电力系统自动装置原理-第5章

第5章电力系统频率及有功功率的自动调节小节导航12345小结第1节电力系统的频率特性一、概述⒈负荷对系统频率的影响⒉频率的调节手段二、电力系统负荷的功率频率特性（静特性）⒈负荷功率频率特性的定义和表示方法⒉负荷的频率调节效应三、发电机组的功率频率特性⒈发电机组功率频率特性的定义和表示方法⒉发电机组间有功功率的分配（①两台机组②多台机组）⒊调节特性的失灵区四、电力系统的频率特性转第2节小节导航12345小结•稳态时，发电机机械输入功率等于电磁输出功率，系统频率f保持不变。当系统负荷增加后，电磁功率增加，而机械输入功率变化缓慢，从而使发电机产生功率缺额，迫使转子速度n下降，f随之下降。•负荷的变化按其变化的频率大小可分为3种：随机分量频率较高，幅度较小，周期一般小于10秒。脉动分量频率较随机分量低些，幅度较随机分量大些，周期在10秒~3分钟。持续分量负荷的主要成分，幅度最大，频率最低，变化很缓慢。其中，后两种分量对系统频率的变化起主要作用。负荷对系统频率的影响返回频率的调节手段返回系统对频率的要求比对电压的要求更为严格，通常，频率与额定值的偏差不超过0.2Hz。当频率发生变化时，可通过调节汽轮发电机组的汽门开度和水轮发电机组的水门开度来满足系统频率和经济分配负荷的要求。负荷功率频率特性的定义和表示方法①定义负荷功率随系统频率变化的特性PL=F(f)。②表示方法*00()()nniiLLNiLiiiNfPPfPaPaff或=与f无关的负荷：照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等与f有关的负荷：切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等与f2有关的负荷：变压器中的涡流损耗与f3有关的负荷：通风机、静水头阻力不大的循环水泵等与f4有关的负荷：静水头阻力很大的给水泵等返回n通常取3，且01niia。负荷的频率调节效应①调节效应的定性描述②调节效应的定量描述③例题分析返回fN：负荷功率缺额f由负荷的功率频率特性负荷缓解f的下降，最终稳定在略低于fN的频率值。fN：负荷功率过剩f由负荷的功率频率特性负荷缓解f的上升，最终稳定在略高于fN的频率值。负荷频率调节效应的定性描述当负荷成分确定后，负荷的功率频率特性即可确定（见图）。fPLPLNPLfNf返回衡量负荷频率调节能力大小的指标为负荷的频率调节效应系数KL（或KL*）为：负荷频率调节效应的定量描述返回11d()dniLLLNLiiNNPPPfKiaffff1*1ddniLLLiiPPKiafffLNLLNPKKfNLLLNfKKP负荷频率调节效应的例题分析[题]某电力系统中，与f0次方、1次方、2次方及3次方成比例的负荷分别占30%、40%、10%和20%，且当f=50Hz时系统总的有功负荷为3200MW（包括有功网损）。试求：(1)当f=47Hz时，负荷变化的百分数及相应的KL和KL*；(2)当f=52Hz时，负荷变化的百分数及相应的KL和KL*；(3)若f=50Hz时系统总的有功负荷为3600MW（包括有功网损），则上述两种情形的KL又是多大？[结论]在掌握KL*后，只需根据PLN的大小即可求出KL，从而可得频率偏移量与功率调节量之间的关系。参见求解过程返回(1)f=47Hz时PL*=0.3+0.4(47/50)+0.1(47/50)2+0.2(47/50)3=0.93PL*=1-0.93=0.07KL*=PL*/f*=0.07/(3/50)=1.17KL=(PLN/fN)KL*=32001.17/50=74.88MW/Hz(2)f=52Hz时PL*=0.3+0.4(52/50)+0.1(52/50)2+0.2(52/50)3=1.05PL*=1.05-1=0.05KL*=PL*/f*=0.05/(2/50)=1.25KL=(PLN/fN)KL*=32001.25/50=80.0MW/Hz(3)PLN=3600MW时KL=(PLN/fN)KL*=36001.17/50=84.24MW/HzKL=(PLN/fN)KL*=36001.25/50=90.0MW/Hz例题求解过程返回发电机组功率频率特性的定义和表示方法①定义发电机组输出功率与系统频率变化之间的关系PG=F(f)。它取决于调速系统的特性。②表示方法（1）未配置调速器的情形（2）配置调速器的情形返回•发电机组的转矩方程近似表示为：MG*=AB*PG*=K(A*B2*)PG*=c1f*c2f2*•通常，c1=2c2。于是，未配置调速器时的特性如右图所示。•当f*=-c1/(-2c2)=1.0时（额定条件下），PG*取得最大值。返回(1)未配置调速器的情形PG*f*1.0PG*maxoR=f/PG或R*=f*/PG*[注意与无功时的=UG*/IQ*或=UG*/QG*对照]•由上述关系可得机组的有功功率/频率静特性调节方程：f*+R*PG*=0•还可得功率/频率静特性系数：[注意与负荷频率调节效应系数对照]KG=1/R=PG/f或KG*=1/R*=PG*/f*•结论：发电机组输出功率的增量与频率的变化成正比，与调差系统成反比。系统中所有机组的调速系统均为有差调节，因此，只要存在频率变化，则所有机组都将承担负荷的变化。•调速器使进汽（水）量随发电机转速而变，从而使原动机的工作点在不同的静特性曲线间转移，形成右图所示形状的近似工作特性（有差调节），其斜率数值称调差系数，即(2)配置调速器的情形PGffPGoPGNfN对应最大进汽（水）量返回PG*=PG/PGN=f*(PGN1/R1*+PGN2/R2*)/PGN等值调差系数R*=PGN/(PGN1/R1*+PGN2/R2*)•设两机组额定输出功率（fN时）为PGN1和PGN2，和PGN=PGN1+PGN2。当负荷增加引起频率下降f后，两机组总的功率变化将为：PG=PG1+PG2=f/R1f/R2=f/R其中，两台机组的等值调差系数为：R=1/(1/R1+1/R2)•对标幺值情形：PG=PG1+PG2=PGN1PG1*+PGN2PG2*=PGN1f*/R1*PGN2f*/R2*=f*(PGN1/R1*+PGN2/R2*)两台机组间有功功率的分配PG1ffPG1oPGN1fNPG2PG2PGN2R1R2返回•将两机组的结论推广到n台机，等值调差系数为：或或等值调节方程f*+R*PG*=0。•当系统中机组承担的有功功率总量的增量已知后，即可求得频率变化，从而可以求出各台机组所承担的有功功率的增量大小。多台机组间有功功率的分配111niiRR11*nGNiinGNiiiPRPR返回调节特性的失灵区•测量元件不灵敏造成调速器具有一定的失灵区，使得调节特性在理想状态附近产生一条失灵带，失灵带的宽度以失灵度表示：=fw/fN=fw*其中fw为最大频率呆滞。与此对应的最大功率误差为：Pw=fw/R或Pw*=fw*/R*=/R*可知：失灵带导致功率误差，误差与调差系数成反比。R*不能太小，否则功率误差过大。•失灵区虽有不利影响，但失灵区也不能没有或过小，否则当f稍有变化时，调速器就要调节，反而会使阀门调节过分频繁，产生负面影响。因此，在一些非常灵敏的电液调速器中，常人为适当增加不灵敏区。返回PGfPwoPGNfNPw2fw电力系统的频率特性在将网损功率归并到负荷中时，电力系统的频率特性实际上已经决定于发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性，二者的交点即为系统频率的稳定运行点。下面具体分三种情况分析系统的频率特性：1.初始状态（或额定状态fN）2.小额负荷增加PL（不会使频率下降太多）3.大额负荷增加PL（致使频率下降太多，超过允许值）参见工作点转移图返回工作点转移图返回PfoPLN1fNabcd12PLN=F1(f)PL=F2(f)PL3PLN2f2f3初始状态返回•此时工作点为a点：负荷特性PLN=F1(f)和发电机组特性1的交点。•此时PTN=PGN=PLN1（包括网损）。•此时负荷特性转移到PL=F2(f)。①若系统中所有发电机组均无调速器PTN不变，负荷由PLN变为PLN1+PL产生功率缺额f由负荷功率频率特性知，负荷有功功率，重新达到PLN，此时频率值降为f2（对应b点）。②若系统中发电机组装有调速器（实际也正如此）f调速器动作，增加机组的PTf回升，稳定在c点（PL=F2(f)和机组特性1的交点），此时频率回升为f3，负荷功率为PL3。•比较①和②，调速器动作的结果使频率由f2回升到f3，负荷功率由PLN增加到PL3。调速器的这种调节作用称为一次调节，它与调差系数对应。小额负荷增加返回•经调速器动作后到达c点，此时f3仍过小。手动或自动加入调频装置，使机组特性平移到特性2f继续回升，稳定在d点，此时频率值为fN，负荷功率为PLN2PL3。•比较工作点c和d知，调频装置作用的结果使频率由f3回升到fN，负荷功率由PL3增加到PLN2。调频装置的这种调节作用称为二次调节，它不改变调差系数。大额负荷增加返回第2节调速器原理一、调速器的种类二、机械液压调速器（1）示意图（2）测速机构（3）执行机构（4）转速给定机构（特性平移机构）三、功率-频率电液调速器四、数字式电液调速器（参见书P150图5-22）转第3节小节导航12345小结调速器的种类•机械式：利用一只离心飞摆的位移与转速的关系测速来直接控制进气阀。•机械液压式：利用离心飞摆和液压机构控制进气阀。•电气液压式：利用电气测速机构和电液转换及液压机构控制进气阀。•数字式：将电气液压式调速器的控制部分用微机实现。返回机械液压调速器示意图返回调频器进汽油动机错油门离心飞摆ADBCEFXAXDXEXB弹簧XCXF测速机构•汽轮机主轴带动的齿轮传动机构+离心飞摆。•A点位移代表了转速的变化。转速越高，A点位移越高。返回执行机构•油动机+错油门（控制油动机的动作）。•转速上升时，A点上升。若调频器（D点）不动作，则C、E、F上移，错油门两个凸肩上移，在油压作用下使油动机活塞（B点）下移，关小进汽阀（减小汽机的输入功率）。在B点下移时，带动C、F、E下移，直到错油门两个凸肩重新回到堵住油动机上、下腔油路位置。•由上述过程可知，在A点上升时，C点首先随A点的上移而上移，随后又随B点的下移而下移，过程结束时，C点位置不变。此时，A点比开始时略高，B点比开始时略低。反过来，在转速下降A点下移时，调节过程结束时，C点位置也不变。此时，A点比开始时略低，B点比开始时略高。返回转速给定（特性平移）机构对升速情形，若D点不变，则调节结果是：C点位置不变，A点比开始时略高，B点比开始时略低，即转速略有升高。此时，若降低D点，由于转速和油动机活塞来不及动作，即A、B、C、F暂时都不动，只有E点上移，使油动机活塞下移，减少进入汽机的功率。当机组并网运行时，系统频率基本不变，调节过程结束时，B点位置下移，使输出的功率降低（相当于特性左移）。返回电液调速器参见书P144图5-14(1)测速部件磁阻发送器：转速转换为相应频率的脉冲信号。频率—电压变送器：将脉冲信号转换成与转速成正比的电压信号。(2)功率测量部件将发电机有功功率信号转换成与之成正比的直流信号。(3)转速和功率给定环节精密多转电位器+控制电动机。(4)电液转换和液压系统(5)调整器频差放大器负责调差系数的改变。返回第3节电力系统频率调节系统及其特性一、调节系统的传递函数1.调速器的传递函数（①小干扰分析②传递函数）2.原动机的传递函数(①非再热式汽轮机②再热式汽轮机③水轮机)3.汽轮发电机组的传递函数4.单区域调节系统的传递函数(①分析过程②传函框图)二、电网的频率调节特性1.单区域电网的频率调节特性(①传函框图②