电力系统自动化 第五章 电力系统频率及有功功率的自动调节

第五章

电力系统频率及有功功率的自动调节第一节电力系统的频率特性概述

电网稳态条件下的频率f是全系统一致的运行参数频率变化是系统负荷与电源之间的功率失去平衡所致。

原动机输入功率：机组的动能第一节电力系统的频率特性电网频率变动情况tP持续分量脉动分量(10S~30MIN)随机分量(<10S)负荷瞬时变动情况★频率波动对电网运行的影响：√偏离电力设备经济运行点；√影响用户生产率和产品质量；√频率过低过高都会危及电网安全运行主要是第二和第三种分量第一节电力系统的频率特性调频与有功功率调节是不可分的，应满足安全运行约束；符合经济运行要求，发挥能源最大效益；频率偏差控制在预定范围内，保证电能质量。★调频是电力系统运行的主要任务之一一般允许频率偏差为±0.1/±0.2Hz★第一节电力系统的频率特性电力系统中各种有功负荷与频率的关系：第一节电力系统的频率特性负荷的功率——频率特性一般可表示为：第一节电力系统的频率特性负荷的调节效应系数第一节电力系统的频率特性电力系统负荷的功率-频率特性

负荷的静态频率特性：频率下降时，负荷功率也下降到；频率上升时，负荷功率也上升到。系统负荷参与了调节作用负荷特性有利于系统中有功功率在另一频率下重新平衡，这种现象称为负荷调节效应。负荷的频率调节效应系数：

决定于负荷的性质因为频率变化很小，所以为一直线，取值范围在1~3之间。fPLfNfbPLNPLbab第一节电力系统的频率特性第一节电力系统的频率特性第一节电力系统的频率特性第一节电力系统的频率特性发电机的功率-频率特性

发电机转矩方程：功率方程：无调速器时，转速和转矩都为额定值。加调速器后，将从一条静态特性曲线向另一条静态特性曲线过渡。P*M*ω*f*PG*MG*1.01.0Pf1233’a’a”a”’第一节电力系统的频率特性有调速系统的发电机功率-频率特性：有差调节调差系数PGfPGbPGaΔPGΔfabfNf1

发电机的静态调节方程:静态特性系数或原动机单位调节功率调差系数主要决定于调速器的静态调节特性第一节电力系统的频率特性调差特性与机组间有功功率分配的关系调差特性与机组间有功功率的分配P1P2ABCfNP1P2P1’P2’ΔP1ΔP2ΣPLΣP’f1图5-7两台机组并列运行的情况因为频率一致,有:调差系数小的承担的有功负荷增量大多台机组并列运行:其特性类似于无功功率的分配第一节电力系统的频率特性调节特性的失灵区

不灵敏区的宽度用失灵度表示：最大误差与调差系数的关系：以标幺值表示为：1、误差功率与失灵度成正比,与调差系数成反比2、过小的调差系数会引起较大的功率分配误差第一节电力系统的频率特性电力系统的频率特性系统频率特性是由负荷频率特性和发电机频率特性共同形成的。A点：fePLB点：负荷增加PL，无调速器，负荷静态频率特性变为PL1，频率稳定值下降到f3，取用功率仍为原来的PL。C点：调速器一次调节，增加机组输入功率PT，频率稳定在f2。D点：调频器二次动作，增加机组输入功率PT，频率稳定在fe。增量功率：第二节调速器原理一、概述调速器通常分为机械液压调速器和电气液压调速器（简称电液调速器）。

1、机械液压型调速器死区较大，动态性能指标较差，且难于综合其他信号参与调节。（目前还用于柴油机上）

2、电液调速器分为模拟型和数字型。现在投运的大型汽轮发电机组已采用数字电液控制（DigitalElectro-HydraulicControl）第二节调速器原理二、机械液压调速器

图5-10机械液压调速器原理测速部分是由汽轮机主轴带动的齿轮传动机构和离心飞摆组成，A点位移代表了转速变化。油动机和错油门实际上又是一个放大器，通过机液机构所产生的强大作用力，把E点微小的位移转化为调节气阀开度的变化。第二节调速器原理二、机械液压调速器

图5-10机械液压调速器原理机械杠杆ACB和DFE联合组成了一个加法器和位移反馈环节。1、如果B和D点不动，A点上移，带动E点上移。2、如果A和D点不动，B点下移，带动E点下移。因此，E点位移正比于A、B两点位移之和，具有加法特性（注意图5-11A、B两点符号相同）。3、如果C点不动，B点移动时，将使A点产生位移，具有反馈性质。第二节调速器原理二、机械液压调速器

图5-10机械液压调速器原理调节过程：1、转速上升，A、C、E、F上移，油动机关小调节阀。2、B、C、F、E随油动机活塞同时下移，直到错油门重新堵住上下油腔位置（C点归位），一轮调节结束。3、此时，B点位置已经下移，而C点位置不变，A点位置就不可能回到调节前位置。这就是有差调节。4、要回到原来的位置，只有改变D点的位置，即改变给定（二次调频，平移特性）第二节调速器原理三、功率-频率电液调速器（模拟型）

图5-14功率-频率电液调速系统原理图速度反馈环功率反馈环第二节调速器原理三、功率-频率电液调速器（模拟型）

图5-14功率-频率电液调速系统原理图1、转速测量：磁阻发生器、频率/转速-电压变送器。2、功率测量：霍尔功率变送器：其输出比例于两个输入量的乘积。3、转速和功率给定环节：精密电位器4、电液转换及液压系统调速器的运行，类比于AVR：并网前、并网后（△f=0）第二节调速器原理四、数字式电液调速器

见图5-22第三节电力系统的频率调节系统及其特性调节系统的传递函数（单区域系统）

发电机功率增加负荷功率减少系统动能功率平衡起作用的三个部分：方程式（5-43）对于多区域系统，则会有联络线上功率的增加第三节电力系统的频率调节系统及其特性调节系统的传递函数（单区域系统）

方程式（5-56）控制区i总输出功率增量为（其值为与区域i相连的各联络线中功率增量之和）：第三节电力系统的频率调节系统及其特性调节系统的传递函数（单区域系统）

方程式（5-61）将i区等效为一个惯性环节，传递函数为Gpi(s)第三节电力系统的频率调节系统及其特性调节系统的传递函数（单区域系统）

考虑互联系统时，计及图5-27的框图，控制区i一次调节系统的闭环框图如图5-30所示（P145）：图5-29单个区域的闭环调节框图将汽轮机发电机传递函数代入得下图（注意此时没有△Pti(s)）：第三节电力系统的频率调节系统及其特性电网的频率调节特性

图5-31系统动态响应曲线当负荷突然增加时，系统功率平衡破坏，起初瞬间频率尚未下降，调速器未动，所以发电机输入功率不变。增加的负荷由系统动能供给，随着动能减小，转速下降，调速器动作，增加发电机输入功率。同时，由于频率的下降，负荷的调节效应使它吸取功率有所减小。第三节电力系统的频率调节系统及其特性多区域系统特性

图5-32两区域系统的控制框图联合调频比单区域系统调节好。第四节电力系统自动调频一、概述系统频率的波动，主要是由于负荷变化引起的。调频是二次调频；调速器的动作是一次调频。燃料费用和线路损耗是考虑经济运行的重要因素。现代电力系统的调频主要任务：不只是维持系统频率在给定水平，同时还须考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性。第四节电力系统自动调频电厂带基本负荷厂1调频厂1调频厂2调频厂3调峰厂1调峰厂2调峰厂3带基本负荷厂2带基本负荷厂3第四节电力系统自动调频调频方法（改变给定△P）调频是二次调节，自动改变功率给定值△Pc，用移动调速器的调节特性的办法，使频率恢复到额定值。调速器的控制电机称为同步器或调频器，它是一个积分环节，只有在输入信号为零时，才不转动，停止调节。控制调频器的信号有比例、积分、微分三种基本形式。第四节电力系统自动调频一台发电机（主导机）。调差目标其它成比例配合。效果一般，用于小系统。AGC同步时间法联合自动调频按频率偏差的积分值调节。主导发电机法二、调频方法（改变给定△P）第四节电力系统自动调频主导发电机法

一台发电机（主导机）。调差目标（无差调频器）：其它成比例配合。效果一般，用于小系统。第四节电力系统自动调频同步时钟法（积差调节）按频率偏差的积分值调节。其调节方程为：稳态时频率是电力系统的统一参数，各点的值相同，所以同步时间法可适用于众多电厂参与调整。由于它的调节速度比较慢，不能保证频率的瞬时偏差在规定的范围，所以通常不单纯采用积差调节。改进的频率积差调节方程为：调节结束时：第四节电力系统自动调频同步时钟法（积差调节）计划外负荷总的调节量为：各机组调节量为：调频结束时，计划外负荷按一定比例在调频机组间分配。第四节电力系统自动调频同步时钟法（积差调节）积差调频有集中式和分散式两种方式：集中式第四节电力系统自动调频同步时钟法（积差调节）积差调频有集中式和分散式两种方式：分散式第四节电力系统自动调频联合自动调频AGC(AutomaticGenerationControl)的基本任务:1、维持系统频率为额定值。2、控制地区电网联络线的交换功率与计划值相等，实现各地区有功功率的就地平衡。3、在安全运行的前提下，所管辖系统范围内，机组间负荷实现经济分配。第四节电力系统自动调频自动调频示意图：第四节电力系统自动调频通讯方式：远动通道、计算机网络。两种指令方式：直接下达到机组、下达全厂总调节量恒定频率控制法FFC第四节电力系统自动调频联合电力系统的调频恒定交换功率控制FTC无关频率。一个系统与另一个系统之间交换的Pt恒定，但f可能会变。有协议的因素。频率联络线功率偏差控制TBC全部都考虑。大型电力系统常用第四节电力系统自动调频频率联络线功率偏差控制TBC区域调节作用的信号称为区域控制误差ACE。相应的控制功率当负荷变动时，调整目标设A有二次调频，B有一次调频。且即最终使得第五节电力系统经济调度与自动调频经济调度控制，EDC，三次经济调整等微增率微增率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分配负荷，就可使系统总的燃料消耗（或费用）为最小。第五节电力系统经济调度与自动调频三种典型的耗量特性曲线及其微增率曲线：（a,d）、锅炉（b,e）、发电机（c,f）、汽轮机耗量微增率：第五节电力系统经济调度与自动调频举例：两台机组并联运行第五节电力系统经济调度与自动调频

数学推导过程：第五节电力系统经济调度与自动调频数学推导过程：第五节电力系统经济调度与自动调频数学推导过程：因此，使总燃料消耗最小的条件是式（5-109）对功率的偏导数为零，即：第五节电力系统经济调度与自动调频数学推导过程：因PL是常数，同时各机组的输出功率又是相互无关的，所以第五节电力系统经济调度与自动调频数学推导过程：设每台机组都是独立的，那么每台机组燃料消耗只与本身输出功率有关。因此，式（5-112）可写成由此可得即第五节电力系统经济调度与自动调频发电厂内并联运行机组的经济调度准则：各机组运行时的微增率b1，b2，…，bn相等，并等于全厂的微增率λ。第五节电力系统经济调度与自动调频发电厂之间负荷的经济分配要计及线路功率损耗。系统总燃料消耗为：总的发电功率与负荷PL及线损Pe相平衡，即：拉格朗日方程为：则第五节电力系统经济调度与自动调频