水轮机调速器和电网一次调频课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水轮机调速器和电网一次调频,华中科技大学,魏守平,水轮机调速器和电网一次调频华中科技大学,1,水轮机调速器和电网一次调频,1.水轮机调节系统,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,3.水轮机调节系统一次调频静态特性,4.水轮发电机组功率增量,p与电网频率偏差f之间的动态特性特性,5.水轮发电机组并入电网运行的原理框图,6.一次调频仿真框图及仿真,7.基本结论,水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统,2,水轮机调速器和电网一次调频,1.水轮机调节系统,水轮机调节系统的结构如图所示。,其工作过程为：测量元件把机组转,速n（频率f）、功率Pg、水头H、流量,Q等参量测量出来，与给定信号和反,馈信号综合后，经放大校正元件控制,执行机构，执行机构操纵水轮机导水,机构和桨叶机构，同时经反馈元件送,回反馈信号至信号综合点。,水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统,3,水轮机调速器和电网一次调频,1.水轮机调节系统,微机调速器自动调节部分框图,水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统,4,水轮机调速器和电网一次调频,1.水轮机调节系统,PID结构图(1),PID器结构图(2),水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统,5,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率（50HZ）的频率偏差，按,永态转差系数（调差系数）对机组进行功率控制。它是将电网（机组）,频率（转速）信号送入调速器的“频率（转速）输入”端口，频率（转速）,给定值与其比较形成频率（转速）偏差，水轮机调速器根据这个偏差信,号而进行调节实现的，它将频差变换为与成反比的机组频差调节功率。由于水轮机调节系统都有设定的速度变动率(功率永态差值系数)，它,决定了这是一个有差调节，因而由各机组调节系统共同完成的一次调,频，不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频率恢复到额定频率（50Hz）附近的一个允许范围内。,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,6,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,调速器传递函数方块图,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,7,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,为了进行电网负荷频率控制（LFC），使电网的功率差值得以弥补，从,而使电网频率得以恢复，则必须采用电网的二次调频。其主要作用是：,控制参加电网负荷频率控制的机组的目标功率值Pc；根据电网功率差值,和频率偏差，计算出机组的新的目标功率值，送至水轮机调节系统系统,的“目标功率输入”端口，使水轮机调节系统系统实现对新目标功率值的调,节。当二次调频作用使电网实现了新的功率平衡、电网频率恢复到正常,值时，水轮发电机组实际上是在新的目标功率值Pc确定的静态工作点运,行。水轮机调节系统一次/二次调频功能框图见图1。,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,8,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,图1 水轮机调节系统一次/二次调频,频率(转速),信号Fg +,频率死区,频率(转速),设定值,f,c,机组目标功率+,P,c,机组实际功率,PID调节,机组,频率(转速),功率,N,T,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,9,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,图2以静态特性的形式表示了水轮机调节系统的一次和二次调频特性。（图中未考虑电网负荷频率特性（负荷频率自调节系数）：,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,10,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,1).机组原始工况,静特性曲线p,c1,上A点：机组目标功率：p,c1,；机组实际功率：p,1,；机组频率：f,1,；速度变动率e,p,（(功率)永态差值系数）：；电网发生功率缺额，折算到讨论的机组：功率缺额：p,3,-p,1,；,2).一次调频作用,电网功率缺额，引起电网频率降低，如,果不进行调节，则按静特性曲线 p,c1,，频,率应降至 ，各机组根据频率偏差进行一,次调频，讨论的机组增发了功率p,2,-p,1,，电,网频率为f,2,（静特性曲线上B点）。即讨,论的机组与电网其它机组一起进行了一次,调频，但电网频率为，不可能恢复到扰动,前的f,1,。,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,11,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,3).二次调频作用,若电网二次调频将讨论的机组的目,标功率由p,c1,修正为p,c2,，则机组调速系,统静特性由特性曲线p,c1,变为特性曲,线p,c2,。最后的调节结果为特性曲线,上C点：机组目标功率：p,c2,；机组实,际功率：p,3,；机组频率：f,1,；速度变动,率（(功率)永态差值系数）：e,p,；电网,的功率缺额得以补偿，系统频率也恢,复到扰动前的数值f,1,。,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,12,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,综上所述，电网在负荷扰动后，电网频率产生相,对于频率（转速）给定的偏差，各机组的调速系统,根据频率偏差,f,和（功率）调差系数e,p,进行一次调,频，在较快的时间（815）内弥补了系统部分,功率差值p,c,；在一次调频的基础上，电网自动发电,控制（AGC，二次调频），修正相关机组的目标功,率值，通过调速系统的PID调节（静态主要依靠积分,调节），最终可实现电网功率平衡和频率的恢复。,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,13,水轮机调速器和电网一次调频,2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性,电网一次调频对水轮机调节系统的主要技术要求,1).并网发电机组均应参与电网一次调频；,2).（功率）永态转差系数（火电机组调速系统称速度变动率）ep=4%5%(DL/T 1040-2007 电网运行准则(The Grid Operation code)规定：ep3%)；,3).频率（转速）死区Ef=0.033Hz(DL/T 1040-2007 电网运行准则(The Grid Operation code)规定：在0.05Hz以内)；,4).响应特性：电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15秒内响应机组目标功率，在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内；稳定时间应小于1min；,5).负荷变化幅度限制：水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加限制。一次调频功能为必备功能，不得由运行人员切除；不得在开度限制工况下运行。,水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制,14,水轮机调速器和电网一次调频,3.水轮机调节系统一次调频静态特性,1).水轮机调节系统开环静特性,机组并入电网运行(并联运行 parallel operation-几台机组同时向电网供电的运行方式)。分析一次调频特性时，认为二次调频不起作用，即取功率给定恒定。,水轮机调节系统开环静特性（机组功率对机组频率偏差的特性）用相对值表示为：,用绝对值表示，则有：,式中：,p,对应于频率偏差（相对量）的机组功率增量（相对量）；F,n,电网频率,Hz；f,n,电网频率相对值，；E,f,水轮机控制系统频率（转速）死区（绝对量，,Hz），（50-F,n,）为+，为+；（50-F,n,）为负，E,f,为-；水轮机控制系统频率（转速）,死区（相对量），；e,p,水轮机调节系统（功率）调差系数（速度变动率）；,P,对应于频率偏差,f,（）Hz的机组功率增量MW；P机组额定功率MW。,式中的负号，表示频率偏差与功率偏差方向相反。,水轮机调速器和电网一次调频3.水轮机调节系统一次调频静态特,15,水轮机调速器和电网一次调频,3.水轮机调节系统一次调频静态特性,2).水轮机调节系统闭环静特性,所谓水轮机调节系统的闭环静特性，是指：机组带孤立负荷(孤立运行 isolated operation-电网中只有一台或相当于一台机组供电的运行方式)，水轮机调节系统闭环时，机组频率对负荷扰动的静态特性。,基本方程：,机组在稳定工况（静态）工作时，水轮机调节系统PID控制器的积分调节输入端，必需为零，即必需满足下式：,水轮机调速器和电网一次调频3.水轮机调节系统一次调频静态特,16,水轮机调速器和电网一次调频,3.水轮机调节系统一次调频静态特性,2).水轮机调节系统闭环静特性,机组输入功率(,p-p,L,)与机组频率偏差(,f)的静态关系为：,式中：,p,L,负荷扰动相对值；,p,在负荷扰动下的机组功率变化值；,f,在负荷扰动,p,L,下的机组频率变化值；,e,f,频率死区相对值；,e,p,（功率）调差系数（速度变动率）；e,n,机组、负荷频率特性系数（自调节系数）；,水轮机调速器和电网一次调频3.水轮机调节系统一次调频静态特,17,水轮机调速器和电网一次调频,4.水轮发电机组功率增量,p,与电网频率偏差,f,之间的动态特性特性,水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量p与电网,18,水轮机调速器和电网一次调频,4.水轮发电机组功率增量,p,与电网频率偏差,f,之间的动态特性特性,(1).,由图2易得,f,至,p,的增量传递函数为：,(2).,这是一个一阶惯性环节的传递函数，其时间常数是。当输入,f,为阶跃输入时，功率增量,p,的响应为：,曲线是一个指数变化规律，,p,(,t,)达到0.97 的时间约为,水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量p与电网,19,水轮机调速器和电网一次调频,4.水轮发电机组功率增量,p,与电网频率偏差,f,之间的动态特性特性,(3).积分调节(K,I,)得到的功率增量,p,KI,的稳定值(也是最后的稳定值,p,)为(参见式(5)：,(4).若要满足”在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内”的要求，仅仅依靠积分作用，则要求3.505倍的时间常数小于45s()。,在微机调节器的比例调节(K,P,)作用下,在电网频率偏差,f,，依靠比例增益K,P,得到的机组功率增量为常数：,水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量p与电网,20,水轮机调速器和电网一次调频,4.水轮发电机组功率增量,p,与电网频率偏差,f,之间的动态特性特性,在微机调节器的比例调节(KP)和积分调节(KI)的共同作用下,水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量p与电网,21,水轮机调速器和电网一次调频,4.水轮发电机组功率增量,p,与电网频率偏差,f,之间的动态特性特性,数字实例,(1).e,p,=0.05，K,P,=10，K,I,=1.6(1/s)(对应的暂态转速差值系数b,t,=0.1,缓冲时间常数T,d,=5.55s),(2).45s时,机组实际功率 与目标功率的功率 偏差为2.73%，小于要求的3%。,水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量p与电网,22,水轮机调速器和电网一次调频,5).根据以上的分析可以得出下列结论：,(1).电网一次调频工况下，影响机组实际功率响应特性的参数是微机调速器的积分增益K,I,和比例增益K,P,，其中，起主要作用的是积分增益K,I,。,(2).以上理论分析表明，微机调速器比例积分(PI)调节的比例增益K,P,和积分增益K,I,推荐值为：,由于电网一次调频的动态过程是一个较慢速的过程，机组惯性时间常数T,a,、水流时间常数T,w,、电网自调节系数e,n,、接力器最短开机和关机时间T,s,等参数，对于电网一次调频的动态过程没有实质性的影响,。,水轮机调速器和电网一次调