繼電保護安全自動裝置課件——5_第四章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調節(jié)

1、第四章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調節(jié) 一、電力系統(tǒng)的頻率特性 二、調速器原理 三、電力系統(tǒng)頻率調節(jié)系統(tǒng)及其特性 四、電力系統(tǒng)自動調頻 五、電力系統(tǒng)的經濟調度與自動調頻一、電力系統(tǒng)的頻率特性 1、概述 2、電力系統(tǒng)負荷的功率頻率特性 3、發(fā)電機組的功率頻率特性 4、電力系統(tǒng)的頻率特性1、概述每分鐘轉數 n每秒鐘轉數 60n系統(tǒng)頻率 60Pnf mGimTiPP11正常情況mKiLmGimTiWdtdPPP111LmGimTiPPP11負荷突然變動而使發(fā)電機組電功率增加PL 發(fā)電機的負荷功率原動機輸入功率系統(tǒng)頻率的變化電力系統(tǒng)負荷: 不斷變化 原動機輸入功率的改變: 緩慢頻率的波動: 難免 維

2、持系統(tǒng)頻率在規(guī)定范圍內; 力求使系統(tǒng)負荷在發(fā)電機組之間實現(xiàn)經濟分配。 電力系統(tǒng)運行中的主要任務之，就是對頻率進行監(jiān)視和控制。 如圖是電力系統(tǒng)中負荷瞬時變動情況的示意圖。從圖中可以看出，負荷的變動情況可以分成幾種不同的分量：第一種是頻率較高的隨機分量，其變化周期一般小于10s，第二種為脈動分量，變化幅度較大，變化周期在10s一3min之間；第三種為變化很緩慢的持續(xù)分量。負荷的變化必將導致電力系統(tǒng)頻率的變化，由于電力系統(tǒng)本身是一個慣性系統(tǒng)，所以對頻率的變化起主要影響的是負荷變動的第二、三種分量。 2、電力系統(tǒng)負荷的功率頻率特性A、當系統(tǒng)頻率變化時，整個系統(tǒng)的有功負荷也要隨著改變, 這種有功負荷隨頻

3、率而改變的特性叫做負荷的功率頻率特性。 與頻率變化無關的負荷，如照明、電弧爐、電阻爐、整流負荷等； 與頻率成正比的負荷，如切削機床、球磨機、往復式水泵、壓縮機、卷揚機等； 與頻率的二次方成比例的負荷，如變壓器中的渦流損耗，但這種損耗在電網有功 損耗中所占比重較小; 與頻率的三次方成比例的負荷，如通風機、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵等; 與頻率的更高次方成比例的負荷，如靜水頭阻力很大的給水泵等。 B、電力系統(tǒng)中各種有功負荷與頻率的關系，可以歸納為以下幾類，fPL系統(tǒng)的負荷隨頻率下降的特性有利于系統(tǒng)中有功功率在另一頻率值下重新平衡。這種現(xiàn)象稱為負荷的頻率調節(jié)效應。1*11*2*3*21*32mmnnn

4、LLfamfnafafaadfdPK負荷的頻率調節(jié)效應系數nnLneLeneLeeLeeLeLeLfafafafaaPffPaffPaffPaffPaPaP*3*32*2*10*332210負荷的功率頻率特性一般表達式3、發(fā)電機組的功率頻率特性 概述 發(fā)電機組的調差系數和功率頻率靜態(tài)特性系數 調差特性與機組間有功功率分配的關系 多機組間的功率增量分配 幾點注意 調節(jié)特性的失靈區(qū)概述 頻率變化而引起發(fā)電機組輸出功率變化的關系稱為發(fā)電機組的功率頻率特性或調節(jié)持性。 未配調速器的發(fā)電機組功率頻率特性 配有調速器的發(fā)電機組功率頻率特性 *1fPRKGG發(fā)電機組的功率頻率靜特性系數汽輪發(fā)電機組: 16.

5、625 水輪發(fā)電機組: 2550 fPG*GGeGeGPfPPffRPfR發(fā)電機組的調差系數 發(fā)電機組的調差系數和功率頻率靜態(tài)特性系數調差特性與機組間有功功率分配的關系P1P2P1P2PP12f*1*2*2*1*0RRPPPRfGGG兩機組間的功率增量分配調差特性與機組間有功功率分配的關系，可用圖來說明。圖中表示兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行的情況，曲線代表1號發(fā)電機組的調節(jié)特性，曲線代表2號發(fā)電機組的調節(jié)特性。假設此時系統(tǒng)總負荷為PL，如線段CB的長度所示，系統(tǒng)頻率為fe，1號機承擔的負荷為P1，2號機承擔的負荷為P2。當系統(tǒng)負荷增加，經過調速器的調節(jié)后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在f1，這時1號發(fā)電機組的負荷為P1

6、，增加了P1；2號發(fā)電機組的負荷為P2，增加了P2，兩臺發(fā)電機組增量之和等于PL 。多機組間的功率增量分配*22*211*1*1iGieeGieGieGiieGGeGGniiGieeniGieeeeniiGieeniGiRPPPRPPPRPPRPPRPPRfRPPRPPPffRRPffPPGieeiGiiGiPffRPfRP*11上述結論可以推廣到系統(tǒng)中多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行的情況。幾點注意 對沒有調節(jié)容量的機組(調差系數趨于無限大)應以PieRi*為零代入； 多臺機組調差系數等于零是不能并聯(lián)運行的； 一臺機組的調差系數等于零與多臺有差調節(jié)機組的并列運行是不現(xiàn)實的。在電力系統(tǒng)中，所有機組的調速器

7、都為有差調節(jié)，由它們共同承擔負荷的波動。調節(jié)特性的失靈區(qū)eWff失靈度fPfWfWPWPWfePe以上討論中，我們都是假定機組的調節(jié)特性是一條理想的直線。但是實際上，由于測量元件的不靈敏性，對微小的轉速變化不能反應，特別是機械式調速器尤為明顯。這就是說，調速器具有一定的失靈區(qū)，因而調節(jié)特性實際上是一條具有一定寬度的帶子，如圖所示。不靈敏區(qū)的寬度可以用失靈度來描述過小的調差系數將會引起較大的功率分配誤差，所以不能太小。不靈敏區(qū)的存在雖然會引起一定的功率誤差或頻率誤差，但是，如果不靈敏區(qū)太小或完全沒有，那么當系統(tǒng)頻率發(fā)生微小波動時，調速器也要調節(jié)，這樣會使閥門的調節(jié)過分頻繁，因而在一些非常靈敏的電

8、液調速器中，通常要采用外加措施，形成一個人為的不靈敏區(qū)。*/RPRPfRPfWWWWW由于調速器的頻率調節(jié)特性是條帶子，因此導致并聯(lián)運行的發(fā)電機組間有功功率分配產生誤差。從圖中可以看出，對應于一定的失靈度來說，最大誤差功率與調差系數存在如下關系4、電力系統(tǒng)的頻率特性12fe34所有機組均無調速器機組裝有調速器PL=f(f)PG=f(f)Pf 電力系統(tǒng)主要是由發(fā)電機組、輸電網絡及負荷組成，如果把輸電網絡的功率損耗看成是負荷的一部分，則電力系統(tǒng)功率頻率關系可以簡化為圖所示。在穩(wěn)態(tài)頻率為的情況下，PT、PG和PL都相等，因此在討論它們的功率頻率特性曲線時，就可以看成為由兩個環(huán)節(jié)構成的一個閉環(huán)系統(tǒng)。發(fā)

9、電機組的功率頻率特性與負荷的功率頻率特性曲線的交點就是電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定運行點，例如圖中的1點。如果系統(tǒng)中的負荷增加PL，則總負荷靜態(tài)頻率特性下移，假設這時系統(tǒng)內的所有機組均無調速器，機組的輸入功率恒定為PT且等于PL，則系統(tǒng)頻率將逐漸下降，負荷所取用的有功功率也逐漸減小。依靠負荷調節(jié)效應系統(tǒng)達到新的平衡，運行點移到圖中3點，頻率穩(wěn)定值下降到f3，系統(tǒng)負荷所取用的有功功率仍然為原來的PL值。在這種情況下，頻率偏差值f決定于PL值的大小，一般是相當大的。但是，實際上各發(fā)電機組都裝有調速器，當系統(tǒng)負荷增加，頻率開始下降后，調速器即起作用，增加機組的輸入功率PT。經過一段時間后，運行點穩(wěn)定在4點，這

10、時系統(tǒng)負荷所取用的功率為PL4，小于額定頻率下所需的功率PLl，頻率穩(wěn)定在f2。此時的頻率偏差要比無調速器時小得多了。由此可見，調速器對頻率的調節(jié)作用是很明顯的。調速器的這種調節(jié)作用通常稱為一次調節(jié)。二、調速器原理 1、概述 2、機械液壓調速器（以其為主分析） 3、功率頻率電液調速器 4、數字式電液調速器 1、概述 機械液壓調速器：將轉速的變化轉變成離心 飛擺的位移量。 電氣液壓調速器：將轉速的變化變成電信號。 調速器通常分為v 比例積分(PI)調速器v 比例積分微分(PID)調速器按其控制規(guī)律來劃分 電液調速系統(tǒng)的靈敏度高，調節(jié)速度快。并有較高的調節(jié)精度，特別是當機組甩負荷后，能穩(wěn)定在額定轉

11、速運行； 易實現(xiàn)多種控制信號的綜合控制； 參數的調節(jié)靈活； 省去結構復雜的飛擺機構，運行維護方便。電液式與機械式比較有以下優(yōu)點：2、機械液壓調速器 工作原理 調速系統(tǒng)框圖 調節(jié)過程 機組靜特性平行移動 工作原理如圖是簡化的凝汽式汽輪機的機械液壓式調速系統(tǒng)原理圖。測速是由汽輪機主軸帶動的齒輪傳動機構和離心飛擺組成。當轉速升高時，離心飛擺轉動加快，由于離心力作用，飛擺的重錘向上運動，帶動且點向上移動，可見且點的位移表示了機組轉速的變化。執(zhí)行機構是油動機，它的動作受錯油門控制，圖中所示位置，錯油門的兩個凸肩正好堵住了油動機的上、下腔油路，因此油動機活塞靜止不動，汽輪機的調節(jié)汽閥保持開度不變。當錯油門

12、凸肩向上移動一個距離時，油動機的上、下腔分別與壓力油和排油接通，在油壓作用下油動機活塞向下移動，于是關小調節(jié)汽閥，減少進汽量，即減小原動機的輸入功率。油動機和錯油門實際上又是一個放大器，通過機液機構所產生的強大作用力，把E點的微小位移轉移為調節(jié)汽閥開度的變化。調速系統(tǒng)框圖 A C BD F EA C BD F EA C BD F EA C BD F E調節(jié)過程機組靜特性平行移動3、功率頻率電液調速器4、數字式電液調速器三、電力系統(tǒng)頻率調節(jié)系統(tǒng)及其特性 1、調節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數 2、電網的頻率調節(jié)特性 1、調節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數 （1）調節(jié)器傳遞函數 （2）原動機傳遞函數 （3）調速器加汽輪機框圖 （

13、4）電網部分 （5）單區(qū)域的閉環(huán)調節(jié)框圖 （6）與其他系統(tǒng)相聯(lián)的控制區(qū)域i的閉環(huán)框圖（1）調節(jié)器傳遞函數如果B點和D點不動，A點向上移動時，帶動E點也向上移動；如果A點和D點不動，B點向下移動時，帶動E點也向下移動；如果A點和B點不動，D點向上移動時，帶動E點向下移動。dtXKXXKdtXdEBEB33 ssXKsXEB3 sFRsPsGsXsFRsPsTKsXsFKKsPsKKKKsXKsKsFKsPKsXsFKsPKsXKsKsXKsPKsFKsXKscnBcnnBcBcBcBBcB111111214342341212344213BcEcDABDAEXKPKfKXPkXfkXXKXKXKX

14、42121421 sXKsPKsFKsXBcE421（2）原動機傳遞函數 TTBTTsTKsXsPsG1 rTrTBTTsTsTsKrTKsXsPsG111水輪機的傳遞函數 sTsTsXsPsGWWBTn5 . 011簡單的汽輪機的傳遞函數再熱式汽輪機的傳遞函數（3）調速器加汽輪機框圖R1nnsTK1TTsTK1F(s)PT(s)Pc(s)XB(s)Gn(s)GT(s)+-R1TnsTsT111F(s)PT(s)Pc(s)GnT(s)+-簡單的汽輪機加調速器再熱式汽輪機加調速器（4）電網部分發(fā)電機組動能提供的功率增量； 負荷的頻率調節(jié)效應而引起的負荷功率變化；聯(lián)絡線上功率的變化。 負荷變化與發(fā)

15、電機組輸入功率變化的差值： 控制區(qū)3控制區(qū)2控制區(qū)1控制區(qū)i sFsGsPsPsPsTKsGsFsTKsPsPsPfKWTKKsFsfKWKsPsPsPsPsFKsfWsPsPPfKdtfdfWPPdtfdfWdtdWWffWfffWffWPfKdtdWPPiPitiLiTiPiPiPiiPiPitiLiTieLikiePiLiPiieLikieLitiLiTitiiLiekieLiTitiiLiiekieLiTiiekiekikieeikieeiekieeikitiiLikiLiTi1112,1122222122功率平衡關系式（有名值）功率平衡關系式（有名值）pipisTK1PLi(s)PT

16、i(s)Gpi(s)Pti(s)Fi(s)-+功率平衡式的框圖 sFsGsPsPsPsTKsGsFsTKsPsPsPfKHTKKsFsfKHKsPsPsPsPsFKsfHsPsPPfKdtfdfHPPPWHPPfKdtfdfWPPiPitiLiTiPiPiPiiPiPitiLiTieLiiPiLiPiieLiiLitiLiTitiiLieiLiTitiiLiieiLiTiiekieiietiiLiiekieLiTi*1112,11222,2功率平衡關系式（標么值）功率平衡關系式（標么值）jiijLjiijijijLjiijijijijLjijiijnjijtiXUUPXUUddPPXUUPPP

17、Pcoscossin1 njjiijtisFsFTssP12njjiijtijiijijjiijjiijijijdtfdtfTPdtfdtfTPfdtTPP1max222cos聯(lián)絡線功率增量關系式聯(lián)絡線功率增量關系式12iTPti(s)Fi(s)+-+-+-22iT32iT+s1F3(s)F2(s)F1(s)聯(lián)絡線功率增量框圖聯(lián)絡線功率增量框圖pipisTK1PLi(s)PTi(s)Gpi(s)Pti(s)Fi(s)-+GnT(s)R1TnsTsT111F(s)PT(s)Pc(s)GnT(s)+-Gp(s)PT(s)R1TnsTsT111ppsTK1F(s)Pc(s)PL(s)+-+-(5)

18、單區(qū)域的閉環(huán)調節(jié)框圖Pc(s)GnT(s)Pti(s)Fi(s)F3(s)F2(s)F1(s)(6) 與其他系統(tǒng)相聯(lián)的控制區(qū)域i的閉環(huán)框圖 12iT+-+-+-22iT32iT+s1R1TnsTsT1111ppKsTF(s)PL(s)Gp(s)+-PT(s)+-2、電網的頻率調節(jié)特性 （1）單區(qū)域電網的頻率特性 （2）多區(qū)域系統(tǒng)的頻率特性（1）單區(qū)域電網的頻率特性R1111nTsTsTppsTK1F(s)Pc(s)PL(s)GnT(s)Gp(s)+-PT(s)+-A 靜態(tài)特性B 動態(tài)特性A 靜態(tài)特性 fLLLLLPPsLnTPPLnTPPKKRKRKPPRKKsFsfsPsGsGRsGsFsP

19、sGsGRsGsF111lim111110系統(tǒng)功率頻率特性系數 系統(tǒng)總額定容量 Pe=2000MW正常運行的負荷 PL=1000MW慣性常數 H=5s調差系數 R*=4.8%負荷調節(jié)效應系數 KL*=0.5HzfPfPMWPRKeLLLL0234. 001. 0200020,2033.21%8 . 415 . 01*B 動態(tài)特性sPsKRRTsPsKRRTKRRKsPKRsRTRKLPPLPPPPLPPP11111PPLRTKRssP11 sPsTKRsTKsFLPPPP1111 tefsssF13. 210234. 013. 2110234. 0205015 . 05052225 . 011

20、*LePLPKfHTKKa總的閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數只有0.4687s，比表征電廠本身的時間常數TP(為20s)要小得多，這主要是由于閉環(huán)系統(tǒng)中的反饋所起的作用(即調速器的作用)；b減小R值使增大，可以減小穩(wěn)態(tài)頻率偏差；c當計及Tn、TT時，f 隨時間變化曲線不是純指數型的，在初期出現(xiàn)了振蕩、 開始時形成一個較大的瞬時頻率降落； d算例中，當負荷變化20Mw時、頻率降落為0.0234Hz，如果長期存在會引起較大的累計頻率偏差，這是不允許的。 1 2 3 4 5f=0.0234Hzf(Hz)Tn=TT=0Tn=0.08sTT=0.3st(s)以上討論中關于系統(tǒng)變化過程解釋如下：當負荷突然增加l(即2

21、0MW)時，系統(tǒng)功率平衡遭到破壞，起初瞬間由于頻率尚未下降汽輪發(fā)電機的調速系統(tǒng)還未動作，所以發(fā)電機的輸入功率不變。因此，這時負荷所增加的功率是由系統(tǒng)的動能供給的(動能以20MWs的速率減小)。隨著系統(tǒng)動能的減小，發(fā)電機的轉速下降(即系統(tǒng)頻率下降)，調速系統(tǒng)隨之動作，增加發(fā)電機的輸入功率與此同時，由于頻率的下降，負荷的頻率調節(jié)效應使它吸取的功率有所減小。 總之，增加的20MW負荷功率是由三部分來平衡的，即系統(tǒng)動能供給的功率，發(fā)電機增加的輸入功率以及負荷少吸收的功率，在開始瞬間，后兩項為零，隨著頻率降低，它們就逐漸增大，最后在一個較低的頻率下穩(wěn)定運行。此時，動能已不再供給功率，20MW的負荷增量僅

22、由后兩項來供給。 Pc1(s)Pc2(s)11R11111TnsTsT111ppsTKF1(s)PL1(s)GnT1(s)Gp1(s)+-PT1(s)+-21R22111TnsTsT221ppsTKF2(s)PL2(s)GnT2(s)Gp2(s)+-PT2(s)+-12as1122 T+-2 多區(qū)域系統(tǒng)的頻率特性（二區(qū)域系統(tǒng)為例） 1122122111122112222221111*1*221121222111, 2, 1112221122211,110,21,11,1aPPPaPaPfPfKPfRPfKPfRdtfdPfKdtfdfHPPfRPfRPffffRPfRPPPPaPPPaPPPP

23、LLtLLtLLtLLitLiieiLiTiGGGGLLtteeetet二區(qū)域系統(tǒng)靜態(tài)特性四、電力系統(tǒng)自動調頻 1、概述 2、主導電機法 3、積差調節(jié)法 4、聯(lián)合電力系統(tǒng)調頻1、概述電力系統(tǒng)中的所有發(fā)電機組均裝有調速器，如系統(tǒng)負荷發(fā)生變化，則每臺發(fā)電機的調速器都將反應系統(tǒng)頻率的變化，自動地調節(jié)進汽(水)閥門的開度，改變機組出力，使有功功率重新達到平衡。這就是頻率的一次調整。 利用同步器平移機組調節(jié)特性對系統(tǒng)頻率的調節(jié)就是頻率的二次調整。手動調頻 自動調頻 帶基本負 荷的發(fā)電廠 調峰廠 調頻廠2、主導電機法當負荷變動系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，調頻電廠中主導發(fā)電機組的調節(jié)系統(tǒng)首先動作，改變主導機組的功率

24、，力圖維持系統(tǒng)頻率恒定。這時，由于主導機組的功率變化，協(xié)助調頻的其它機組也隨之作相應的功率調整，力圖使它們的調節(jié)功率與主導機組的調節(jié)功率間維持給定的比例關系。在調節(jié)過程中，主導機組按系統(tǒng)頻率不斷地調節(jié)，協(xié)助調頻機組也跟隨主導機進行調節(jié)，直到系統(tǒng)頻率恢復到額定值，協(xié)助調頻機組與主導機組的調節(jié)功率符合給定比例時為止。這時系統(tǒng)中不參加調頻的其余機組的功率維持不變，計劃外負荷的變動全部由調頻機組承擔。 10PaPfii3、積差調節(jié)法 A 單機積差調節(jié) B 多臺機組的積差調節(jié) C 改進的積差調節(jié)法 D 集中制與分散制調頻fdtKfdtkPPkfdt10A 單機積差調節(jié)調節(jié)方程調頻過程見下一頁積差調節(jié)法是

25、指調頻系統(tǒng)按頻率偏差的時間積分值進行調節(jié)。 調頻過程B 多臺機組的積差調節(jié)KPKPfdtKPKKPPfdtKPfdtKPfdtKPfdtKPiiniiniiniiniinn11111111PaPfdtkfdtkaPPfdtkaPEndfdtkaPkfiiiiniiiiiii 10C 改進的積差調節(jié)法 電力系統(tǒng)以多個調頻電廠實現(xiàn)積差調頻時，根據積差信號取得方式的不同，可分為集中制積差調頻與分散制積差調頻。 集中制積差調頻是在中心調度所設置一套高精度標準頻率發(fā)生器，再取系統(tǒng)頻率，以構成頻差及其積分信號，通過遠動通道將該信號送向各調頻廠，各廠再按調節(jié)方程調節(jié)。分散制積差調頻則是在各調頻廠均設置一套精

26、度滿足要求的頻差積分信號發(fā)生器，免去遠動通道傳送積差信號。分散制方式可能存在各廠的積差信號略有差異，這會產生功率分配上的誤差。D 集中制與分散制調頻 4、聯(lián)合電力系統(tǒng)調頻 A 聯(lián)合電力系統(tǒng)調頻的任務 B 聯(lián)合電力系統(tǒng)的調頻方式 C 頻率聯(lián)絡線功率偏差控制TBCA 聯(lián)合電力系統(tǒng)調頻的任務維持系統(tǒng)頻率為額定值，在正常穩(wěn)態(tài)情況下，其頻率偏差在0.05一0.2Hz范圍內； 控制地區(qū)電網間聯(lián)絡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； 在安全運行前提下，所管轄系統(tǒng)范圍內，機組間負荷實現(xiàn)經濟分配。 B 聯(lián)合電力系統(tǒng)的調頻方式 恒定頻率控制FFC(Flat Frequency Control)

27、 恒交換功率控制FTC(Flat Tie-Line Control) 頻率聯(lián)絡線功率偏差控制TBC(Tie line load frequency Bias Control)C 頻率聯(lián)絡線功率偏差控制TBCPGAPLAKAPGBPLBKBPtA區(qū)域調節(jié)作用的信號稱為區(qū)域控制誤差(Area Control Error)。000fPPfPACEfPACEdtfPKPdtfPKPfPACEfPACEtBtABtBBAtAABtBiBGBAtAiAGABtBBAtAA控制誤差控制誤差調整結果BAALBLALBBALAGAtAAtABLBtAAGALAtALBBLBtALAAGALAtBLBLBGBtALALAGAPPPfPPPfPfPPfPPPfKRPPfKRPPPfKPPPfKPP 1011五、電力系統(tǒng)的經濟調度與自動調頻 一、等微增率分配負荷的基本概念 二、發(fā)電廠之間負荷的經濟分配 三、發(fā)電廠機組功率控制一、等微增率分配負荷的基本概念耗量特性是指發(fā)電機組在單位時間內所消耗的能量與輸出功率之間的關系。微增率是指輸入耗量微增量與輸出功率微增量的比值。對發(fā)電機組來說，為燃料消耗