電力系統(tǒng)自動化 第五章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調(diào)節(jié)

第五章

電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調(diào)節(jié)第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性概述

電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)條件下的頻率f是全系統(tǒng)一致的運行參數(shù)頻率變化是系統(tǒng)負(fù)荷與電源之間的功率失去平衡所致。

原動機輸入功率：機組的動能第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性電網(wǎng)頻率變動情況tP持續(xù)分量脈動分量(10S~30MIN)隨機分量(<10S)負(fù)荷瞬時變動情況★頻率波動對電網(wǎng)運行的影響：√偏離電力設(shè)備經(jīng)濟運行點；√影響用戶生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；√頻率過低過高都會危及電網(wǎng)安全運行主要是第二和第三種分量第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性調(diào)頻與有功功率調(diào)節(jié)是不可分的，應(yīng)滿足安全運行約束；符合經(jīng)濟運行要求，發(fā)揮能源最大效益；頻率偏差控制在預(yù)定范圍內(nèi)，保證電能質(zhì)量?！镎{(diào)頻是電力系統(tǒng)運行的主要任務(wù)之一一般允許頻率偏差為±0.1/±0.2Hz★第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性電力系統(tǒng)中各種有功負(fù)荷與頻率的關(guān)系：第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性負(fù)荷的功率——頻率特性一般可表示為：第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性電力系統(tǒng)負(fù)荷的功率-頻率特性

負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性：頻率下降時，負(fù)荷功率也下降到；頻率上升時，負(fù)荷功率也上升到。系統(tǒng)負(fù)荷參與了調(diào)節(jié)作用負(fù)荷特性有利于系統(tǒng)中有功功率在另一頻率下重新平衡，這種現(xiàn)象稱為負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)。負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)：

決定于負(fù)荷的性質(zhì)因為頻率變化很小，所以為一直線，取值范圍在1~3之間。fPLfNfbPLNPLbab第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性發(fā)電機的功率-頻率特性

發(fā)電機轉(zhuǎn)矩方程：功率方程：無調(diào)速器時，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都為額定值。加調(diào)速器后，將從一條靜態(tài)特性曲線向另一條靜態(tài)特性曲線過渡。P*M*ω*f*PG*MG*1.01.0Pf1233’a’a”a”’第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性有調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)電機功率-頻率特性：有差調(diào)節(jié)調(diào)差系數(shù)PGfPGbPGaΔPGΔfabfNf1

發(fā)電機的靜態(tài)調(diào)節(jié)方程:靜態(tài)特性系數(shù)或原動機單位調(diào)節(jié)功率調(diào)差系數(shù)主要決定于調(diào)速器的靜態(tài)調(diào)節(jié)特性第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性調(diào)差特性與機組間有功功率分配的關(guān)系調(diào)差特性與機組間有功功率的分配P1P2ABCfNP1P2P1’P2’ΔP1ΔP2ΣPLΣP’f1圖5-7兩臺機組并列運行的情況因為頻率一致,有:調(diào)差系數(shù)小的承擔(dān)的有功負(fù)荷增量大多臺機組并列運行:其特性類似于無功功率的分配第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性調(diào)節(jié)特性的失靈區(qū)

不靈敏區(qū)的寬度用失靈度表示：最大誤差與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：以標(biāo)幺值表示為：1、誤差功率與失靈度成正比,與調(diào)差系數(shù)成反比2、過小的調(diào)差系數(shù)會引起較大的功率分配誤差第一節(jié)電力系統(tǒng)的頻率特性電力系統(tǒng)的頻率特性系統(tǒng)頻率特性是由負(fù)荷頻率特性和發(fā)電機頻率特性共同形成的。A點：fePLB點：負(fù)荷增加PL，無調(diào)速器，負(fù)荷靜態(tài)頻率特性變?yōu)镻L1，頻率穩(wěn)定值下降到f3，取用功率仍為原來的PL。C點：調(diào)速器一次調(diào)節(jié)，增加機組輸入功率PT，頻率穩(wěn)定在f2。D點：調(diào)頻器二次動作，增加機組輸入功率PT，頻率穩(wěn)定在fe。增量功率：第二節(jié)調(diào)速器原理一、概述調(diào)速器通常分為機械液壓調(diào)速器和電氣液壓調(diào)速器（簡稱電液調(diào)速器）。

1、機械液壓型調(diào)速器死區(qū)較大，動態(tài)性能指標(biāo)較差，且難于綜合其他信號參與調(diào)節(jié)。（目前還用于柴油機上）

2、電液調(diào)速器分為模擬型和數(shù)字型?，F(xiàn)在投運的大型汽輪發(fā)電機組已采用數(shù)字電液控制（DigitalElectro-HydraulicControl）第二節(jié)調(diào)速器原理二、機械液壓調(diào)速器

圖5-10機械液壓調(diào)速器原理測速部分是由汽輪機主軸帶動的齒輪傳動機構(gòu)和離心飛擺組成，A點位移代表了轉(zhuǎn)速變化。油動機和錯油門實際上又是一個放大器，通過機液機構(gòu)所產(chǎn)生的強大作用力，把E點微小的位移轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)氣閥開度的變化。第二節(jié)調(diào)速器原理二、機械液壓調(diào)速器

圖5-10機械液壓調(diào)速器原理機械杠桿ACB和DFE聯(lián)合組成了一個加法器和位移反饋環(huán)節(jié)。1、如果B和D點不動，A點上移，帶動E點上移。2、如果A和D點不動，B點下移，帶動E點下移。因此，E點位移正比于A、B兩點位移之和，具有加法特性（注意圖5-11A、B兩點符號相同）。3、如果C點不動，B點移動時，將使A點產(chǎn)生位移，具有反饋性質(zhì)。第二節(jié)調(diào)速器原理二、機械液壓調(diào)速器

圖5-10機械液壓調(diào)速器原理調(diào)節(jié)過程：1、轉(zhuǎn)速上升，A、C、E、F上移，油動機關(guān)小調(diào)節(jié)閥。2、B、C、F、E隨油動機活塞同時下移，直到錯油門重新堵住上下油腔位置（C點歸位），一輪調(diào)節(jié)結(jié)束。3、此時，B點位置已經(jīng)下移，而C點位置不變，A點位置就不可能回到調(diào)節(jié)前位置。這就是有差調(diào)節(jié)。4、要回到原來的位置，只有改變D點的位置，即改變給定（二次調(diào)頻，平移特性）第二節(jié)調(diào)速器原理三、功率-頻率電液調(diào)速器（模擬型）

圖5-14功率-頻率電液調(diào)速系統(tǒng)原理圖速度反饋環(huán)功率反饋環(huán)第二節(jié)調(diào)速器原理三、功率-頻率電液調(diào)速器（模擬型）

圖5-14功率-頻率電液調(diào)速系統(tǒng)原理圖1、轉(zhuǎn)速測量：磁阻發(fā)生器、頻率/轉(zhuǎn)速-電壓變送器。2、功率測量：霍爾功率變送器：其輸出比例于兩個輸入量的乘積。3、轉(zhuǎn)速和功率給定環(huán)節(jié)：精密電位器4、電液轉(zhuǎn)換及液壓系統(tǒng)調(diào)速器的運行，類比于AVR：并網(wǎng)前、并網(wǎng)后（△f=0）第二節(jié)調(diào)速器原理四、數(shù)字式電液調(diào)速器

見圖5-22第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（單區(qū)域系統(tǒng)）

發(fā)電機功率增加負(fù)荷功率減少系統(tǒng)動能功率平衡起作用的三個部分：方程式（5-43）對于多區(qū)域系統(tǒng)，則會有聯(lián)絡(luò)線上功率的增加第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（單區(qū)域系統(tǒng)）

方程式（5-56）控制區(qū)i總輸出功率增量為（其值為與區(qū)域i相連的各聯(lián)絡(luò)線中功率增量之和）：第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（單區(qū)域系統(tǒng)）

方程式（5-61）將i區(qū)等效為一個慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為Gpi(s)第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（單區(qū)域系統(tǒng)）

考慮互聯(lián)系統(tǒng)時，計及圖5-27的框圖，控制區(qū)i一次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閉環(huán)框圖如圖5-30所示（P145）：圖5-29單個區(qū)域的閉環(huán)調(diào)節(jié)框圖將汽輪機發(fā)電機傳遞函數(shù)代入得下圖（注意此時沒有△Pti(s)）：第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)特性

圖5-31系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線當(dāng)負(fù)荷突然增加時，系統(tǒng)功率平衡破壞，起初瞬間頻率尚未下降，調(diào)速器未動，所以發(fā)電機輸入功率不變。增加的負(fù)荷由系統(tǒng)動能供給，隨著動能減小，轉(zhuǎn)速下降，調(diào)速器動作，增加發(fā)電機輸入功率。同時，由于頻率的下降，負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)使它吸取功率有所減小。第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性多區(qū)域系統(tǒng)特性

圖5-32兩區(qū)域系統(tǒng)的控制框圖聯(lián)合調(diào)頻比單區(qū)域系統(tǒng)調(diào)節(jié)好。第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻一、概述系統(tǒng)頻率的波動，主要是由于負(fù)荷變化引起的。調(diào)頻是二次調(diào)頻；調(diào)速器的動作是一次調(diào)頻。燃料費用和線路損耗是考慮經(jīng)濟運行的重要因素?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的調(diào)頻主要任務(wù)：不只是維持系統(tǒng)頻率在給定水平，同時還須考慮機組負(fù)荷的經(jīng)濟分配和保持電鐘的準(zhǔn)確性。第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻電廠帶基本負(fù)荷廠1調(diào)頻廠1調(diào)頻廠2調(diào)頻廠3調(diào)峰廠1調(diào)峰廠2調(diào)峰廠3帶基本負(fù)荷廠2帶基本負(fù)荷廠3第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻調(diào)頻方法（改變給定△P）調(diào)頻是二次調(diào)節(jié)，自動改變功率給定值△Pc，用移動調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性的辦法，使頻率恢復(fù)到額定值。調(diào)速器的控制電機稱為同步器或調(diào)頻器，它是一個積分環(huán)節(jié)，只有在輸入信號為零時，才不轉(zhuǎn)動，停止調(diào)節(jié)?？刂普{(diào)頻器的信號有比例、積分、微分三種基本形式。第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻一臺發(fā)電機（主導(dǎo)機）。調(diào)差目標(biāo)其它成比例配合。效果一般，用于小系統(tǒng)。AGC同步時間法聯(lián)合自動調(diào)頻按頻率偏差的積分值調(diào)節(jié)。主導(dǎo)發(fā)電機法二、調(diào)頻方法（改變給定△P）第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻主導(dǎo)發(fā)電機法

一臺發(fā)電機（主導(dǎo)機）。調(diào)差目標(biāo)（無差調(diào)頻器）：其它成比例配合。效果一般，用于小系統(tǒng)。第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻同步時鐘法（積差調(diào)節(jié)）按頻率偏差的積分值調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)方程為：穩(wěn)態(tài)時頻率是電力系統(tǒng)的統(tǒng)一參數(shù)，各點的值相同，所以同步時間法可適用于眾多電廠參與調(diào)整。由于它的調(diào)節(jié)速度比較慢，不能保證頻率的瞬時偏差在規(guī)定的范圍，所以通常不單純采用積差調(diào)節(jié)。改進的頻率積差調(diào)節(jié)方程為：調(diào)節(jié)結(jié)束時：第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻同步時鐘法（積差調(diào)節(jié)）計劃外負(fù)荷總的調(diào)節(jié)量為：各機組調(diào)節(jié)量為：調(diào)頻結(jié)束時，計劃外負(fù)荷按一定比例在調(diào)頻機組間分配。第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻同步時鐘法（積差調(diào)節(jié)）積差調(diào)頻有集中式和分散式兩種方式：集中式第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻同步時鐘法（積差調(diào)節(jié)）積差調(diào)頻有集中式和分散式兩種方式：分散式第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻聯(lián)合自動調(diào)頻AGC(AutomaticGenerationControl)的基本任務(wù):1、維持系統(tǒng)頻率為額定值。2、控制地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的交換功率與計劃值相等，實現(xiàn)各地區(qū)有功功率的就地平衡。3、在安全運行的前提下，所管轄系統(tǒng)范圍內(nèi)，機組間負(fù)荷實現(xiàn)經(jīng)濟分配。第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻自動調(diào)頻示意圖：第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻通訊方式：遠(yuǎn)動通道、計算機網(wǎng)絡(luò)。兩種指令方式：直接下達到機組、下達全廠總調(diào)節(jié)量恒定頻率控制法FFC第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻聯(lián)合電力系統(tǒng)的調(diào)頻恒定交換功率控制FTC無關(guān)頻率。一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)之間交換的Pt恒定，但f可能會變。有協(xié)議的因素。頻率聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制TBC全部都考慮。大型電力系統(tǒng)常用第四節(jié)電力系統(tǒng)自動調(diào)頻頻率聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制TBC區(qū)域調(diào)節(jié)作用的信號稱為區(qū)域控制誤差A(yù)CE。相應(yīng)的控制功率當(dāng)負(fù)荷變動時，調(diào)整目標(biāo)設(shè)A有二次調(diào)頻，B有一次調(diào)頻。且即最終使得第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻經(jīng)濟調(diào)度控制，EDC，三次經(jīng)濟調(diào)整等微增率微增率微增率是指輸入耗量微增量與輸出功率微增量的比值。等微增率法則就是運行的發(fā)電機組按微增率相等的原則分配負(fù)荷，就可使系統(tǒng)總的燃料消耗（或費用）為最小。第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻三種典型的耗量特性曲線及其微增率曲線：（a,d）、鍋爐（b,e）、發(fā)電機（c,f）、汽輪機耗量微增率：第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻舉例：兩臺機組并聯(lián)運行第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻

數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程：第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程：第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程：因此，使總?cè)剂舷淖钚〉臈l件是式（5-109）對功率的偏導(dǎo)數(shù)為零，即：第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程：因PL是常數(shù)，同時各機組的輸出功率又是相互無關(guān)的，所以第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程：設(shè)每臺機組都是獨立的，那么每臺機組燃料消耗只與本身輸出功率有關(guān)。因此，式（5-112）可寫成由此可得即第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻發(fā)電廠內(nèi)并聯(lián)運行機組的經(jīng)濟調(diào)度準(zhǔn)則：各機組運行時的微增率b1，b2，…，bn相等，并等于全廠的微增率λ。第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻發(fā)電廠之間負(fù)荷的經(jīng)濟分配要計及線路功率損耗。系統(tǒng)總?cè)剂舷臑椋嚎偟陌l(fā)電功率與負(fù)荷PL及線損Pe相平衡，即：拉格朗日方程為：則第五節(jié)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與自動調(diào)頻