第4章(自动化)

4.水轮发电机组频率和功率的自动控制4.1概述1、电力系统的功率平衡与频率稳定电力系统的频率是指电力系统中同步发电机产生的正弦交流电压的频率，是电力系统运行参数中最重要的参数之一。在稳态运行条件下，所有发电机同步运行，整个电力系统的频率是相等的。并列运行的每一台发电机的转速与频率之间的关系为式中为发电机转子的极对数；为发电机的转速，；为发电机定子电压的频率，。电力系统的频率稳定与否，取决于系统的有功功率是否平衡：•若系统总的发电功率=用户总的耗用功率（包括线路耗损），则系统的频率维持在额定值；•若系统总的发电功率大于（或小于）用户总耗用功率，则系统的频率大于（或小于）额定值；60pnfpnmin/rfHz由此可见，系统频率的变化是由于发电机的负荷功率与原动机输入功率之间失去平衡所致，因此调频与发电机的有功功率控制是分不开的。并网运行发电机组的功率控制，就是维持电力系统功率的平衡，使系统的频率偏差在容许的范围内。电力系统的负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变则较缓慢，因此系统中频率的波动是难免的。2、电力系统的日负荷电力调度中心根据统计资料来制定系统日负荷曲线，如图所示。图中，黑线为计划负荷，红线为实际负荷，其差值为计划外负荷。（小时）481216202410001500200025003000t)(MWP平均负荷基荷腰荷峰荷0计划负荷实际负荷3、调频机组与调频电站由于计划外负荷是随机变化的，因此必须采取必要的技术手段，将电力系统的频率维持在正常水平。这就要求在系统中划出一部分机组甚至几个水电站执行调频任务，是系统的总发电功率随时跟踪用户的总耗用功率，这些机组或电站称为调频机组或调频电站。调频容量的大小取决于系统在10分钟内最大负荷上升的速度和系统频率的允许偏差值，一般约为系统最大负荷的。•维持系统频率在50±0.2Hz/s；•能够在调频机组和电站间实现有功功率的优化分配；•能够防止输电线路过负荷运行；•保证电钟的准确性；•保证有一部分机组有旋转备用容量。%10~8对调频机组功率控制的要求是：4、运行机组间负荷优化分配原则基本原则：在完全由水电站组成的系统中，运行机组间负荷优化分配是指水能消耗最少的方案。对于有调节库容的水电站来说，是将电网调度按时段（一般是lh或者0.5h）给定的电站日负荷，分配到各台机组，来确定机组间负荷的优化分配和机组合理的启、停次序，从而在满足各种约束条件下，使全厂的发电耗水最小。在由水、火电站组成的混合系统中，运行机组间负荷优化分配是指：在来水量一定的条件下，根据水库的调节性能，使系统总费用最少的方案。•满足电力系统的功率平衡；•避开机组的非安全运行区运行；•实现运行机组间的负荷优化分配，使系统的总发电费用最少。该模型的求解可采用：等微增率法、动态规划法和并行遗传算法等，这些算法有各自的特点，应根据问题的规模、计算速度要求、约束条件等，选择其中一种，或综合几种方法应用。运行机组间负荷优化分配问题的数学模型为：目标函数约束条件mjjjHPQMinQ1),(。台机组的稳定运行区域第台机组的流量；第台机组的出力；第台机组的水头；第电站机组台数；jSjQjPjHmjjjjjjmjjSkPkPkP)()()(11、水轮发电机组的调速系统水轮发电机组转速的调整是由水轮机调速系统来实现的。因此，发电机的功率-频率特性取决于调速系统的特性。水轮机调速系统的原理图如下：4.2频率和有功功率自动调节的方法水头反馈元件引水和泄水系统水轮机转矩发电机频率（转速）电网励磁执行机构放大校正元件测量元件给定元件导叶开度（流量）被控系统调速器机械式调速器的工作原理图如下：2、水轮机调速器当系统的负荷变化引起频率（转速）改变时，调速器通过改变水轮机的进水量，调节发电机的输入功率以适应负荷的需要。出口出口高压油入口流量水轮机导叶接力器导叶飞摆主配压阀关闭开启水轮发电机组的频率调差系数定义为式中为发电机有功功率的增量，；为频率差，即有功功率增量为时，频率相应的增量，。3、频率调差系数调差系数主要取决于调速器的静态调节特性，它机组间有功功率的分配密切相关。调差特性与机组间有功功率分配的关系，可用下图描述：PfKPfMWHzP1P2P)(MWP)(Hzf1K2KsysfK0)()(**PKfPPKff或•一次调频是在电力系统出现频率差时，根据调速器的调差系数来分配机组间的负荷，由调速器完成功率调节。一次调频存在频率差；•二次调频是在调速器调节的基础上，由自动发电控制来重新调整各运行机组的负荷，通过改变调速器的整定值，使频率静态特性曲线向上（下）平移，最终消除频率差。电力系统的调频分为一次调频和二次调频：1,1P2,1Pfrf1,2P2,2P1P3,1P2P3,2Pfffr4、利用调速器进行一次调频（有差调节）设系统中有n台并列运行机组，其额定功率分别为，其调差系数分别为。若系统出现计划外负荷，导致相应的频率变化为，设各机组承担的计划外负荷的份额分别为。列出n台机组的调节方程：（4-1）式中：为系统频率变化的相对值。上式可写为：系统计划外负荷为：（4-2）riPiK000*222*111*rnnnrrPPKfPPKfPPKfPfiPrfff/*niKPfPirii,3,2,1*niiriniinKPfPPPPP1121若把整个系统的全部机组用一台等值机组代替，其额定功率和调差系数分别用和表示，则有：（4-3）式中：由（4-2）及（4-3）式，得等值机组的调差系数：（4-4）由（4-1）及（4-3），求得系统频率的相对变化值：（4-5）调节过程结束后，每台机组所承担的计划外负荷为：（4-6）nPKKPfPr*nirirPP1niiriniriniirirKPPKPPK111rrrrPPKPPKPPKfff222111niPPKKPPririi,,3,2,1为了减少频率偏差，可将各机组调速器的调差系数整定得小一些，以使系统频率较小变化时，能导致机组出力的较大变化。但是，调差系数不宜整定得太小，否则会造成并列运行机组间不稳定分配负荷的情况。由（4-5）式可知：当系统利用调速器实现频率的一次调节时，存在频率偏差，且其偏差值与计划外负荷成正比，以及与各台机组的调差系数成正比。这是一次调频的根本缺点。*f由（4-5）式还可知，频率偏差与系统的总运行机组容量成反比，大容量的系统在小负荷波动时，不会造成较大频率差。为了使系统频率能够维持在预定的水平，可以规定某些电站的机组参与调频（称为调频电站和调频机组），其余电站的机组按计划负荷运行。5、主导发电机法（无差调节）这种调频方法是让系统中一台容量较大的机组以无差特性（调差系数）运行，由它来承担全部计划外负荷，其余机组则按有差特性运行。前者称为主导机组，后者称为基载机组，其调节方程为：主导机组即按无差特性运行；基载机组按计划负荷运行；PP10f0iPni,,3,201K显然，主导机组在系统中的容量比重必须足够大，才有能力补偿全部计划外负荷。对于较大容量的系统，可以让一个甚至几个电站的机组作为调频机组，而其余机组仍然按有差特性运行，承担计划负荷。其调节方程为：主导调频机组：，按无差特性运行；其余调频机组：；计划外负荷：，；式中：为第台调频机组计划外负荷分配系数。0fmPP1miiPCPiiPCP)1(ni,,3,2iCi当多个区域（或省）级电力系统联合成一个大的电力系统时，为了配合分区调度管理，同时也为了避免集中调频的范围过大而产生的技术困难，在联合系统中一般采用分区调频法。分区调频法的特点是，区内非计划负荷的变动主要由该区内的调频厂来负担，其它区的调频厂只是支援性质，因此区间联络线上的功率基本上应该维持为计划的数值。所以，分区调频方程式必须能判断当时负荷的变动是否发生在本区之内，并采取相应的调节措施。6、分区调频法现以下图所示的联合电力系统为例，说明判别负荷变动是否发生在本区之内的原理：区域系统AABP联络线区域系统B设经联络线由A区流向B区的功率为，且由B区流向A区的功率为，则必有，当B区内负荷突然增加，A区负荷不变时，整个系统的频率都会下降，即有。此时联络线上由A区流向B区的功率增加，即，且与异号；同时在另一端必有且与同号。这说明在联合电力系统中可以根据联络线上功率增量和频率变化的符号，来判断负荷变化的区域。ABPBAP0f0BAABPP0ABPf0BAPf为了使非负荷变动区内的调频机组在系统的调频过程中尽可能少地输出调频功率，因此区间联络线上的功率基本上应该维持为计划的数值。所以，分区调频方程式必须能判断当时负荷的变动是否发生在本区之内，并采取相应的调节措施。设A区调频方程式为式中为频率偏差；为联络线功率增量；为A区的功率调整系数；为A区机组输出的调频功率；0ABAAPfKPrfffAKAPABP仍以上图所示的联合电力系统为例，对调频方程式进行说明：•当B区内负荷突然增加时，，；由于有适当的功率调整系数，致使，即A区机组基本不向B区输出调频功率。•而当A区内负荷突然增加时，与都为负，于是调频控制器就向增大的方向调整，这样就可以达到分区调频的目的。0f0ABPAK0ABAAPfKPfABPAP由此可见，是实现分区调频的重要因子，一般称为分区控制误差ACE，即itieiPfKACE.itieiPfK.0,nAAABPPPnAP,1、概述4.3自动发电控制（AGC）当电力系统正常运行时，系统中的绝大多数运行机组不参与调频，而按电站的日负荷曲线所规定的方式运行，并按优化方式分配机组间负荷，称为调功运行。但是，在特殊情况下，当系统频率差超过了允许水平时，为了系统能安全稳定运行，希望调功机组也能对系统频率作出响应，其所带负荷与频率的关系如图所示。mfPnPmfnff为此，须在调功机组的功率控制装置中设置人工不灵敏区。这样，当频率偏差时，不参与调频，仍按计划运行；而当频率偏差时，则调节机组的出力，对频率变化作出响应。mfmffmff电力系统中发电功率的控制一般分为三种情况：•由调速器实现的控制，通常称为频率的一次调整控制；•由自动发电控制实现的控制，通常称为频率的二次调整控制；•由经济运行要求实现的控制，通常称为经济运行控制。上述三种频率-功率控制方式是有差别的：•由调速器实现调频以控制发电机组的输出功率，其响应速度较快，可适应小负荷、短时间的波动（即一次调频）；•对周期在至多以内而幅值变化较大的负荷，已经不能由调速器本身的调频特性来进行调整控制，就需要由计算机监控系统根据电力系统的频率差，来启动AGC来控制运行机组的负荷（即二次调频）；s10min3~2•对于周期在以上的负荷波动，可以根据以往实测负荷的变化情况和预测几分钟后总负荷变化趋势，由自动发电系统计算出发电机组最经济的输出功率，由控制系统进行自动功率控制（即经济运行）。min3•负荷分配器根据电力系统的频率差，按照一定的机组间负荷优化分配准则来计算水电站内各运行机组的最优目标出力。自动发电控制系统包括两个部分：•水轮发电组功率控制器根据负荷分配器所确定的最优目标出力，控制调速器的调节特性，是发电机组在电力系统额定频率下所发出的实际功率与目标功率相一致。自动发电控制是在应用自动控制技术和计算机技术的基础上，根据电力系统的频率差来控制水电站内各运行机组的出力，实现机组间负荷的经济分配，并最终消除频率差。自动发电控制系统的构成如下图所示：流量1#水电机组频率电力系统水轮机调速器负荷分配器频率差额定频率功率功率控制器功率调整量目标功率流量2#水电机组水轮机调速器功率功率控制器功率调整量目标功率流量n#水电机组水轮机调速器功率功率控