電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)

1、電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié) 1.調(diào)整頻率的必要性 電力系統(tǒng)頻率的變化對(duì)用戶產(chǎn)生不利影響。按電力部門規(guī)定，電網(wǎng)的額定頻率為50HZ，大電網(wǎng)允許的頻率偏差為0.2 HZ。調(diào)整系統(tǒng)頻率的主要手段是發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 2.頻率的一次調(diào)整和二次調(diào)整 2.1 頻率的一次調(diào)整是所有發(fā)電機(jī)都要分擔(dān)的調(diào)整任務(wù)，依靠調(diào)速器完成，只能做到有差調(diào)節(jié)。一次調(diào)頻就是由發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的自身頻率/功率特性對(duì)電網(wǎng)的控制，它主要是由發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻功能對(duì)維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定至關(guān)重要。 2.2 發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻靜態(tài)特性 機(jī)組原始工況：靜特性曲線1(Pc1)上A點(diǎn)：機(jī)組目

2、標(biāo)功率Pc1；機(jī)組實(shí)際功率P1；機(jī)組頻率f1；調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)ep（速度變動(dòng)率）=- 。 電網(wǎng)發(fā)生功率缺額，折算到機(jī)組的功率缺額：P3P1； 一次調(diào)頻作用：電網(wǎng)功率缺額，引起電網(wǎng)頻率降低，如果不進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)則按靜特性曲線1（Pc1），頻率應(yīng)降至f3，各機(jī)組根據(jù)頻率偏差進(jìn)行一次調(diào)頻，使機(jī)組增發(fā)了功率Pf=P2P1，電網(wǎng)頻率為B點(diǎn)f2。雖然該機(jī)組與電網(wǎng)上其它機(jī)組一起進(jìn)行了一次調(diào)頻，但電網(wǎng)頻率為f2，不可能恢復(fù)到擾動(dòng)前的f1。 pf圖圖 一一 2.3 二次調(diào)頻作用：頻率的二次調(diào)整就是通過手動(dòng)或者自動(dòng)地操作調(diào)速器使發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)頻率特性平行地上下移動(dòng),從而使負(fù)荷變化引起的頻率偏移保持在允

3、許的范圍內(nèi)。如上圖（一）：若電網(wǎng)二次調(diào)頻將該機(jī)組的目標(biāo)功率由Pc1修正為Pc2，則機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜特性由特性曲線1（Pc1）變?yōu)樘匦郧€2（Pc2）。最后的調(diào)節(jié)結(jié)果為特性曲線2（Pc2）上C點(diǎn)：機(jī)組目標(biāo)功率Pc2、機(jī)組實(shí)際功率P3、機(jī)組頻率f1；電網(wǎng)的功率缺額得以補(bǔ)償，系統(tǒng)頻率也恢復(fù)到擾動(dòng)前的數(shù)值f1。 電網(wǎng)在負(fù)荷擾動(dòng)后，電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏差，各機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)頻率偏差f和功率調(diào)差系數(shù)ep進(jìn)行一次調(diào)頻，在15以內(nèi)的時(shí)間彌補(bǔ)了系統(tǒng)部分功率差值；在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)AGC再經(jīng)過二次調(diào)頻重新修正相關(guān)機(jī)組的目標(biāo)功率值。因此，調(diào)速系統(tǒng)通過兩個(gè)信號(hào)輸入端：頻率（轉(zhuǎn)速）輸入端(一次調(diào)頻)和機(jī)組目標(biāo)功率輸入端

4、（二次調(diào)頻）對(duì)電網(wǎng)的頻率進(jìn)行的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到電網(wǎng)功率平衡和頻率恢復(fù)規(guī)定的范圍之內(nèi)。3永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp對(duì)一次調(diào)頻功能的影響 電網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻性能要求：永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp不大于4%。水電機(jī)組調(diào)差率ep定義為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線上某一點(diǎn)斜率的負(fù)數(shù)。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線指調(diào)節(jié)平衡狀態(tài)時(shí)被調(diào)節(jié)參數(shù)-轉(zhuǎn)速與機(jī)組出力之間的關(guān)系表示。而機(jī)組并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速與頻率存在如下關(guān)系：f=。其中，f為頻率，n為機(jī)組轉(zhuǎn)速，p為水輪發(fā)電機(jī)組磁極對(duì)數(shù)，故調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性也常表示頻率與機(jī)組出力之間的關(guān)系。永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp定義為調(diào)速器靜特性曲線上某一點(diǎn)斜率的負(fù)數(shù)。 調(diào)速器靜特性曲線以控制導(dǎo)水葉機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件-接力

5、器行程為橫坐標(biāo)，表征調(diào)速器調(diào)節(jié)平衡狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速（頻率）與接力器行程的關(guān)系。圖（二）水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性圖（二）水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性 圖（二）中： Xf -機(jī)組頻率的相對(duì)值； fg-機(jī)組頻率； fr-額定頻率； Xn-機(jī)組轉(zhuǎn)速的相對(duì)值； y-接力器行程相對(duì)值； Y-接力器行程（m）; YM-接力器最大行程（m）; bp -永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù) 在上圖中水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線上，取某一點(diǎn)例如圖(二)中的A點(diǎn)，過該點(diǎn)作一切線，其切線斜率的負(fù)數(shù)就是該點(diǎn)的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)： bp=- 。 顯然，對(duì)于一條曲線型的靜態(tài)特性曲線，選取不同的A點(diǎn)，會(huì)得到不同的bp值。 但是，實(shí)踐證明，調(diào)速器靜特性近似為一條直線，其

6、最大非線性度不超過5%。在一定的水頭下，機(jī)組功率與過機(jī)流量；過機(jī)流量與導(dǎo)葉開度、導(dǎo)葉開度與接力器行程都基本保持比例關(guān)系。所以ep和bp值密切相關(guān)，可通過對(duì)bp值的重新設(shè)定來改變ep的大小，從而改變一次調(diào)頻的調(diào)差特性。 dydxf4、人工頻率死區(qū)f對(duì)一次調(diào)頻功能的影響 目前，電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組均要求具有下降的、有差的調(diào)節(jié)靜特性。常用的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示，圖中f稱為人工失靈區(qū)或人工死區(qū)，Po為作用于調(diào)速器的功率給定值，fo為系統(tǒng)額定頻率。當(dāng)f=0或人工死區(qū)切除時(shí)，不考慮調(diào)速器本身的轉(zhuǎn)速死區(qū)，機(jī)組靜特性近似一條直線。此時(shí)，機(jī)組按特性A-B運(yùn)行；當(dāng)f0時(shí)，機(jī)組按折線1-2-3-4運(yùn)行，這時(shí)

7、系統(tǒng)頻率在f內(nèi)波動(dòng)時(shí)，機(jī)組功率將一直維持在其功率給定值Po 附近，機(jī)組的一次調(diào)頻功能完全喪失，靠機(jī)組自身的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)頻率的自動(dòng)調(diào)整很難起到作用，機(jī)組維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的功能只能通過改變功率給定值的二次調(diào)整或自動(dòng)發(fā)電控制AGC來完成。如下圖說明： 5、調(diào)速器比例、積分、微分增益對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻的影響 對(duì)于目前常用的并聯(lián)比例、積分、微分（PID調(diào)節(jié)）的調(diào)速器，按頻率偏差調(diào)節(jié)時(shí)的傳遞函數(shù)一般近似為： PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律可用下列傳遞函數(shù)描述： ypid(s)x(s)= Kp+Kis+Kds(1+TIVS) 其中： ypid(s)-PID調(diào)節(jié)輸出的拉氏變換值； x(s)- PID調(diào)節(jié)輸入的拉氏變換值； Kp比例環(huán)節(jié)增益，KP = ； Ki積分環(huán)節(jié)增益，KI = ； Kd微分環(huán)節(jié)增益，Kd = ； TIV-微分衰減時(shí)間常數(shù)； dtndTbTT dtTb1tnbT bp永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)； Ty機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)； TW水流慣性時(shí)間常數(shù)； Ypid-PID調(diào)節(jié)器輸出； Y-主接力器位移輸出 Pm-水輪機(jī)出力。 目前，水電廠調(diào)速器安裝調(diào)試、更新改造過程中，參數(shù)設(shè)置過于強(qiáng)調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，而忽視了對(duì)調(diào)節(jié)速動(dòng)性的要求。由于水輪機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)整定不理想，普遍存在著機(jī)組一次調(diào)整的調(diào)節(jié)時(shí)間過長的現(xiàn)象，不能達(dá)到一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間的要求。 水輪機(jī)調(diào)速器人工死區(qū)、