第三章電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)-電力系統(tǒng)自動(dòng)化

第3章電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)3.1電力系統(tǒng)的頻率特性有功功率不平衡時(shí),系統(tǒng)頻率就要發(fā)生變化,而系統(tǒng)的負(fù)荷是經(jīng)常發(fā)生變化的,所以必須對系統(tǒng)頻率和有功功率進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)節(jié)。

目的要求：

了解電力系統(tǒng)調(diào)頻的實(shí)質(zhì)和重要性；了解負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性及負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)；了解調(diào)速器的工作原理及其靜態(tài)調(diào)節(jié)特性、配有調(diào)速器的發(fā)電機(jī)組的功率頻率特性.重點(diǎn)：

負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性及負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)難點(diǎn)：

電力系統(tǒng)的功率-頻率特性分析一.電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)：

及時(shí)地調(diào)整發(fā)電機(jī)的出力,使系統(tǒng)的有功功率保持平衡,維持系統(tǒng)頻率在允許的范圍內(nèi),并使系統(tǒng)負(fù)荷在同步發(fā)電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)分配。

1.電力系統(tǒng)中負(fù)荷的功率頻率特性（負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性）當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷功率PL

也要隨之改變,即

PL=F(f)標(biāo)幺值形式PL*=a0+a1f*+a2f*2+·······+anf*n一般特性曲線在較小的頻率變化范圍內(nèi)2.負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)：

系統(tǒng)頻率變化時(shí),總負(fù)荷吸收的有功功率也隨之變化；即當(dāng)頻率下降時(shí),總負(fù)荷吸收的有功功率隨之下降,如果系統(tǒng)頻率升高,總負(fù)荷吸收的有功功率隨之增大.3.負(fù)荷頻率應(yīng)系數(shù)

KL*:衡量調(diào)節(jié)效應(yīng)的大小

KL*=dPL*df*=a1+2a2f*+3a3f*2·······+nanf*n-1KL*=tgβ=ΔPL*Δf*負(fù)荷的組成不同,KL*值也不相同,一般在1～3之間.例4-1某電力系統(tǒng)中,與頻率無關(guān)的負(fù)荷占30％,與頻率一次方成比例的負(fù)荷占40％,與頻率二次方成比例的負(fù)荷占10％,與頻率三次方成比例的負(fù)荷占20％.試求當(dāng)系統(tǒng)頻率由50HZ

下降到47HZ時(shí),負(fù)荷功率變化的百分?jǐn)?shù)及其相應(yīng)的KL*的大小.解:由公式可以求出頻率下降到47HZ時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷為:

PL*=a0+a1f*+a2f*2+a3f*3=0.3+0.4×0.94+0.1×0.942+0.2×0.943=0.93則

ΔPL%=(1-0.93)×100%=7%Δf%=(1-47/50)×100%=6%于是

KL*=ΔPL*%/Δf*%=7/6=1.17例4-2某電力系統(tǒng)總有功負(fù)荷為3200MW(包括電網(wǎng)的有功損耗),系統(tǒng)的頻率為50HZ,若KL*=1.5,試求KL.解

由式(4-8)可得KL=KL*(PLN/fN)=1.5×(3200/50)=96(MW/HZ)若系統(tǒng)的KL*不變，負(fù)荷的增長到3650MW時(shí),則有KL=1.5×(3650/50)=109.5(MW/HZ)*由此可知,KL的數(shù)值與系統(tǒng)的負(fù)荷大小有關(guān).

二、發(fā)電機(jī)組的功率頻率特性（頻率調(diào)節(jié)特性）----當(dāng)系統(tǒng)因負(fù)荷變化導(dǎo)致頻率改變時(shí),發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作,改變原動(dòng)機(jī)的進(jìn)汽量(或進(jìn)水量),調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸入功率以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷的需要.（一）調(diào)速器：測量,放大,執(zhí)行等組成,控制汽門(或?qū)~)的開度,以控制進(jìn)入原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力元素.調(diào)速系統(tǒng)示意圖（二）調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性(有差調(diào)節(jié)特性)在穩(wěn)態(tài)下，配有調(diào)速器的發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速n與所帶有功功率P的關(guān)系..PGnNnPNP△ffnon△P若發(fā)電機(jī)組原在（PN，nN）點(diǎn)，當(dāng)有功變化為P時(shí)，調(diào)速器調(diào)節(jié)后，機(jī)組運(yùn)行在（P，n）,n≠nN因此又稱為有差調(diào)節(jié)特性。1.速度變動(dòng)率R（調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的斜率）：當(dāng)發(fā)電機(jī)有功功率從0增加到PN時(shí)，轉(zhuǎn)速從n0

變到nN,R=-no-nNnN×100%2.發(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)方程:

Δf*+R*·ΔPf*=0△Pε△Pε(三)調(diào)節(jié)特性的失靈區(qū)ε（遲緩率）

1．定義：由于測量元件的不靈敏性,調(diào)速系統(tǒng)對于微小的轉(zhuǎn)速變化不能反應(yīng),調(diào)節(jié)特性實(shí)際上是一條具有一定寬度不靈敏的帶子,稱為失靈區(qū)。

f1f2fN△fε△fεPN0fP調(diào)速器不靈敏區(qū)ε=△fεfN2．調(diào)速器的失靈區(qū)對頻率調(diào)整有何影響?將導(dǎo)致并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組之間有功功率分配產(chǎn)生誤差或頻率誤差.最大誤差功率

△fε與R

調(diào)差系數(shù)存在如下關(guān)系△fε△Pε=tgα=R用標(biāo)幺值表示為△fε*△Pε*=R*=ε△Pε*有功功率分配的最大誤差

△fε*與失靈度ε成正比,而與調(diào)差系數(shù)R*成反比

但如果不靈敏區(qū)太小或完全沒有,那么當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生微小波動(dòng)時(shí),調(diào)速器就要進(jìn)行調(diào)節(jié),造成閥門調(diào)節(jié)過于頻繁

三、電力系統(tǒng)的功率頻率特性發(fā)電機(jī)組的功率特性PG

＝G(f)與負(fù)荷的功率頻率特性PL＝F(f)兩曲線的交點(diǎn),就是電力系統(tǒng)頻率及功率的穩(wěn)定運(yùn)行a點(diǎn)。

如負(fù)荷增加△PL,總負(fù)荷變?yōu)镻L1,特性變?yōu)镻L1＝F(f).（1）機(jī)組均無調(diào)速器輸入功率恒定頻率下降,負(fù)荷取用的有功功率也逐漸減小?？控?fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng),系統(tǒng)達(dá)到新的平衡,運(yùn)行點(diǎn)移到b點(diǎn),

頻率為,系統(tǒng)負(fù)荷取用的有功仍為PL?！鱢是相當(dāng)大的。

（2）頻率一次調(diào)整：通過發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，反映機(jī)組轉(zhuǎn)速變化而相應(yīng)調(diào)整原動(dòng)力閥門開度，完成調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率。有調(diào)速器的作用,

增加機(jī)組的輸入功率.調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí),穩(wěn)定在PL1＝F(f)和PG＝G(f)

兩曲線的交點(diǎn)c點(diǎn).頻率為f2,負(fù)荷取用的功率為PL2,△f較小,但仍然有差。（3）頻率二次調(diào)整：通過發(fā)電機(jī)調(diào)頻裝置實(shí)現(xiàn)，反映頻率變化而相應(yīng)調(diào)整原動(dòng)力閥門開度，完成調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率。調(diào)頻裝置操作調(diào)速器的整定機(jī)構(gòu)，使發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)特性向上移為PG1＝G(f)時(shí),則頻率上升,負(fù)荷取用的功率增加,系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)為PL1＝F(f)和PG1＝G(f)

的交點(diǎn)d點(diǎn),于是系統(tǒng)中各機(jī)組的輸入功率與負(fù)荷所需的功率PL1又相平衡,系統(tǒng)頻率可恢復(fù)為fN.PL=F(f)PL1=F(f)PG=G(f)PG=G(f)fNf2f3abcd△fL△fL2△fL1PLP2P1f0P電力系統(tǒng)的功率頻率特性小結(jié)

負(fù)荷吸收的有功功率隨頻率而改變的特性稱為負(fù)荷的功率頻率特性，也稱為負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性，這是負(fù)荷本身固有的調(diào)節(jié)效應(yīng)。調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作的起因是系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷變化，發(fā)電機(jī)阻力轉(zhuǎn)矩變化，造成與發(fā)電機(jī)的原動(dòng)轉(zhuǎn)矩（汽輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩）不平衡；調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作的目的是達(dá)到新的轉(zhuǎn)矩平衡，即功率平衡。頻率的一次調(diào)整通過汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)反應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化，調(diào)節(jié)原動(dòng)力閥門開度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，其表現(xiàn)在某一條調(diào)節(jié)特性上運(yùn)行點(diǎn)的變化，當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，調(diào)整結(jié)束時(shí)頻率與額定值偏差較大——調(diào)節(jié)結(jié)果有差；頻率的二次調(diào)整通過調(diào)頻器反應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，調(diào)節(jié)原動(dòng)力閥門開度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，表現(xiàn)為一條調(diào)節(jié)特性上、下平移，可以保證調(diào)整結(jié)束時(shí)頻率與額定值偏差很小或趨于零——調(diào)節(jié)結(jié)果是無差的；復(fù)習(xí)思考

1.頻率和有功功率調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是什么?2.在電力系統(tǒng)中,有了調(diào)速器對頻率的一次調(diào)節(jié),為什么還要引入調(diào)頻器,進(jìn)行二次調(diào)節(jié)?3.調(diào)速器的失靈區(qū)對頻率調(diào)整有何影響?

3.2調(diào)頻與調(diào)頻方程式目的要求：了解發(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)特性與機(jī)組間有功功率分配的關(guān)系.掌握電力系統(tǒng)的調(diào)頻方式和調(diào)頻準(zhǔn)則,建立起經(jīng)濟(jì)調(diào)度與自動(dòng)調(diào)頻的基本概念.重點(diǎn)：聯(lián)合自動(dòng)調(diào)頻一、調(diào)頻定義：借助調(diào)頻器對頻率進(jìn)行二次調(diào)整,此時(shí)機(jī)組上裝有有差特性的調(diào)速器,調(diào)頻器的輸出作用于調(diào)速器,將發(fā)電機(jī)頻率調(diào)節(jié)特性適當(dāng)移動(dòng),以保持系統(tǒng)頻率在額定值。二、調(diào)頻方法1．主導(dǎo)發(fā)電機(jī)法（虛有差法）：調(diào)節(jié)過程中有差（△f≠0）、調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí)無差（△f＝0）

一臺(tái)機(jī)組上裝設(shè)有調(diào)頻器準(zhǔn)則為:△f＝0

其它機(jī)組上的功率隨主導(dǎo)機(jī)組的功率按比例地變化,協(xié)助主導(dǎo)發(fā)電機(jī)的調(diào)頻工作。調(diào)整準(zhǔn)則是:Pi=aiP1

(i=1,2,3,······n)實(shí)質(zhì)：當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)引起頻率變化,主導(dǎo)機(jī)組的功率首先改變，各協(xié)助調(diào)頻的其它機(jī)組作相應(yīng)的功率調(diào)整,只有在系統(tǒng)頻率恢復(fù)到額定值,主導(dǎo)機(jī)組和協(xié)助調(diào)頻的其它機(jī)組間功率符合比例時(shí)為止。

應(yīng)用：速度較慢

,只適用于中小型電力系統(tǒng)。

2．同步時(shí)間法（頻率積差調(diào)節(jié)法）：頻率差對時(shí)間的積分值-積差，控制調(diào)頻器對機(jī)組功率來進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)準(zhǔn)則：

△f+Ri

(△Pi-ai∫k,△fdt)=0i=(1,2,······m)式中

Ri━━━第i臺(tái)機(jī)組的調(diào)差系數(shù);

ai

━━━第i臺(tái)機(jī)組的功率分配系數(shù);

k,━━━功率與頻率積差的換算系數(shù).可以體會(huì)∫k,△fdt

是系統(tǒng)的計(jì)劃外負(fù)荷值.

實(shí)質(zhì)：系統(tǒng)中出現(xiàn)計(jì)劃外負(fù)荷時(shí),就會(huì)引起頻率變化,產(chǎn)生△f，各調(diào)頻機(jī)組承擔(dān)計(jì)劃外負(fù)荷的比例由功率分配系數(shù)決定，在調(diào)節(jié)過程結(jié)束時(shí),△f＝0。應(yīng)用：采用多個(gè)調(diào)頻電廠調(diào)頻時(shí)，可以采用分散的調(diào)頻方案。難綜合考慮。無法使系統(tǒng)中的潮統(tǒng)分布符合經(jīng)濟(jì)和安全等原則。而且在實(shí)現(xiàn)有功調(diào)節(jié)時(shí)，由于調(diào)頻機(jī)組的功率改變滯后于頻率偏差，造成調(diào)頻過程緩慢。

3．聯(lián)合自動(dòng)調(diào)頻：調(diào)度中心的自動(dòng)調(diào)頻裝置,其負(fù)荷分配器可根據(jù)測得的發(fā)電機(jī)實(shí)際功率和頻率偏差信號(hào),按一定的準(zhǔn)則將系統(tǒng)負(fù)荷分配給各機(jī)組.兩種觀點(diǎn)：1）把聯(lián)合電力系統(tǒng)看成是一個(gè)統(tǒng)一電力系統(tǒng)

;2）把聯(lián)合電力系統(tǒng)看成是若干個(gè)區(qū)域電力系統(tǒng).

調(diào)頻方式:①按系統(tǒng)的頻差要求進(jìn)行調(diào)節(jié);按頻差要求進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),最終維持的是系統(tǒng)頻率,而對聯(lián)絡(luò)線上的交換功率不加控制。②按系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)絡(luò)線上交換功率的偏差要求進(jìn)行調(diào)節(jié);按聯(lián)絡(luò)線上交換功率的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),最終是交換功率維持恒定,而對系統(tǒng)的頻率并不控制。

③既按頻差要求又按聯(lián)絡(luò)線交換功率的偏差要求進(jìn)行調(diào)節(jié).（分散調(diào)頻）既按頻差又按聯(lián)絡(luò)線交換功率調(diào)節(jié)時(shí),維持的是各區(qū)域電網(wǎng)功率就地平衡。AB聯(lián)合電力系統(tǒng)頻率—交換功率特性△PAB△f0A系統(tǒng)B系統(tǒng)PAB正常運(yùn)行是A系統(tǒng)向B系統(tǒng)輸送有功功率PAB，要實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)頻，當(dāng)A負(fù)荷增加,B負(fù)荷不變,B系統(tǒng)機(jī)組出力增加,使得聯(lián)絡(luò)線上輸送的功率PAB減小,即△PAB＜0,△f＜0.

A負(fù)荷減小,B負(fù)荷不變

,有△PAB＞0和△f＞0

當(dāng)A負(fù)荷不變而B負(fù)荷變化時(shí),A系統(tǒng)的頻-交換功率特性,它位于二、四象限。

頻率-交換功率特性的方程

A系統(tǒng):△f+KA△PAB=0

B系統(tǒng):△f-KB△PAB=0

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)按△f和△PAB的調(diào)節(jié)方式.當(dāng)A系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組增加的出力等于負(fù)荷的增量時(shí),系統(tǒng)頻率恢復(fù)到額定值,聯(lián)絡(luò)線上輸送的功率也恢復(fù)到原值,這時(shí)△f=0,△PAB=0。分區(qū)調(diào)頻方程組:A系統(tǒng):∫(△f+KA△PAB)dt+△PA=0B系統(tǒng):∫(△f-KA△PAB)dt+△PAB=0維持額定頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率不變.

3.3電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與自動(dòng)調(diào)頻（一）經(jīng)濟(jì)調(diào)度在保證頻率質(zhì)量的前提下,使電力系統(tǒng)負(fù)荷在各機(jī)組間獲得最佳分配,使所需的運(yùn)行總費(fèi)用為最小。

（二）等微增率分配負(fù)荷的基本概念1.微增率：輸入微增量與輸出微增量的比值.b=dF/dP

dF

----輸入消耗費(fèi)用微增量;

dP

----輸出功率微增量.機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)消耗費(fèi)用的變化b1＞b2:1號(hào)機(jī)組的功率減少

△P,其功率變?yōu)镻1,,相應(yīng)的微增率減小至b1,;2號(hào)機(jī)組增加相同的△P,其功率變?yōu)镻2,

相應(yīng)的微增率增大至b2,

2.等微增率法則：運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組按微增率相等的原則來分配負(fù)荷。b1＞b2:1號(hào)機(jī)組的功率減少

△P,其功率變?yōu)镻1,,相應(yīng)的微增率減小至b1,;2號(hào)機(jī)組增加相同的△P,其功率變?yōu)镻2,

相應(yīng)的微增率增大至b2,

1號(hào)機(jī)組減少的燃料消耗費(fèi)用大于2號(hào)機(jī)組增加的消耗費(fèi)用,負(fù)荷轉(zhuǎn)移可使消耗費(fèi)用減少,當(dāng)b1等于b2時(shí),總的燃料消耗費(fèi)用為最小即最經(jīng)濟(jì).

系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)調(diào)度的準(zhǔn)則是:

各機(jī)組的微增率相等

（三）發(fā)電廠內(nèi)各機(jī)組間負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配

1.發(fā)電廠內(nèi)各機(jī)組間負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配原則——等微增率準(zhǔn)則（分析）經(jīng)濟(jì)調(diào)度及系統(tǒng)調(diào)頻示意圖分析:

負(fù)荷增加,產(chǎn)生△f,經(jīng)積分環(huán)節(jié)

–k1/s后得到-∫△fdt,各機(jī)組調(diào)頻器動(dòng)作,按同步時(shí)間法調(diào)頻,使發(fā)電機(jī)組輸出功率分別增加△PG1,△PG2。由于各發(fā)電機(jī)組的微增率特性不一致,上述調(diào)頻過程不會(huì)同時(shí)自然地符合等微增率準(zhǔn)則,