电力系统自动化(4频率与有功调节)

四、电力系统频率与有功功率调节本章要点1、频率调整的意义和特点；2、同步发电机组调速系统的基本工作原理；3、电力系统负荷的功频特性与负荷调节效应；4、电力系统自动调频方法（电源侧调频）；5、自动低频减载（负荷侧调频）；4.1频率调整的意义和特点•频率是电能质量指标之一；•频率偏移是电力系统有功功率不平衡的结果；（1）调频就是调速；（2）速度偏差是转矩不平衡的结果；（3）调频就是调有功功率。•频率调节可在电源侧和/或负荷侧进行；（1）电源侧调节：投切机组、增减运行机组的有功；（2）负荷侧调节：切除负荷、抽水蓄能；•频率是整个电力系统共有的频率；•频率调节是一个系统级的自动控制，且与经济运行密切相关；电力系统频率波动规律与对策•电力系统频率的三种波动分量及其对策：（1）10s以下；随机小波动，由调速器自动调节（一次调频）；（2）10s～3min；计划外负荷，调整调速器的功率给定（二次调频）；（3）3min以上；预测负荷+制定发电计划；4.2调速器的基本原理与特性•电源侧有功功率调整，是借助原动机调速器来实现的。•调速器的任务：（1）调速、稳速；（2）有功功率分配；•飞摆式调速器举例：调速系统的外特性•外特性：频率与有功功率之间的关系•调差：外特性曲线的斜率：•调速系统的（有功功率）调差，都是正调差，不允许以零调差或负调差运行；•有功功率分配，按调差系数反比例分配。**f=-100%P调速器的失灵区•调速器的执行部件多是机械部件，因此（1）必然存在因自由行程引起的不灵敏区（也称失灵区或死区）；（2）调速器反应过分灵敏将导致机械执行部件频繁动作，加速磨损。因此，对死区偏小的调速器还需人为添加死区，以提高机械部件使用寿命；•具有死区的调速系统外特性曲线成为一条宽带直线，导致机组间功率分配存在误差。4.3电力系统负荷的功频特性•电力系统负荷是由多种特性各异的负荷组合在一起的综合负荷；•电力系统负荷的有功功率-频率特性可以描述为：1210*2*2*102210neLeLLnnLneLeneLeeLeLeLaaaafffPPPfafafaaPffPaffPaffPaPaP电力系统有功负荷的频率调节效应•由电力系统负荷的功频特性方程知：功频特性曲线是一条单调上升的曲线；•电力系统有功负荷随电力系统频率同向升降的特性，有助于电力系统频率的稳定；•电力系统有功负荷随电力系统频率变化而变化，反过来又对电力系统频率产生影响的这一特性，称为电力系统有功负荷的频率调节效应，度量这种调节能力的指标称为：电力系统有功负荷调节效应系数。电力系统有功负荷的频率调节效应系数•在额定频率附近，负荷的功频特性曲线近似为直线，其斜率：有名制：标幺制：•称KL和KL*为负荷的频率调节效应系数。统计数据表明：KL*大约在1～3之间变化，且每个系统的KL*会随季节和昼夜发生变化。•KL与KL*的换算：LLPKfLLeeeL*LL*L*LeLeePPffPPK===KfffPPf**LLPKf电力系统的功频特性与频率调整•电力系统是由发电机组、输电网络和负荷组成的。可将输电网络的有功损耗合并到负荷之中，等值发电机组的功频特性曲线与等值负荷的功频特性曲线的交点就是电力系统的功频运行点。•负荷波动对系统频率的影响，分三种情况进行分析：（1）调速器退出（或满载发电机组）；（2）调速器投入；（3）调速器投入且调整其功率给定值；•一次调频和二次调频的概念。4.4电力系统自动调频方法•电力系统自动调频，是指改变发电机组功率定值的二次调频；•调频电厂、调频机组的选择原则；•调频控制是需要电力系统内多台机组同步调整的系统级的控制，还需考虑机组间的有功功率合理分配、电力系统稳定性、运行经济性；•根据频率偏差确定有功功率调整量的方法，仍然离不开自动控制理论，如PID等；自动调频技术•自动调频涉及的技术问题有：（1）频差的获取：各调频电厂就地获取与调度中心集中获取两种方式；（2）有功调整量的计算：P、I、PI、PID等；（3）有功调整量的分配：分配系数需考虑机组状况和经济性、电力系统稳定性：（4）机组同步调节：集中式的自动发电控制是电力系统调频技术的发展趋势，需要运动技术支持；电力系统自动调频方法简介•分散控制和集中控制；•频率调整是系统级的控制，采用集中式控制比较有利；在远动技术（四遥）不发达的条件下，才采用分散控制；•有两种调频控制策略：（1）电力系统整体调频控制策略；（2）联合电力系统的分区调频（维持联络线传输功率的调频）控制策略；系统整体调频的控制策略•电力系统整体调频准则：频率偏差为零；•调频约束条件：（1）经济运行约束；（2）电力系统稳定性约束；（3）电钟准确性约束（频率偏差的积分为零）；调频方程·调频方程（计算有功给定增量，类似于双闭环调节中的外环调节）：（1）比例：（2）积分：（积差法）（3）比例积分：（改进积差法）（4）虚有差：·（1）～（3）式中，有功调整量△P的参照点是产生频率偏差之前的稳定运行功率，而（4）式中，虚有差的有功增量参照点是浮动的，实质上仍然是比例积分控制（形式上有差，实际上无差，即虚有差）。iiP=-KfiiP=-KfdtiPiIiP=-Kf-Kfdtniiiiii=1P=P-P=-Kf分区控制的比例式控制策略•控制原则：有功功率按分区就地平衡，维持联络线传输功率不变；•控制方程式：A区调频方程：B区调频方程：•控制方程式分析：（1）A区功率增加；（2）A区功率减小；（3）B区功率增加；（4）B区功率减小；由分析结果可见，调频方程满足控制原则。AABGAGAf+kP+kP=0BABGBGBf-kP+kP=0思考•PI控制方程与虚有差控制方程的异同；•分区控制思想与实现方法的举一反三（多控制目标的控制方程）；•运行机组增减给定值，相当于平移外特性，请问：投切机组相当于改变了外特性的什么？电力系统自动发电控制（AGC）•AGC：建立在远动技术之上的系统级电源侧有功功率闭环控制系统。可以远方开停机、调节有功功率出力；•根据电力系统频率偏差和联络线功率偏差，按一定调节准则计算出各调频机组的有功出力定值，各调频机组根据所分配的给定功率定值运行；•调节准则中可以包含经济运行要求、稳定性要求等进行负荷的最佳分配。电力系统低频减载•减载（减负荷），是负荷侧的调频措施；•在电力系统事故情况下，当采取各种措施之后仍然不能制止频率下降时，则由低频减载装置自动切除一部分负荷来进行紧急调频。•低频减载的基本问题：（1）何时开始切？（2）切多少？（3）一次性切除还是分多次逐步切除？低频减载的基本问题（1）何时开始切除？切除频率太晚则影响电能质量，甚至危及系统安全；太早则无谓造成用户停电也不好。一般当频率低于49.1Hz（早先为48～48.5Hz，还有逐渐升高的趋势）启动切除负载。（2）切多少？①按最严重事故情况下可能发生的最大有功缺额来考虑最大负荷切除量，宁多勿少。理由：多了可以少切，少了系统就垮了；②希望的恢复频率一般为49.5Hz，小于额定50Hz；理由：恢复频率越低，要求切除的负荷越少，停电面积越小。较低的恢复频率可以少切负荷，此时以降低电能质量换取供电可靠性。但恢复频率过低则系统不安全。低频减载的基本问题•低频减载最大切除负荷量的计算：按最大有功缺额来计算最大负荷切除量。根据负荷调节效应系数的定义式，以及最大功率缺额、负荷调节效应系数、希望的恢复频率、切除前的总负荷功率等，可以计算出低频减载最大切除负荷量：多数情况下，最大负荷切除量约占系统总容量的30%。HmaxLmaxLeLmax*L*eH*eP-PP-PK=f-fffLeePPPff（）（）（）低频减载的基本问题（3）一次性切除还是分多次逐步切除？分析：事故可大可小，按最严重事故最大功率缺额考虑的最大负荷切除量，若不管大小事故一律全部切除，显然不合理。理论上，应该按频率偏差决定负荷切除量（如同调频方程所描述的那样，切除量与频率偏差成正比），由于负荷具有不能反复投切以及切除量不连续的特点（不像发电机功率给定调整那样具有连续可逆的特点），所以负荷切除是分级进行的。低频减载的基本问题•若分级切，（1）共分多少级；（2）每级切多少？（3）何时切完？（4）切除负荷的先后排序；低频减载的基本问题•共分多少级？理论上，级数越多越好（接近连续），实际受负荷大小、测控误差等影响，一般分10～30级左右（国内多在10级以内）；•每级切多少？为尽可能减小停电面积，应按最小切除功率原则计算每级的切除功率。由各级启动频率恢复到期望频率所需切除的功率，就是最小切除功率。低频减载的基本问题•最小切除功率计算计算思路：最小切除功率等于由启动频率恢复到额定频率所需切除的功率减去由期望频率恢复到额定频率所需切除的功率。由启动频率恢复到50Hz所需切除的功率：由期望频率恢复到50Hz所需切除的功率：ieiL*i-1eLeLkk=1Pf=KfP-PhehL*ieLeLkk=1Pf=KfP-P•第i-1级切除后，频率稳定值恰等于第i级的动作值fi，其恢复到额定频率所需切除的有功功率（或有功功率缺额）△Pie为：•当第i级动作切除负荷后，希望恢复到希望频率fh，则有：ieiL*i-1eLeLkk=1Pf=KfP-PhehL*ieLeLkk=1Pf=KfP-PieheLii-1iihLiLeLkL*LeLkL*k=1k=1eei-1ihhLeLkL*LiL*k=1eeP-P=PffP=P-PK-P-PKfff-ff=P-PK+PKff•两者之差即等于第i次需要切除的负荷量i-1ihLeLkL*k=1eLihL*ef-fP-PKfP=f1-Kf有名制i-1Lk*L*i*h*k=1Li*L*h*1-PK(f-f)P=1-Kf标幺制低频减载的基本问题（续）•何时切完？末级启动频率应不小于频率崩溃的临界值，晚于该临界频率再切已无意义，末级频率一般不低于46～46.5Hz，现在多为47.5～48Hz。根据最大负荷切除量计算条件可知，末级动作后必将恢复系统频率到期望频率。•首级频率49.1Hz，末级频率46～46.5Hz，若分N级切除，则频率级差=（49.1-46.5）/N，当N取30时，频率级差小于0.1Hz。•切除负荷的排序：先切除重要性相对较低的负荷，再切除重要性相对较高的负荷。低频减载的基本问题（续）•“频率悬浮”现象及其对策：由于切除量的不确定性以及最小切除量原则的影响，某级负荷切除后可能有以下几种情况出现：①频率回升到等于或大于额定频率-不希望但几无可能性；②频率回升到希望频率与额定频率之间-最佳，可能性小；③频率回升但未达到希望频率；④频率保持不变；⑤频率下降但不到下级动作频率；⑥频率下降且低于下级动作频率；对策：①②停止切除；⑥继续切除；③④⑤称为“频率悬浮”低频减载的基本问题（续）•“频率悬浮”的对策：设置后备级，其动作频率取为希望恢复的频率值，其动作时延取电力系统频率时间常数的2～3倍（15～25s）。•后备级的切除功率：（1）总功率：由最后一级启动频率fN恢复到希望频率fh所需切除量；（2）各级切除功率；也要分级切除，每级功率不大于第二级频率f2恢复到希望频率fh所需切除量，或希望频率fh恢复到额定频率fe所需切除量。（3）按延时时间分级：各级启动频率相同，延时时间逐级延长，时间级差5～10s。•后备级和正常级可以是同一低频减载装置中同时工作的两种动作模式，也可以由运行人员手动拉闸实现。低频减载的发展趋势•遗留问题：（1）实际功率缺额未知；（2）实际切除负荷量不准确；（3）动作不及时；（4）负荷切除点选择不灵活；•网络化的集中控制。建立在远动技术之上的实时反馈控制，可使负荷切除量更加准确，动作更加及时；•本章结束。本章