTTWTTTNN)()(tdtdTTTTa归一化后：转子时间常数：转子自平衡系数：电网等效转子方程：所有净机械功率之和与所有负载消耗功率之差对电网等效转子做功，引起等效转子动能变化。CjCjDiDiTWkTkTkTkDiDiakTkNCNCNCNCdtdTCdtdTCDiTk222121)(trCdtdTkTkWWWWDeiDeiDiDiNJT2GekGekTkNNCG

9、ekDeiDiNNCDiDiakTkWTCTCTeWCjCjeWDiDiTkTkWNCNCCGekNNrGekCejCjNNCGekeTkakNJT2阀位给定+OPC动作Y关调门N延迟采样-发电机电磁有功率汽缸容积-+转 子汽轮机转速油开关油动机SS+1S+1不等率-+测速给定转速汽轮机自平衡DEH 控 制 系 统 仿 真 框 图电网调频过程：当负荷减小出现功率盈余量后，在自然调频作用下，工作点会由a移到b，频率偏差较大。在一次调频作用下工作点将移到d。d点频率偏差小多了，但仍有偏差。在二次调频作用下工作点将移到c。最终系统供电频率才能恢复到额定值，系统的功率盈余量也回到零。功 率 负 荷 静

10、 态 特 性 线发电功率特 性 线用电负荷特 性 线100功率转速12N12调节系统静特性线二次调频：当电网出现功率盈余量后，在一次调频作用下，两机组的工作点将由a移到b。然后在二次调频作用下同时改变2机组的给定值，将静态特性线由1平移为2。同时工作点将从b移到c，最终功率盈余消失，转速又回到额定值。二 次 调 频 过 程 示 意 图211机组1机组2NN3000功率0转速转速0功率30002可将电网调频分为以下三个阶段： 自然调频：定义为调速系统未动作时，仅靠自平衡能力来稳定电网供电频率的过程。当电网出现功率负荷不平衡后，电网中旋转机械的动能会随着电网频率的变化而变化，因此可吸收或释放部分能

11、量来补偿系统能量的变化，同时用电设备的负荷也会随电网频率的变化而变化，从而可减缓供电频率的变化。 自平衡能力由等效转子时间、自平衡系数来衡量。通常单台机组转子时间常数Ta为510秒、自平衡系数bT为0.6左右。电网等效转子时间常数TW为1020秒、自平衡系数bW为1.63.6。 一次调频：定义为在调速系统给定值不变的情况下，通过转速反馈作用改变其输出功率来调整电网的频率。在电网频率按自然调频过程变化的同时，调节系统探测到机组转速的变化后，通过转速反馈作用迅速调整各发电机组的输出功率，以维持供电频率稳定。 在加负荷方向它需要利用锅炉蓄能的支持，可设置一定的限制，以防止拉跨锅炉。出现功率不足，频率

12、下降过低时，应利用低周减载装置，避免发生频率崩溃。在减负荷反向，为了避免机组发生事故，禁止设置任何限制。二次调频：定义为通过改变调频机组调速系统的给定值，改变其输出功率使电网频率回到额定值。在一次调频作用后，最终稳定频率会偏离额定值。需通过调整预先指定的调频机组的负荷设定值，使各机组的负荷变化量转移到调频机组上，同时将频率恢复到额定值。 并不是调频机组才承担一次调频任务，所有机组都应具有良好的一次调频能力。现在还有许多人认为只有调频机组才需承担调频任务，基荷机组不承担调频任务，因此仅调频机组需投入一次调频功能。这种思想是完全错误的。由于发电机组的自平衡能力很弱，每台机组的转速反馈即一次调频功能

13、随时都应投入，才能保证安全运行。 一次调频静态指标转速不等率为静态特性曲线的总体斜率，规定在36之内。由下式计算：局部不等率为工作点处的斜率。由下式计算：死区是人们为了避免转速调节系统频繁动作 而设置的。迟缓率是系统固有的不灵敏度，具有磁滞回线性质。由下式计算：100021nnn100000nPPnj1000nn全开全关空负荷位置满负荷位置100功率转速油动机行程总阀位给定空负荷满负荷额定阀位给定调节系统静态特性四象限图限幅是人们考虑到锅炉、汽机、电机能力限制 而设置的。一次调频动态指标响应延迟时间是从转速发生变化到功率发生变化的时间。调节时间是从转速发生变化到完成调节过程的时间。上升时间是从

14、功率发生变化10到达到90目标值的时间。稳定性：当发生甩负荷时通过一次调频作用维持机组转速稳定。可用转速超调量、波动次数等指标来衡量。影响一次调频性能的主要因素有：转速不等率 死区 限幅迟缓率调节周期 油动机时间常数锅炉蓄能中间再热早期汽轮机调节系统为机械液压式调节系统。主要有以下特点：在机组解列、并网期间均采用相同的转速比例反馈调节。转速闭环控制范围不大。调节系统存在一定的迟缓率。控制精度不高。操作不够方便。缺少避免误操作和事故追忆记录的手段。典 型 机 械 液 压 调 节 系 统 简 图同步器给 定凸轮配汽调节阀电磁阀超速限制功能不等率实际转速低 选功 率限制器-限制器启动阀给 定单脉冲定

15、时器2油开关跳 闸+机 械 液 压 调 节 系 统 框 图DEH转速调节系统具有以下特点：为离散调节系统。调节周期的长短对调节性能起作重要作用。在机组解列期间采用转速PID，提高了稳态转速的控制精度。在机组并网期间，各个DEH制造厂家提供的控制策略不尽相同。对于传统DEH控制系统，可投入阀控、功控、压控和CCS协调等多种控制方式。阀控、功控具有转速比例调节作用。人为设置了一次调频死区及调频限幅。在传统DEH控制系统中增加了转速103超速限制功能。增加了单阀、顺序阀可变配汽模式。传 统 DEH 控 制 系 统 框 图超速限制功能电磁阀实际功率伺服控制调节阀阀门管理动作NY脱网功控给定压力实际压力

16、0YNPIDYPIDPIDNY压控NYCCS控制给定给定阀位N实际转速总阀位给定限制+-不等率给定转速+给定功率实际功率+-不等率给定转速+实际转速+-油开关跳 闸实际转速103102图例：大于比较器：单脉冲定时器：信号选择器+调节阀升程与进汽流量存在一定的非线性。为了使转速偏差信号与进汽流量之间的关系基本呈线性，并且实现全周进汽与部分进汽转换，大多采用了机械凸轮修正或电凸轮修正方式。若各凸轮的斜率及重叠度设计调整不当，将造成调节系统静态特性曲线的线性度较差，即局部不等率变化较大。局部不等率的倒数就是转速调节系统的放大倍数，因此在局部不等率变化大的工作点附近，系统稳定性会变差。阀门特性修正 汽

17、轮机进汽阀的升程流量曲线是非线性的。通过阀门特性修正后，可使总阀位给定与进汽量间呈线性关系。而且可按需要实现单阀方式或顺序阀方式进汽。 根据汽轮机厂提供的阀门行程流量曲线及流量系数修正曲线，采用MATLAB软件可分别计算出单阀方式修正曲线和顺序阀方式修正曲线。甩负荷试验：是验证汽轮机控制系统性能常用的方法。因油开关跳闸信号使传统DEH切换到了转速PID调节系统，油开关跳闸后转速最终会稳定到额定值。而机械液压系统因其同步器给定值不变，甩负荷转速最终会稳定到不等率对应的值。 若发生甩负荷时，油开关并未跳闸，可能因103OPC功能引起调节阀反复动作，造成系统崩溃大面积停电事故。传统甩负荷试验未能验证

18、到DEH的一次调频性能。 而且由于分裂出来的孤立小电网自然调频能力比大网的差，功率负荷扰动量也可能大得多，虽然传统DEH控制系统在大电网中能稳定运行，但在孤立小电网中就可能难以稳定。05101520252950300030503100315032003250time sspeed r/min机 械 液 压 系 统 DEH系 统 Tv=0.2s Ta=8s T=0 =0.05 Tm=0.02s Tg=0.03s Ty=0.3s PID: P=10 I=0.3s D=0Ts=0.2s TD=0.2s 典 型 甩 负 荷 转 速 飞 升 曲 线在大电网中运行的机组可不投一次调频吗？ 若某些机组不投一

19、次调频，会降低电网的一次调频性能。若发生电网分裂故障，局部电网会由于一次调频性能太差，而出现频率大幅度波动，甚至出现大面积停电。带基本负荷的机组可不参加一次调频吗？ 若带基本负荷的机组都不参加一次调频，会大幅降低电网的一次调频性能。 并不是调频机组才承担一次调频任务，所有机组都应具有一次调频能力 。 可以设置一次调频限幅吗？ DEH一次调频限幅有以下各种形式： 50反向限幅正向限幅功率双向限幅转速双向限幅功率差2r/min-2-1212-88转速差-8功率1053000r/min%转速12-12-222-2-128r/minr/min转速差功率差转速差功率差功率双向限幅 仅在 50105功率范

20、围内具有一次调频能力。若转速升高机组功率降到50后，不再随转速升高而减小，转速会迅速升高，对机组的安全形成严重威胁。 50105功率范围是锅炉不投油的经济运行范围，应为二次调频机组较理想的调节范围。 转速双向限幅 仅在1212r/min转速偏差范围内具有一次调频能力。若转速超出此范围，将失去转速反馈，转速会迅速偏离额定值，对机组的安全形成严重威胁。 1212r/min转速偏差范围，是国家规定的电网频率允许的偏差范围。 正向限幅 转速在2988r/min以上均有一次调频能力。若转速升高机组功率会随之减小，直到调节阀全关，可保证机组的安全。若转速降幅超过12r/min，机组功率不再随转速降低而增加

21、，转速会迅速降低。这时应迅速切除部分负荷，维持电网运行。避免频率崩溃，出现大面积停电。 反向限幅 转速在3012r/min以下才有一次调频能力。若转速升幅超过12r/min，机组功率不再随转速升高而减小，转速会迅速升高，对机组的安全形成严重威胁。 在关调门方向，即转速升高方向绝对不能设置任何限幅。 在任何情况下都可投入功频调节吗？ 功频调节系统实际的不等率将严格等于设定值。若主汽压力减小，调节阀会开得更大，因此不利于稳定蒸汽压力。为了避免一次调频作用过大将锅炉拖垮，在转速偏差超出一定范围后，应退出功控方式。 在孤网运行时，由于功率反调作用不利于频率稳定，应退出功控方式。在CCS协调控制方式下可

22、取消DEH一次调频功能吗？ 协调系统的一次调频功能可保证一次调频作用的持续性，即静态特性。DEH系统的一次调频功能可保证一次调频作用的快速性，即动态特性。 不能取消DEH的一次调频功能。 保持功率压线运行正确吗？ “功率压线运行”规定导致了许多电厂只按计划指令恒功率运行，不参加一次调频。应修改功率压线运行制度，鼓励参加一次调频，以提高供电品质，保障电网安全。 通过传统甩负荷试验能检验DEH的一次调频性能吗？ 甩负荷试验是验证汽轮机控制系统性能常用的方法。但油开关跳闸信号使DEH切换到了转速PID调节系统，因此不能检验DEH的一次调频性能。 而且由于通常大电网的频率都比较稳定，传统DEH的一次调

23、频功能在并网后才投入，因此DEH的一次调频动态性能也不能得到验证。 经过以下改进可有效提高一次调频的性能，改善孤网频率稳定性，保障孤立电网安全稳定运行。缩短信号延迟时间 若将调节周期及延迟时间缩短到50ms以内，可使发电机组甩负荷时转速的动态响应基本与连续调节系统相当。 将一次调频转速反馈闭环回路算法独立出来，组成一个调节周期为50ms的快速调节任务。它们包括转速测量比较、不等率计算、修改总阀位给定、阀门曲线修正、阀门分配管理最终将个阀位给定输出到伺服板。 并且通过精心设计组态控制逻辑避免出现逆序。增加转速微分修正 增加硬件转速微分调节后，可明显地降低对调节周期的要求。可通过改进测速模件使其能

24、输出转速微分模拟信号，将转速微分信号直接连接到伺服模件，实现硬件转速微分调节作用。 采用了先进的同步测量方法，同时测量转速信号的脉冲个数及其持续时间，这样可同时保证测量精度和响应时间的要求。经过精心设计安排测速模件中断系统的程序，使采样周期的精度到达了计算转速微分的要求。在输出转速微分前通过了数字滤波处理，可有效减少微分噪声。：小于比较器图例：大于比较器：信号选择器07.5%30-+限制+不等率-实际功率总阀位给定-实际转速+给定转速N转速微分给定阀位给定CCS控制YN压控YNPIDPIDYPIDNY0一次调频快速回路实际压力给定压力给定功率功控脱网YN动作+不等率+阀门管理调节阀伺服控制+转速微分实际功率电磁阀转速微分硬件转速微分调节硬件加速度