電力系統(tǒng)自動控制技術：第四章-電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制

1、PAGE 第四章 電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制第一節(jié) 電力系統(tǒng)頻率和有功功率控制的必要性電力系統(tǒng)頻率控制的必要性頻率對電力用戶的影響f變化，引起異步電機轉速變化，影響產品的質量。f波動影響某些測量和控制用的電子設備的準確性和性能。f下降將使電動機的轉速和出力降低，影響用戶設備的正常運行。頻率對電力系統(tǒng)的影響f下降時，汽輪機葉片的振動會變大，輕則影響使用壽命，重則可能產生裂紋。當f下降到47-48HZ時，火電廠廠用機械的出力下降，使鍋爐和汽機出力下降，從而使火電廠發(fā)電機發(fā)出的有功功率下降，可能出現(xiàn)頻率崩潰。f降到一定數(shù)值時，核電廠的反應堆冷卻介質泵自動跳開，反應堆停止運行。f 下降使異步機和變

2、壓器激磁電流增大無功消耗增大。勵磁機出力下降，導致電壓水平降低。f 低到一定值，電壓下降速度加快，無法恢復電壓崩潰，大面積停電，系統(tǒng)瓦解。電力系統(tǒng)有功功率控制的必要性維持電力系統(tǒng)頻率在允許范圍之內電力系統(tǒng)頻率是靠電力系統(tǒng)內并聯(lián)運行的所有發(fā)電機組發(fā)出的有功功率總和與系統(tǒng)內所有負荷消耗（包括網(wǎng)損）的有功功率總和之間的平衡來維持的。電力系統(tǒng)負荷是時刻變化，故有功功率控制要及時調節(jié)系統(tǒng)內并聯(lián)運行機組原動機的輸入功率，維持平衡關系，保證頻率在允許范圍之內。提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性決定開啟哪些機組并入電力系統(tǒng)運行；確定已并網(wǎng)運行的機組各發(fā)多少有功功率，用最少的一次能源消耗獲得最多的可用電能。保證聯(lián)合電力系

3、統(tǒng)的協(xié)調運行要求不同區(qū)域系統(tǒng)間交換的電功率和電量按事先約定的協(xié)議進行。這時電力系統(tǒng)有功功率控制要對不同區(qū)域系統(tǒng)之間聯(lián)絡線上通過的功率和電量實行控制。第二節(jié) 發(fā)電機組調速控制的基本原理發(fā)電機組單機運行時調速控制的基本原理 (41) f :發(fā)電機頻率，Hz ； p :發(fā)電機轉子的極對數(shù)； n :機組轉速，r/min ;(一)同步發(fā)電機組轉子運動方程 （42） :機組轉子的轉動慣量， :機組轉子的機械角加速度， :機組轉子的機械角速度， :原動機（汽輪機或水輪機）產生的機械轉矩, :發(fā)電機電磁轉矩，機組以額定轉速運行，轉子中儲存的動能為： 故 代入（42）得： （43）取發(fā)電機的額定有功功率為功率的

4、基準值，額定轉速為轉速基準值，則轉矩基準值為將式（43）兩邊同除以，則： （44）發(fā)電機機械角速度，電角速度w和轉子極對數(shù)p之間存在以下關系：,代入式（44）有： （45）:發(fā)電機組的慣性時間常數(shù)，s;:發(fā)電機電角速度的標幺值。從式（45）知：研究機組的調速控制問題，必須研究轉矩和。（二）原動機的機械轉矩 水輪機的機械轉矩大小決定于：水頭H，導水葉開度和機械轉速n等。同一臺水輪機在同一水頭，不同導葉開度時轉矩是不一樣的。水輪機的機械轉矩同轉速關系是一個曲線族。水輪發(fā)電機組的轉矩特性時，轉速，若,n;應減小開度，使,使轉速恢復到。發(fā)電機電磁轉矩 發(fā)電機電磁轉矩是發(fā)電機定子對轉子的作用力矩，方向與

5、轉子轉動的方向相反，是阻力矩。發(fā)電機電磁轉矩與電磁功率成正比，電磁功率等于發(fā)電機所帶負荷的有功功率。發(fā)電機負荷功率與頻率的關系： （46）:負荷有功功率的標幺值，基準值為發(fā)電機的額定功率；：頻率為額定功率時，負荷有功功率的標幺值，基準值為；：頻率標幺值，基準值為；：與頻率無關的負荷功率所發(fā)的比例系數(shù)；：分別為與頻率的1次方，2次方和n次方成正比的負荷功率所占的比例系數(shù) 考慮機組轉速標幺值和頻率標幺值相等有： （47）：機組轉速標幺值，基準為。轉矩和功率用標幺值表示時，分別為： （48） （49）一般機組轉速不會偏離太多，認為，故有,所以：即：機組轉速偏離額定值不太多時，可認為發(fā)電機電磁轉矩和電

6、磁功率的標幺值相等。發(fā)電機組調速系統(tǒng)的調節(jié)原理用水輪發(fā)電機組的轉矩特性說明：設a為原運行點，,，穩(wěn)定運行。若負荷減小時，調速器不調節(jié)，,機組在新的平衡點c運行，具有自平衡能力。若調速器參與調節(jié)，將減少原動機的動力元素，,機組運行于b點。若再進一步調節(jié)到曲線,則可使轉速恢復到，保持不變。機組并網(wǎng)運行的轉速調節(jié)單機并入無窮大系統(tǒng)系統(tǒng)頻率不會因這臺機組的有功功率變化而變化，機組調速器失去調節(jié)機組轉速的作用，而只能調節(jié)機組的有功出力。如下圖所示：調速器調節(jié)使M從,這時有：P從，但f不變。當機組容量與系統(tǒng)容量相比有足夠大的份額（一般大于系統(tǒng)總容量的8%-10%）時，機組有功出力變化可能改變系統(tǒng)內有功功率

7、平衡狀態(tài)，使系統(tǒng)頻率發(fā)生變化。第三節(jié) 機械液壓調速器的基本原理調速器是實現(xiàn)電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制的基礎自動化設備。機械液壓調速器電氣液壓調速器（模擬微機）機械液壓調速器的基本結構（見書P73）測速機構測速機構由汽輪機主軸帶動的齒輪傳動機構和離心飛擺組成。套筒A的位置表征機組轉速的大小，套筒A的位移表征機組轉速的變化。放大執(zhí)行機構放大執(zhí)行機構由錯油門和油動機組成。當錯油門的兩個凸肩正好堵住了油動機上、下腔的油路，油動機活塞靜止不動，汽輪機調節(jié)汽閥保持一定開度不變。當調節(jié)時：E點上移油動機凸肩下移關小調節(jié)汽閥E點下移油動機凸肩上移開大調節(jié)汽閥 調節(jié)結束；錯油門凸肩回到中間位置。作用：（1）

8、將E點微小的機械位移放大成了調節(jié)汽閥開度的較大變化； （2）將引起E點位移的微小的作用力變成了強大的、能夠操動調節(jié)汽閥開度變化的作用力。（三）轉速給定裝置同步器為轉速給定裝置。由電動機和齒輪、蝸桿組成，改變D點位置，可使調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性上下移動?？蛰d時調節(jié)機組的轉速（頻率）設D點上移。A、B、C、F不會動（機組轉速和油動機活塞的位置尚未來得及變化）。故以F點為軸。E點下移油動機凸肩上移，B上升，汽閥開度變大轉速上升A點上升C、F點上移E點上移，凸肩回到中間位置。因A點上移，故轉速上升了。如下圖示：B與幾乎重合，D上移引起A點上移，即轉速機組并網(wǎng)運行時調節(jié)機組的有功出力D點上移，f不變故A點不

9、動開始時B點不變則E點下移B點上移，開度增大E點上移，凸肩回到中間位置，結果輸出有功增大。并網(wǎng)時，A不變，D上移，引起B(yǎng)上移，汽門開大，有功多輸出。調差機構 發(fā)電機組調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性機組調速系統(tǒng)對發(fā)電機頻率調節(jié)的結果，并沒有保證發(fā)電機頻率恒定不變，而是有差的。調速器中形成調差特性的機構稱為調差機構，改變C點位置，即改變AC和CB長度的比例關系，可以改變機組調速系統(tǒng)的調差特性。1、調差特性的形成如上圖，機組運行于1點，突增負荷（如增到），調節(jié)器未開始調節(jié)時，機組轉速下降fA點下移，剛開始B點不動，則E點下移增大汽門開度B上移轉速上升，A點上移E回到中間位置，調節(jié)結束。這時B點上移，A點不會回到

10、原來位置而是低了一點，結果有功出力增大，頻率卻降低了，形成調差特性。2、調差特性的數(shù)學描述調差系數(shù)用以表示機組調差特性： (Hz/MW) （413）：用有名值和標幺值表示的調差系數(shù)。:用標幺值表示的機組頻率和有功功率增量。：發(fā)電機額定有功功率。式（413）稱為發(fā)電機組的靜態(tài)調節(jié)方程式。二、機組調速系統(tǒng)的失靈區(qū)及其影響（一）失靈區(qū)的形成 由于存在機械摩擦、間隙和重疊，調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性為一條帶狀曲線，存在調節(jié)失靈區(qū)，又稱調節(jié)死區(qū)。 頻率在和之間變化時，調速器不進行調節(jié)，將之間稱為調速系統(tǒng)的失靈區(qū)。用失靈度來描述： （二）失靈區(qū)的影響并網(wǎng)運行時，所帶有功負荷不確定，如上圖，對應于時，其有功功率可能

11、為和之間的任何值。調差系數(shù)：用標幺值示并做變換： （416）為了使誤差功率不致過大，要求機組調速系統(tǒng)失靈區(qū)不能過大、調差系統(tǒng)不能過小。一般失靈度小于0.2%0.5%，但不能過小或為零，否則，當電力系統(tǒng)頻率發(fā)生微小波動時，調速器也要動作。這樣會使調節(jié)汽閥動作過于頻繁，這對機組本身和電力系統(tǒng)頻率調節(jié)不利。第四節(jié) 模擬電氣液壓調速器一、模擬電氣液壓調速器的優(yōu)點1939年瑞士首先推出了電子管電氣液壓式水輪機調速器。20世紀50年代后發(fā)展較快，操縱調節(jié)汽閥（對水輪機為導水葉）開度的仍采用機液裝置，其它部分由電子電路完成。優(yōu)點：1、靈敏度高，調節(jié)速度快，精度高，機組甩負荷時轉速超調量小。2、易于綜合多種信

12、號參與調速控制（轉速、功率、斷路器、同期）。3、易于實現(xiàn)高級控制。4、安裝、調試和檢修方便。二、功率頻率電液調速系統(tǒng)的基本原理構成：轉速測量、功率測量、功率給定、轉速給定、電量放大器、PID調節(jié)、電液轉換器及機械液壓隨系統(tǒng)等。功率頻率電液調速系統(tǒng)原理圖(一）轉速測量由磁阻發(fā)送器和頻率電壓變送器完成轉速測量。1、磁阻發(fā)送器齒輪與主軸聯(lián)在一起，齒頂及齒槽交替變化，引起磁阻變化磁通變化脈動信號（該信號的頻率與機組轉速成正比）。2、頻率電壓變送器作用：將磁阻發(fā)送器輸出的脈動信號轉換成與轉速成正比的輸出電壓值。（二）功率測量將發(fā)電機的有功功率轉換成與之成正比的直流電壓。如上圖所示，半導體材料在電流和磁場

13、作用下會產生霍爾電動勢： (4-17)式中：霍爾系數(shù)，；d:薄片厚度，cm；：控制電流，A；B：磁感應強度，T； ：磁感應強度B與半導體薄片平面法線的夾角（）。介紹單相霍爾功率變送器電路原理圖：發(fā)電機電壓互感器二次側電壓UG加于TB一次側，產生ic 418電流互感器二次側電流iG接到TA繞組上，產生磁場強度H，則磁感應強度: 419將418和419代入417得:4-20 4-21式中為功率因數(shù)，霍爾電動勢EH的平均值正比于有功功率。（三）轉速和功率給定環(huán)節(jié)、PID調節(jié)環(huán)節(jié)轉速和功率給定環(huán)節(jié)用高精度穩(wěn)壓電源供電的精密多圈電位器組成。PID調節(jié)由運算放大器組成，為驅動電液轉換器，加一功率放大環(huán)節(jié)。

14、（四）電液轉換及機液隨動系統(tǒng)電液轉換器線圈將功率放大器輸出的電量變化轉換為調節(jié)油閥開度的變化，機液隨動系統(tǒng)把信號放大，推動執(zhí)行機構油動機以調節(jié)汽閥。工作過程：（圖見書P81 313）電液轉換器輸出增大調節(jié)油閥關小油壓P 繼動器活塞下移（帶動蝶閥下移）錯油門王字形滑閥中間排油孔的排油量減少，上腔壓力，使滑閥向下移動油動機活塞上移調節(jié)汽閥開大B點上移A點上移繼動器活塞上移蝶閥上移王字形滑閥上移，回到原來的平衡位置。調速器的工作1、發(fā)電機組未并網(wǎng)運行功率給定和功率測量為零式中與轉速給定對應，與機組轉速對應調速：改變，調節(jié)結果使02、機組并網(wǎng)運行設電網(wǎng)頻率恒定且為額定值，0，則，輸出到PID，結果使0

15、，改變，則輸出功率將改變。電網(wǎng)頻率波動，機組并網(wǎng)運行，轉速給定值和功率給定值為某一定值，調速器隨輸入PID的兩個信號之和調節(jié)汽閥開度，改變機組的輸出功率。調節(jié)結束時：用標幺值表示調速特性為： 發(fā)電機組靜態(tài)調節(jié)方程式調差機構： 發(fā)電機組調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性機組調速系統(tǒng)對發(fā)電機頻率調節(jié)的結果，并沒有保證發(fā)電機頻率恒定不變，而是有差的。機組負荷增加時，調速系統(tǒng)調節(jié)的結果是機組輸出的有功功率增加了，頻率卻降低了。第六節(jié) 數(shù)字電液調速器模擬電液調速器的缺點：工作穩(wěn)定性差，工作點隨溫度和工作電源電壓的變化有所變化；實現(xiàn)高級控制困難不能在線修改控制參數(shù)和控制方式；功能單一，沒有機組開停機控制，發(fā)電機并列等功能

16、。數(shù)字電液調速器出現(xiàn)于20世紀70年代初期，80年代以來，應用較廣。一、數(shù)字電液調節(jié)的優(yōu)點:控制品質好；功能多；靈活性好；運行穩(wěn)定，抗干擾能力強，工作可靠。二、水輪發(fā)電機組微機電液調速微機電液調節(jié)器的結構微機電液調節(jié)器有數(shù)字控制器、電液轉換器和機液隨動系統(tǒng)組成。功能：調速和同期控制雙重功能發(fā)電機組調速和同期綜合控制器。在線變結構控制：在不同的運行工況下，微機控制器自動地變換調速器結構，PID調節(jié)參數(shù)也不同。 微機電液調速器結構框圖機組開機和空載運行時的調速控制結構（書P84 圖315）DL=0,TQ=0 永態(tài)轉差率bp=0 (增減功率失效)開機的機組與電力系統(tǒng)同期并列（書P255,圖622）D

17、L=0,TQ=1,跟蹤同期控制機組單機帶負荷運行時的調速器控制結構（書P85 圖316）DL=1,bp0,PC(折算成接力器行程):DL=0,PC=Y0(Y0:水輪機導水葉的空載開度)DL=1,ZG=0,JG=0,PC=不變DL=1,ZG=1，增功率DL=1,JG=1，減功率ZG，JG: 按鍵，增減功率微機控制器的硬件結構1.主機對輸入通道采集來的運行狀態(tài)變量的數(shù)值進行調節(jié)計算和邏輯判斷，并求得控制量由輸出通道輸出。2.輸入輸出接口電路輸入輸出過程通道信息不能直接與主機的總線相接，必須由接口電路完成信息傳遞任務。接口芯片：如AD、計數(shù)器、定時器等。有的CPU已集成了AD、DA等接口電路。3.輸

18、入、輸出過程通道 介于接口電路和控制對象之間（相當于變送器）（1）數(shù)字測頻率和數(shù)字測相角（已講）（2）位移傳感器作用：將水輪機接力器的行程Y（表征水輪機導水葉的開度）變成與其成正比的05V直流電壓信號。（3）功率放大器對DA轉換輸出的模擬電壓YCA進行功率放大，以便能推動電液轉換器工作。微機控制器軟件決定控制規(guī)律，編寫應用軟件的程序設計語言開始時用匯編語言，后來逐步向可讀性較好的高級語言發(fā)展，現(xiàn)在較普遍應用C語言。（四）調節(jié)量計算采用增量式PID算法式中（五）機組開機和空載運行時的調速控制（1）開機控制開機控制是一個功能軟件。當DL=0,KJ=1(開機)時，將水輪機導葉盡可能快的從零開啟到最大

19、開度。當轉速達到80時，將開度關到空載開度,并開始對機組實行PID控制。（2）機組空載運行時的轉速控制 使，即，即。機組單機帶負荷時的調速控制（1）調速系統(tǒng)靜態(tài)特性給定轉速（）恒定時，調速系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的情況下，轉速相對值與主接力器行程相對值的關系曲線（見P85,見圖316） Ym ：接力器最大行程圖中1點：PID控制的輸入為fgd:給定頻率；bp：永態(tài)轉差率；PC：給定接力器行程，表征給定有功功率；YD1：對應于”1”點的主接力器行程的數(shù)字量；fG1：對應于“1”點的發(fā)電機頻率；PID調節(jié)結果使e=0時，YCD(PID輸出)就不再變化。這時圖316（P85）中，功放輸出為零。有：（430）

20、 （431）調節(jié)結果使e=0。兩式相減：:永態(tài)轉差率定義的數(shù)學表達式。（2）水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性的實現(xiàn)水輪機組調速系統(tǒng)水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)靜態(tài)特性：當調速系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，給定頻率不變時，相對頻率（或轉速）與相對功率關系。接力器行程Y表征輸入機組的功率,P表征發(fā)電機輸出功率.Y-P=機組的有功損耗（七）水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)的動態(tài)特性發(fā)電機轉速（頻率）隨時間變化的關系。（八）新型水輪發(fā)電機微機電調的研究微機控制器 Z80單片機（8bits16bits32bits） PLC,IPC,MCPU應用控制方式PID變結構，變參數(shù)PID自適應控制，模糊控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制新

21、型電液轉換器的研究機械液壓隨動系統(tǒng)的研究步進電機為執(zhí)行元件的全數(shù)字化電動液壓式水輪機調速器。第七節(jié) 電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制的基本原理電力系統(tǒng)機組及負荷數(shù)量很多，控制起來相當復雜，簡化問題突出矛盾，使用發(fā)電機組單機帶負荷運行時頻率和有功功率控制的基本原理和方法進行分析和計算。一、電力系統(tǒng)負荷的靜態(tài)頻率特性 （MW/Hz） 曲線,負荷突增P 點bc,因事故失去P出力書本P103 eg3-1、eg3-2要求掌握二電力系統(tǒng)等效發(fā)電機組的靜態(tài)調節(jié)忽略機組損耗，等效發(fā)電機發(fā)出的功率PG與等效原動機輸出的功率PT相等。即。等效機組調差系數(shù)與的倒數(shù)稱為機組的單位調節(jié)功率。 （MW/Hz）（458）（4

22、59）KG表示當頻率下降或上升1Hz時，發(fā)電機增發(fā)或減發(fā)的有功功率。三 電力系統(tǒng)頻率控制的基本原理（一）頻率的一次調整不變，則電網(wǎng)頻率波動調節(jié)原動機向發(fā)電機組輸入的原動力使系統(tǒng)頻率維持在某一值，此即一次調頻。PL(f)：電力系統(tǒng)負荷的靜態(tài)頻率特性曲線PG(f)：等效發(fā)電機組的靜態(tài)調節(jié)特性曲線PT：原動機輸入功率假設有m臺機組并聯(lián)運行，則原動機輸出功率：發(fā)電機輸出功率：。對A點，忽略機組內部損耗，則PTA=PGA=PLA （460）此時等效機組輸入輸出功率相等，系統(tǒng)將穩(wěn)定在A點運行。系統(tǒng)突增負荷功率PL，任何時刻。等效機組必須立刻多發(fā)有功功率PL，故，使PT不變仍為PTA。有：為了維持有功平衡，

23、機組轉子動能部分轉成電功率送往負荷，有系統(tǒng)中并聯(lián)運行的第i臺機組轉子中儲存的動能系統(tǒng)中等效機組轉子中儲存的動能系統(tǒng)中并聯(lián)運行機組的臺數(shù)系統(tǒng)中并聯(lián)運行第i臺機組的機械轉動慣量和機械角速度動能釋放，機組調速系統(tǒng)按照等效機組的靜態(tài)調節(jié)特性增加輸入原動機的動力元素，使原動機輸出功率增加；根據(jù)負荷的靜態(tài)頻率特性，負荷從系統(tǒng)取用的有功功率也減少上述過程進行到C點，此時，達穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。有:對于得，式中：等效機組多發(fā)出的有功功率系統(tǒng)負荷從系統(tǒng)少取用的有功功率如上圖，負荷增加時，若調速器不調節(jié)，則，負荷增加的功率就會全部由負荷頻率調節(jié)效應來調節(jié)。系統(tǒng)將穩(wěn)于B點，就是一次調頻的調節(jié)效果。（二）頻率的二次調節(jié) 改

24、變調速器給定值，增加調速器中的頻率給定值就使機組靜態(tài)調節(jié)特性向上平移了，。 負荷增加之后，增加給定頻率值，可將系統(tǒng)頻率，從而使系統(tǒng)頻率保持不變。系統(tǒng)負荷的變化完全由等效機組輸入功率的增加承擔，即：（三）調頻廠的選擇系統(tǒng)負荷變化，有可調容量的機組均參與頻率的一次調整，而二次調整由部分發(fā)電廠承擔。選擇調頻廠時，主要考慮下列因素：具有足夠大的容量和可調范圍；允許的出力調整速度滿足系統(tǒng)負荷變化速度的要求；符合經(jīng)濟運行原則；聯(lián)絡線上交換功率的變化不致影響系統(tǒng)安全運行。四、電力系統(tǒng)的有功功率控制（一）電力系統(tǒng)中的有功功率平衡電力系統(tǒng)負荷功率的變化是隨機的，不能被準確地預知，所以電力系統(tǒng)有功功率平衡是一項復

25、雜的工作。（P108 圖3-15.電力系統(tǒng)有功負荷曲線）變化慢，幅度大，有一定規(guī)律，可預測。變化周期較大，10s-3min,變化幅度較大，脈動負荷分量引起偏移較大，需一次及二次調頻，才能將頻率偏移調節(jié)到允許范圍之內。變化周期短，幅度小，引起偏移較小，由一次調頻來調節(jié)。電力系統(tǒng)自動調頻的物質基礎是電力系統(tǒng)中必須有足夠的旋轉備用容量。（二）并聯(lián)運行機組有功功率分配先討論兩機組并聯(lián)運行情況：兩臺機組并聯(lián)運行時頻率與有功功率的關系開始，運行于，兩機組發(fā)有功功率分別為。負荷增加，一次調頻使系統(tǒng)頻率變?yōu)?，增發(fā)有功為：式（4-12）為由（4-12）有：，分別為機組1和機組2的額定有功功率由（3-69）有：若有m臺機組，則第i臺機組增加的功率用標幺值表示的第i臺機組的調差系數(shù)第i臺機組的額定有功功率一次調頻結束時產生的系統(tǒng)頻率調節(jié)偏差式（4-71）中，和為機組參數(shù)，已知。求解并聯(lián)運行機組間有功功率分配時，必須求出負荷變化時引起的系統(tǒng)頻率變化。以下介紹求的方法。一臺等效發(fā)電機組代替并聯(lián)運行所有機組有：將（4-73）代入（4-72）,有：第i臺機組的單位調節(jié)功率等效機