第三章-电力系统频率及有功功率的自动调节课件

第三章电力系统频率及有功功率的自动调节1

电力系统自动化本章内容

3.1电力系统的频率特性

3.2调频与调频方程式

3.3电力系统的经济调度与自动调频

3.4电力系统低频减载2

电力系统自动化第一节电力系统的频率特性3

电力系统自动化本节内容一、有功平衡和频率调整二、电力系统的频率特性4

电力系统自动化一、有功平衡和频率调整

1.对用户的影响（1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业（2）异步电机功率下降（3）电子设备的准确度2.对发电厂和电力系统的影响（1）对发电厂厂用机械设备运行的影响（2）对汽轮机叶片的影响（3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。（一）电力系统频率变化的影响5

电力系统自动化转矩平衡与功率平衡：转矩不平衡时,转子转速变化,引起频率变化：保持频率恒定不变是十分困难的

!（二）频率与有功平衡的关系6

电力系统自动化（三）有功功率负荷的变化及其调整负荷总的变化情况随机分量脉冲分量持续分量7

电力系统自动化

系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动负荷组成：（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电炉启停调速器频率的一次调整调频器频率的二次调整根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）（三）有功功率负荷的变化及其调整8

电力系统自动化（四）有功功率平衡与备用容量备用容量：15%～20%作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷。定义：备用容量＝系统可用电源容量－发电负荷

有功功率平衡：8760t(h)P(MW)发电负荷备用容量新增容量9

电力系统自动化按作用分：(1)负荷备用：满足负荷波动、计划外的负荷增量2%~5%(2)事故备用：发电机因故退出运行而预留的容量5%~10%(3)检修备用：发电机计划检修4%~5%(4)国民经济备用：满足工农业超计划增长3%~5%按其存在形式分：(1)热备用(2)冷备用备用容量的分类:10

电力系统自动化（一）负荷的有功功率－频率静态特性二、电力系统的频率特性11

电力系统自动化负荷的有功功率－频率静态特性简化表达：当频率偏离额定值不大时，负荷有功－频率静态特性用一条近似直线来表示。负荷的频率调节效应系数或称为负荷的频率调节效应，表示负荷随频率的变化程度。12

电力系统自动化（1）静态调差系数:某台机组负荷改变时相应的频率偏移若2为额定运行点，1为空载运行点：（二）发电机组的有功功率－频率静态特性13

电力系统自动化单位调节功率:调差系数的倒数，表示频率变化时发电机组输出功率的变化量。小结：调差系数越小，单位调节功率越大，频率偏移越小。调差系数是可以整定的。14

电力系统自动化（三）电力系统的有功功率－频率静态特性PfP1f1ACBP2f215

电力系统自动化负荷功率的实际增量：它同发电机功率增量平衡：系统的单位调节功率：计及发电机和负荷的调节效应时，引起频率单位变化时的负荷变化量。PfP1f1ACBP2f216

电力系统自动化标幺值表示:系统的单位调节功率kr=PGN/PDN为备用系数等式两端同除以PDN/fN小结：系统中有功功率电源的出力不仅应满足在额定频率下系统对有功功率的需求，而且应有一定的备用。17

电力系统自动化3.2

调频与调频方程式18

电力系统自动化一、频率的一次调整（一）n台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化Δf时n台机组的等值单位调节功率结论：n台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的单位调节功率。19

电力系统自动化一、频率的一次调整把n台机组用一台等值机代表，等值单位调节功率标幺值代入20

电力系统自动化频率的一次调整的计算过程求出频率偏差每台机组的功率增量小结：调差系数越小的机组增加的有功输出相对越多。21

电力系统自动化频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动范围内。1.主调频厂的选择调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助调频厂。调频厂应满足的条件：1）足够的调整容量2）较快的调整速度3）调整范围内的经济性较好二、频率的二次调整22

电力系统自动化调整容量:

水电厂>火电厂

中温中压电厂（75％）>高温高压电厂（30％）

调整速度：

水电厂>火电厂

调频厂选择：

首选：水电厂

其次：中温中压电厂

23

电力系统自动化2.频率二次调整的过程pf0f1ABf2CEF24

电力系统自动化频率的二次调整结论：（1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。（2）可以做到无差调节。AEEFFC25

电力系统自动化多台机组并列运行（三台机组，1号机组为主调频机组）调频机组未动作时调频机组动作后26

电力系统自动化3互联系统的频率调整27

电力系统自动化联络线功率B系统不参加二次调整28

电力系统自动化二、各类发电厂的合理组合系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问题，包括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合理组合。有功负荷的最优分配：系统中的有功负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配。29

电力系统自动化一、各类发电厂的运行特点1火电厂（1）燃料及运输费用（2）有功出力最小限制（3）效率与蒸汽参数有关（4）启停时间长且启停费用高（5）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率。30

电力系统自动化一、各类发电厂的运行特点2水电厂（1）不需燃料费，但一次投资大（2）出力调节范围比火电机组大（3）启停费用低，且操作简单（4）出力受水头影响（5）抽水蓄能（6）必须释放水量－－强迫功率31

电力系统自动化一、各类发电厂的运行特点3核电厂（1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。（2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停及急剧调节时，易于损坏设备。（3）一次投资大，运行费用小。32

电力系统自动化二、各类发电厂的合理组合原则（1）充分利用水源。（2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。（3）尽量降低火力发电成本。33

电力系统自动化枯水期丰水期抽水发电34

电力系统自动化三、电力系统有功功率的最优分配1发电机组的耗量特性：反映发电机组单位时间内能量输入和输出关系的曲线。耗量特性35

电力系统自动化三、电力系统有功功率的最优分配比耗量：耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即输入和输出之比效率：比耗量倒数耗量微增率：耗量特性曲线上某点切线的斜率，表示在该点的输入增量与输出增量之比。效率曲线和微增率曲线36

电力系统自动化二、目标函数和约束条件有功负荷最优分配的目的：在满足对一定量负荷持续供电的前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位时间内所消耗的能源最少。

满足条件：

等式约束f(x、u、d)=0

不等式约束g(x、u、d)≤0

使

目标函数F=F(x、u、d)

最优37

电力系统自动化1目标函数系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，描述的是单位时间内能源的消耗量。38

电力系统自动化2约束条件等式约束不等式约束忽略有功网损39

电力系统自动化三、等耗量微增率准则以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机组间的分配，使总的燃料消耗量最小。

等式约束目标函数40

电力系统自动化三、等耗量微增率准则作图法求解（只有两台机组）在OO’上找到一点作垂线，与两条耗量特性曲线的交点间距离最短。在耗量特性曲线具有凸性的情况下，两条曲线的切线平行时，燃料消耗量最少。曲线的切线即斜率，就是该点的耗量微增率。41

电力系统自动化切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。这就是等微增率准则。物理意义42

电力系统自动化四、多个发电厂间的负荷经济分配1.不计网损的有功最优分配目标函数最小：等式约束条件：这是多元函数求条件极值问题，可以利用拉格朗日乘数法求解。构造拉格朗日函数43

电力系统自动化求拉格朗日函数的无条件极值44

电力系统自动化不等式约束的处理功率上下限约束先不考虑该约束条件进行经济分配计算，若发现越限，越限的发电厂按极限分配负荷，其余发电厂再按经济分配。节点电压及无功功率约束在经济功率分配后的潮流计算中处理。例4－845

电力系统自动化2.考虑网损的有功最优分配等式约束变为目标函数不变拉格朗日函数为经过网损修正后的等微增率准则网损修正系数46

电力系统自动化3.3电力系统的经济调度与自动调频47

电力系统自动化•微增率：是指输入耗量微增量与输出功率微增量的比值。•等微增率法则：就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，这样就可使系统总的燃料消耗（或费用）为最小。一、等微增率分配负荷的基本概念48

电力系统自动化49

电力系统自动化对应于某一输出功率时的微增率就是耗量特性曲线上对应于该功率点切线的斜率，即式中b—耗量微增率（或简称微增率）

—输入耗量微增率；

—输出功率微增量。50

电力系统自动化51

电力系统自动化

设有n台机组，每台机组承担的负荷为P1，P2，…,Pn，对应的燃料消耗为F1，F2，…，Fn，则总的燃料消耗为而总负荷功率PL为

52

电力系统自动化用拉格朗日乘子法则来求解取拉格朗日方程式中

-总燃料消耗；

-拉格朗日乘子；

-约束函数。这里功率平衡就是相应的约束条件，即53

电力系统自动化使总燃料消耗最小的条件是（3-31）式对功率的偏导数为零。即54

电力系统自动化因PL是常数，同时各机组的输出功率又是相互无关的，所以55

电力系统自动化设每台机组都是独立的，那么每台机组燃料消耗只与本身的输出功率有关。因此，上式可写成56

电力系统自动化因此，发电厂内并联运行机组的经济调度准则为：各机组运行时微增率b1,b2,⋯,bn相等，并等于全厂的微增率λ。57

电力系统自动化设有n个发电厂，每个电厂承担的负荷分别为P1，P2，…，Pn，相应的燃料消耗为F1，F2，…，Fn，则全系统总的燃料消耗为总的发电功率与总负荷PL及线损Pe

相平衡，即二、发电厂之间负荷的经济分配58

电力系统自动化拉格朗日方程为：上式对功率的偏导数为零，得：式中-线损修正系数；

-系统微增率；

-电厂微增率。

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电力系统自动化在考虑线损条件下，负荷经济分配的准则是每个电厂的微增率与相应的线损修正系数的乘积相等。为了求得各电厂的微增率bi，必须计算出线损pe（一般事先根据运行工况而选定的线损系数求得），然后算出各电厂的线损微增率σi，即

由上式得60

电力系统自动化（一）概述电力系统中发电量的控制，一般分为三种情况•由同步发电机的调速器实现的控制（一次调整，10S）；•由自动发电控制（简称AGC，即英文AutomaticGenerationControl的缩写）（二次调整，10S～3min）；•按照经济调度（简称EDC，即英文EconomicDispatchControl）（三次调整，>3min）。三、自动发电控制（AGC/EDC功能）61

电力系统自动化（2）自动发电控制的基本原理

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电力系统自动化（2）自动发电控制的基本原理

图中Pzd为输电线路功率的整定值，fzd为系统频率整定值，P为输电线路功率的实际值，f为系统频率的实际值，Bf为频率修正系数，)(K(S)外部控制回路，用来根据电力系统频率偏差和输电线路上的功率偏差来确定输出控制信号，Pc为系统要求调整的控制信号功率，)(N（S）为内部控制回路，用来控制调整调速器阀门开度，以达到所需要的输出功率。63

电力系统自动化64

电力系统自动化

G1、G2、G3为发电机组；ACE称为区域控制误差，用来根据系统频率偏差以及输电线路功率偏差来确定输出控制信号；负荷分配器根据输入的控制信号大小并且根据等微增率准则或其他原则来控制各台发电机输出功率的大小。65

电力系统自动化自动发电控制系统具有四个基本任务和目标：①使全系统的发电机输出功率和总负荷功率相匹配；②将电力系统的频率偏差调整控制到零，保持系统频率为额定值；③控制区域间联络线的交换功率与计划值相等，以实现各个区域内有功功率和负荷功率的平衡；④在区域网内各发电厂之间进行负荷的经济分配。自动发电控制系统包括两大部分：（1）负荷分配器（2）发电机组控制器66

电力系统自动化各台发电机组的设定调整功率按以下公式分配：式中-各台发电机组的设定调整功率；

-各台发电机的基点经济功率；

-每台发电机的实际输出功率；

-每台发电机的分配系数；

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电力系统自动化经济负荷分配（EDC）每隔五分钟修改一次Pbi和αi值，以适应经济调度的要求。有时为了增大加到发电机组上的误差信号信息，可以使用一个或者多个附加的负荷分配回路，如图3-19所示。这样的附加分配回路可以用一个分配系数βi来表示，但它与按经济调度调整负荷的“分配系数αi”不同，它不受经济调度的约束，所以称为调整分配。

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电力系统自动化69

电力系统自动化自动发电控制（AGC）的分配方式为或当ACE信息为零时，负荷按经济调度（EDC）分配当ACE信息不为零时，ACE功率按分配

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电力系统自动化71

电力系统自动化N满足：地区间规定的净交换功率PA+PB+PC保持本系统的频率为额定值72

电力系统自动化AGC(AutomaticGenerationControl)目的是使电力系统的出力与负荷相适应，保持频率额定和通过联络线的交换功率等于计划值，并尽可能实现机组（电厂）间负荷的经济分配。73

电力系统自动化AGC的基本目标1.使全系统的出力与负荷相匹配2.将电力系统的频率偏差调节到0，保持系统频率为额定值3.控制区域间联络线的交换功率与计划值相等，实现各区域内有功功率的平衡4.在区域各个电厂间进行负荷的经济分配第二、三个目标也称为LFC（LoadFrequencyControl负载频率控制）74

电力系统自动化AGC的一般过程跟踪控制调节控制机组控制发电计划调速器气轮机负荷预测机组组合水电计划交换计划电力系统发电计划区域控制误差机组分组dfPG75

电力系统自动化AGC对机组功率的分配AGC对机组功率的分配包括两个部分：按经济调度原则分配计划负荷和计划外负荷，送出基点功率值；将消除误差式区域控制误差所需要的调节功率PR分配给机组76

电力系统自动化AGC与其他应用软件的关系机组组合发电计划水电计划负荷预测AGC交换计划安全约束调度状态估计最优潮流计划限制潮流网损修正77

电力系统自动化3.4电力系统低频减载78

电力系统自动化a)事故情况下，系统可能产生严重的有功缺额，因而导致系统频率大幅度下降。b)所缺功率已经大大超过系统热备用容量，只能在系统频率降到某值以下，采取切除相应用户的办法来减少系统的有功缺额，使系统频率保持在事故允许的限额之内。c)这种办法称为按频率自动减负荷。中文简拼为“ZPJH”，英文为UFLS（UnderFrequencyLoadShedding）。一、概述79

电力系统自动化（1）系统频率降低使厂用机械的出力大为下降，有时可能形成恶性循环，直至频率雪崩。（2）系统频率降低使励磁机等的转速也相应降低，当励磁电流一定时，发送的无功功率会随着频率的降低而减少，可能造成系统稳定的破坏。二、系统频率的事故限额80

电力系统自动化（3）电力系统频率变化对用户的不利影响：频率变化将引起异步电动机转速的变化。系统频率降低将使电动机的转速和功率降低。（4）汽轮机对频率的限制。（5）频率升高对大机组的影响。（6）频率对核能电厂的影响。二、系统频率的事故限额81

电力系统自动化系统频率变化不是瞬间完成的，而是按指数规律变化，其表示式为式中-由功率缺额引起的另一个稳定运行频率

-系统频率变化的时间常数，它与系统等值机组惯性常数以及负荷调节效应系数KL

∗有关，一般在（4～10）间。大系统Tf较大，小系统Tf较小。

三、系统频率的动态特性82

电力系统自动化按频率自动减负荷装置“ZPJH”四、自动低频减载的工作原理83

电力系统自动化“轮”：计算点f1、f2,…fn点1：系统发生了大量的有功功率缺额点2：频率下降到f1，第一轮继电器起动，经一定时间Δt1点3：断开一部分用户，这就是第一次对功率缺额进行的计算。点3-4：如果功率缺额比较大，第一次计算不能求到系统有功功率缺额的数值，那么频率还会继续下降，很显然由于切除了一部分负荷，功率缺额已经减小，所有频率将按3-4的曲线而不是3-3'曲线继续下降。84

电力系统自动化点4：当频率下降到f2时，ZPJH的第二轮频率继电器启动，经一定时间Δt2后点5：又断开了接于第二轮频率继电器上的用户。点5-6：系统有功功率缺额得到补偿。频率开始沿5～6曲线回升，最后稳定在f∞(2)。逐次逼近：进行一次次的计算，直到找到系统功率缺额的数值（同时也断开了相应的用户）。即系统频率重新稳定下来或出现回升时，这个过程才会结束。

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电力系统自动化1）保证在系统发生最大可能的功率缺额时，也能断开相应的用户，避免系统的瓦解，使频率趋于稳定。2）对系统中可能发生的最大功率缺额应作具体分析：有的按系统中断开最大容量的机组来考虑；有的要按断开发电厂高压母线来考虑等。3）系统功率最大缺额确定以后，就可以考虑接于减负荷装置上的负荷的总数。要求恢复频率fhf可以低于额定频率。4）考虑到负荷调节效应，接于减负荷装置上的负荷总功率PJH可以比最大功率缺额Pqe小些。五、最大功率缺额的确定86

电力系统自动化根据负荷调节效应系数公式

可以得到或式中——恢复频率偏差的相对值，

——减负荷前系统用户的总功率。

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电力系统自动化例：3-3某系统的用户总功率为Pfhe=2800MW，系统最大的功率缺额Pqe=900MW，负荷调节效应系数KL∗=2，自动减负荷动作后，希望恢复频率值fhf=48Hz，求接入减负荷装置的负荷总功率PJH。

解：减负荷动作后，残留的频率偏差相对值由式（3-47）得

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电力系统自动化89

电力系统自动化1）第一级动作频率一般的一级启动频率整定在49Hz。2）最后一轮的动作频率自动减负荷装置最后一轮的动作频率最好不低于46～46.5Hz3）前后两级动作的频率间隔前后两级动作的时间间隔是受频率测量元件的动作误差和开关固有跳闸时间限制的。六、各轮动作功率的选择90

电力系统自动化1)系统频率的最后稳定值在最大恢复频率fhfmaxi与最小恢复频率fhfmini之间2)（fhfmaxi－fhfmini）是正比于ZPJH第i次的计算误差的3)当ZPJH动作后，可能出现的最大误差为最小时，ZPJH就