电力系统控制与调度自动化第四章

第四章电力系统频率控制第一节电力系统频率控制的意义和基本方法一、频率控制的必要性始终保持电力系统频率在允许的很小范围内波动，是电力系统运行控制的最基本目标，也是电网调度自动化系统的最重要任务。电力系统正常运行时，频率应保持在50±0.2Hz的范围内。当采用现代自动调频装置时，误差可以不超过0.05～0.15Hz。如果频率长期低于其允许值，对用户、发电厂及电力系统本身都极为有害。第四章电力系统频率控制第一节电力系统频率控制的意义和基本方法二、频率控制的基本方法在稳态情况下，电力系统的频率是一个全系统一致的运行参数。对系统中的每一台发电机而言，其频率f与转速n都有如下的关系：式中：p—发电机极对数（一般汽轮发电机p=1，水轮发电机则多达20～42对极）；n—发电机组转速，单位为转/分（一般汽轮发电机是3000转/分）。显然，要求系统频率稳定，也就是要求系统中所有发电机的转速都保持稳定。频率控制的方法也就是保持发电机组转速稳定的控制方法。60pnf第四章电力系统频率控制第一节电力系统频率控制的意义和基本方法要保持系统中各发电机组转速稳定不变，就必须使发电机组输出的电功率(即所分担的电力负荷)和输入的原动功率(汽轮机由进汽量决定，水轮机由进水量决定)相平衡。保持动态平衡的唯一方法，使发电机组的原动功率(对应着发电机组的实际出力)紧紧跟踪系统负荷的变化而变化。因此，频率控制的问题，实质上就是对系统中所有发电机有功出力的控制和调节问题。第四章电力系统频率控制第二节电力系统的频率特性一、负荷的频率静态特性电力系统中不同种类的负荷，对频率变化的敏感程度是不一样的，大体上可分成三类：第一类负荷吸收的有功功率基本不受频率变化影响，如照明、电热等；第二类负荷所吸收的有功近似地与频率成正比，如球磨机、压缩机、机床等；第三类负荷所吸收的有功与频率的高次方成比例，包括各种风机、高压水泵等。系统实际负荷是上述各类负荷的组合，常称为综合负荷。5一般可表示为：230123()nlLNneeeeffffPaaaaaPffff＋有功负荷是和频率相关的，即)(fFPL有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率-频率特性，是负荷的静态频率特性，也称作负荷的调节效应。负荷的综合功率-频率特性是非线性曲线，第四章电力系统频率控制第二节电力系统的频率特性从图可见，系统频率下降后，综合负荷所吸收的有功功率也会“自动地”下降一些，这种效应将有助于系统频率的恢复。因为正是由于系统中有功功率供少需多，才导致系统频率下降。当系统负荷突然增大时，由于机械惯性的影响，发电机组的出力调节不能及时跟踪上，频率便有所下降，这时负荷所吸收的有功功率“自动”减少一些，显然等于是帮了发电机的忙。这种现象称为负荷的频率调节效应。第四章电力系统频率控制第二节电力系统的频率特性LLPKf***LLPKf在频率变化范围为45～50Hz时，综合负荷的静态频率特性接近直线。该直线斜率当用标幺值表示时(功率以系统总负荷为基准值)：称负荷的单位调节功率，表示综合负荷吸收的有功随频率下降而减少的量。负荷的单位调节功率是不能人为整定的。是无量纲常数。一般情况下(1～3)，它表明系统频率变化1％时，有功负荷变化的百分数约为1%～3%。LK*LK第四章电力系统频率控制第二节电力系统的频率特性二、发电机组的频率特性每台发电机组都装有调速器，其转速(频率)随其有功出力变化的关系曲线，称为发电机组的功率频率特性，或称静态调节特性，见图：为发电机组(或归并成一台等值发电机后的电力系统)的调节特性。稳态运行时，发电机组的静态调节特性近似一条稍许向下倾斜的直线。为综合负荷的调节特性，两条曲线相交的A点，即为稳态工作点，所对应的有功功率为频率为GPLP11()LGPPPP此时1f第四章电力系统频率控制第二节电力系统的频率特性二、发电机组的频率特性当系统负荷增加使频率下降到时，发电机组在调速器的调节下，有功出力自动增加到，此时新的运行点为B点。由于，显然这是一种有差调节。所以图4—2中向下倾斜的调节特性又称为有差调节特性。调节特性曲线斜率称为发电机组的调差系数，记为：2P2f21ffGfPGfP负号表示功率增量与频率增量符号相反10发电机组调差系数主要决定于调速器的静态调节特性，它与机组间有功功率的分配密切相关。。***1GGPfK对汽轮发电机组或；)%6~4(*R25~6.16*KG对水轮发电机组或。)%4~2(*R50~25*KG在计算功率与频率的关系时，常常采用调差系数的倒数KG*——发电机的功率--频率特性系数，或单位调节功率。一般发电机的调差系数或单位调节功率可以人为整定，一般为下列数值：1GGPfK采用标幺制：第四章电力系统频率控制第二节电力系统的频率特性三、电力系统的频率特性电力系统包括许多发电机组和不同种类的负荷，电力系统的频率特性即由发电机组的频率特性和负荷的频率特性组合而成。如果用表示全电力系统的单位调节功率，则有如下关系：如果用标么值表示（以系统总负荷为统一基准值）：SK12()SGGGnLKKKKK**1*2**()SGGGnLKKKKK第四章电力系统频率控制第二节电力系统的频率特性三、电力系统的频率特性电力系统的单位调节功率表示：当系统负荷增加(减少)时，在各机组调速器及负荷本身频率调节效应的共同作用下，系统频率最终下降(增加)的程度。如果某台发电机组已经满载，它的调速器将受到负荷限制器的限制，因而不能再参加增功率的一次调整（可参加减功率的一次调整）。这时系统的等值单位调节功率中，就不应再包括这台机组的(或者认为此时该机组=0)。GKGK第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整电力系统中所有发电机组都装有调速器。当系统负荷变动导致频率变化时，调速器能够感知发电机转速(频率)的变化，自动地调节进汽阀门(或导水叶)开度，改变发电机的有功功率，力求与系统负荷重新平衡。这是一种完全自动化的过程。设图4-2中系统的负荷突然增加，综合负荷的频率特性相应抬高。这时的稳态工作点移至B点。第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整电力系统中所有发电机组都装有调速器。当系统负荷变动导致频率变化时，调速器能够感知发电机转速(频率)的变化，自动地调节进汽阀门(或导水叶)开度，改变发电机的有功功率，力求与系统负荷重新平衡。这是一种完全自动化的过程。设图4-2中系统的负荷突然增加，综合负荷的频率特性相应抬高。这时的稳态工作点移至B点。有差调节21ff第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整设系统负荷有功功率总增量为，系统最终频率变化为，则各发电组有功出力的增量分别为：Pf第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整经过一次调整达到新的稳态时，系统的频率下降到(50－)Hz，而各机组出力增量的总和应等于负荷总增量，即fP第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整此时各发电组有功功率增量为：第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整可见，在各机组调速器作用下，一次调整的结果产生了频率偏差。其大小与系统负荷变化量成正比。同时，各机组出力的变化量也与系统总负荷变化量成正比，而与机组自身的调差系数成反比。已经说过机组的调差系数是可以人为整定的，所以可以用改变机组调差系数的方法，来改变发电机组承担系统负荷变化量的份额。PiP*P第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整用调差系数的倒数－单位调节功率计算发电机有功功率变化量，更方便一些。计算公式变为GK第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整一、系统频率的一次调整中小电力系统常用此种有差调节方法，举例如下：【例4-1】某电力系统中，占总容量1/2的机组已满负荷；占总容量30%的火电厂有10%的备用容量，其单位调节功率为16.6；占总容量20%的水电厂有25%的备用容量，其单位调节功率为25；系统负荷的单位调节功率为1.5(标幺值，以系统总负荷为基准)。第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整【解】（1）计算系统单位调节功率，设总容量1000MWSK第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整第四章电力系统频率控制第三节电力系统的频率调整可见，10000MW的系统，负荷突增460MW，频率已下降到正常范围下限，这是发电机组增功率和负荷频率调节效应的结果，一次调整对小幅，短周期负荷波动很有效，大幅波动就要进行二次调节。第四章电力系统频率控制二、系统频率的二次调整第四章电力系统频率控制三、系统频率的三次调整所谓系统频率的三次调节，是指各发电厂执行系统调度预先下达的发电计划，定时调控发电机有功出力(包括机组启停)，或在非预计的负荷变化经一次调整和二次调整积累到一定程度时，重新按经济调度原则分配各发电厂的有功功率。第四章电力系统频率控制四、发电机组调速器的基本原理调速器是根据发电机的转速或者频率的变化，自动控制调节汽轮机汽门开度或水轮机导水叶开度，从而自动调节进入原动机的动力元素(蒸汽或水量)的数量，实现对发电机有功出力进行控制的自动装置。调速器分为机械液压调速器和电气液压调速器两大类型。图4-3是机械液压型调速器的示意图，可以用来说明和理解一切类型调速器的基本工作原理。第四章电力系统频率控制三、系统频率的三次调整第四章电力系统频率控制五、主调频厂和基荷厂在频率调整中的作用在电力系统中，调频任务须在各发电厂中进行分工，实行分级调整。一般将发电厂分为三种：即主调频厂、辅助调频厂和非调频厂(也称基荷厂)。主调频厂负责全系统的频率调整，一般由一个发电厂担任；辅助调频厂是当系统频率超过了某一规定的偏移范围后，协助主调频厂参加调频工作，通常由少数几个发电厂担任；而非调频厂只按调度预先下达的负荷曲线(日发电计划)运行，不主动参加调频。第四章电力系统频率控制五、主调频厂和基荷厂在频率调整中的作用非调频厂（基荷厂）承担的基本负荷，是由系统调度员按照经济调度的原则预先计算确定的。当系统负荷突然增加，系统频率下降，基荷厂也由于调速器的调节而自动增加了出力。由于一次调整改变了基荷厂原来的经济运行方式，系统运行的经济性必然下降。故需把基荷厂增加的负荷平稳地转移给调频厂。第四章电力系统频率控制五、主调频厂和基荷厂在频率调整中的作用主调频厂调节发电机组的调频器(即抬高D点)，增加其输出功率，提高系统频率。基荷厂输出功率因系统频率提高而自动减小，通过调频厂的二次调频，基荷厂在一次调频时增发的功率又全部转移给了主调频厂。从这个过程中可以看到，由于基荷厂的有差调节特性，在调频开头阶段自动分担了一些负荷的增量，使频率的波动大大缓和了，然后在二次调频中又平稳地转移给主调频厂，起到了很好的缓冲作用。第四章电力系统频率控制五、主调频厂和基荷厂在频率调整中的作用担任系统主调频厂需要具备以下条件：（1）具有足够的调频容量和调整范围；（2）能比较迅速地调整输出功率；（3）调整输出功率时符合安全及经济运行原则；（4）输出功率大幅度变化时与系统的联络线不会过载或失去稳定。在水火电厂并存的电力系统中，一般是选择大容量水电厂担任主调频厂在洪水季节，为了不使水库弃水(泄洪)。应让水电厂连续满发，这时主调频厂则选择中温中压火电厂。基荷厂应当由原子能发电厂、大型煤矿坑口火电厂等类型发电厂担任。第四章电力系统频率控制第四节电力系统的自动调频方法手动调频方式已不能满足日益扩大的电力系统对频率稳定性的要求，现代的电力系统都普遍装备了自动调频装置。自动调频不仅反应快，频率波动幅度小，还可以同时顾及到其它方面的要求。如保持两个地区之间联络线功率交换为定值，实现有功负荷的经济分配，配合系统的安全分析和安全校正等自动化功能等第四章电力系统频率控制第四节电力系统的自动调频方法自动调