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

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

一、電力系統(tǒng)頻率控制的必要性

(一)頻率對電力用戶的影響

(1)千變化，引起異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2)f波動影響某些測量和控制用的電子設(shè)備的準(zhǔn)確性和性能。

(3)f下降將使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和出力降低，影響用戶設(shè)備的正常運(yùn)

行。

(二)頻率對電力系統(tǒng)的影響

(1)f下降時，汽輪機(jī)葉片的振動會變大，輕則影響使用壽命，重

則可能產(chǎn)生裂紋。

(2)當(dāng)千下降到47-48HZ時，火電廠廠用機(jī)械的出力下降，使鍋爐

和汽機(jī)出力下降，從而使火電廠發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率下降，

可能出現(xiàn)頻率崩潰。

(3)f降到一定數(shù)值時，核電廠的反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)泵自動跳開，反

應(yīng)堆停止運(yùn)行。

(4)f下降使異步機(jī)和變壓器激磁電流增大一一無功消耗增大。勵

磁機(jī)出力下降，導(dǎo)致電壓水平降低。千低到一定值，電壓下降

速度加快，無法恢復(fù)一一電壓崩潰，大面積停電，系統(tǒng)瓦解。

二、電力系統(tǒng)有功功率控制的必要性

（一）維持電力系統(tǒng)頻率在允許范圍之內(nèi)

電力系統(tǒng)頻率是靠電力系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)運(yùn)行的所有發(fā)電機(jī)組發(fā)出的

有功功率總和與系統(tǒng)內(nèi)所有負(fù)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(fù)荷是時刻變化,故有功功率控制要及時調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)并

聯(lián)運(yùn)行機(jī)組原動機(jī)的輸入功率，維持平衡關(guān)系，保證頻率在允許范圍

之內(nèi)。

（二）提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

決定開啟哪些機(jī)組并入電力系統(tǒng)運(yùn)行；確定已并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)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。

（三）保證聯(lián)合電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)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(jìn)

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(luò)線上通過

的功率和電量實(shí)行控制。

第二節(jié)發(fā)電機(jī)組調(diào)速控制的基本原理

一、發(fā)電機(jī)組單機(jī)運(yùn)行時調(diào)速控制的基.本原理

f:發(fā)電機(jī)頻率，Hz;

P:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對數(shù);

n:機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min;

（一）同步發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程

Ja=J----=M...—M..—---(4-2)

T

dtG

J:機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg-m

a:機(jī)組轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度，rad/s2

Q:機(jī)組轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，rad/s

M7：原動機(jī)（汽輪機(jī)或水輪機(jī)）產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，N?加

“G：發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N

機(jī)組以額定轉(zhuǎn)速?！斑\(yùn)行，轉(zhuǎn)子中儲存的動能為：

I2W

W=-JQ2故J代入（4—2）得：

履2'Q2

取發(fā)電機(jī)的額定有功功率￡為功率的基準(zhǔn)值，額定轉(zhuǎn)速Q(mào),為轉(zhuǎn)

速基準(zhǔn)值，則轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值為=二

將式（4-3）兩邊同除以則:

Q；dQ_MTMG

Pedt

(4-4)

發(fā)電機(jī)機(jī)械角速度。，電角速度w和轉(zhuǎn)子極對數(shù)p之間存在以下關(guān)系:

￡1=—,Q=%代入式（4—4）有：

P'P

2Wdw_dw

ketM-M

E?叱dtdt

w.(4—5)

發(fā)電機(jī)組的慣性時間常數(shù)，s

明：發(fā)電機(jī)電角速度的標(biāo)幺值。

從式(4—5)知：研究機(jī)組的調(diào)速控制問題，必須研究轉(zhuǎn)矩和"G。

(二)原動機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩

水輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩大小決定于：水頭H,導(dǎo)水葉開度°和機(jī)械

轉(zhuǎn)速n等。同一臺水輪機(jī)在同一水頭，不同導(dǎo)葉開度時轉(zhuǎn)矩是不一樣

的。水輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩同轉(zhuǎn)速關(guān)系是一個曲線族。

水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩特性

MTi=MG[,轉(zhuǎn)速%,若MGITMG2,nT—；應(yīng)減小開度，使

%3,使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到%o

（三）發(fā)電機(jī)電磁磚■矩

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是發(fā)電機(jī)定子對轉(zhuǎn)子的作用力矩，方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

動的方向相反，是阻力矩。

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電磁功率成正比，電磁功率等于發(fā)電機(jī)所帶負(fù)

荷的有功功率。

發(fā)電機(jī)負(fù)荷功率與頻率的關(guān)系：

++……-------------（4-6）

仁：負(fù)荷有功功率的標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為發(fā)電機(jī)的額定功率4；

產(chǎn)叱：頻率為額定功率力時，負(fù)荷有功功率七的標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為匕；

/.：頻率標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為工；

斯：與頻率無關(guān)的負(fù)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(fù)荷功率

所占的比例系數(shù)

4（）+q++..+an=1

考慮機(jī)組轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值和頻率標(biāo)幺值相等有：

PL*=4%+/”.兒+a2P涓+……+anP^n：-------------（4—7）

〃,：機(jī)組轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值，基準(zhǔn)為〃,。

轉(zhuǎn)矩和功率用標(biāo)幺值表示時，分別為:

一MMMQ.

M*=——=——7(4-8)

MBLPe

p=_P.=^l(4-9)

PePe

一般機(jī)組轉(zhuǎn)速不會偏離Q太多，認(rèn)為OB。,，故有所以:

(j*~^o^Le*+a^Pj*,〃*+。2PLe*〃；+.+

即：機(jī)組轉(zhuǎn)速偏離額定值不太多時，可認(rèn)為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功

率的標(biāo)幺值相等。

(四)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理

用水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩特性說明：

設(shè)a為原運(yùn)行點(diǎn)，"%=0,穩(wěn)定運(yùn)行。

若負(fù)荷減小時，調(diào)速器不調(diào)節(jié)，Mqf機(jī)組在新的平衡點(diǎn)c

運(yùn)行，具有自平衡能力。

若調(diào)速器參與調(diào)節(jié)，將減少原動機(jī)的動力元素，加川.知小，機(jī)組

運(yùn)行于b點(diǎn)。若再進(jìn)一步調(diào)節(jié)到曲線加小則可使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到%,保

持不變。

二、機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

(1)單機(jī)并入無窮大系統(tǒng)

系統(tǒng)頻率不會因這臺機(jī)組的有功功率變化而變化，機(jī)組調(diào)速器失

去調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速的作用，而只能調(diào)節(jié)機(jī)組的有功出力。

如下圖所示:

調(diào)速器調(diào)節(jié)使M從歷“一這時有：P從%—%＞，但千不變。

（2）當(dāng)機(jī)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(jī)組有功出力變化可能改變系統(tǒng)內(nèi)有功功率平

衡狀態(tài)，使系統(tǒng)頻率發(fā)生變化。

第三節(jié)機(jī)械液壓調(diào)速器的基本原理

調(diào)速器是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制的基礎(chǔ)自動化

設(shè)備。

機(jī)械液壓調(diào)速器T電氣液壓調(diào)速器（模擬一＞微機(jī)）

機(jī)械液壓調(diào)速器的基本結(jié)構(gòu)（見書P73）

從

包

爐

來

的

蒸

汽

圖3-3凝汽式汽輪機(jī)機(jī)械液壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖

（一）測速機(jī)構(gòu)

測速機(jī)構(gòu)由汽輪機(jī)主軸帶動的齒輪傳動機(jī)構(gòu)和離心飛擺組成。套

筒A的位置表征機(jī)紐轉(zhuǎn)速的大小，套筒A的位移表征機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。

（二）放大執(zhí)行機(jī)溝

放大執(zhí)行機(jī)構(gòu)由錯油門和油動機(jī)組成。

當(dāng)錯油門的兩個凸肩正好堵住了油動機(jī)上、下腔的油路，油動機(jī)

活塞靜止不動，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥保持一定開度不變。

當(dāng)調(diào)節(jié)時：

E點(diǎn)上移T油動機(jī)凸肩下移T關(guān)小調(diào)節(jié)汽閥

E點(diǎn)下移T油動機(jī)凸肩上移T開大調(diào)節(jié)汽閥

調(diào)節(jié)結(jié)束；錯油門凸肩回到中間位置。

作用：（1）J尋E點(diǎn)微小的機(jī)械位移放大成了調(diào)節(jié)汽閥開度的較大變化；

（2）將引起E點(diǎn)位移的微小的作用力變成了強(qiáng)大的、能夠操動

調(diào)節(jié)汽閥開度變化的作用力。

（三）轉(zhuǎn)速給定裝置

同步器為轉(zhuǎn)速給定裝置。由電動機(jī)和誨輪、蝸桿組成，改變D點(diǎn)

位置，可使調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性上下移動。

（1）空載時調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率）

設(shè)D點(diǎn)上移。A、B、C、F不會動（機(jī)組轉(zhuǎn)速和油動機(jī)活塞的位

置尚未來得及變化）。故以F點(diǎn)為軸。E點(diǎn)下移T油動機(jī)凸肩上移，B

上升，汽閥開度變大一轉(zhuǎn)速上升TA點(diǎn)上升TC、F點(diǎn)上移TE點(diǎn)上移，

凸肩回到中間位置。

因A點(diǎn)上移，故轉(zhuǎn)速上升了。如下圖示：

:5—…B

AQ----------------------------------------------------------------------------------------------------------

CB

DFE

B與*幾乎重合，D上移引起A點(diǎn)上移，即轉(zhuǎn)速T

（2）機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時調(diào)節(jié)機(jī)組的有功出力

D點(diǎn)上移，f不變故A點(diǎn)不動T開始時B點(diǎn)不變則E點(diǎn)下移TB

點(diǎn)上移，開度增大TE點(diǎn)上移，凸肩回到中間位置，結(jié)果輸出有功增

大。

B

o.

AcB

D4

DFE

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。

（三）調(diào)差機(jī)構(gòu)

機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)頻率調(diào)節(jié)的結(jié)果，并沒有保證發(fā)電機(jī)頻率

恒定不變，而是有差的。

調(diào)速器中形成調(diào)差特性的機(jī)構(gòu)稱為調(diào)差機(jī)構(gòu)，改變C點(diǎn)位置，即

改變AC和CB長度的比例關(guān)系，可以改變機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)差特性。

1、調(diào)差特性的形成

如上圖，機(jī)組運(yùn)行于1點(diǎn)，突增負(fù)荷（如增到七2），調(diào)節(jié)器未開

始調(diào)節(jié)時，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降TflTA點(diǎn)下移，剛開始B點(diǎn)不動，則E

點(diǎn)下移T增大汽門開度TB上移T轉(zhuǎn)速上升，A點(diǎn)上移TE回到中間

位置，調(diào)節(jié)結(jié)束。

這時B點(diǎn)上移，A點(diǎn)不會回到原來位置而是低了一點(diǎn)，結(jié)果有功

出力增大，頻率卻降低了，形成調(diào)差特性。

一一一

AQ__________________________________Q一一一_____OD

一一一一CB

。一一一一一

A

D°-------------------------------°E

2、調(diào)差特性的數(shù)學(xué)描述

調(diào)差系數(shù)用以表示機(jī)組調(diào)差特性:

5=一",3(Hz/MW)

-Af+b.A，=0(4-13)

5,6：用有名值和標(biāo)幺值表示的調(diào)差系數(shù).

:用標(biāo)幺值表示的機(jī)組頻率和有功功率增量。

pGe：發(fā)電機(jī)額定有功功率。

式(4-13)稱為發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)節(jié)方程式。

二、機(jī)組調(diào)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(jī)械摩擦、間隙和重疊，調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性為一條

帶狀曲線，存在調(diào)節(jié)失靈區(qū)，又稱調(diào)節(jié)死區(qū)。

頻率在/和/之間變化時，調(diào)速器不進(jìn)行調(diào)節(jié)，將工?工之間

稱為調(diào)速系統(tǒng)的失靈區(qū)。

用失靈度￡來描述：

fe

（二）失靈區(qū)的影響

并網(wǎng)運(yùn)行時，所帶有功負(fù)荷不確定，如上圖，對應(yīng)于/;時，其有

功功率可能為七0-A%和PGO+△匕之間的任何值。

調(diào)差系數(shù)：3=/

△P

用標(biāo)幺值示并做變換:

為了使誤差功率不致過大，要求機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)失靈區(qū)不能過大、

調(diào)差系統(tǒng)N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(dāng)電力系統(tǒng)頻率發(fā)生微小波動時，調(diào)速器也要動作c這

樣會使調(diào)節(jié)汽閥動作過于頻繁，這對機(jī)組本身和電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)不

利。

第四節(jié)模擬電氣液壓調(diào)速器

一、模擬電氣液壓調(diào)速器的優(yōu)點(diǎn)

1939年瑞士首先推出了電子管電氣液壓式水輪機(jī)調(diào)速器。20世

紀(jì)50年代后發(fā)展較快，操縱調(diào)節(jié)汽閥（對水輪機(jī)為導(dǎo)水葉）開度的

仍采用機(jī)液裝置，其它部分由電子電路完成。

優(yōu)點(diǎn)：

1、靈敏度高，調(diào)節(jié)速度快，精度高，機(jī)組甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)速超調(diào)量小。

2、易于綜合多種信號參與調(diào)速控制（轉(zhuǎn)速、功率、斷路器、同期…）。

3、易于實(shí)現(xiàn)高級控制。

4、安裝、調(diào)試用檢修方便。

二、功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng)的基本原理

構(gòu)成：轉(zhuǎn)速測量、功率測量、功率給定、轉(zhuǎn)速給定、電量放大器、

PID調(diào)節(jié)、電液轉(zhuǎn)換器及機(jī)械液壓隨系統(tǒng)等。

功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng)原理圖

（一）轉(zhuǎn)速測量

由磁阻發(fā)送器后頻率一電壓變送器完成轉(zhuǎn)速測量。

1、磁阻發(fā)送器

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T磁

通變化T脈動信號（該信號的頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比）。

2、頻率一電壓變送器

作用：將磁阻發(fā)送器輸出的脈動信號轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的輸出

電壓值Uo

(二)功率測量

將發(fā)電機(jī)的有功功率轉(zhuǎn)換成與之成正比的直流電壓。

如上圖所示，半導(dǎo)體材料在電流和磁場作用下會產(chǎn)生霍爾電動勢E〃:

-8

EHjC-Bcos^xlO=K.IiCB

'}-------(4-17)

K.=-y--cos6>xlO-8

1d

式中：RH:霍爾系數(shù)，口,〃/(4.7)；

d:薄片厚度，cm;

4：控制電流，A：

B:磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;

Ox磁感應(yīng)狷度B與半導(dǎo)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:

TA

發(fā)電機(jī)電壓互感器二次側(cè)電壓UG加于TB一次側(cè)，產(chǎn)生ic

€=幺47=￡Uc?sinwt------4-18

電流互感器二次側(cè)電流iG接到TA繞組上，產(chǎn)生磁場強(qiáng)度H,則磁感應(yīng)

強(qiáng)度：

B=k3-iG=k31G?sin(vvr+(p)4-19

將4一18和4一19代入4一17得：

(卬/+

EH=k、k2k3UGsinwt-IGsin(p)------4-20

Ul

E“二h(([cos夕-COS(2MY+(p)\

~T}——4-21

k=k、?kj攵3

式中COSQ為功率因數(shù)，霍爾電動勢日的平均值正比于有功功率。

（三）轉(zhuǎn)速和功率給定環(huán)節(jié)、PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)由運(yùn)算放大器組成，為驅(qū)動電液轉(zhuǎn)換器，加一功率放大環(huán)節(jié)。

（四）電液轉(zhuǎn)換及機(jī)液隨動系統(tǒng)

電液轉(zhuǎn)換器線圈將功率放大器輸出的電量變化轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)油閥

開度的變化,機(jī)液隨動系統(tǒng)把信號放大，推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)油動機(jī)以調(diào)節(jié)

汽閥。

工作過程：（圖見書Pei3-13）

電液轉(zhuǎn)換器

圖3T3電液轉(zhuǎn)換器及機(jī)液隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

電液轉(zhuǎn)換器輸出增大一調(diào)節(jié)油閥關(guān)小T油壓PTT繼動器活塞下

移（帶動蝶閥下移）T錯油門王字形滑閥中間排油孔的排油量減少，

上腔壓力T,使滑閥向下移動T油動機(jī)活塞上移T調(diào)節(jié)汽閥開大TB

點(diǎn)上移TA點(diǎn)上移T繼動器活塞上移T蝶閥上移T王字形滑閥上移，

回到原來的平衡位置。

（五）調(diào)速器的工作

1、發(fā)電機(jī)組未并網(wǎng)運(yùn)行

功率給定和功率測量為零

Ug=U⑻-U〃

式中與轉(zhuǎn)速給定對應(yīng)，u〃與機(jī)組轉(zhuǎn)速對應(yīng)

調(diào)速：改變Ungd,調(diào)節(jié)結(jié)果使UA〃=O

2、機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行

①設(shè)電網(wǎng)頻率恒定且為額定值，UA〃=O,則U”，

輸出到PID,結(jié)果使UA〃=O,改變U/斕，則輸出功率將改變。

②電網(wǎng)頻率波動，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速給定值和功率給定

值為某一定值，調(diào)速器隨輸入PID的兩個信號之和調(diào)節(jié)

汽閥開度，改變機(jī)組的輸出功率。

調(diào)節(jié)結(jié)束時：豈+A〃=0

8

用標(biāo)幺值表示調(diào)速特性為：V+￡A〃*=O——發(fā)電機(jī)組靜

態(tài)調(diào)節(jié)方程式

調(diào)差機(jī)構(gòu)：

發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性

機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)頻率調(diào)節(jié)的結(jié)果，并沒有保證發(fā)電機(jī)頻率

恒定不變，而是有差的。機(jī)組負(fù)荷增加時，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的結(jié)果是機(jī)

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(diào)速器

模擬電液調(diào)速器的缺點(diǎn)：

a.工作穩(wěn)定性差，工作點(diǎn)隨溫度和工作電源電壓的變化有所變化；

b.實(shí)現(xiàn)高級控制困難不能在線修改控制參數(shù)和控制方式；

c.功能單一，沒有機(jī)組開停機(jī)控制，發(fā)電機(jī)并列等功能。

數(shù)字電液調(diào)速器出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初期，80年代以來，應(yīng)

用較廣。

一、數(shù)字電液調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)：

1.控制品質(zhì)好;

2.功能多;

3.靈活性好；

4.運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠。

二、水輪發(fā)電機(jī)組微機(jī)電液調(diào)速

（一）微機(jī)電液調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

微機(jī)電液調(diào)節(jié)器有數(shù)字控制器、電液轉(zhuǎn)換器和機(jī)液隨動系統(tǒng)組成。

功能：調(diào)速和同期控制雙重功能一發(fā)電機(jī)組調(diào)速和同期綜合控制器。

在線變結(jié)構(gòu)控制：在不同的運(yùn)行工況下，微機(jī)控制器自動地變換調(diào)速

器結(jié)構(gòu)，PID調(diào)節(jié)參數(shù)也不同。

KJDL

參數(shù)壑定

I開機(jī)

控制

數(shù)字測頻相角差DL=O,KJ=1

”數(shù)字測角—J

fXD/A

YKJ接

夜

電

力

機(jī)

?DL=O,TQ=1,fm=fxYCDYCA0液隨

fm+功率

器

器

轉(zhuǎn)

動

系

統(tǒng)

?DL=O,TQ=O,fm=fgd?PID控制aD/A換

行

c一+3一放大器

?DL=l,fm=fed*YFK程

頻率給定切換

放大器

永態(tài)轉(zhuǎn)差

DLDL=O,bp=O

DL=1,bp=整定值率控制

YA

＞增減功率YD位移

:控制A/D<傳感器

微機(jī)電液調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖

1.機(jī)組開機(jī)和空載運(yùn)行時的調(diào)速控制結(jié)構(gòu)（書P84圖3—15）

微機(jī)控制器開機(jī)控制

機(jī)

電

功

液

液

率

隨

轉(zhuǎn)水

放

PID動

換輪

系

大

控制器機(jī)

統(tǒng)

一

致宇測撅

圖375機(jī)組開機(jī)和空載運(yùn)行時調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

DL=O,TQ=O

/削=于澳永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp=0（增減功率失效）

2.開機(jī)的機(jī)組與電力系統(tǒng)同期并列（書P?55,圖6—22）

功

電

機(jī)

隨水

率發(fā)

液

核

動

放

收Y

液

系輪

大

數(shù)字控制器D/A換電

壓

統(tǒng)

器

器

機(jī)機(jī)

位移傳感器8記

>2YH1YH

數(shù)字程頻

數(shù)字測角

至

——I升壓控制勵

D/A功放一破

調(diào)

電代測量節(jié)

降壓控制器

功放

至斷路器合閘控制

自動同期并列推

合闈控制決策電

器

圖6-22水辦發(fā)電機(jī)組微機(jī)誠蹤同期并列控制框圖

DL=0,TQ=1,=fx

跟蹤同期控制

3.機(jī)組單機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時的調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)（書P85圖3—16）

機(jī)

電

功

液

液

水

率

隨

PID轉(zhuǎn))

放

動負(fù)

換

控制機(jī)

系

大荷

器

統(tǒng)

一

Z）L=1,ZG=0,JG=0,R=不變

8

DL=1,ZG=1,R=丫。+?Ajt

7-1

DO

irJG=i,pv=yo—工n產(chǎn)

DL=1,bp=#O,fm=fgd

Pc（折算成接力器行程）:

DL=O,Pc=Y0（Yo:水輪機(jī)導(dǎo)水葉的空載開度）

DL=1,ZG=O,JG=0,Pc二不變

0

DL=1,ZG=1,%=增功率

j=l

8

DL=1,JG=1,匕=乂-2勺減功率

j=i

ZG,JG:按鍵，增減功率

（二）微機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)

1.主機(jī)

對輸入通道采集來的運(yùn)行狀態(tài)變量的數(shù)值進(jìn)行調(diào)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(jī)的總線相接，必須由接口

電路完成信息傳遞任務(wù)。

接口芯片：如A/D、計數(shù)器、定時器等。

有的CPU已集成了A/D、D/A等接口也路。

3.輸入、輸出過程通道

介于接口電路后控制對象之間（相當(dāng)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(jī)接力器的行程Y（表征水輪機(jī)導(dǎo)水葉的開度）變

成與其成正比的0?5V直流電壓信號。

（3）功率放大器

對D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓YCA進(jìn)行功率放大，以便能推動電液

轉(zhuǎn)換器工作。

（三）微機(jī)控制器軟件

決定控制規(guī)律，編寫應(yīng)用軟件的程序設(shè)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(yīng)用C語言。

（四）調(diào)節(jié)量計算

采用增量式PID算法

丫8（〃）=丫8（〃-1）+八L5）

k

二丫8。2-l）+"p?八《（〃）+左/7?e（〃）+。?△/（〃）

△e(〃)=e(〃)-e(n-1)

式中△/7(〃)=e(〃)一2e("-1)+e(n-2)

（五）機(jī)組開機(jī)和空載運(yùn)行時的調(diào)速控制

（1）開機(jī)控制

開機(jī)控制是一個功能軟件。當(dāng)DL=0,KJ=1（開機(jī)）時，將水輪機(jī)導(dǎo)

葉盡可能快的從零開啟到最大開度。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到80%%時，將開度

關(guān)到空載開度看,并開始對機(jī)組實(shí)行PID控制。

（2）機(jī)組空載運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速控制

使e=/o?—?！?。，即〃=/〃，即〃

（六）機(jī)組單機(jī)帶負(fù)荷時的調(diào)速控制

（1）調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性

給定轉(zhuǎn)速（％）恒定時，調(diào)速系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的情況下,

轉(zhuǎn)速相對值與主接力器行程相對值的關(guān)系曲線

（見「85,見圖3—16）

數(shù)字測頻

/G

YH

機(jī)

頻率電

液

給定液

隨

J轉(zhuǎn)水發(fā)

PID動

控制換輪電

系

器機(jī)機(jī)Uc.

+統(tǒng)

bp

￡

/

￡

，

一(

。

He

Ym：接力器最大

行程

圖中1點(diǎn)：PID控制的輸入為

e=fgd+bp（Pc~匕力）—于G\

fgd:給定頻率；

bp:永態(tài)轉(zhuǎn)差率；

Pc：給定接力器行程，表征給定有功功率；

YD1:對應(yīng)于“1”點(diǎn)的主接力器行程的數(shù)字量;

fGi：對應(yīng)于“1”點(diǎn)的發(fā)電機(jī)頻率;

PID調(diào)節(jié)結(jié)果使e=0時，YCD（PID輸出）就不再變化。這時圖

3-16（P85）中匕^=心，功放輸出為零。

有：fgd+bp（Pc-丫6）-/GI=。-----（4—30）

fG\~）于G2

e=于城+bp（Pc-YD?）—/G2-----（4—31）

調(diào)節(jié)結(jié)果使e=0。

兩式相減：

［加+以（旦一%）—//—［兀+與（上一4）一幾］=0

”"一夕一夕:永態(tài)轉(zhuǎn)差率定義的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

YD2~YD\

（2）水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性的實(shí)現(xiàn)

水輪機(jī)組+調(diào)速系統(tǒng)=水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)

水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性：當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，給定頻

率不變時，相對頻率（或轉(zhuǎn)速）與相對功率關(guān)系。

PG

接力器行程

Y表征輸入機(jī)組的功率，

P表征發(fā)電機(jī)輸出功率.

Y-P二機(jī)組的有功損耗

（七）水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）隨時間變化的關(guān)系。

（八）新型水輪發(fā)電機(jī)微機(jī)電調(diào)的研究

1.微機(jī)控制器

Z80T單片機(jī)（8bits-16bitsT32bits）

PLC,IPC,MCPU應(yīng)用

2.控制方式

PIDT變結(jié)構(gòu)，變參數(shù)PIDT自適應(yīng)控制，模糊控制，人工神

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

3.新型電液轉(zhuǎn)換器的研究

4.機(jī)械液壓隨動系統(tǒng)的研究

步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件的全數(shù)字化電動液壓式水輪機(jī)調(diào)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(jī)組及負(fù)荷數(shù)量很多，控制起來相當(dāng)復(fù)雜，簡化問題突

出矛盾，使用發(fā)電機(jī)組單機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時頻率和有功功率控制的基本

原理和方法進(jìn)行分析和計算。

一、電力系統(tǒng)負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性

曲線①T②，負(fù)荷突增4P點(diǎn)bTc,因事故失去4P出力

書本Pi03eg3T、eg3-2要求掌握

二電力系統(tǒng)等效發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)節(jié)

忽略機(jī)組損耗，等效發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率PG與等效原動機(jī)輸出的功率

PT相等。即h=鳥。

等效機(jī)組調(diào)差系數(shù)6與B的倒數(shù)稱為機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率。

勺=——(4-58)

(4-59)

KG表示當(dāng)頻率下降或上升1Hz時，發(fā)電機(jī)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(diào)整

￡調(diào)速器

不變,則電網(wǎng)頻率波動一~》調(diào)節(jié)原動機(jī)向發(fā)電機(jī)組輸入

的原動力T使系統(tǒng)頻率維持在某一值，此即一次調(diào)頻。

PL(f)：電力系統(tǒng)負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性曲線

PG(f)：等效發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線

Pr：原動機(jī)輸入功率

假設(shè)有m臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，則原動機(jī)輸出功率:

PT=￡4

i=i

發(fā)電機(jī)輸出功率：

PG=￡%

eo

對A點(diǎn)，忽略機(jī)組內(nèi)部損耗，則PTA=PGA-PLA--------(4—60)

此時等效機(jī)組輸入輸出功率相等，系統(tǒng)將穩(wěn)定在A點(diǎn)運(yùn)行。

系統(tǒng)突增負(fù)荷功率APL,尸J/)-可(/),任何時刻后=R。等效機(jī)

組必須立刻多發(fā)有功功率APL,故匕八一匕?使件不變?nèi)詾镻TA。有：

Pc=Ps=P“=E4-----------（4-61）

/?i

Pr=￡g=L-----------（4-62）

1=1

PG-PLEPLZPH----------（4-63）

r=l/=!

為了維持有功平衡，機(jī)組轉(zhuǎn)子動能部分轉(zhuǎn)成電功率送往負(fù)荷，有

Am

APL=-（XW.）

dti=i

（4-64）

w=-jn2

“b211

wki——系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的第i臺機(jī)組轉(zhuǎn)子中儲存的動能

￡泥荒—系統(tǒng)中等效機(jī)組轉(zhuǎn)子中儲存的動能

1=1

m--------系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的臺數(shù)

幾值——系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行第i臺機(jī)組的機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)械角速度

動能釋放，nJ,/J

①機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)按照等效機(jī)組的靜態(tài)調(diào)節(jié)特性增加輸入原動機(jī)的動

力元素，使原動機(jī)輸出功率增加;

②根據(jù)負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性，負(fù)荷從系統(tǒng)取用的有功功率也減少

上述①②過程進(jìn)行到C點(diǎn)，此時PGC=『=PLC，達(dá)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。

有:

/=fc

匕=2c=%

rim

?(Zw；)=o,(/不變)

citi=i

AP,=AP-AP,(3-65)

LCJCL

mm

APG=SAPri=ZAPGi

i=li=l

△P；=KN

△HA

^TAPL=APG-APL

=PGC-3=Rc-PLA(a)

生.=Rc—PLD=P?—%S)

(。)一3)得

AP—AP=(R—p)—(E—R)=R-R=AP

式中：APG---等效機(jī)組多發(fā)出的有功功率

△PL——系統(tǒng)負(fù)荷從系統(tǒng)少取用的有功功率

如上圖，負(fù)荷增加時，若調(diào)速器不調(diào)節(jié)，則P『=PA，負(fù)荷增加的功率

(API就會全部由負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)來調(diào)節(jié)。系統(tǒng)將穩(wěn)于B點(diǎn)，

/=/B.V?=/B-/A，N=A/B-頌:就是一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)效果。

（二）頻率的二次調(diào)節(jié)

改變調(diào)速器給定值（4或PJ,增加調(diào)速器中的頻率給定值就使機(jī)組

靜態(tài)調(diào)節(jié)特性向上平移了，PG（f）fE（f）。

負(fù)荷增加"L之后，增加給定頻率值，PG（f）可將系統(tǒng)頻率

fcfA，從而使系統(tǒng)頻率保持不變。系統(tǒng)負(fù)荷的變化APL完全由等效

機(jī)組輸入功率的增加承擔(dān)，

AP=Pp

即：LGn-GA=gAPGi--------（3.66）

v=o

（三）調(diào)頻廠的選擇

系統(tǒng)負(fù)荷變化，有可調(diào)容量的機(jī)組均參與頻率的一次調(diào)整，而二

次調(diào)整由部分發(fā)電廠承擔(dān)。

選擇調(diào)頻廠時，主要考慮下列因素：

①具有足夠大的容量和可調(diào)范圍；

②允許的出力調(diào)整速度滿足系統(tǒng)負(fù)荷變化速度的要求；

③符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則；

④聯(lián)絡(luò)線上交換功率的變化不致影響系統(tǒng)安全運(yùn)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(fù)荷功率的變化是隨機(jī)的，不能被準(zhǔn)確地預(yù)知，所以電

力系