电力系统频率及有功功率的自动调节

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,12345你好,电力系统,自动装置原理,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,12345你好,第五章 电力系统频率及有功功率的自动调节,发电自动控制示意图,第一节 电力系统的频率特性,一、概述,频率是电能质量的重要指标之一。,电网稳态条件下的频率,f,是全系统一致的运行参数,忽略机组内部损耗时：,如果由于负荷的突然变动，是发电机组的输出功率增加,则：,机组的输入功率小于负荷要求功率，为了保持平衡，把转子的一部分动能转化成电功率，使发电机转速降低，系统的频率下降。,第一节 电力系统的频率特性,频率变化是系统负荷与电源之间的功率失去平衡所致。,调频与有功功率调节密不可分。,电力系统负荷不断变化，原动机输入功率变化缓慢，频率 波动在所难免。,电力系统运行的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制。,频率偏差允许范围：一般偏差不超过,0.2Hz,，有点地区为,0.1Hz,机组的动能,电力系统的频率特性,电网频率变动情况,t,P,持续分量,脉动分量,随机分量,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,二 电力系统负荷的功率,频率特性,当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变, 这种有功负荷随频率而改变的特性叫做,负荷的功率频率特性,。,与频率变化无关,的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等；,与频率成正比,的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等；,与频率的二次方成比例,的负荷，如变压器中的涡流损耗，但这种损耗在电网有功 损耗中所占比重较小;,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。,电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为以下几类，,负荷的功率,频率特性一般表达式,一般情况下，取到三次方即可。,负荷的组成和性质确定后，负荷静态频率特性也确定。,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 。,系统功率失去平衡时，系统负荷也参与了调节作用。系统的负荷随频率下降,的,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,。,f,P,L,f,N,f,b,P,LN,P,Lb,a,b,负荷的频率调节效应系数,负荷的有功功率频率静态特性,简化表达,在电力系统运行中，允许频率变化的范围是很小的,，负荷有功频率静态特性用一条近似直线来表示。,是系统调度部门要求掌握的实测数据，取值范围在,13,之间,。,取决于负荷的性质，与各类负荷所占的比例有关,。,例,5-1,某电力系统中,与频率无关的负荷占,30,与频率一次方成,比例的负荷占,40,与频率二次方成比例的负荷占,10,与,频率三次方成比例的负荷占,20,.,试求当系统频率由,50HZ,下降到,47HZ,时,负荷功率变化的百分数及其相应的,K,L*,的大小,.,解,:,由公式可以求出频率下降到,47HZ,时系统的负荷为,:,P,L*,a,0,+a,1,f*+a,2,f*,2,+a,3,f*,3,=0.3+0.40.94+0.10.94,2,+0.20.94,3,=0.93,则,P,L,%=(1-0.93),100%=7%,f%=(1-47/50),100%=6%,于是,K,L*,=,PL*,%/,f*,%=7/6=1.17,例,5-2,某电力系统总有功负荷为,3200MW(,包括电网的有功,损耗,),系统的频率为,50HZ,若,K,L*,=,1.5,试求,K,L .,解,由式,(4-8),可得,K,L,=,K,L,*,(,P,LN,/,f,N,)=1.5,(3200/50)=96(MW/H,Z,),若系统负荷增长到,3650MW,时,则有,K,L,=,1.5,(3650/50)=109.5(MW/H,Z,),*,由此可知,K,L,的数值与系统的负荷大小有关,.,三、发电机组的功率,频率特性,三、发电机组的功率,频率特性,（一）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，,输出功率最大值。,P,*,M,*,*,f,*,P,G*,M,G*,1.0,1.0,三、发电机组的功率,频率特性,（一）发电机的功率,-,频率特性,但发电机配置调速器后，随着转速的变动，不断调节进气量，使原动机的运行点从一条静态特性曲线向另一条静态特性曲线过渡。,P,f,1,2,3,3,a,a,”,a,”,有调速系统的发电机功率,-,频率特性：,功率调整时，频率有变化，为,有差,调节特性。,特性曲线的斜率为：,标么化：,或,P,G,f,P,Gb,P,Ga,P,G,f,a,b,f,N,f,1,（二）调差特性与机组间有功功率分配的关,系,两机组间的功率增量分配,P,1,P,2,f,A,B,C,f,N,P,1,P,2,P,1,P,2,P,1,P,2,P,L,P,f,1,发电机的功率增量用用各自的标幺值表示时，在发电机组间的功率分配与机组的调差系数成反比。调差系数小的的机组承担的负荷增量标幺值较大，调差系数大的的机组承担的负荷增量标幺值较小。,对没有调节容量的机组(调差系数趋于无限大)应以,P,iN,R,i*,为,零,代入；,多台机组调差系数等于零是,不能,并联运行的；,一台机组的调差系数等于零与多台有差调节机组的并列运行是,不现实,的。,在电力系统中，所有机组的调速器都为,有差调节,，由它们共同承担负荷的波动。,几点注意,(,三）调节特性的失灵区,失灵度,f,P,f,W,f,W,P,W,P,W,f,N,P,N,过小的调差系数会引起较大的功率分配误差。,为避免系统在频率微小波动时动作，会人为加不灵敏区。,汽轮发电机组的不灵敏区为,0.1%-0.5%,水轮发电机组的不灵敏区为,0.1%-0.7%,调速器的最大频率呆滞,机组的最大误差功率,调速器的频率调节特性是条带子，导致并联运行的发电机组间有功功率分配产生误差。,（四）电力系统的频率特性,电力系统的频率特性,电力系统由发电机、输电网络、负荷组成。,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。,（四）电力系统的频率特性,电力系统的频率特性,负荷的功率,-,频率特性和发电机组的功率,-,频率特性的交点就是电力系统频率的稳定运行点。,无调速,有调速,到状态,b,，,P,L,未变，,P,G,没增加,到状态,c,，再调可以到状态,d,P,f,P,L,= f(,f,),P,L1,= f(,f,),a,P,L,f,N,b,d,P,L1,P,L,c,P,L2,f,3,f,2,P,L1,P,L2,P,G,=f(f),调速器的调节作用被称为一次调节。,电力系统的频率特性,思考题,1,已知：某电力系统， ，当,P,L,=3000MW,时，,f,N,=50Hz,。求负荷增加,120MW,时，系统调速后的运行点。,第二节 调速器原理,机械液压调速器：将转速的变化转变成离心 飞摆的位移量。,电气液压调速器：将转速的变化变成电信号。,调速器通常分为,比例积分(,PI,),调速器,比例,积分,微分(,PID,),调速器,按其控制规律来划分,电液调速系统的灵敏度高，调节速度快。并有较高的调节精度，特别是当机组甩负荷后，能稳定在额定转速运行；,易实现多种控制信号的综合控制；,参数的调节灵活；,省去结构复杂的飞摆机构，运行维护方便。,电液式与机械式比较有以下优点：,一 机械液压调速器,1,工作原理,2 调,速系统框图,3,转速给定装,置,调节过程,4,机组静特性平行移动,转速给定装,置调节过程,A C B,D F E,A C B,D F E,A C B,D F E,A C B,D F E,二 功率,频率电液调速器,1,转速测量,A,磁阻发送器,磁阻发送器的作用是将,转速转换为相应频率的电压信号,。它由齿轮和测速磁头两部分组成，齿轮与主轴联在一起。测速磁头由永久磁铁和线圈组成，且与齿轮相距一定间隙,。当汽轮机转动时带动齿轮一起旋转。测速磁头所对的齿顶及齿槽交替地变化，这种磁阻的变化导致通过测速磁头磁通的相应变化，于是在线圈中感应出微弱的脉动信号，该信号的频率与机组转速成正比。,B,频率,电压变送器,频率,电压变送器的输出特性,工作波形,方框图,频率,电压变送器的工作波形,2,功率测量,B,3,4,2,1,将发电机的有功功率转换成与之成正比的直流电压，即有功功率变送器。,U,G,E,H,TB,i,TA,i,c,3,转速和功率给定环节,转速和功率给定环节用高精度稳压电源供电的精密多转电位器构成。其输出电压值即可表示为给定转速或功率，多转电位器由控制电机带动，以适应当地或远方控制的需要。,4 电液转换及液压系统,电液转换器把调节量由电量转换成非电量油压。液压系统由继动器、错油门和油动机组成。,5,调速器的工作,三 数字式电液调速器,控制电路部分的功能用微机实现。,控制电路的功能通过微机实现。,调速器的调节规律由计算机实现。,主机根据采集到的实时信息，按预先确定的控制规律进行调节量计算，计算结果经过,D/A,变换输出去控制电,/,液压转换，再由液压伺服系统控制原动机的输入功率，完成调速或调频的任务。,第三节 电力系统频率调节系统及其特性,一 调节系统的传递函数,1,调速器的传递函数,传递函数是分析调节系统性能的重要工具，电力系统的频率和有功功率调节系统，主要是由,调速器,、,发电机与原动机,和,电网,环节组成，传递函数分别讨论如下：,调速器的输出量 表达为给定值 和频率 两输入量间的关系。,1,调速器的传递函数,调速器的传递函数表示了,原动机调节量,与,控制指令信号及系统频率间,的动态特性。,简单的汽轮机的传递函数,再热式汽轮机的传递函数,水轮机的传递函数,2,原动,机,的传递函数,调速器根据转速变化控制进入原动机的动力元素，下面进一步讨论原动机的传递函数。,3,调速器+汽轮机,F,(,s,),P,T,(,s,),P,c,(,s,),X,B,(,s,),G,n,(,s,),G,T,(,s,),+,-,F,(,s,),P,T,(,s,),P,c,(,s,),G,nT,(,s,),+,-,K,n,K,T,=1,调速器 汽轮机,汽轮机发电机模型原理示意图,现代电力系统的规模越来越大而且互联，即一个地区的电力系统与另一个地区的电力系统相互连接起来构成更大的系统。因此，,系统的频率和功率调节以地区系统为基础作为控制区，把每个控制区作为一个等效的同步发电机群来进行调节。,现在来研究一个通过联络线路与其他控制区相互连接的控制区,i,的一次调节系统的传递函数。,4,单区域系统、电网部分(发电机、负荷及联络线）,控制区,3,控制区,2,控制区,1,控制区,i,发电机组动能提供的功率增量；,负荷的频率调节效应而引起的负荷功率变化；,联络线上功率的变化。,4,单区域系统、电网部分(发电机、负荷及联络线）,控制区,3,控制区,2,控制区,1,控制区,i,负荷变化与发电机组输入功率变化的,差值：,假设在控制区,i,中，突然有一个量值为 的负荷变化，由于调速器的作用，这个区域频率变化为 ，发电机组的输入功率相应变化了,功率平衡关系式（有名值）,P,Li,(,s,),P,Ti,(,s,),G,pi,(,s,),P,ti,(,s,),F,i,(,s,),-,-,+,功率平衡式的框图,P,ti,(,s,),F,i,(,s,),+,-,+,-,+,-,+,+,+,F,3,(,s,),F,2,(,s,),F,1,(,s,),联络线功率增量框图,联络线功率增量关系式,P,Li,(,s,),P,Ti,(,s,),G,pi,(,s,),P,ti,(,s,),F,i,(,s,),-,-,+,F(s,),P,c,(,s,),P,L,(,s,),G,nT,(,s,),G,p,(,s,),+,-,P,T,(,s,),+,-,5,单区域的闭环调节框,图,F,(,s,),P,T,(,s,),P,c,(,s,),G,nT,(,s,),+,-,F(s,),P,c,(,s,),P,L,(,s,),G,nT,(,s,),G,p,(,s,),+,-,P,T,(,s,),+,-,P,ti,(,s,),F,i,(,s,),+,-,+,-,+,-,+,+,+,F,3,(,s,),F,2,(,s,),F,1,(,s,),6,与其他系统相联的控制区域,i,的闭环框图,二 电网的频率调节特性,1,单区域电网的频率特性,F(s,),P,c,(,s,),P,L,(,s,),G,nT,(,s,),G,p,(,s,),+,-,P,T,(,s,),+,-,讨论电网中发电机组在调速器工作情况下，即一次调频时电网的频率特性。,不加控制，控制功率,P,c,(,s,),为,0,。,算例：,系统总额定容量,P,N,=2000MW,正常运行的负荷,P,L,=1000MW,惯性常数,H,=5s,调差系数,R,*,=4.8%,负荷调节效应系数,K,L*,=0.5,F(s,),P,L,(,s,),G,nT,(,s,),G,p,(,s,),-,P,T,(,s,),+,-,系统功率频率特性系数,A,静态特性,F(s,),P,L,(,s,),G,nT,(,s,),G,p,(,s,),-,P,T,(,s,),+,-,B,动态特性,总的闭环系统的时间常数只有0.,4687s，,比表征电厂本身的时间常数,T,P,(,为20,s),要小得多，这主要是由于闭环系统中的反馈所起的作用(即调速器的作用)；,减小,R,值使,增大，可以减小稳态频率偏差；,当计及,T,n,、,T,T,时，,f,随时间变化曲线不是纯指数型的，在初期出现了振荡、 开始时形成一个较大的瞬时频率降落；,算例中，当负荷变化20,Mw,时、频率降落为0.,0234Hz，,如果长期存在会引起较大的累计频率偏差，这是不允许的。,1 2 3 4 5,f,=0.0234Hz,f,(Hz),T,n,=,T,T,=0,T,n,=0.08s,T,T,=0.3s,t,(s),以上讨论中关于系统变化过程解释如下：当负荷突然增加,l(,即20,MW),时，系统功率平衡遭到破坏，起初瞬间由于频率尚未下降汽轮发电机的调速系统还未动作，所以发电机的输入功率不变。因此，这时负荷所增加的功率是由系统的动能供给的(动能以20,MWs,的速率减小)。随着系统动能的减小，发电机的转速下降(即系统频率下降)，调速系统随之动作，增加发电机的输入功率与此同时，由于频率的下降，负荷的频率调节效应使它吸取的功率有所减小。,总之，增加的,20,MW,负荷功率是由三部分来平衡的，即系统动能供给的功率，发电机增加的输入功率以及负荷少吸收的功率，在开始瞬间，后两项为零，随着频率降低，它们就逐渐增大，最后在一个较低的频率下稳定运行。此时，动能已不再供给功率，,20,MW,的负荷增量仅由后两项来供给。,P,c1,(,s,),F,1,(s,),P,L1,(,s,),G,nT1,(,s,),G,p1,(,s,),+,-,P,T1,(,s,),+,-,F,2,(s,),P,c2,(,s,),P,L2,(,s,),G,nT2,(,s,),G,p2,(,s,),+,-,P,T2,(,s,),+,-,+,-,2,多区域系统的频率特性（二区域系统为例）,假设两区域具有相同的参数，即,假设每个区域的负荷突然增加一个阶跃值,由此可见：,1,、控制区,2,中增加的负荷是由两个控制区域,共同承担,的，其中,50%,的负荷增量由区域,1,通过联络线供给。,2,、,负荷变化时，两区域控制系统的频率偏差比单一孤立系统时的频率偏差减小一半,。联合调频,的优越性，比单区域系统调节好。,第四节 电力系统自动调频,一概述 电力系统中的所有发电机组均装有调速器，如系统负荷发生变化，则每台发电机的调速器都将反应系统频率的变化，自动地调节进汽(水)阀门的开度，改变机组出力，使有功功率重新达到平衡。这就是频率的,一次调整。,利用同步器平移机组调节特性对系统频率的调节就是频率的,二次调整。,手动调频,自动,调频,带基本负 荷的发电厂,调峰厂,调频厂,主导发电机法,同步时间法（积差调节法）,联合电力系统调频,二 自动调频方式,当负荷变动系统频率发生变化时，调频电厂中主导发电机组的调节系统首先动作，改变主导机组的功率，力图维持系统频率恒定。这时，由于主导机组的功率变化，协助调频的其它机组也随之作相应的功率调整，力图使它们的调节功率与主导机组的调节功率间维持给定的比例关系。在调节过程中，主导机组按系统频率不断地调节，协助调频机组也跟随主导机进行调节，直到系统频率恢复到额定值，协助调频机组与主导机组的调节功率符合给定比例时为止。这时系统中不参加调频的其余机组的功率维持不变，计划外负荷的变动全部由调频机组承担。,（一）主导发电机法,A,单机积差调节,调节方程,调频过程,B,多台机组的积差调节,（二）积差调节法 指调频系统按频率偏差的时间积分值进行调节。,C,改进的积差调节法,D,集中制与分散制调频,维持系统频率为额定值，在正常稳态情况下，其频率偏差在0.,05,一0.,2Hz,范围内；,控制地区电网间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；,在安全运行前提下，所管辖系统范围内，机组间负荷实现经济分配。,三 联合电力系统调频,A,任务,恒定频率控制,FFC(Flat Frequency Control),恒交换功率控制,FTC(Flat Tie-Line Control),频率联络线功率偏差控制,TBC(Tie line load frequency Bias Control),B,联合电力系统的调频方式,C,频率联络线功率偏差控制,TBC,P,GA,P,LA,K,A,P,GB,P,LB,K,B,P,tA,区域调节作用的信号称为区域控制误差(,Area Control Error,)。,控制误差,控制误差,调整结果,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,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,恒定频率控制法,FFC,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,P,t,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。,电力系统自动调频,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,电力系统的频率调节涉及系统中有功功率平衡和潮流分布。在,保证频率质量和系统安全运行前提下，如何使电力系统运行具有良好的经济性,，这就是电力系统经济调度控制 (,Economic load Dispatching Control),的任务。它是联合自动调频的重要目标之一，因此也有人把,EDC,列为,AGC,功能的一部分，称之为,AGCEDC,功能。,EDC,是按数学模型编制的程序，调用时需一定的时间开销，但它可以较长时间起动一次(一般在5,min,以上)。有人称,EDC,为,三次经济调整,。,第五节 电力系统的经济调度与自动调,频,一 等微增率分配负荷的基本概念,耗量特性,是指发电机组在单位时间内所,消耗的能量,与,输出功率,之间的关系。,微增率,是指,输入耗量微增量,与,输出功率微增量,的比值。对发电机组来说，为燃料消耗量(或消耗费用)的微增量与发电机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，从而是最经济的。,耗量特性曲线,微增率曲线,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该功率点切线的斜率。,锅炉,汽轮机,发电机组成的单元机组的耗量特性和微增率特性如图,(,a),和(,d),的形状。,随着输出增加，其耗量增量大于输出功率的增量，耗量微增率随输出功率的增加而增大。,Example,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相等，并等于全厂的微增率,。,多台机组间按等微增率分配负荷示意图,思考题,求,P,1,、,P,2,。,二 发电厂之间负荷的经济分配,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。,线损修正系数,系统微增,率,电厂微增,率,三 发电厂机组功率控制,调度所计算机系统执行,AGC,功能给调频电厂的调节指令有两种方式,下达给各调频机组,下达全厂总调节量,调节指令直接下达给各调频机组,调节指令为全厂总调节量,思考题,1,已知：两机组并联于一条母线上， 。且调速系统保证了两台机完全同步。若,1,号、,2,号机组额定功率分别为,60MW,，,80MW,，两机均额定运行。求：当系统要求增加,20MW,的输出时，母线的频率为多少？每台发电机分别承担多少功率？,思考题,2,已知：某电力系统，,K,L*,=1.5,，,K,G*,=20,，当,P,L,=3000MW,时，,f,N,=50Hz,。求负荷增加,120MW,时，系统调速后的运行点。,1,什么叫做一次调频？什么叫做二次调频？,2,、什么叫负荷调节效应？用何参数表示？,3,、发电机组调速系统失灵区过大、过小（或完全没有）有何影响？,1,什么叫做一次调频？什么叫做二次调频？,一次调频：,当电力系统负荷发生变化引起系统频率变化时，系统内并联运行机组的调速器会根据电力系统频率的变化自动调节进入它所控制的原动机的动力元素，改变输入原动机的功率，使系统频率维持在某一值运行，这就是电力系统频率的一次调整，也称为一次调频，是自动的有差调节过程。,二次调频,：用手动或通过自动装置改变调频器的频率（或功率）给定值，平移机组有功功率,-,频率静态特性，调节进入原动机的动力元素来维持电力系统频率的调节方法，称为二次调频，可以做到无差调节，其前提为调频机组有足够的热备用（或旋转备用）容量。,2,、什么叫负荷调节效应？用何参数表示？,负荷调节效应：当系统频率下降时，负荷从系统取用的有功功率将下降，系统频率升高时，负荷从系统取用的有功功率将增加，这种现象称为电力系统负荷的频率调节效应，简称负荷调节效应。,一般用负荷调节效应系数来衡量负荷调节效应作用的大小。,3,发电机组调速系统失灵区过大、过小（或完全没有）有何影响？,失灵区会引起误差功率，若机组调速系统的失灵区过大，会使误差功率过大。若失灵区过小或完全没有，当电力系统频率发生微小波动时，调速器也要动作，这样会使调节气阀动作过于频繁，使磨损加快，减少寿命，对机组本身和电力系统频率调节不利。,