第四章电力系统频率和有功功率自动控制-第四章电力系统频率

1第四章电力系统频率和有功功率控制第一节电力系统频率和有功功率调整的必要性一、电力系统频率与有功功率的关系频率、电压是电网电能质量的二大指标。频率变化原因：负荷变动导致有功功率的不平衡。变化过程：负荷变化→发电机转速变化→频率变化→负荷的调节效应→新频率下达到平衡。消除偏移：原动机输入功率大小随负荷变动而改变。结论：①电网仅一个频率；②电网可在偏离额定频率下稳定运行；（0.2Hz）③频率调整依靠有功进行调整；④维持电网频率，调速器调整原动机输入，跟踪负荷变化。⑤转速与频率关系：60pnf二、电网频率对电能用户及电力系统的影响对用户影响：①异步机：转速变化影响产品质量；电机输出功率变化影响输出功率大小。②电子测量设备：影响测量精度。2③照明、电热负荷：影响小。对电网影响：①汽轮机叶片：振动、裂纹，影响寿命。②火电厂：低于48Hz→辅助电机（送风、给水、循环、磨煤等）出力下降→锅炉、汽轮机出力下降→有功出力下降→频率进一步下降→恶性循环（频率雪崩）。③电网电压：频率下降→异步机、变压器励磁电流增大，无功损耗增大。发电机励磁电压下降→系统电压下降→有可能导致系统电压雪崩（大面积停电）。④核电厂：频率下降→冷却介质泵跳开→反应堆停运。3第二节同步发电机调速器基本原理一、机械液压调速器（离心式调速器）原理简介组成:测速环节、执行放大环节、转速给定装置①测速环节：主轴带动的齿轮传动机构和离心飞摆。转速n上升A点上移（升高）；转速n下降A点下移（降低）；②执行放大环节：错油门＋油动机。稳定状态：错油门活塞堵死油动机活塞二个油管路，油动机上下油压相等，调节汽阀开度不变。F上升上管进油活塞向下汽阀开度减小转速下降；F下降下管进油活塞向上汽阀开4度增大转速上升；放大作用：小力量作用于F点，通过高压油作用，在活塞出生较大作用力。③转速给定装置：同步器。控制电机的正转、反转，使D点上下移动。a)机组空载调速：D点下降（E点未动）F点上升活塞向下汽阀开度减小转速下降C点下降、A点下降B点下降（杠杆连接）E下降F下降平衡。b)机组并网调功（系统频率基本不变，A点不动）：D点下降（E点未动）F点上升活塞向下汽阀开度减小转速不动C点下降、A点不动B点下降（杠杆连接）E下降F下降平衡。A点：测速点，反映速度（频率）的变化，上升下降。测速放大机组转速给定调差放大A开度A转速E、FBDC5D点：定值给定，给定速度定值或功率定值，调速或调功；上升下降。C点：效果点。反映调节后开度大小，上大下小。B点：中间点。传递A点或C点作用。E点：中间点。反映D点、B点的作用。F点：平衡点。控制输出执行,最后要恢复才能结束调整过程。调速器功能：1)调速（调频）a)由测速装置动作后进行调节(一次调整)；b)由同步器给定环节进行调整（二次调整）。2)调功：由同步器给定环节进行调整。结论：①调速器的一次调整是一种有差调节器。测速环节反映的转速变化(起因)（ABC连杆，B不动）C（开度）动A（转速）动，说明转速或频率调节并非完全恢复，而是有一定误差。②如移动B点位置（通过转速给定装置D点，F点始终不动），就可以改变机组出力或实现调速器特性曲线的上下平移（以达到无差调节）。6二、调速器静态特性和调差系数有差调节：负荷上升调速器动作PG上升（保持平衡），同时f有所下降。曲线平移：二层意思。1)为了维持f保持不变，曲线必须向上（下）平移。2)平移可增大或减小出力。（频率）调差系数：GfP＝标幺值：***GfP＝发电机组静态调节方程（调速器调节方程式）:***0GPf＋＝(原动机)单位调节功率:*G***1GPKf＝7或称为发电机的功率－频率特性曲线，意义：代表每变化单位有功功率时，频率的变化量。汽论机组：*4~6%，*16.6~25K水轮机组：*2~4%，*25~50K三、调速系统失灵区由于测量元件的不灵敏性（机械摩擦、间隙、重叠等），对微小的转速变化不能反应，调速器具有一定的失灵区，因而调节特性实际上是一条具有一定宽度的带子。不灵敏区的宽度可以用失灵度Weff来描述，Wf为调速器的最大频率呆滞。8①失灵度ε不能太大，调差系数*不能太小。功率误差WP与*成反比（***-WWfP），而与ε正比（Wf大，WP也大）。过大的失灵度ε以及过小的调差系数将会引起较大的功率分配误差。②不灵敏区也不能太小或完全没有。否则，当系统频率发生微小波动时，调速器也要调节，这样会使阀门的调节过分频繁。四、模拟电气液压调速器（模拟电调）机液调速器的缺点：失灵区大、速度慢、稳定性差、难实现高级调节功能。相比机液调速器，模拟电调的转速及功率测量（及给定）以及调节规律等，全部由硬件电子电路实现。其开度变化的调节控制仍为机液装置。模拟电调的主要环节包括：①转速测量：磁阻发生器、频率电压变送器。②功率测量：磁性乘法器、霍尔元件。③转速和功率给定：控制电机、多转电位器。④电量放大器、PID调节。⑤电液转换器：电量到油压的转换装置。⑥机液随动系统：继动器、错油门、油动机。9优点：①灵敏度高、速度快、精度高；②多种信号的综合调速控制；③部分高级调节功能（PID）；④安装调试维护方便。五、数字电液调速器（微机电调）基本原理：信号采集（传感器、变送器）微机D/A转换功率放大电液转换机液随动系统开度变化(位移传感器的反馈控制)。结构组成：①数字控制器（软件控制）10②电液转换器③机液随动系统微机电液调速器结构框图：微机控制器硬件结构：11微机电调的PID调节原理框图：PID调节方程：12()()()()()()CDPIDGgddetYtKetKetdtKdtetftf其中的CDY表示PID控制的输出量（模拟电压），接力器所走的行程大小（输入功率）。高级功能：可实现反馈调节、开停机顺序逻辑控制、自动同期并列等功能。开机控制程序：按照开机控制曲线。从0逐渐增大到最大开度，在转速达80%时，开度关到空载开度，进入PID调节。13空载控制：即跟踪频率（给定频率）控制。单机带负载控制：DL=1。进入PID调节。数字电液调速器的特点：①品质好；②功能多；14③灵活性好；④稳定可靠。六、全数字电动液压式水轮机调速器原理结构框图(取消了电液转换，采用步进电机、旋转配压阀控制导水叶）特点：①全数字，结构简单，稳定性好。②电动数字电液转换，可靠性高。③全电气液压控制，灵敏度高。④功能完善，操作简单。15第三节电力系统频率调节原理一、电力系统的负荷静态调节效应当系统的频率发生变化时，整个系统的有功功率也随着改变。)(fFPL＝负荷的有功功率随频率而改变的特性，称为负荷的功率－频率特性（负荷静态频率特性），也称为负荷的调节效应。负荷有功功率与系统频率的关系a)与f无关的负荷：照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等；b)与f成正比的负荷：切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等；c)与2f成正比的负荷：变压器的涡流损耗（在系统中比重很小）；d)与3f成正比的负荷：通风机、循环水泵（小阻力静水头）；e)与nf成正比的负荷：给水泵（大阻力静水头）。负荷功率—频率特性：16标幺值形式：2*01*2**nLnPaafafaf其中：1niia分别表示对应的百分比负荷（频率）调节效应系数：1**12***2LLnLLndPKdfdPKaafnafdf或注意：1)*LK物理意义：在负荷静态频率特性曲线上，额定f点的斜率，系统频率每变化1%，负荷功率17变化的百分比。2)区分“负荷增减”、负荷调节效应引起的“负荷有功增减”的不同。3)负荷调节效应作用：减轻系统能量的不平衡状态。（当负荷增大时，f降低，此时LP随f减小）。4)*1~3LK。不同电力系统不一样，同一电力系统不同时段也是变化的。5)与发电机组的功率－频率特性曲线（原动机的单位调节功率）对应，但不带负号。18二、电力系统频率调节过程1.频率的一次调整过程定义：在电网负荷发生变化时，依靠发电机的调速器以及负荷的调节效应的共同作用而使电网在新的频率下稳定运行的自动调整过程（方法），称为频率的一次调整（一次调频）。19图中分别为：等效发电机的功率－频率特性曲线；等效负荷的功率－频率特性曲线调节过程原理：等效发电机输入功率TP；等效发电机输出功率GP；等效负荷有功功率LP。a)正常稳定运行点为a点，a点的功率全部平衡：TGLPPP；b)负荷LP突然增大，负荷曲线()LPff1()LPff,实际负荷也变化LP1LP；c)动态过程简述：瞬间时刻，f未变，11GLPP，但TP20未变（来不及），此时发电机输入、输出之间出现功率缺额：0)21(21dtdJdtJddtdWPPLT因此，转子中储存的动能通过速度变化转化出来补足功率的缺额，这就是发电机速度降低的内在原因。d)假设无调速器（TP恒定不变）：n下降f下降，负荷调节效应使得负荷功率减少，缺额逐渐减少，速度下降减慢，经过动态过程后最终在b点达到新的平衡（由于输入功率恒定）。这是在无调速器情况下，由负荷调节效应作用下达到的平衡，功率不变，但频率大幅度下降。e)在有调速器情况下，调速器和负荷调节效应两方面同时参与消除出现的功率缺额额。调速器方面：调速器动作增大发电机出力(ac)：GGPKf；负荷调节效应方面：f减小使得负荷有功功率LP减小（dc）：'LLPKf。二方面的不断努力不断减小了缺额，动态过程结束后，发电机组的输入输出功率缺额被全部消除，在新的运行点C达到新的平衡。21新增加的负荷功率LP被分成二部分消化了，即调速器GP（正）以及负荷调节效应'LP（负），最后的实际负荷的有功功率不是LLPP＋，而是LGPP＋f)新的稳定运行点在c点，频率为2f，功率为LGPP＋，一次调整结束，为有差调节。2.频率的二次调整定义：用手动或自动装置改变调速器（或功率）给定值，使得其调速特性曲线上下平移，以改变原动机的动力元素以维持电网频率不变，称为频率的二次调整（二次调频）。上图中，将发电机的静态特性曲线向上平移，与负荷特性曲线的交点d点，此时频率恢复到额定值了。（增加的负荷功率全部由发电机承担了，自然没有负荷的调节效应影响部分了）三、并列运行的机组的有功功率分配22调差系数的作用系统负荷增加了，经过频率的一次调整后，频率由ef降为1f，由发电机组的静态调节方程式：***0GPf＋＝可得：*1*2*2*1PP表明：并列运行的发电机组间的功率分配与调差系数成反比关系（标幺值）。（与单位调节功率成正比）实际并联运行的发电机组的调速器均为有差调节，由其共同承担负荷的波动。四、系统等值调差系数和单位调节功率系统如有n台机组运行，则可以联立调节方程式：1)有名值0(i1,2...,n)iGiPf＋＝23nniGiGfPP1ii1)1(＝－＝按照调差系数的定义，可定义等效发电机组的调差系数为：nGGPf1ii)1(1＝＝等效发电机组的单位调节功率为：i1i1i11()nnGGiGKK＝＝这样系统的n台发电机组同样可当做单独的一台发电机来对待，满足调节方程式：G0GPf＋＝同时，考虑负荷的调节效应后，全系统负荷的变化量为：'()LGLGLGLPPPKfKfKKf＝－系统的单位调节功率：()LSGLPKKKf＝＝物理意义：表示全系统的频率每变化1Hz时，其调节的负荷有功功率大小。2)标幺值由于标幺值的基准是不一致的，故采用标幺值要涉24及到基准值的转换问题。a)发电机组：以自身的额定容量为基准GePb)负荷：以额定负荷容量为基准LePc)全系统：以负荷额定容量为基准LeP等效发电机组的单位调节功率：***11***1**111()()()()GGnnGiGiGeiiiGeGeiGenGiGeiiGenGeiGiiG