电力系统频率与有功功率自动控制综述

电力系统自动化——

电力系统频率和有功功率自动控制主讲教师：刘兴杰答疑地点：教一楼347联系方式：7522257;第一页，共五十九页。3电力系统频率和有功功率自动控制理解电力系统频率和有功功率控制的重要性；掌握电力系统负荷的调节效应；理解调速器的基本工作原理、调速系统的静态调节特性、一次调整和二次调整；掌握频率调差系数、并联机组间有功功率的分配；了解电力系统频率的调节方法、自动发电控制（AGC）原理。第二页，共五十九页。3.1电力系统频率和有功功率控制的必要性3.1.1电力系统频率控制的必要性频率对电力用户的影响▲电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，转速不稳定会影响产品质量。▲系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能。▲电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低。第三页，共五十九页。3.1电力系统频率和有功功率控制的必要性频率对电力系统的影响◆频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大。◆频率下降到一定程度时，可能出现频率崩溃（频率雪崩）。◆在核电厂中，当频率降到一定数值时，冷却介质泵即自动跳开，使反应堆停止运行。◆电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功损耗增加，引起系统电压下降。◆频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降低。可能导致电压崩溃（电压雪崩）。第四页，共五十九页。3.1.2电力系统有功功率控制的必要性维持电力系统频率在允许范围之内提高电力系统运行的经济性保证联合电力系统的协调运行3.1电力系统频率和有功功率控制的必要性第五页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理3.2.1发电机组单机运行时调速控制的基本原理第六页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理同步发电机转子运动方程第七页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理原动机的机械转矩MTn(f,w)MT0第八页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理发电机电磁转矩MG发电机电磁转矩与电磁功率成正比。发电机输出的电磁功率又与负荷的频率特性紧密相关。

第九页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理负荷的静态频率特性：有功负荷随频率而改变的特性称为负荷的功率—频率特性，即负荷的静态频率特性。负荷种类:与频率变化无关的负荷，如白炽灯、电弧炉、电阻炉和整流负荷等。与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、压缩机和卷扬机等。这类负荷占有较大比重。与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗。与频率的三次方成比例的负荷，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比例的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。第十页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理第十一页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理第十二页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理M0nMT1MT2MG1MG2abcnanbnc负荷减小时改变原动机的出力后发电机组调速系统的调节原理第十三页，共五十九页。3.2发电机组调速控制的基本原理3.2.2机组并网运行的转速调节0f，nf1MT，PGMT1MT2abPGaPGb1第十四页，共五十九页。3.3机械液压调速器的原理机械液压调速器的基本结构第十五页，共五十九页。3.3机械液压调速器的原理调差机构的形成f↓→A↓→C、F、E↓→B↑→进汽量↑→n↑→A↑调差机构的数学描述PG(MW)f(Hz)0fzf1f2ffPG2PG121PGe第十六页，共五十九页。3.3机械液压调速器的原理转速给定的原理机组空载运行时调节机组转速D↑→E↓→B↑→进汽量↑→n↑→A↑→C、F↑→E↑机组并联运行时调节机组的有功出力D↑→E↓→B↑→进汽量↑→n↑→A基本不动→C、F↑→E↑第十七页，共五十九页。3.3机械液压调速器的原理频率的一次调整（一次调频）：当负荷变化时，调速器会自发动作来调节发电机输出的动力元素，来抑制频率的变化，这种调速器自发调节的过程叫频率的一次调整（一次调频）。一次调频后会使电网的频率偏离额定值，当频率值偏离额定频率较大时，需要进行频率的二次调整。频率的二次调整（二次调频）：通过手动或自动装置改变发电机调速器的功率（转速）给定值，调整发电机出力，使频率恢复到额定值的过程。第十八页，共五十九页。3.3机械液压调速器的原理机械液压调速器的基本结构第十九页，共五十九页。3.3机械液压调速器的原理机组调速系统的失灵区及其影响PG(MW)f(Hz)0f1f0f2PG021△PW△fW第二十页，共五十九页。3.3机械液压调速器的原理机组调速系统的失灵区及其影响为了使误差功率不致过大，要求发电机组调速系统的失灵区不能过大，调差系数不能过小，一般要求机组调速系统的失灵区应在0.1%~0.5%。失灵区的存在还会使机组调速系统的动态调节品质变差。但是，如果失灵区过小或者完全没有，当电力系统频率发生微小波动时，调速器也要动作。这样会调节汽阀动作过于频繁，对机组本身和电力系统频率调节不利。因此，在一些非常灵敏的电液调速器中，通常要采取一些技术措施形成一定大小的失灵区。第二十一页，共五十九页。3.4其它类型的调速器模拟电气液压调速器：转速和频率的测量、转速和功率的给定、调节规律实现等均采用电子电路构成，操纵机构仍然采用机械液压装置。数字电液调速器：转速和频率的测量、转速和功率的给定、调节规律实现等均采用微机实现，操纵机构仍然采用机械液压装置。第二十二页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理将电力系统内并联运行得所有机组用一台等效机组代替；将电力系统内所有负荷用一个等效负荷代替；然后使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制的基本原理和方法进行分析和计算。第二十三页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统等效负荷的静态频率调节特性第二十四页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统等效发电机组的静态调节特性fPG,PT0ΔfΔPGfaaPGafbbPGbf为系统等效机组的频率，即电力系统的频率；PG为系统等效机组发出的有功功率，即电力系统内并联运行的所有机组发出的有功功率的总和。忽略机组的损耗，等效发电机组发出的功率PG与等效原动机发出的功率PT相等，即PG＝PT。第二十五页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统频率控制的基本原理——频率的一次调节PG，PT，PLf0△PGfAADCB△PL△P’LPG(f)PL(f)P’L(f)PGAPGDPGCfC第二十六页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统频率控制的基本原理——频率的二次调节PG，PT，PLf0△PGfAADCB△PL△P’LPL(f)P’L(f)PG(f)P’G(f)PTD第二十七页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统频率控制的基本原理——调频电厂的选择电力系统中并联运行的发电机组都装有调速器。当系统负荷变化时，有可调容量的机组均参与频率的一次调整，而二次调整只由部分发电厂承担。从是否承担频率的二次调整任务出发，可将系统中所有发电厂分为调频厂和非调频厂两类。调频厂负责全系统的频率调整任务；非调频厂在系统正常运行情况下只按调度控制中心预先安排的负荷曲线运行，而不参加频率调整。第二十八页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理选择调频电厂时，主要考虑下列因素：(1)具有足够大的容量和可调范围；(2)允许的出力调整速度满足系统负荷变化速度的要求；(3)符合经济运行原则；(4)联络线上交换功率的变化不致影响系统安全运行。第二十九页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统的有功功率控制——电力系统中的有功功率平衡控制电力系统频率在允许范围之内是通过控制系统内并联运行机组输入的总功率等于负荷在额定频率所消耗的有功功率实现的，即实现有功功率的平衡。第三十页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统的有功功率控制——电力系统中的有功功率平衡1—总负荷；2—随机分量；T<10s;一次调频来平衡；3—脉动分量；10s<T<3min;二次调频来平衡；4—持续分量；T>3min；调度预测安排来平衡；第三十一页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统的有功功率控制——并联运行机组间有功功率分配fPG0PG1(f)PG2(f)f1PG1PG2△PG1△PG2f2PG1’PG2’第三十二页，共五十九页。3.7电力系统频率和有功功率控制的基本原理电力系统的有功功率控制——并联运行机组间有功功率分配例题:某系统有两台发电机，P1e=100MW,δ1*=0.04,P2e=50MW,δ2*=0.05,当f=50Hz时，P1=80MW,P2=30MW。１）画出两机组的调差特性。２）当负荷功率为120ＭＷ时系统频率为多少？两机组出力各多少？３）当负荷功率分别为120ＭＷ和150ＭＷ，只靠一号机二次调频能否使频率恢复到50ＨＺ。为什么？第三十三页，共五十九页。（１）画出两机组的调差特性第三十四页，共五十九页。（2）当负荷功率为１２０ＭＷ时系统频率为多少？两机组出力各多少？第三十五页，共五十九页。第三十六页，共五十九页。（３）当负荷功率分别为１２０ＭＷ和１５０ＭＷ，只靠一号机二次调频能否使频率恢复到５０ＨＺ。为什么？120MW时可以，因为一号机剩余容量20MW大于负荷增量10MW。150MW时不可以，因为负荷增量40MW大于一号机剩余容量20MW。第三十七页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制自动调频与手动调频相比，不仅反应速度快、频率波动小，同时还可以兼顾到其他方面的要求，例如实现有功负荷的经济分配、保持系统联络线交换功率为定值和满足系统安全经济运行的各种约束条件等。所以现代电力系统普遍装设自动调频装置。主导发电机法仅适用于小容量的电力系统；虚有差法仅反应频率的偏差信号，而且有功功率在多个调频发电厂之间是按固定比例分配的，不能实现经济分配原则，同时也不能控制区域间联络线的功率。第三十八页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制积差调节法是根据系统频率偏差的累积值调节频率的。先假定系统中由一台发电机组进行频率积差调节，调节方程式为第三十九页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制积差调节过程第四十页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制第四十一页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制第四十二页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制改进积差调频法第四十三页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制积差调节法维持系统频率的精度取决于各调频机组的频差积分信号数值的一致性。当采用多个调频电厂调频时，可以采用分散方式，即参与调频电厂各有一套频差信号发生器，就地产生∫(kΔf)dt信号进行调频。为了使各调频厂测得的Δf值尽可能一致，避免频差积分的差异而造成功率分配上的误差，需设置高稳定性晶体振荡标准频率发生器。为了克服频差积分信号分散产生的不一致性，积差调节法的频差积分信号也可在电网调度中心集中产生，即装设一套高精度频率发生器集中产生积差信号，确定各调频机组的调节量，用远动通道送给各调频机组。第四十四页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制电网调度中心把频差积分信号值∫(kΔf)dt通过远动通道送到各调频电厂，厂内配置一台有功功率控制器，用于控制全厂调频机组的功率调节量ΔPC

。它的输入信息，除了调度所送来的频差积分信号外，还有当地产生的频差Δf和厂内各调频机组的输出功率PC1

，PC2

，…等。它的输出信号为各调频机组按所对应的方程计算各自应发出的功率，控制相应机组的控制电动机，调节它们的功率给定值，该有功功率控制器可用带CPU的数字电子器件组成，它的输出信号可以经D/A转换放大后，接到各控制电动机，也可以输出按比例调节的脉冲。这种集中调频方式优点很明显，但需要远动通道。第四十五页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制集中调频方式示意图第四十六页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制随着电力系统远动技术的发展，自20世纪80年代中期，我国四大电网(华东、东北、华中和华北)和部分省级电网引进了国外的SCADA/AGC系统，为我国电网调度自动化系统的发展奠定了基础。从1989年9月投入运行至今，全国有30多家省级及以上电网投入了AGC系统。在互联电力系统运行中，AGC是一个基本的和重要的计算机实时控制功能，对于减轻调度员和发电厂运行人员的劳动强度，提高联络线交换功率的控制精度，提高电网频率质量等方面发挥了很好的作用，为现代电力系统的安全、优质、经济运行提供了必要的技术手段。第四十七页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制在互联电力系统运行中，各区域应负责调整本区域内的功率平衡，当某区域中突然接入新的负荷时，整个互联电力系统的频率下降。系统中所有的机组调节器动作，增加机组出力，使频率提高到某一水平，这时整个电力系统发电机组的发电量与负荷达到新的平衡。一次调节留下了频率偏差和交换功率偏差，AGC动作，提高发电功率，使频率恢复到正常值、交换功率达到计划值，这就是所谓的二次调节。此外，AGC将随时间调整发电机组出力执行发电计划，或在非预计的负荷变化积累到一定程度时按经济调度原则重新分配出力，这就是所谓的三次调节。第四十八页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制对AGC来说，一次调节是系统的自然特性，希望快速而平稳；二次调节不仅考虑机组的调节特性，还要考虑到安全(备用)和经济特性；三次调节则主要考虑安全和经济，必要时可以校验网络潮流的安全性。这些调节所设定的周期随区域控制误差(ACE)的大小而不同，一般数据采集的采样周期为1s～2s，自动发电控制(AGC)启动周期为4s～8s，经济调度的启动周期由几秒钟到几分钟甚至几十分钟。第四十九页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制1.AGC的总体结构自动发电控制通过闭环控制系统实现的。自动发电控制所需的信息，如频率、发电机组的实发功率、联络线的交换功率、节点电压等从SCADA获得实时测量数据，计算出各电厂或各机组的控制命令，再通过SCADA送到各电厂的电厂控制器。由电厂控制器调节机组功率，使之跟踪AGC的控制命令。第五十页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制第五十一页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制计划跟踪环：按计划提供机组发电基点功率，它与负荷预测、机组的经济组合、水电计划及交换功率计划有关，担负主要调峰任务。区域调节控制环：把区域控制误差(ACE)调到零，这是AGC的核心。功能是把AGC计算出消除区域控制误差(ACE)各机组需增减的调节功率，将这一可调分量加到跟踪计划的机组发电基点功率上，得到设置发电量发往电厂控制器。机组控制环：基本控制回路去调节机组，使控制误差为零，在许多情况下(特别是水电厂)，一台电厂控制器能同时控制多台机组，AGC把信号送到电厂控制器后，再分到各台机组。第五十二页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制2.AGC的控制目标与模式在互联电力系统中，各区域承担各自的负荷，各区域的调度中心要维持电力系统频率为规定值，维持区域间净交换功率计划值，并实现在线经济负荷分配。AGC的控制目标：(1)调整系统发电出力与负荷的平衡。(2)调整系统频率偏差为零，在正常稳态情况下，保持频率为额定值。(3)在各控制区域内分配全网发电出力，使区域间联络线潮流与计划值相等，实现各地区有功功率的就地平衡。(4)在本区域发电厂之间分配发电出力，使区域运行成本最小。(5)在能量管理系统(EMS)中，AGC作为实时最优潮流与安全约束经济调度的执行环节。第五十三页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制AGC的控制模式：(1)定频率控制方式(CFC或FFC)(2)定联络线交换功率控制方式(CIC或CNIC)(3)定频率及定交换功率的控制方式(TBC)第五十四页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制为了实现AGC，要求在调度中心计算机上运行AGC程序。AGC程序的控制目标是使因负荷变动而产生的区域控制差(ACE)不断减小直至为零。第五十五页，共五十九页。3.9电力系统自动调频和自动发电控制3.AGC的基本功能负荷频率控制(LFC)LFC最基本的任务就是调整系统频率为额定要求值(如50Hz)或维持各区域之间联络线的交换功率为计划值。这主要是通过调节ACE参数到零或进入预先规定的死区来实现。ACE的调节过程如下，在一段时间内，联络线的计划交换功率和系统频率是不变的，而实际的交换功率和系统频率则取决于电力系统的发电水平和负荷水平。在