电力系统自动化-第8讲-电力系统频率及有功功率的自动调节与控制课件1

第八讲电力系统频率及有功功率的自动调节及控制（1）主讲人：盛义发南华大学电气工程学院第八讲电力系统频率及有功功率的自动调节及控制（1）主讲人：UniversityofSouthChinapage22022/12/23第五章电力系统频率及有功功率的自动调节及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。UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage32022/12/23第一节电力系统频率特性系统内有m台机组，电功率输出为，原动机的输入总功率为，在忽略内部损耗的条件下，存在关系：系统负荷变动使机组输出电功率增加，而机械功率来不及做出反应，这时为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，机组转速降低，系统频率下降UniversityofSouthChinapage3UniversityofSouthChinapage42022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统负荷变动情况电力系统运行中的主要任务之一就是对频率进行监视和控制，保证电力系统频率的偏移在允许范围内调节频率就是改变单位时间内进入原动机的动力元素（蒸汽或水）力求电力系统负荷在安全运行约束条件下，实现经济运行及在发电机组之间实现经济分配。励磁调节基本目标：发电机端电压和无功功率分配调速器的基本目标：发电机频率和有功功率分配UniversityofSouthChinapage4UniversityofSouthChinapage52022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统中有功功率与频率之间的关系：1、与频率变化无关的负荷：照明、电弧炉、整流负荷2、与频率成正比的负荷：切削机床、球磨机、压缩机3、与频率的二次方成正比的负荷：变压器中的涡流损耗4、与频率的三次方成正比的负荷：通风机、静水头阻力不大的循环水泵5、与频率的高次方成正比的负荷：静水头阻力很大的循环水泵UniversityofSouthChinapage5UniversityofSouthChinapage62022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统有功负荷的静态频率特性方程当电力系统内机组的输入功率和负荷功率之间失去平衡时,系统负荷也参与了调节作用。这种特性有利于系统中的有功功率在另一个频率下重新获得平衡——负荷的频率调节效应UniversityofSouthChinapage6UniversityofSouthChinapage72022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性为负荷的频率调节效应系数，用以衡量调节效应的大小。根据国内外的实测数据表明，有功负荷与频率之间的关系曲线接近于一条直线。有功功率变化量相对应有功功率变化的频率的变化量是电力系统调度部门要求掌握的一个数据。它表明系统频率变化1%时负荷功率变化的百分数。UniversityofSouthChinapage7UniversityofSouthChinapage82022/12/232、发电机组的功率-频率特性发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的功率-频率特性取决于调速器系统的特性发电机组无调速器在调速器的作用下不断改变进气量，使原动机的运行点不断地从一根静态特性向另一根静态特性曲线过渡。此时原动机进气量达到最大值，调速器不起作用，当频率f继续下降时，运行点只能沿着对应于最大进气量的静态特性曲线移动。UniversityofSouthChinapage8UniversityofSouthChinapage92022/12/232、发电机组的功率-频率特性对应于频率下降，发电机组输出功率增加，这是一种有差调节特性发电机组的调差系数负号表示发电机输出功率的变化和频率变化相反发电机组的静态调节方程UniversityofSouthChinapage9UniversityofSouthChinapage102022/12/233、发电机组调差系数与有功功率分配机组间的有功功率分配与机组的调差系数成反比推广到多台发电机组并联运行的情况：UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage112022/12/235、电力系统的频率特性UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage122022/12/23第二节调速器及频率调节特性机械液压调速器电气液压调速器UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage132022/12/231、机械液压调速器1、在B、D点不动的情况下，A点上升E点上升2、在A、D点不动的情况下，B点下降E点下降E点的位移正比于A、B两点的位移之和，具有加法性质。3、在C点不动的情况下，B点上升——A点下降；B点下降——A点上升B点具有反馈作用UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage142022/12/231、机械液压调速器负荷突然减少转速升高A增大E点减小减小开度开度反馈B减少达到新的平衡点UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage152022/12/231、机械液压调速器调频器启动D点增大E点增大开度增大B点增大开度反馈达到新平衡点UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage162022/12/232、电气液压调速器12345UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage172022/12/232、电气液压调速器——转速测量磁阻发送器作用是将转速转换为相应频率的电压信号。齿轮与铁芯之间的磁阻变化导致通过测速磁头的磁通发生相应变化，在线圈中感应出微弱的脉动信号，该信号的频率与机组转速成正比。UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage182022/12/23微分电路在方波的上升沿时获得正向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器后，输出一个幅度为v宽度为t的正向方波脉冲。在单位时间内，单稳态触发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输出信号频率成正比2、电气液压调速器——转速测量转速/频率-电压变送器将磁阻发送器输出的脉动信号转换为与转速成正比的电压输出值。滤波器实际上是个积分器，在单位时间内脉冲个数越多则输出的电压越高UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage192022/12/232、电气液压调速器——功率测量将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压—有功功率变送器执行元件就是霍尔效应原理的测量元件霍尔效应系数霍尔元件厚度控制电流磁感应强度磁感应强度与元件平面法线的夹角UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage202022/12/232、电气液压调速器——功率测量正比于有功功率UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage212022/12/232、电气液压调速器——给定环节及PID调节器用高精度稳定电源供电的精密多转电位器构成由运算放大器构成UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage222022/12/232、电气液压调速器——电液转换器功率放大器输出增大电液转换器线圈电磁力增大调节油阀关小在十字弹簧的压力下继动器输入油压升高继动器蝶阀下移继动器排油增加UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage232022/12/232、电气液压调速器——电液转换器继动器内腔油压升高继动器滑阀下移油动机入油增加油动机活塞上移汽门调节阀开大进入汽轮机的有功增大UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage242022/12/232、电气液压调速器——电液转换器油动机活塞上移B点上移A点上移继动器蝶阀上移稳定在新的工作点UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage252022/12/232、电气液压调速器——电液转换器继动器油动机蒸汽阀AB杠杆功率放大器AB+-+UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage262022/12/233、数字式电液调速器辅助功能：机组自启动控制、跟踪电网频率快速同期并列、启动过程的热应力管理UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage272022/12/23二、频率调节特性物理系统数学建模物理映射数学分析1、调速器2、原动机3、区域系统UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage282022/12/231、调速器假定流入油压机的油量与导油阀的位置成正比UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage292022/12/231、调速器表示了原动机调节量与控制指令信号及系统频率间的动态特性UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage302022/12/232、原动机——汽轮机气阀位置的改变会导致进气量的变化，使汽轮机输入功率变动，因而引起发电机功率的变化汽轮机的调节阀门和第一级喷嘴之间有一定的空间，开启/关闭气门使进入气门的蒸汽量有所改变，但是这个空间的压力不能立即改变，这样就形成了机械功率滞后于气门开度变化，也就是“汽容影响”。可以用惯性环节来描述：对于再热式汽轮机要考虑再热段充气时延UniversityofSouthChinapage3UniversityofSouthChinapage312022/12/233、原动机——水轮机在水流的稳态情况下，水的流速是一定的。当迅速关小导向叶片的开度，导管中的水压力会急剧上升；当迅速开大导向叶片的开度，导管中的水压力会急剧下降。这就是水锤现象。水轮机的功率不能随着开度的变化而有一个时滞UniversityofSouthChinapage3UniversityofSouthChinapage322022/12/234、汽轮发电机组的传递函数UniversityofSouthChinapage3UniversityofSouthChinapage332022/12/234、汽轮发电机组的传递函数汽轮机与无限大系统并联运行发电机的功率变化对系统的频率没有影响UniversityofSouthChinapage3UniversityofSouthChinapage342022/12/234、汽轮发电机组的传递函数施加一个阶跃变化发电机稳态输出功率增量与控制指令成正比，调节过程不会出现振荡，过程是单调衰减的。UniversityofSouthChinapage3UniversityofSouthChinapage352022/12/23小结1、负荷的功率-频率特性2、发电机组的功率-频率特性3、调差特性与有功功率分配的关系4、电力系统的频率特性5、机械调速器7、电气液压调速器的基本原理及控制框图8、调速器的工作过程9、数字式电气液压调速器UniversityofSouthChinapage3第八讲电力系统频率及有功功率的自动调节及控制（1）主讲人：盛义发南华大学电气工程学院第八讲电力系统频率及有功功率的自动调节及控制（1）主讲人：UniversityofSouthChinapage372022/12/23第五章电力系统频率及有功功率的自动调节及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。UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage382022/12/23第一节电力系统频率特性系统内有m台机组，电功率输出为，原动机的输入总功率为，在忽略内部损耗的条件下，存在关系：系统负荷变动使机组输出电功率增加，而机械功率来不及做出反应，这时为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，机组转速降低，系统频率下降UniversityofSouthChinapage3UniversityofSouthChinapage392022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统负荷变动情况电力系统运行中的主要任务之一就是对频率进行监视和控制，保证电力系统频率的偏移在允许范围内调节频率就是改变单位时间内进入原动机的动力元素（蒸汽或水）力求电力系统负荷在安全运行约束条件下，实现经济运行及在发电机组之间实现经济分配。励磁调节基本目标：发电机端电压和无功功率分配调速器的基本目标：发电机频率和有功功率分配UniversityofSouthChinapage4UniversityofSouthChinapage402022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统中有功功率与频率之间的关系：1、与频率变化无关的负荷：照明、电弧炉、整流负荷2、与频率成正比的负荷：切削机床、球磨机、压缩机3、与频率的二次方成正比的负荷：变压器中的涡流损耗4、与频率的三次方成正比的负荷：通风机、静水头阻力不大的循环水泵5、与频率的高次方成正比的负荷：静水头阻力很大的循环水泵UniversityofSouthChinapage5UniversityofSouthChinapage412022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统有功负荷的静态频率特性方程当电力系统内机组的输入功率和负荷功率之间失去平衡时,系统负荷也参与了调节作用。这种特性有利于系统中的有功功率在另一个频率下重新获得平衡——负荷的频率调节效应UniversityofSouthChinapage6UniversityofSouthChinapage422022/12/231、电力系统负荷的功率-频率特性为负荷的频率调节效应系数，用以衡量调节效应的大小。根据国内外的实测数据表明，有功负荷与频率之间的关系曲线接近于一条直线。有功功率变化量相对应有功功率变化的频率的变化量是电力系统调度部门要求掌握的一个数据。它表明系统频率变化1%时负荷功率变化的百分数。UniversityofSouthChinapage7UniversityofSouthChinapage432022/12/232、发电机组的功率-频率特性发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的功率-频率特性取决于调速器系统的特性发电机组无调速器在调速器的作用下不断改变进气量，使原动机的运行点不断地从一根静态特性向另一根静态特性曲线过渡。此时原动机进气量达到最大值，调速器不起作用，当频率f继续下降时，运行点只能沿着对应于最大进气量的静态特性曲线移动。UniversityofSouthChinapage8UniversityofSouthChinapage442022/12/232、发电机组的功率-频率特性对应于频率下降，发电机组输出功率增加，这是一种有差调节特性发电机组的调差系数负号表示发电机输出功率的变化和频率变化相反发电机组的静态调节方程UniversityofSouthChinapage9UniversityofSouthChinapage452022/12/233、发电机组调差系数与有功功率分配机组间的有功功率分配与机组的调差系数成反比推广到多台发电机组并联运行的情况：UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage462022/12/235、电力系统的频率特性UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage472022/12/23第二节调速器及频率调节特性机械液压调速器电气液压调速器UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage482022/12/231、机械液压调速器1、在B、D点不动的情况下，A点上升E点上升2、在A、D点不动的情况下，B点下降E点下降E点的位移正比于A、B两点的位移之和，具有加法性质。3、在C点不动的情况下，B点上升——A点下降；B点下降——A点上升B点具有反馈作用UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage492022/12/231、机械液压调速器负荷突然减少转速升高A增大E点减小减小开度开度反馈B减少达到新的平衡点UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage502022/12/231、机械液压调速器调频器启动D点增大E点增大开度增大B点增大开度反馈达到新平衡点UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage512022/12/232、电气液压调速器12345UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage522022/12/232、电气液压调速器——转速测量磁阻发送器作用是将转速转换为相应频率的电压信号。齿轮与铁芯之间的磁阻变化导致通过测速磁头的磁通发生相应变化，在线圈中感应出微弱的脉动信号，该信号的频率与机组转速成正比。UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage532022/12/23微分电路在方波的上升沿时获得正向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器后，输出一个幅度为v宽度为t的正向方波脉冲。在单位时间内，单稳态触发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输出信号频率成正比2、电气液压调速器——转速测量转速/频率-电压变送器将磁阻发送器输出的脉动信号转换为与转速成正比的电压输出值。滤波器实际上是个积分器，在单位时间内脉冲个数越多则输出的电压越高UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage542022/12/232、电气液压调速器——功率测量将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压—有功功率变送器执行元件就是霍尔效应原理的测量元件霍尔效应系数霍尔元件厚度控制电流磁感应强度磁感应强度与元件平面法线的夹角UniversityofSouthChinapage1UniversityofSouthChinapage552022/12/232、电气液压调速器——功率测量正比于有功功率UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage562022/12/232、电气液压调速器——给定环节及PID调节器用高精度稳定电源供电的精密多转电位器构成由运算放大器构成UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage572022/12/232、电气液压调速器——电液转换器功率放大器输出增大电液转换器线圈电磁力增大调节油阀关小在十字弹簧的压力下继动器输入油压升高继动器蝶阀下移继动器排油增加UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage582022/12/232、电气液压调速器——电液转换器继动器内腔油压升高继动器滑阀下移油动机入油增加油动机活塞上移汽门调节阀开大进入汽轮机的有功增大UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage592022/12/232、电气液压调速器——电液转换器油动机活塞上移B点上移A点上移继动器蝶阀上移稳定在新的工作点UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage602022/12/232、电气液压调速器——电液转换器继动器油动机蒸汽阀AB杠杆功率放大器AB+-+UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage612022/12/233、数字式电液调速器辅助功能：机组自启动控制、跟踪电网频率快速同期并列、启动过程的热应力管理UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage622022/12/23二、频率调节特性物理系统数学建模物理映射数学分析1、调速器2、原动机3、区域系统UniversityofSouthChinapage2UniversityofSouthChinapage632022/12/231、调速器假定流入油压机的油量与导油阀的位置成正比UniversityofSouthChina