功率频率控制系统的模型与仿真(共17页)

1、指导教师杨晶显西北民族大学电力系统自动化课程设计题目：功率频率控制系统的模型与仿真张莲昌P081412849专业班级09电气工程及自动化（1）班摘要在现实中系统功率并不是一个恒定的值，而是随时变化的，在系 统中，每时每刻发电功率和用电功率基本平衡。而功率又是影响频率 的主要因素，当发电功率与用电功率平衡时，频率基本稳定，当发电 功率大于用电功率时系统频率则上升，反之则下降，所以系统对有功 功率和频率进行调整。本文研究了电力系统频率及有功功率的自动调 节进行了详细的研究与论证。第一章频率和有功功率自动调节的必要性K电力系统频率调节的必要性A频率对电力用户的影响（1）电力系统频率变化会引起异步电动

2、机转速变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品 的机械的转速发生变化，转速不稳定会影响产品质量,，萇至会出现次品和废品。（2）电力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,频率过低时有 些设备其至无法工作。这对一些重要T业和国防是不能允许的。（3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和岀力 降低，影响电力用户设备的正常运行。B频率对电力系统的影响（1）频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。对于额 定频率为50Hz的电力系统当频率低到45Hz附近时，某些汽轮机的叶片可能I大I发工共振而断 裂，造成重大事故。（次

3、同步谐振，1970、1971年莫哈维电厂790MW机纽.的大轴损坏事故）（2）频率下降到47-48HZ时，火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机、送煤机）的出力 随Z下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。这种趋势如果不能及时制止，就会在短 时间内使电力系统频率下降到不能允许的稈度。这种现象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造 成大面积停电，英至使整个系统瓦解。（3）在核电厂屮，反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。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。（4）电力系统频率下降时屏步电动机和变压器的励磁电流增加，使无功消耗增加，引起系统 电压下降，频率下降还会引起励磁机出

4、力下降,并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降 低。如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时，可能岀现所谓电压雪助现象, 出现电压雪崩也会造成大血积停电，共至使系统伍解。A维持电力系统频率在允许范围之内电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有电机组发出的有功功率总和与系统内所 有负荷消耗（包括网损）的有功功率总和2间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变 化的，从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围Z内，就是要及时调节系 统内并联运行机组的有功功率。B提高电力系统运行的经济性系统总容量能够满足负荷需求，但没有确定哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各 应该发多少

5、有功功率才是授为经济的。电力系统有功功率控制的任务Z就是要解决这个问 题，这就是电力系统经济调度。c保证联合电力系统的协调运行电力系统的规模在不断地扩大，已经岀现了将几个区域电力系统联在一起纟H成的联合电 力系统，有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事 先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统Z间联络线上通过的功率 和电量实行控制。第二章电力系统的频率特性K发电机组和电力系统等效发电机组的功率频率静态特性发电机组的功率频率静态特性如右上图，当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频 率变化。等效发电机组（电网屮所有发电机组的等效机组） 的功率频

6、率静态特性女U右中图所示，它跟发电机组的 功率频率静态特性相似由此可见，发电机纟fl和等效发电机纟H的功率频率 静态特性都是向下倾斜的，其稈度用调差系数表示， 其倒数称为出力的频率调节效应系数：fl8 =A/ Pg1A/Kgk=o1AP&调养系数是一个可以柴定的参数，反映的定机纽或系统对 频率变化的敏感程度。2、电力系统综合负荷的静态频率特性电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负荷吸 取的有功功率有的与频率无关，有的与频率的一次方成正比, 有的与频率的二次方成正比，有的与频率的更高次方成正比。PG1 PG2OPG1 PG2综合负荷与频率的关系可表示成:、2+色片,，PG巴* =為+ ax

7、 .人+色.尸+P =3-rPlPn -d。+4 +q? an = 1频率一般在额定频率附近，频率偏移也很小，因此可将 负荷的静态频率特性近似为肓线。负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调节 效应系数。负荷的频率调节效应系数记为K.OPL1PL2 PL3G23. 电力系统的频率特性电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。如果把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电 力系统是由两个环节组成的闭环系统。发电机纟fl的功 率频率特性和负荷的功率频率特性的交点就是电力系 统的频率的稳定运行点。如右图，当等效发电机运行在特性G1,综合负 荷特性为L1时，系统运行在a点，系统频率为fl。第三章电力系

8、统频率的调节理1、电力系统频率的一次调整当系统负荷增加，综合负荷特性为L2时，如果不改变发电机调速系统的设定值，等效 发电机特性仍然为G1,系统会运行在新的平衡点一b点，系统频率为如果当系统负荷增加，综合负荷特性变为L2时，改变发电机调速系统的设定值，等效 发电机特性变为G2,则系统运行在c点，系统频率冋到fl。当系统负荷增加，综合负荷特性为L2时，若发电机调速系统的设定值不变，等效发电 机特性仍然为G1,系统运行在b点，系统频率为f2。这种由发电机特性和负荷调节效应共 同承扌！!系统负荷变化，使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。对于右图，频率一次调整的结果：L1OPL1 PL2

9、PL3发电机有功功率增加了 PL2-PL1,负荷调节效应 是负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率少吸收 PL3-PL2,系统频率降低到f2。当系统负荷减少时，频率的一次调整过程与 上述相反。即系统频率升高，发电机有功功 率减少，负荷调节效应使负荷吸取的有功功率相对于 原频率下的功率有所增加。2、电力系统频率二次调整当系统负荷变化较大，频率的一次调整的结果使系统频率过高或过低时，需要改变发 电机调速系统的设定值，使系统频率恢复到规定范围内。对于右图，等效发电机特性由G1 变为G2,系统频率回到fl。频率二次调整的结果（相比一次调整）：发电机有功功率增加了 PL3-PL2负荷调节效应使得负荷功率

10、多吸收了 PL3-PL2 频率提高：fl-f2总的调整结果：发电机有功功率增加了 PL3-PL1负荷功率增加了 PL3-PL1 o频率维持fl。当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到规定范刑内的频率调整称为频率的二次调整。 电力系统频率的二次调整任务是由调频发电厂中的发电机组承担的。3. 电力系统有功功率调整（频率的二次调整）随机分蚩脉冲分呈持续分星负荷总的变化情况在频率的二次调整Z前，让我们先看看电力系统负荷的变化情况。见下图。由上图可见，总的负荷可分成二个部分:发电计划加二次调频次调频-、二次调频负荷的持续分量，调度部门丿IJLI负荷曲线来描述。口负荷曲线示例如

11、下:从以上口负荷曲线可看到，把负荷分成基荷和峰荷。相应地，调度部门把发电丿 分为三类：带基荷发电厂：岀力基木不变（核电厂）调峰发电厂：根据分时段的发电计划控制 调频发电厂：AGC白动控制调度部门按口负荷曲线把各时段发电计划下发到备类发电厂，预设的发电计划与 实际负荷不可能完全一致，其差值称为计划外负荷。计划外负荷由调频厂承扌由此可见，调度部门使用发电计划来解决大部分有功功率平衡问题的，利用AGC 屮的H动调频功能来解决无法预计的负荷变化。4. 自动调频系统自动调频系统是一个闭环反馈控制系统，主要由两大部分组成：机组控制器。主要用来控制机纽调速器的调节特性（通过调频器），使机组在额定频率 下发出

12、设定的出力。负荷分配器。根据电力系统频率偏差以及与相邻电力系统交换功率的偏差信号，按一 定准则计算出各机组的应发出力。（分为电厂级和系统级）5、自动调频方法一积差调节法最简单的功率分配其中:Ks为系统的单位调节功率。 a i为分配系数Psi为机组的设定出力。积差调节法：根据系统频率偏差的根据系统频率偏差的累积值进行调节。 积差调节方程：若系统只有单台发电机调频心sfdt s 0（ft b% : -其屮：K为调频功率比例系数。A/0.丙此* A/de 0 /0 f4A/dr 0,t3-t4：*bPf； = - 4：j 5A/d（今 j 4A/dr. =GlJK. %”=P&2调节方程：多台发电机

13、调频K心Pg + |a/Iz o 03Pg | A/dx = 0r心 AP& + |A/（k = 0JPa = - 1 A/df （i = 1. n）或者写成通用形式：A 因为Af是全网统一的，所以f Afdt相等，而且L APGi等于系统的计划外负荷 Pl，则 有：屮=,皿八卜5代冋到前方程，则可得到毎台调频机组承担的负荷（负荷分配）：Pq = F（i = 1K J工吉）调节结束时，备调频机组发电出力增量按一定比例自动地分扌I!了计划外负扌I!,使系统有 功功率重新平衡。积差调节的缺点是积差信号滞后于系统频率的瞬间变化，调整过稈缓慢。6. 调频电厂的选择足够的调整容量和调整范围调频机组具有与

14、负荷变化速度相适应的较快的调整速度。机组具备实现自动调频的条件在电网屮的位置及其输送通道、输送能力调整机组的有功功率时能够满足安全和经济运行的原则调整过程屮不能使屮枢节点电压波动超出允许范围对于联网系统，还要考虑调频引起的联络线上交换功率的波动是否超岀范围。分为主调频厂、辅调频厂。（其他为非调频厂）第四章功率频率控制系统的模型与仿真在互联系统屮，每一台发电机上都安装了负荷频率控制（PLC）和自动电压调整 （AVR）,基本的发电控制环如图327所示。负荷频率控制器设置了个频率的 设定值，它检测频率和发电机有功功率的微小变化，调整汽轮机阀门开度，保持 发电机的频率在一个允许的范围内。H动电压调整控

15、制器设置了一个电压的设定 值，它检测极端电压和无功功率微小变化，调整发电机励磁电流，保持发电机的 极端电压在一个允许的范围内。励磁系统吋间常数比原动机吋间常数要小很多， 因而它的暂态衰减要快得多，且不会影响LFC的动态特性，因此LFC控制环和 AVR控制环可以看成是互不影响的两个控制环，可以将其分开来分析。SteamExcitationsvstcmTurbnic一 ien heldValve control mechanismA/VFrequency* -sensorLoad frequcficy control (LFC)i图3 - 27同步发电机LFC利AVR的示意图一、调速系统模型发电机

16、的调速系统由电动机、发电机、负荷和调速器组成。分析和设计控制系 统的第一步是建立系统的数学模型，而建立模型的最普遍的两种方法是传递函数 法和状态变量法。状态变量法可以应用到线性和非线性系统，而为了用传递函数 法和线性状态方程，首先必须将系统线性化，即用合理的假设和近似将数学方程 线性化，获得以下元件的传递函数。发电机模型根据同步发电机的摆动方程式，小扰动有22H U- ? - = Pm - Pe （3-54）CDs cl t或根据速度偏差rA 0)d -竺=丄(AP加0) - Pe(3-55)dt 2H速度是标幺值，不写标幺值标识，有dA 2 =丄(APm(.v) - APe)(3-56)dt

17、 2H对式（3-56）做拉格朗日变换，有 式(3-57)的关系可以用框图表示，如图3-28所示。AQ（5）=2Hs（APm（5）一 APe（5）(3-57)负荷模型电力系统的负荷由各种用电设备组成。对电阻性负荷，比如电灯和加热设备，消 耗的电能与频率无关。屯机负荷对频率的变化比较嬪感，其敏感程度取决于驱动 设备速度一负荷特性的总和。综合负载的速度一负荷特性近似表示为Pe = pi+8co (3-58)式屮APl非频率每攵感设备的功率变化;必w频率敏感设备的功率变化；负荷变化的百分数与频率变化的百分数Z比，若频率变化1%,负荷 用电量变化1.6%则5 = 1.6。A/国3 29发电机和负倚框图在

18、发电机模型屮加入负荷模型，画出图3-29的框图。去掉反馈环，则得到图330框图。图3 - 30发电机和负荷框图(三)原动机模型机械功率的源就是原动机，它可以是水轮机，汽轮机或燃气轮机。输出功率的变化AP加取决于蒸汽的开度APvo不同类型的涡轮机特性差别很大。对无再热蒸汽轮机，原动机模G3 =嘗暑1 + r7(3-59)型可以近似用一个时间常数弓来表示，传递函数有 简单无再热汽轮机的框图如图3-31所示。11 +Tj5图3 - 31简单无再热汽轮机框图时间常数耳的范围是0.22. Oso（四）调速器模型调速器好比一个比较器，它的输出APg是设定功率4/和功率恰3的差。由调 速器特性给出有(3-6

19、0)(3-61)Pg($) = APrefa)R或频域Pg(s) = Pref(s)- AQ(5) R指令APg经过液压放大传递给阀门开度位置指令AP-假定一个线性关系并认为 时间常数为，则有以下的频域关系式APv(.v) =AP(5)1 +TgS(3-62)二、包括励磁系统的AGC由于LFC和AVR系统Z间联系较弱，可以将频率和电压咄值分开控制，这里将线性化的AGC扩展，使Z包括励磁系统。由式（370）可知功率的微小变化是同步功率系数Ps和公角的微小影响，就有以下的线性化方程为A Pe=Ps Act +K2E公式屮(3-82) 是定子电动势的变化对功率变化的影响。同样，考虑转子公角对发电机机

20、 端电压的影响，有t/广 K,b+K6E，公式屮K5当定了电动势为常数时，机端电压的变化相对转了公角的变化；K6当转了公交为常数时，机端电压的变化相对定了电动势的变化； 最麻为了推出包括转子公角的发电磁场传递函数，将定子电动势表示为E，磊Kg上面公式屮的常数是有网络参数和运行状态决定的。对于稳态系统，Ps是正值，同样K2、K4、k6为正值，但k5可能为负值。一个孤立的发电站的组合仿真框图如图3-57所示，其参数见表3-5. 表35孤立发电站参数设备增益时间常数汽轮机Kt=1t t=0.4调速器Ko=l匕T放大器Ka=10T A=0励磁机Ke=1t e=0.5发电机Kg=1T g=L5传感器Kr

21、=1t r=0.04惯性常数 调差系数H=6R=0.04当频率变化1%时负荷变化0.8%,即=0.8。假定同步功率因数Ps=1.5,电压系数为心=05, 并且耦合常数心=().2、2=1.4、K5= -0.10建立混合SIMULINK仿真框图，并求当负荷标幺值变 化 Pl1=0.25时的频率偏差和机端电压响应。仿真框图频率偏岸阶跃响应机端电压阶跃响应第四章总结由于电能是无法大量储存的，所以电网时时刻刻都是与负载保持平衡，即用多少发多 少。当有功功率过多，会导致电压上升，频率增加，当有功功率过少，则电压下降，频率 降低。实际电压偏高将造成设备过电压，威胁绝缘和降低使丿I寿命；实际电压偏低，将影响 用户的正常丁作，使用户设备和电器不能正常运行或停止运行。频率偏低，使用户电动机转 速下降，功率降低，造成机械出力下降；频率偏高，使用户电动机转