发电控制与频率调节课件

第五讲 发电控制与频率调节黄琦博士电子科技大学自动化工程学院电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室主要内容n概述n数学模型q发电机模型q负荷模型q原动机模型q调速器模型q联络线模型n自动发电控制电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室概述-电力系统的频率特性电力系统的频率特性 n1）并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为：n式中 P发电机组转子极对数 n n 发电机组的转数（r/min）n f电力系统频率（Hz）n显然，电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速。电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室概述-电力系统的频率特性电力系统的频率特性n2)电力系统频率一致。电力系统频率一致。n3)任一时刻，发供平衡。任一时刻，发供平衡。n4)负荷增加时，系统出现了功率缺额，机组的转负荷增加时，系统出现了功率缺额，机组的转速下降，整个系统的频率降低。速下降，整个系统的频率降低。n5)调频与有功功率调节是不可分开的。调频与有功功率调节是不可分开的。n6)调频是一个要有整个系统来统筹调度与协调的调频是一个要有整个系统来统筹调度与协调的问题，不允许任何电厂有一点问题，不允许任何电厂有一点“各自为政各自为政”的趋的趋向。向。n7)调频与运行费用的关系也十分密切。调频与运行费用的关系也十分密切。n8)力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室概述-负荷与频率变化实际负荷变化曲线实际负荷变化曲线实测频率变化曲线实测频率变化曲线电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室概述-电力系统的频率特性电力系统的频率特性n9）负荷的变动情况可以分成几种不同的分量：）负荷的变动情况可以分成几种不同的分量：n一是变化周期一般小于一是变化周期一般小于10s的随机分量；的随机分量；n二是变化周期在二是变化周期在10s3min之间的脉动分量；之间的脉动分量；n三是变化周期在三是变化周期在3min以上的持续分量，负荷预测预以上的持续分量，负荷预测预报这一部分。报这一部分。n10）第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来）第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。n11）第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调）第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。n12）第三种负荷变化，调度部门的计划内负荷，这称）第三种负荷变化，调度部门的计划内负荷，这称为频率的三次调整。为频率的三次调整。电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室概述n经济调度和机组计划安排建立了基于经济考虑的最佳运行点；n运行点需要通过发电控制来实现：q各个发电机单元的本地控制q调度中心大系统控制和互联控制q多个电网和独立发电厂（Independent Power Produces,IPPs）的区域控制nISO-Independent System OperatornRTO-Regional Transmission System Operator电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室概述n考虑一个含多台发电机的电力系统q负荷持续变化q需要采取适当的控制措施来将负荷变化分派到各台发电机n调速器维持发电机机械速度（频率）n辅助控制系统动作实现负荷的分配q影响电能输出q通常需要远端信号电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室系统负荷变动系统负荷变动（1 1）变动周期小于）变动周期小于10s10s，变化幅度小，变化幅度小:小操作、线路摇摆等小操作、线路摇摆等（3 3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律（2 2）变动周期在（）变动周期在（10s10s，180s180s），变化幅度较大：大电机、电），变化幅度较大：大电机、电 炉启停炉启停调速器调速器频率的一次调整频率的一次调整调频器调频器频率的二次调整频率的二次调整根据预测负根据预测负荷，在各机荷，在各机组间进行最组间进行最优负荷分配优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）电力系统的经济运行调度（发电计划）发电机模型、负荷模型、原动机模型、调速器模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电系统及其控制系统电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电机模型每台发电机上安装的调速器实现对频率的一次调节每台发电机上安装的调速器实现对频率的一次调节（primary control），控制中心的辅助调节来实现），控制中心的辅助调节来实现发电负荷的分配发电负荷的分配发电和频率控制也经常被成为负荷频率控制（发电和频率控制也经常被成为负荷频率控制（LFC：Load-frequency control）电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电机模型n =rotational speedn =rotational accelerationn =phase angle of a rotating machinen Tnet=net accelerating torque in a machinen Tmech=mechanical torque exerted on the machine by the turbinen Telec=electrical torque exerted on the machine by the generatorn Pnet=net accelerating powern Pmech=mechanical power inputn Pelec=electrical power outputn I=moment of inertia for the machinen M=angular momentum of the machineqall quantities,except for the phase angle,are expressed in per unit on the machine base and/or the standard system frequency baseqsteady-state and nominal values have a“0”subscript added电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电机模型n基本关系q加速原理：q动量原理：q能量方程：n相角偏差电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电机模型与标称值的偏差：与转矩关联：出力偏差：电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电机模型Laplace变换：电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室负荷模型n通常为电阻性负荷和感应电动机负荷，负荷变化通常来自负荷本身的变化和由于频率变化导致的负荷变化：电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室负荷模型n传递函数框图：n从原动机侧看进去：电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室负荷模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室负荷模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室原动机模型（Prime-mover Model）n原动机驱动发电机发电q汽轮机q水轮机n惯性时间常数（“Charging time”time constant），Tchn汽门开度：电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室原动机模型（Prime-mover Model）汽轮机模型（汽轮机模型（3-级）级）水轮机模型水轮机模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器（Governor）模型n调速器补偿转子速度变化：q负荷变化最终会引起转子速度变化q转速变化也可以看成系统频率变化n同步调速器电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器（Governor）模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器模型n同步调速器：q通过转速偏差的积分来强迫频率偏差趋于零q不能用于两台以上的发电机n机组调速器竞争系统频率n机组之间的负荷分配n采用参考信号提供频率和出力参考输入q加入一个新信号，负荷参考输入信号，控制出力q反馈环中包含R,确定调速特性电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器模型n调速功能实现机组间的负荷分享出力变化导致的频率变化（p.u.）电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器特性n调速器特性n调速器实现机组间出力分配电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室调速器特性通过改变负荷参考输入，可以改变调速器特性，从而在保持系统频率的条件下实现机组分配电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室全系统模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室全系统模型n稳态值：利用Laplace方法：n对于多机系统：联络线模型（Tie-line model）电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室联络线模型n在标幺值情况下，直流潮流（DC load flow）电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室联络线模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室联络线模型n当发生负荷变化后，在稳态情况下：电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室联络线模型电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室算例#5.1电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室算例#5.1(cont.)自动发电控制（AGC:Automatic Generation Control）电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室AGC的主要目标nAGC主要有三大目标：q维持系统频率q维持控制区域的能量交换n在电力市场中，需要履行与相邻区域的联络线功率输送合同q保持每台发电机组经济运行电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室AGC的基本功能1、使发电自动跟踪电力系统负荷变化、使发电自动跟踪电力系统负荷变化2、响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为、响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为额定值额定值3、在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换、在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值功率为计划值4、对周期性的负荷变化按发电计划调整发电功率、对周期性的负荷变化按发电计划调整发电功率5、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室附加控制（Supplementary Control Action）n负荷变化将会引起频率变化，其幅度取决于调速器特性曲线n附加控制将系统频率恢复到标称值（50 or 60 Hz）q通过在调速器中加入积分控制环实现q控制动作通过调整速度参考点输入来强迫频率偏差为零电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室附加控制电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室联络线控制n通常有两个以上电力系统互联，目的有三：1）需要时购买或销售电能；2）在紧急故障情况下提供支援；3）频率恢复时提供共同的频率基准n 定义如下术语与变量n实际净交换总和（total actual net interchange）:+for power leaving the system;for power entering the systemn 预计交换潮流:n联络线潮流变化:电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室联络线控制电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室联络线控制n定义区域控制偏差（Area Control Error:ACE）：需要的发电变化，表示需要恢复频率和区域功率交换预计值区域内需要的发电量。频率偏移因子（频率偏移因子（Frequency Bias Factors）电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电分配n一个控制区域通常包含多台发电机，前面提到的联络线控制只适合单一台机组控制。q经济调度必须要与发电控制联系起来q输入是控制区域需要的出力q输出是各台机组的出力n需求是时刻变化的，因此，这一状态不会持续太久电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电分配n发电分配是通过基准值和参与因子来确定的。电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室发电分配基准值和参与因子n假设微增率曲线的一次和二次导数均存在，则：Participation factor电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室算例#5.2电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室算例#5.2（cont.）电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室AGC实现电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室AGC实现电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室AGC实现电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统控制系统频率控制和频率控制和电压控制的电压控制的根本原因是根本原因是由于负荷的由于负荷的变化变化电力系统广域测量与控制四川省重点实验室电力系统广域测量与控制四川省重点实验室 控制的时间尺度