第9讲 电力系统频率及有功功率的自动调节与控制(2)

1、North China Electric Power University第九讲 电力系统频率及有功功率的自动调节与控制（2）主讲人：李岩松华北电力大学电气与电子工程学院North China Electric Power Universitypagepage2 22022-5-292022-5-29第五章 电力系统频率及有功功率的自动调节与控制 本章就电力系统的频率特性和调频的有关问题展开讨论，阐述了经济调度和自动调频的问题。North China Electric Power Universitypagepage3 32022-5-292022-5-29第三节 电力系统调频和自动发电控制现

2、代电力系统调频的主要任务现代电力系统调频的主要任务维持系统频率在给定水平，考维持系统频率在给定水平，考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性带基本负荷发电厂带基本负荷发电厂经济性较好经济性较好的高参数火电厂、热电厂、核电厂的高参数火电厂、热电厂、核电厂调峰厂调峰厂经济性较差的机组经济性较差的机组调频厂调频厂承担计划负荷与实际负荷的差值部分承担计划负荷与实际负荷的差值部分在电网容量较大时，由多个电厂共同完成调频任务在电网容量较大时，由多个电厂共同完成调频任务North China Electric Power Universitypagepage4 4202

3、2-5-292022-5-291、主导发电机法1、在调频电厂中有一台主导机组上装设无差调节器，、在调频电厂中有一台主导机组上装设无差调节器，调节准则是：调节准则是：0f2、在其他机组上装设有功功率调整器，使这些机组、在其他机组上装设有功功率调整器，使这些机组的功率随主导机组的功率按比例变化，协助主导发电的功率随主导机组的功率按比例变化，协助主导发电机调频工作，机调频工作，调节准则是：调节准则是：LiiPaP.3 , 2 , 1i协助调频机组协助调频机组的调节功率的调节功率主导发电机的主导发电机的调节功率调节功率比例系数比例系数North China Electric Power Univers

4、itypagepage5 52022-5-292022-5-291、主导发电机法负荷变动负荷变动系统频率改变系统频率改变主导发电机组调节系统动作主导发电机组调节系统动作协助调频机组调整功率协助调频机组调整功率系统频率随之改变系统频率随之改变频率恢复频率恢复到额定值到额定值调节结束调节结束LiiPaPLP否否是是存在的问题存在的问题调节缓慢，适应于调节缓慢，适应于中小电力系统中小电力系统North China Electric Power Universitypagepage6 62022-5-292022-5-292、同步时间法0.0.011GnGnGiGiGGPKfdtPKfdtPKfdt同

5、步时间法（积差调差）同步时间法（积差调差）就是按频率偏差的积分值来进行调就是按频率偏差的积分值来进行调节，因为频率偏差的积分反映了在一定时间段内同步时间对标准节，因为频率偏差的积分反映了在一定时间段内同步时间对标准时间的偏差。时间的偏差。nGsGsnGinGinnGiGiPKKPfdtKfdtP1111111North China Electric Power Universitypagepage7 72022-5-292022-5-29改进方法改进方法:将频率将频率f 的瞬时偏差的瞬时偏差 和频率偏差积分和频率偏差积分 相结合相结合,构成频率积差调节方法构成频率积差调节方法.ffdt2、同步

6、时间法0fdtKaPKfGsiGiGi0GiGifdtK PGiGsnGiGiKKPP1积分方法调节缓慢，不能保证频率的瞬时偏差在规定的范围内。积分方法调节缓慢，不能保证频率的瞬时偏差在规定的范围内。dtfKaPGsiGi每台机组分担的有功功率每台机组分担的有功功率North China Electric Power Universitypagepage8 82022-5-292022-5-293、自动发电控制电力电力系统系统自动自动调频调频的任的任务务1、维持系统频率为额定值、维持系统频率为额定值2、经济功率分配、经济功率分配3、系统潮流分布符合经济、系统潮流分布符合经济安全原则安全原则主导

7、发电机组法主导发电机组法同步时间法同步时间法联合自动调频法联合自动调频法在电网调度的在电网调度的SCADA系统的基础上，在调度中心的监系统的基础上，在调度中心的监控计算机中配置控计算机中配置AGC（自动发电控制）功能软件（自动发电控制）功能软件实现方法实现方法North China Electric Power Universitypagepage9 92022-5-292022-5-293、自动发电控制AGC自动发电控制自动发电控制AGC的基本目标：的基本目标：1、使全系统的发电机输出功率和总负荷功率相匹配、使全系统的发电机输出功率和总负荷功率相匹配2、维持系统频率为额定值，在正常稳态情况下

8、，其频率偏差在、维持系统频率为额定值，在正常稳态情况下，其频率偏差在0.050.2Hz范围内。范围内。3、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、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就地平衡。区有功功率就地平衡。4、在安全运行前提下，所管辖系统范围内，机组间负荷实现经、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。济分配。5、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。North China Electric Power Universitypagepage10102022-5-292022-5-2

9、93、自动发电控制AGCAGC是建立在电网调度自动化能量管理系统与发电机组协调控是建立在电网调度自动化能量管理系统与发电机组协调控制系统（简称制系统（简称CCS）间闭环控制的一种先进技术手段。）间闭环控制的一种先进技术手段。调节结束时频率偏差为零。调节结束时频率偏差为零。机组控制环机组控制环区域调度控制环区域调度控制环计划跟踪环计划跟踪环TiiiPfACE控制误差控制误差North China Electric Power Universitypagepage11112022-5-292022-5-293、自动发电控制AGCAGC有三种基本控制方式有三种基本控制方式1、恒定频率控制、恒定频率控

10、制FFC（Flat Frequency Control）按照频率按照频率偏差进行调节，在频率偏差为零时调节结束。偏差进行调节，在频率偏差为零时调节结束。对联络线不加以控制对联络线不加以控制适用于电厂间联系紧密的小型系统适用于电厂间联系紧密的小型系统2、恒定交换功率控制、恒定交换功率控制FTC（Flat Tie-line Control）按照控制按照控制调频机组保持交换功率恒定进行调节。调频机组保持交换功率恒定进行调节。对系统频率不加以控制对系统频率不加以控制只适用于两个系统间按照协议交换功率的情况。只适用于两个系统间按照协议交换功率的情况。North China Electric Power

11、Universitypagepage12122022-5-292022-5-29频率联络线功率偏差控制（TBC）3、频率联络线功率偏差控制、频率联络线功率偏差控制TBC（Tie-line load frequency Bias Control） 既按照频率偏差又按照联络线交换功率进行既按照频率偏差又按照联络线交换功率进行调节，维持各地区电力系统负荷波动的就地平衡。调节，维持各地区电力系统负荷波动的就地平衡。适用于大型电力系统或联合电力系统（常用方法）适用于大型电力系统或联合电力系统（常用方法）BBtBBAAtAAfPACEfPACE00tBtAPPf定义本区域调节作用信号定义本区域调节作用信号

12、为区域控制误差为区域控制误差ACEdtfPKPdtfPKPBBtBiBGBAAtAiAGA控控制制功功率率00BAACEACE调整结果在稳调整结果在稳态情况下满足态情况下满足North China Electric Power Universitypagepage13132022-5-292022-5-29电力系统典型事故电力系统自动装置电力系统自动装置就是针对危及系统安全运行的故障所采用就是针对危及系统安全运行的故障所采用的自动化对策，他们的任务就是当系统发生某些故障时，按照预的自动化对策，他们的任务就是当系统发生某些故障时，按照预定的控制准则迅速作出反应，采取必要的措施以避免事故扩大。定的

13、控制准则迅速作出反应，采取必要的措施以避免事故扩大。事故事故1：A电厂发生故障而切机，电厂发生故障而切机，B系统突然减少了功率系统突然减少了功率 。如果运行机组备用容量远小于如果运行机组备用容量远小于 ，则会造成电网功率的严重，则会造成电网功率的严重缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及系统安全，甚至整个系统崩溃。系统安全，甚至整个系统崩溃。APAPNorth China Electric Power Universitypagepage14142022-5-292022-5-29电力系统典型事故事故事故2：在双回线路上输送

14、的功率：在双回线路上输送的功率 很大，当有一回线三相短很大，当有一回线三相短路而被切除，路而被切除， 超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果不迅速减少输送功率，则可能由于系统稳定破坏而解列。造成不迅速减少输送功率，则可能由于系统稳定破坏而解列。造成受端更为严重的功率缺额。受端更为严重的功率缺额。APAP事故处理：事故处理：1、对于事故、对于事故1，B系统迅速切除负荷系统迅速切除负荷2、对于事故、对于事故2，A电厂迅速减少输送功率电厂迅速减少输送功率North China Electric Power Universitypagepage15152022-5

15、-292022-5-29电力系统典型事故存在问题存在问题：如果由调度人员在很短的时间内正确判断事故并如果由调度人员在很短的时间内正确判断事故并且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远动信息传且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远动信息传输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会失去及时处理事故的良机。失去及时处理事故的良机。解决办法解决办法：针对引发系统性事故的紧急操作任务必须依靠：针对引发系统性事故的紧急操作任务必须依靠自动控制系统装置来完成。自动控制系统装置来完成。0.001 0.01 0.1 1 10 100

16、 1000 Sec.电磁暂态电磁暂态Electromagnetic Switching Transient暂态稳定暂态稳定Transient stability（angle and voltage）系统运行系统运行Power system operation小扰动稳定小扰动稳定Small signal stability长期电压稳定长期电压稳定Long term voltage stability继电保护范围继电保护范围自动装置范围自动装置范围自动化系统范围自动化系统范围人员操作范围人员操作范围North China Electric Power Universitypagepage16162

17、022-5-292022-5-29第四节 电力系统自动低频减载电力系统的频率反映了发电机组所发出的有功功率与负荷所需有电力系统的频率反映了发电机组所发出的有功功率与负荷所需有功功率之间的平衡状况。功功率之间的平衡状况。当电力系统发生了当电力系统发生了较大的事故较大的事故时，系统出现了时，系统出现了严重的功率缺额严重的功率缺额，其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的最大功率，仍最大功率，仍然不能满足负荷功率的需要然不能满足负荷功率的需要，所引发

18、的系统频率下降值远远超，所引发的系统频率下降值远远超出了系统安全运行所允许的范围。出了系统安全运行所允许的范围。为了保证电网安全和对重要用户的供电，必须采取措施，为了保证电网安全和对重要用户的供电，必须采取措施，切切除部分负荷除部分负荷，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。North China Electric Power Universitypagepage17172022-5-292022-5-29频率降低对电力系统的影响系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩溃的严重后

19、果。溃的严重后果。1、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生裂纹，、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生裂纹，甚至叶片断裂。甚至叶片断裂。2、发生频率崩溃现象、发生频率崩溃现象3、发生电压崩溃现象、发生电压崩溃现象频率降低频率降低火电厂厂用机械出力降低火电厂厂用机械出力降低锅炉出力降低锅炉出力降低发电厂出力降低发电厂出力降低频率降低频率降低励磁机、发电机转速下降励磁机、发电机转速下降电动势下降电动势下降加剧无功不足加剧无功不足电压水平下降电压水平下降North China Electric Power Universitypagepage18182022-5-292022-5

20、-291、电力系统频率的静态特性在电力系统出现较大的功率缺额时，如能在较低的频率维持运在电力系统出现较大的功率缺额时，如能在较低的频率维持运行，主要是依靠负荷频率特性的调节作用。行，主要是依靠负荷频率特性的调节作用。当频率降低时，负荷按照自身的频率特性自动地减少了从系统当频率降低时，负荷按照自身的频率特性自动地减少了从系统中所吸收的功率，使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。中所吸收的功率，使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。此时，系统所减少的功率就是系统的功率缺额。此时，系统所减少的功率就是系统的功率缺额。hLPKf1LNLhPKPf*50 系统功率缺额系统功率缺额负荷的频率调节特性负

21、荷的频率调节特性系统功率缺额系统功率缺额North China Electric Power Universitypagepage19192022-5-292022-5-292、电力系统频率的动态特性研究电力系统频率的动态过程研究电力系统频率的动态过程（1）单机系统）单机系统MdtdJMdtdWNKN22*22MdtdPWdtdPWGNKNNGNKN*2LTGGNKNPPdtdTdtdPW系统出现有功缺额时，转子运动方程系统出现有功缺额时，转子运动方程221NKNJW转子动能转子动能*PM*考虑到机械角速考虑到机械角速度变化不太快度变化不太快North China Electric Power

22、 Universitypagepage20202022-5-292022-5-292、电力系统频率的动态特性（2）机组并联运行：）机组并联运行：考虑忽略各节点频率偏差考虑忽略各节点频率偏差 的差异，把全系统的所有机组看作的差异，把全系统的所有机组看作一台等值机。一台等值机。if电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯量，可以忽略，这样并不会影响计算结果。量，可以忽略，这样并不会影响计算结果。*LTXPPdtdTdtfddtddtd*等值机的惯性等值机的惯性时间常数时间常数LhxfKPfdtfdTNorth China Elec

23、tric Power Universitypagepage21212022-5-292022-5-292、电力系统频率的动态特性*LhLNGNXKPfdtfdPPT当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率 的动态特性可用指数曲线来描述。的动态特性可用指数曲线来描述。 tfX在事故初期，频率下在事故初期，频率下降的速度与功率缺额降的速度与功率缺额成正比成正比North China Electric Power Universitypagepage22222022-5-292022-5-292、电力系统频率的动态特性当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，

24、切除负荷 ，若若 则有曲线则有曲线C1fLPhLPP当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ，若若 ，且使，且使 则有曲线则有曲线d1fLPhLPP1ffX当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ，若若 ，且使，且使 则有曲线则有曲线e1fLPhLPPbXff结论：如果能够及时切除负荷功率，就可以延缓系统频结论：如果能够及时切除负荷功率，就可以延缓系统频率下降过程。率下降过程。North China Electric Power Universitypagepage23232022-5-292022-5-293、自动低频减载的工作原理当电力系统发生严重的功率缺额时，低频减载装置

25、的任务就是迅当电力系统发生严重的功率缺额时，低频减载装置的任务就是迅速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率平衡，以确保电力系统安全运行，防止事情况下，达到有功功率平衡，以确保电力系统安全运行，防止事故进一步扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护故进一步扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护装置。装置。1、最大功率缺额的确定、最大功率缺额的确定2、自动低频减载装置的动作顺序、自动低频减载装置的动作顺序3、频率级差的选择、频率级差的选择4、每段切除功率的限制、每段切除功率的限制5、自动

26、减载装置的延时与防止误动作、自动减载装置的延时与防止误动作6、特殊轮、特殊轮North China Electric Power Universitypagepage24242022-5-292022-5-29（1）最大功率缺额的确定考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现最大可能考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现最大可能的功率缺额时，接至自动低频减载装置的用户功率量（待切除的的功率缺额时，接至自动低频减载装置的用户功率量（待切除的负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。确定系统事故情况下最大的可

27、能功率缺额，以及接入自动低频减确定系统事故情况下最大的可能功率缺额，以及接入自动低频减载装置的功率值，是系统安全运行的重要保证。载装置的功率值，是系统安全运行的重要保证。一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机组，或者某一最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机组，或者某一电厂来考虑。电厂来考虑。一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于系统额定频率一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于系统额定频率Nhff max. hP自动低频减载装置的最大可能断开的功率自动低频减载装置的最大

28、可能断开的功率 要小于最大功率要小于最大功率缺额缺额max.LPmax.max.hLPPNorth China Electric Power Universitypagepage25252022-5-292022-5-29（1）最大功率缺额的确定hNfff*max.max.max.fKPPPPLLLNLh*max.max.1fKfPKPPLLNLhLhLPKf1根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额 ，可以，可以计算出接到自动低频减载装置的功率总数。计算出接到自动低频减载装置的功率总数。max. hPNorth China Electric Pow

29、er Universitypagepage26262022-5-292022-5-29（2）自动低频减载装置的动作顺序系统运行方式有很多种，事故的严重程度也很大差别，而对于自系统运行方式有很多种，事故的严重程度也很大差别，而对于自动低频减载装置都必须做出恰当的反应，切除相应数量的负荷。动低频减载装置都必须做出恰当的反应，切除相应数量的负荷。解决的办法解决的办法只有分批断开负荷功率，采用逐步修正的办法，只有分批断开负荷功率，采用逐步修正的办法，才能取得较为满意的结果。才能取得较为满意的结果。尽管频率动态方程表明频率下降速率载有有功缺额的信息，但是，尽管频率动态方程表明频率下降速率载有有功缺额的信

30、息，但是，在实际应用中，按频率降低值来切除负荷，即按频率自动减载。在实际应用中，按频率降低值来切除负荷，即按频率自动减载。自动低频减载装置是在电力系统发生事故后系统频率下降时，按自动低频减载装置是在电力系统发生事故后系统频率下降时，按照频率的不同数值按顺序依次切除负荷，也就是将最大开断功率照频率的不同数值按顺序依次切除负荷，也就是将最大开断功率分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。为了确定自动低频减载装置的级数，应该确定第一级启动频率为了确定自动低频减载装置的级数，应该确定第一级启动频率 和最末一级启动频率和最末一级启动频率 的数值。的数值。1fn

31、fNorth China Electric Power Universitypagepage27272022-5-292022-5-29（2）自动低频减载装置的动作顺序1、第一级启动频率、第一级启动频率在事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程是有利。在事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程是有利。第一级启动频率选择高值，在第一级启动频率选择高值，在48.5Hz-49Hz之间。之间。2、最末一级启动频率、最末一级启动频率在电力系统中允许最低频率受到在电力系统中允许最低频率受到“频率崩溃频率崩溃”和和“电压崩溃电压崩溃”的限制，一般取的限制，一般取46Hz-46.5Hz之间。之间。

32、3、频率级差、频率级差11fffnnn级数越大，每级开断的级数越大，每级开断的功率越少，适应性越好。功率越少，适应性越好。North China Electric Power Universitypagepage28282022-5-292022-5-29（3）频率级差的选择按照选择性确定频率级差按照选择性确定频率级差强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率下降的情况下，后一级才能动作。下降的情况下，后一级才能动作。ytffff2频率测量元件的频率测量元件的最大误差频率最大误差频率对应于对应于 时间时间内频率的变化内频率的变化

33、t频率裕度频率裕度频率级差的主要决定因素频率级差的主要决定因素North China Electric Power Universitypagepage29292022-5-292022-5-29（4）每段切功率的限制在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。切除功率的限值计算切除功率的限值计算按照按照“第第i-1级动作切除负荷后，系统级动作切除负荷后，系统的稳定频率正好在第的稳定频率正好在第i级的启动频率上级的启动频率上”来考虑。来考虑。iNi

34、fffNiLikLkLNiffKPPP*1111iP（1）系统缺额功率）系统缺额功率系统缺额由负荷调节系统缺额由负荷调节效应来补偿效应来补偿*11*11iLikLkifKPPNorth China Electric Power Universitypagepage30302022-5-292022-5-29（4）每段切功率的限制（2）当第）当第i级切除负荷级切除负荷 后，系统后，系统 ，这时系统，这时系统功率缺额由负荷调节效应来补偿。功率缺额由负荷调节效应来补偿。*LiPhff *1*1hLikLkhifKPP（3）*1hiLiiPPP*11*1*11*1111hLhiLikLkhLikLkiLikLkLifKffKPfKPfKPP每级切除的负荷功率值每级切除的负荷功率值North China Electric Power Universitypagepage31312022-5-292022-5-29（5）自动减载装置的延时与防止误动作系统发生事故系