电力系统自动化第3章电力系统频率及有功功率的自动调节

第3章电力系统频率及有功功率的自动调节本章主要内容•第一节电力系统的频率特性•第二节调频与调频方程式•第三节电力系统的经济调度与自动调频•第四节电力系统低频减载•第五节功率频率控制系统的模型与仿真第一节电力系统的频率特性•学习目的：•了解电力系统频率及有功功率控制的必要性；•了解频率调节的原理；•掌握电力系统负荷的功率—频率特性；•了解调速器的工作原理，掌握配有调速器的发电机组的功率—频率特性，以及发电机组的频率调节特性与机组间有功功率分配的关系；•掌握电力系统的频率特性；第一节电力系统的频率特性补充（回顾）：一、电力系统频率控制的必要性(一)频率对电力用户的影响1、电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化。2、电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。这对一些重要工业和国防是不能允许的。3、电力系统频率降低会使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和出力降低，影响电力用户设备的正常运行。(二)频率对电力系统的影响1、频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。对于额定频率为50HZ的电力系统。当频率低到45HZ附近时，某些汽轮机的叶片可能因发生共振而断裂，造成重大事故。2、频率下降到47～48HZ时，由异步电功机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨煤机等火电厂厂用机械的出力随之下降，使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降，这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度，这种现象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。•3、在核电厂中，反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。当频率降到一定数值时，冷却介质泵即自动跳开，使反应堆停止运行。•4、电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功消耗增加，引起系统电压下降。频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时可能出现电压快速而不断地下降，即所谓电压雪崩现象。出现电压雪崩会造成大面积停电，甚至使系统瓦解。(二)频率对电力系统的影响1、维持电力系统频率在允许范围之内电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。GiLjLS0kPPP二、电力系统有功功率控制的必要性2.提高电力系统运行的经济性电力系统经济调度包括两个方面：•第一，在某一负荷情况下，哪些机组投入电力系统运行；需要考虑发电机组的效率、各种发电机组(水电、火电、核电)的协调、电力系统网损等问题，目的是提高电力系统运行的经济性，降低电能成本。•第二，确定该负荷情况下并联运行机组的有功出力。前者是发电机组经济调度问题，后者是有功负荷的经济分配问题。3、保证联合电力系统的协调运行•电力系统的规模在不断地扩大，已经出现了将几个区域电力系统联在一起组成的联合电力系统。•有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。•电力系统频率和有功功率控制是密切相关和不可分割的，应统一考虑并协同控制。一、概述1、并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为：60pnfP——发电机组转子极对数n——发电机组的转数（r/min）f——电力系统频率（Hz）显然，电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速！第一节电力系统的频率特性2、频率调节的原理（1）正常运行时：假设系统中有m台机组，各机组原动机的输入总功率为：T1miiPG1miiPTG11mmiiiiPPG1G2Gm系统各机组的发电功率总输出为：当忽略机组内部损耗时，输入输出功率平衡：（2）负荷突然增加△PL时：使发电机组输出功率增加△PL,但由于机械惯性，输入功率来不及做出反应，此时：2、频率调节的原理机组只有把转子的一部分动能转换成电功率，致使机组转速下降，系统频率下降。为了保持功率平衡LmiGimikimiTiPPWdtdP111)(Wki—各机组的动能G1G2Gm系统LmiGimiTiPPP11设机组运行在a点，机组以转速na稳定运行。当负荷增加时，发电机电磁转矩特性曲线向上方平移．设移到曲线MG2的位置。如果此时不调节进入原动机的动力元素(蒸汽或水),机组调速器不动作，则原动机的机械转矩特性仍为曲线MT1。机组就会在新的平衡点b以转速nb稳定运行.用图示说明：这说明，即使没有调速器参与调节原动机的输入功率，机组也可以从一个稳定运行工况过渡到另一个稳定工况运行。这种能力称为自平衡能力或调节能力。转速nb远离了原来的转速na。这说明仅仅依靠机组的自平衡能力进行调节，机组的转速(频率)会在较大范围内变化。电力系统的负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变较缓慢，因此系统中频率的波动是难免的。结论：电力系统频率的变化是由于发电机的负荷与原动机输入功率之间失去平衡所致，调频与有功功率的调节是分不开的。3、电力系统负荷的变动情况电力系统负荷变动情况负荷分类：一是变化周期一般小于10s的随机分量；二是变化周期在10s～3min之间的脉动分量；三是变化周期在3min以上的持续分量，负荷预测预报这一部分。第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。第三种负荷变化，调度部门的计划内负荷，这称为频率的三次调整。二、电力系统负荷的功率—频率特性1、负荷的功率—频率特性定义：•当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变，即•这种有功负荷随频率而改变的特性称为负荷的功率—频率特性，即负荷的静态频率特性。L()PFf2、电力系统的负荷类型按负荷与频率的关系分类：(1)与频率变化无关的负荷如白炽灯、电弧炉、电阻炉和整流负荷等。(2)与频率成正比的负荷如切削机床、球磨机、压缩机和卷扬机等。这类负荷占有较大比重。(3)与频率的二次方成比例的负荷如变压器中的涡流损耗。这种损耗在电网有功损耗中所占比重较小。(4)与频率的三次方成比例的负荷如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等。(5)与频率的更高次方成比例的负荷如静水头阻力很大的给水泵等。3、负荷的功率—频率特性方程式fN——额定频率；PL——系统频率为f时，整个系统的有功负荷；PLN——系统频率为额定值fN时，整个系统的有功负荷；a0，a1，…，an——各类负荷占PLN的比例系数。化成标么值的形式nNLNnNLNNLNNLNLNLffPffPffPffPPP)()()()(332210将上式除以PLN，则得标么值形式，即1LP1f当系统的频率为额定值时:通常与频率变化三次方以上成正比的负荷很少，可忽略其影响。13210naaaaa于是nNLNnNLNNLNNLNLNLffPffPffPffPPP)()()()(332210nnLffffP3322104、负荷的静态频率特性当系统负荷的组成及性质确定后，负荷的静态频率特性方程也就确定了，因此也可以用曲线来表示，如图所示：由图可知：在系统频率下降时，系统负荷从系统取用的有功功率下降。如果系统的频率升高，系统负荷从系统取用的有功功率将增大。当系统内机组的输入功率和负荷功率间失去平衡时，系统负荷也参与了调节作用，这种特性有利于系统中有功功率在另一频率下重新平衡。这种现象称为负荷的频率调节效应。通常用负荷的频率调节效应系数KL*来衡量负荷调节效应的大小。nnLffffP3322105、负荷的频率调节效应系数KL*由上式可知，系统的KL*值决定于负荷的性质，它与各类负荷所占总负荷的比例有关。dfPKLLd*nmmmnnLLfmfnffdfdPK1112321*32nnLffffP332210而KL*定义：LPPe综合负载的功率-频率特性近似表达式：根据国内外一些实例，负荷的静态特性曲线在额定频率附近（48～51HZ）接近于一条直线，如图所示。•直线的斜率为：fpLtanδ是调度部门必须掌握的一个数据！说明：1）负荷的频率效应起到减轻系统能量不平衡的作用。3）电力系统允许频率变化的范围很小，为此负荷功率与频率的关系曲线可近似地视为具有不变斜率的直线。这斜率即为δ。4）δ表明系统频率变化1%时，负荷功率变化的百分数。5）对于不同的电力系统，δ值也不相同。一般δ=1~3。即使是同一系统的δ，也随季度及昼夜交替导致负荷组成的改变而变化。fpLtan三、发电机组的功率—频率特性发电机组的功率—频率特性取决于调速系统的特性。当系统的负荷变化引起频率改变时，发电机组调速系统工作，改变原动机进汽量(或进水量)，调节发电机组的输入功率以适应负荷的需要。发电机组的功率—频率特性定义：通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率—频率特性或调节特性。（一）机械式调速器简介→E、F下降至E′、F′，→活塞提升，→汽门提升，进汽量增加→转速就会回升。当机组因负荷增加而转速下降时：活塞调节气阀错油门从锅炉来的蒸汽1）两个重锤开度减小→A降至A′C点尚未移动B点降至B′D点代表有伺服电动机控制的转速整定元件的nDEF，它不会因转速而变动。活塞2）转速上升后→重锤开度增加→A、B、E、F各点也随之不断改变；这个过程要到C点升到某一位置时，比如C〞，即汽门开大到某一位置时，机组的转速通过重锤的开度使杠杆DEF重新回复到使Ⅱ的活门完全关闭的位置时才会结束，这时B点就回到原来的位置。3）由于C〞上升了，所以A〞必定低于A。这说明调速过程结束时，出力增加，转速稍有降低。4）调速器是一种有差调节器。5）通过伺服电动机改变D点的位置，就可以达到将调速器特性上下平移的目的。活塞（二）发电机组的功率—频率静态特性•反映调整过程结束后发电机输出功率和频率关系的曲线称为发电机组的功率—频率静态特性，可以近似的表示为一条直线：在特性曲线上任取两点，我们定义机组的静态调差系数：GPR负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化符号相反。（三）发电机组的静态调差系数RGPRGGNGNPPPR//用标么值表示：称为发电机组的静态调节方程。0GPR发电机组的功率—频率静态特性系数KG*在计算功率与频率的关系时，常常采用调差系数的倒数。一般发电机的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值：对汽轮发电机组R*=(4~6)%或KG*=6.16~25；对水轮发电机组R*=(2~4)%或KG*=25~50；与KL﹡不同的是KG﹡可以人为调节整定，但其大小，即调整范围受机组调速机构的限制。KG*——发电机的功率-频率特性系数，或原动机的单位调节功率。GGPRK**1（四）调差特性与机组间有功功率分配的关系假设此时系统总负荷为∑PL，如线段CB的长度所示：12LPPP以两台发电机组为例，分析并列运行时有功功率的分配情况：曲线1代表1号发电机组的调节特性，曲线2代表2号发电机组的调节特性。系统频率为fN时:1号发电机组承担的负荷为P1，2号发电机组承担的负荷为P2，于是有:当系统负荷增加，经过调速器调节后，系统频率稳定在f1，这时1号发电机组的负荷为P1′，增加了△P1；2号发电机组的负荷为P2′，增加了△P2；两台发电机组的增量之和为△PL。1221PRP