第8講 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調節(jié)與控制(1)

1、North China Electric Power University第八講 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調節(jié)及控制（1）主講人：李巖松華北電力大學電氣與電子工程學院North China Electric Power Universitypage22022-4-12第五章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調節(jié)及控制 本章就電力系統(tǒng)的頻率特性和調頻的有關問題展開討論，闡述了經濟調度和自動調頻的問題。North China Electric Power Universitypage32022-4-12第一節(jié) 電力系統(tǒng)頻率特性系統(tǒng)內有系統(tǒng)內有m臺機組，電功率輸出為臺機組，電功率輸出為 ，原動機的輸

2、入總功率，原動機的輸入總功率為為 ，在忽略內部損耗的條件下，存在關系：，在忽略內部損耗的條件下，存在關系：mGiP1mTiP1mmGiTiPP11系統(tǒng)負荷變動使機組輸出電功率增加系統(tǒng)負荷變動使機組輸出電功率增加 ，而機械功率來不及，而機械功率來不及做出反應，這時做出反應，這時LPLmGimTiPPP11為了保持功率平衡機組只能把轉子的一部分動能轉換為電功率，為了保持功率平衡機組只能把轉子的一部分動能轉換為電功率，mKiLmGimTiWdtdPPP111機組轉速降低，系統(tǒng)頻率下降機組轉速降低，系統(tǒng)頻率下降North China Electric Power Universitypage42022

3、-4-121、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性電力系統(tǒng)負荷變動情況電力系統(tǒng)負荷變動情況電力系統(tǒng)運行中的主要任務之一就電力系統(tǒng)運行中的主要任務之一就是對頻率進行監(jiān)視和控制，保證電是對頻率進行監(jiān)視和控制，保證電力系統(tǒng)頻率的偏移在允許范圍內力系統(tǒng)頻率的偏移在允許范圍內調節(jié)頻率就是改變單位時間內進調節(jié)頻率就是改變單位時間內進入原動機的動力元素（蒸汽或水）入原動機的動力元素（蒸汽或水）力求電力系統(tǒng)負荷在安全運行力求電力系統(tǒng)負荷在安全運行約束條件下，實現經濟運行及在約束條件下，實現經濟運行及在發(fā)電機組之間實現經濟分配。發(fā)電機組之間實現經濟分配。勵磁調節(jié)基本目標：勵磁調節(jié)基本目標：發(fā)電機端電壓發(fā)電機端電壓和和無

4、功功率分配無功功率分配調速器的基本目標：調速器的基本目標：發(fā)電機頻率發(fā)電機頻率和和有功功率分配有功功率分配North China Electric Power Universitypage52022-4-121、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性電力系統(tǒng)中有功功率與頻率之間的關系：電力系統(tǒng)中有功功率與頻率之間的關系：1、與頻率變化無關的負荷：、與頻率變化無關的負荷：照明、電弧爐、整流負荷照明、電弧爐、整流負荷2、與頻率成正比的負荷：、與頻率成正比的負荷：切削機床、球磨機、壓縮機切削機床、球磨機、壓縮機3、與頻率的二次方成正比的負荷：、與頻率的二次方成正比的負荷：變壓器中的渦流損耗變壓器中的渦流損耗4

5、、與頻率的三次方成正比的負荷：、與頻率的三次方成正比的負荷：通風機、靜水頭阻力不大的通風機、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵循環(huán)水泵5、與頻率的高次方成正比的負荷：、與頻率的高次方成正比的負荷：靜水頭阻力很大的循環(huán)水泵靜水頭阻力很大的循環(huán)水泵nnLNnNLNNLNNLNLNLffPaffPaffPaffPaPaP.332210North China Electric Power Universitypage62022-4-121、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性1.3210*3*32*2*10*nnnLaaaaafafafafaaP電力系統(tǒng)有功負荷的靜態(tài)頻率特性方程電力系統(tǒng)有功負荷的靜態(tài)頻率特性方程 當電

6、力系統(tǒng)內機組的輸入功率當電力系統(tǒng)內機組的輸入功率和負荷功率之間失去平衡時和負荷功率之間失去平衡時,系系統(tǒng)負荷也參與了調節(jié)作用。統(tǒng)負荷也參與了調節(jié)作用。這種特性有利于系統(tǒng)中的有功這種特性有利于系統(tǒng)中的有功功率在另一個頻率下重新獲得平功率在另一個頻率下重新獲得平衡衡負荷的頻率調節(jié)效應負荷的頻率調節(jié)效應*dfdPKLLNorth China Electric Power Universitypage72022-4-121、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性nmmmLLfmadfdPK11*為負荷的頻率調節(jié)效應系數，用為負荷的頻率調節(jié)效應系數，用以衡量調節(jié)效應的大小。以衡量調節(jié)效應的大小。根據國內外的實測數

7、據表明，根據國內外的實測數據表明，有功負荷與頻率之間的關系有功負荷與頻率之間的關系曲線接近于一條直線。曲線接近于一條直線。*fPtgKLLfPKLLLNNLLPfKK*有功功率有功功率變化量變化量相對應有功功相對應有功功率變化的頻率率變化的頻率的變化量的變化量 是電力系統(tǒng)調度部門要求掌握的一個數是電力系統(tǒng)調度部門要求掌握的一個數據。它表明系統(tǒng)頻率變化據。它表明系統(tǒng)頻率變化1%時負荷功率變化時負荷功率變化的百分數。的百分數。*LKNorth China Electric Power Universitypage82022-4-122、發(fā)電機組的功率-頻率特性發(fā)電機組的轉速調整是由原動機的調速系統(tǒng)

8、來實現的，發(fā)電機的發(fā)電機組的轉速調整是由原動機的調速系統(tǒng)來實現的，發(fā)電機的功率功率-頻率特性取決于調速器系統(tǒng)的特性頻率特性取決于調速器系統(tǒng)的特性*BWAMG2*2*1*fCfCPG發(fā)電機組無調速器發(fā)電機組無調速器在調速器的作用在調速器的作用下不斷改變進氣下不斷改變進氣量，使原動機的量，使原動機的運行點不斷地從運行點不斷地從一根靜態(tài)特性向一根靜態(tài)特性向另一根靜態(tài)特性另一根靜態(tài)特性曲線過渡。曲線過渡。此時原動機進氣量達到最大值，此時原動機進氣量達到最大值，調速器不起作用，當頻率調速器不起作用，當頻率f繼續(xù)繼續(xù)下降時，運行點只能沿著對應于下降時，運行點只能沿著對應于最大進氣量的靜態(tài)特性曲線移動。最大

9、進氣量的靜態(tài)特性曲線移動。North China Electric Power Universitypage92022-4-122、發(fā)電機組的功率-頻率特性對應于頻率下降對應于頻率下降 ，發(fā)電機組輸出功，發(fā)電機組輸出功率增加率增加 ，這是一種有差調節(jié)特性，這是一種有差調節(jié)特性fGPGPfR發(fā)電機組的發(fā)電機組的調差系數調差系數負號表示發(fā)電機輸出功率負號表示發(fā)電機輸出功率的變化和頻率變化相反的變化和頻率變化相反*GGNGNPfPPffR0*GPRf發(fā)電機組的靜態(tài)調節(jié)方程發(fā)電機組的靜態(tài)調節(jié)方程North China Electric Power Universitypage102022-4-123、

10、發(fā)電機組調差系數與有功功率分配*GPRf*1*2*2*1RRPP機組間的有功功率分配與機機組間的有功功率分配與機組的調差系數成反比組的調差系數成反比niiGiNNniGiRPffPP1*1推廣到多臺發(fā)電機組并聯運行的情況：推廣到多臺發(fā)電機組并聯運行的情況：North China Electric Power Universitypage112022-4-125、電力系統(tǒng)的頻率特性North China Electric Power Universitypage122022-4-12第二節(jié) 調速器及頻率調節(jié)特性機械液壓調速器機械液壓調速器電氣液壓調速器電氣液壓調速器North China Ele

11、ctric Power Universitypage132022-4-121、機械液壓調速器1、在、在B、D點不動的情況下，點不動的情況下，A點上升點上升- E點上升點上升2、在、在A、D點不動的情況下，點不動的情況下，B點下降點下降- E點下降點下降E E點的位移正比于點的位移正比于A A、B B兩兩點的位移之和，具有加點的位移之和，具有加法性質。法性質。3、在、在C點不動的情況下，點不動的情況下，B點上升點上升 A點下降；點下降；B點下降點下降A點上升點上升B B點具有反饋作用點具有反饋作用North China Electric Power Universitypage142022-4-

12、121、機械液壓調速器負荷突然減少負荷突然減少轉速升高轉速升高A增大增大E點減小點減小減小開度減小開度開度反饋開度反饋B減少減少達到新的達到新的平衡點平衡點North China Electric Power Universitypage152022-4-121、機械液壓調速器調頻器啟動調頻器啟動D點增大點增大E點增大點增大開度增大開度增大B點增大點增大開度反饋開度反饋達到新達到新平衡點平衡點North China Electric Power Universitypage162022-4-122、電氣液壓調速器12345North China Electric Power Universit

13、ypage172022-4-122、電氣液壓調速器轉速測量磁阻發(fā)送器磁阻發(fā)送器作用是將轉速轉換為相應頻率的電壓信號。作用是將轉速轉換為相應頻率的電壓信號。 齒輪與鐵芯齒輪與鐵芯之間的磁阻變化之間的磁阻變化導致通過測速磁導致通過測速磁頭的磁通發(fā)生相頭的磁通發(fā)生相應變化，在線圈應變化，在線圈中感應出微弱的中感應出微弱的脈動信號，該信脈動信號，該信號的頻率與機組號的頻率與機組轉速成正比。轉速成正比。North China Electric Power Universitypage182022-4-12 微分電路在方波的上升沿時獲得正微分電路在方波的上升沿時獲得正向尖峰脈沖，觸發(fā)一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器向尖峰

14、脈沖，觸發(fā)一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后，輸出一個幅度為后，輸出一個幅度為v寬度為寬度為t的正向的正向方波脈沖。在單位時間內，單穩(wěn)態(tài)觸方波脈沖。在單位時間內，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的正脈沖數與磁阻發(fā)送器輸發(fā)器輸出的正脈沖數與磁阻發(fā)送器輸出信號頻率成正比出信號頻率成正比2、電氣液壓調速器轉速測量轉速轉速/頻率頻率-電壓變送器電壓變送器將磁阻發(fā)送器輸出的脈將磁阻發(fā)送器輸出的脈動信號轉換為與轉速成動信號轉換為與轉速成正比的電壓輸出值。正比的電壓輸出值。濾波器實際上是個積分器，在單位時濾波器實際上是個積分器，在單位時間內脈沖個數越多則輸出的電壓越高間內脈沖個數越多則輸出的電壓越高North China Electric

15、 Power Universitypage192022-4-122、電氣液壓調速器功率測量將發(fā)電機的有功功率轉換為與之成正比的電壓將發(fā)電機的有功功率轉換為與之成正比的電壓有功功率變送器有功功率變送器執(zhí)行元件就是霍爾效應原理的測量元件執(zhí)行元件就是霍爾效應原理的測量元件810cosBidREcHH霍爾效應系數霍爾效應系數霍爾元件厚度霍爾元件厚度控制電流控制電流磁感應強度磁感應強度磁感應強度與元件磁感應強度與元件平面法線的夾角平面法線的夾角North China Electric Power Universitypage202022-4-122、電氣液壓調速器功率測量tUKimcsin1tIKBms

16、in2tIUKttIUKKKEmmmmH2coscos2sinsin321正比于有功功率正比于有功功率8HHCcos10REi BdNorth China Electric Power Universitypage212022-4-122、電氣液壓調速器給定環(huán)節(jié)及PID調節(jié)器用高精度穩(wěn)定電源供電的精密多轉電位器構成用高精度穩(wěn)定電源供電的精密多轉電位器構成由由運運算算放放大大器器構構成成North China Electric Power Universitypage222022-4-122、電氣液壓調速器電液轉換器功率放大器輸出功率放大器輸出增大增大電液轉換器線圈電磁力電液轉換器線圈電磁力增大

17、增大調節(jié)油閥調節(jié)油閥關小關小在十字彈簧在十字彈簧的壓力下的壓力下繼動器輸入油壓繼動器輸入油壓升高升高繼動器蝶閥繼動器蝶閥下移下移繼動器排油繼動器排油增加增加North China Electric Power Universitypage232022-4-122、電氣液壓調速器電液轉換器繼動器內腔油壓繼動器內腔油壓升高升高繼動器滑閥繼動器滑閥下移下移油動機入油油動機入油增加增加油動機活塞油動機活塞上移上移汽門調節(jié)閥汽門調節(jié)閥開大開大進入汽輪機的有功進入汽輪機的有功增大增大North China Electric Power Universitypage242022-4-122、電氣液壓調速器電

18、液轉換器油動機活塞油動機活塞上移上移B點點上移上移A點點上移上移繼動器蝶閥繼動器蝶閥上移上移穩(wěn)定在新的工作點穩(wěn)定在新的工作點North China Electric Power Universitypage252022-4-122、電氣液壓調速器電液轉換器繼動器繼動器油動機油動機蒸汽閥蒸汽閥AB杠桿杠桿功率放大器功率放大器AB+-+North China Electric Power Universitypage262022-4-123、數字式電液調速器輔助功能：輔助功能：機組自啟動控制機組自啟動控制、跟蹤電網頻跟蹤電網頻率快速同期并列、啟動過程的熱應力管理率快速同期并列、啟動過程的熱應力管理

19、North China Electric Power Universitypage272022-4-12二、頻率調節(jié)特性物理系統(tǒng)物理系統(tǒng)數學建模數學建模物理映射物理映射數學分析數學分析1、調速器、調速器2、原動機、原動機3、區(qū)域系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)North China Electric Power Universitypage282022-4-121、調速器cDABDAEPkXfkXXKXKXKX21421EBXKdtXd3假定流入油壓機的油量與假定流入油壓機的油量與導油閥的位置導油閥的位置 成正比成正比EX ssXKsXEB3 sXKsPKsFKsXBcE421 3412KsKsFKsPKsXc

20、BNorth China Electric Power Universitypage292022-4-121、調速器 124342111KKRKKTKKKsFRsPsTKsXnncnnB sFRsPsGsXcnB1 nnnsTKsG1表示了原動機調節(jié)量與控制指令信號表示了原動機調節(jié)量與控制指令信號 及系及系統(tǒng)頻率統(tǒng)頻率 間的動態(tài)特性間的動態(tài)特性 sPc sFNorth China Electric Power Universitypage302022-4-122、原動機汽輪機氣閥位置氣閥位置 的改變會導致進氣量的變化，使汽輪機輸入功率的改變會導致進氣量的變化，使汽輪機輸入功率變動變動 ，因而引

21、起發(fā)電機功率的變化，因而引起發(fā)電機功率的變化 BXTPGP汽輪機的調節(jié)閥門和第一級噴嘴之間有一定的空間，開啟汽輪機的調節(jié)閥門和第一級噴嘴之間有一定的空間，開啟/關關閉氣門使進入氣門的蒸汽量有所改變，但是這個空間的壓力閉氣門使進入氣門的蒸汽量有所改變，但是這個空間的壓力不能立即改變，這樣就形成了機械功率滯后于氣門開度變化，不能立即改變，這樣就形成了機械功率滯后于氣門開度變化，也就是也就是“汽容影響汽容影響”?？梢杂脩T性環(huán)節(jié)來描述：可以用慣性環(huán)節(jié)來描述： sTKsXsPsGTTBTT1 sTsTsTKKsXsPsGrTrrTBTT1)1 (1對于再熱式汽輪機要考對于再熱式汽輪機要考慮再熱段充氣時延慮再熱段充氣時延North China Electric Power Universitypage312022-4-123、原動機水輪機在水流的穩(wěn)態(tài)情況下，水的流速是一定的。在水流的穩(wěn)態(tài)情況下，水的流速是一定的。當迅速關小導向葉片的開度，導管中的水壓力會急當迅速關小導向葉片的開度，導管中的水壓力會急劇上升；當迅速開大導向葉片的開度，導管中的水劇上升；當迅速開大導向葉片的開度，導管中的水壓力會急劇下降。這就是水錘現象。壓力會急劇下降。這就是水錘現象。水輪機的功率不能隨著開度的變化而有一個時滯水輪機的功率不能隨著開度的變化而有一個時滯 15 . 01sTsTsGWWn