第講電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制

1、第九講 電力系統(tǒng)頻率(pnl)及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制（2）主講人：李巖松華北電力大學(xué)電氣(dinq)與電子工程學(xué)院共三十六頁(yè)第五章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率(gngl)的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制 本章就電力系統(tǒng)的頻率特性和調(diào)頻的有關(guān)(yugun)問題展開討論，闡述了經(jīng)濟(jì)調(diào)度和自動(dòng)調(diào)頻的問題。7/19/20222North China Electric Power University共三十六頁(yè)第三節(jié) 電力系統(tǒng)(din l x tn)調(diào)頻和自動(dòng)發(fā)電控制現(xiàn)代電力系統(tǒng)調(diào)頻的主要任務(wù)維持系統(tǒng)頻率在給定水平，考慮(kol)機(jī)組負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配和保持電鐘的準(zhǔn)確性帶基本負(fù)荷發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)性較好的高參數(shù)火電廠、熱電廠、核電

2、廠調(diào)峰廠經(jīng)濟(jì)性較差的機(jī)組調(diào)頻廠承擔(dān)計(jì)劃負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷的差值部分在電網(wǎng)容量較大時(shí)，由多個(gè)電廠共同完成調(diào)頻任務(wù)7/19/20223North China Electric Power University共三十六頁(yè)1、主導(dǎo)(zhdo)發(fā)電機(jī)法1、在調(diào)頻電廠中有一臺(tái)主導(dǎo)機(jī)組(jz)上裝設(shè)無差調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)準(zhǔn)則是：2、在其他機(jī)組上裝設(shè)有功功率調(diào)整器，使這些機(jī)組的功率隨主導(dǎo)機(jī)組的功率按比例變化，協(xié)助主導(dǎo)發(fā)電機(jī)調(diào)頻工作，調(diào)節(jié)準(zhǔn)則是：協(xié)助調(diào)頻機(jī)組的調(diào)節(jié)功率主導(dǎo)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)功率比例系數(shù)7/19/20224North China Electric Power University共三十六頁(yè)1、主導(dǎo)(zhdo)發(fā)電

3、機(jī)法負(fù)荷(fh)變動(dòng)系統(tǒng)頻率改變主導(dǎo)發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作協(xié)助調(diào)頻機(jī)組調(diào)整功率系統(tǒng)頻率隨之改變頻率恢復(fù)到額定值調(diào)節(jié)結(jié)束否是存在的問題調(diào)節(jié)緩慢，適應(yīng)于中小電力系統(tǒng)7/19/20225North China Electric Power University共三十六頁(yè)2、同步(tngb)時(shí)間法同步時(shí)間法（積差調(diào)差）就是按頻率(pnl)偏差的積分值來進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)轭l率(pnl)偏差的積分反映了在一定時(shí)間段內(nèi)同步時(shí)間對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差。7/19/20226North China Electric Power University共三十六頁(yè)改進(jìn)方法:將頻率f 的瞬時(shí)偏差 和頻率偏差積分 相結(jié)合,構(gòu)成頻率積差

4、調(diào)節(jié)方法.2、同步(tngb)時(shí)間法積分方法調(diào)節(jié)緩慢，不能保證頻率的瞬時(shí)偏差(pinch)在規(guī)定的范圍內(nèi)。每臺(tái)機(jī)組分擔(dān)的有功功率7/19/20227North China Electric Power University共三十六頁(yè)3、自動(dòng)發(fā)電(fdin)控制電力系統(tǒng)(din l x tn)自動(dòng)調(diào)頻的任務(wù)1、維持系統(tǒng)頻率為額定值2、經(jīng)濟(jì)功率分配3、系統(tǒng)潮流分布符合經(jīng)濟(jì)安全原則主導(dǎo)發(fā)電機(jī)組法同步時(shí)間法聯(lián)合自動(dòng)調(diào)頻法在電網(wǎng)調(diào)度的SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在調(diào)度中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)中配置AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）功能軟件實(shí)現(xiàn)方法7/19/20228North China Electric Power Univ

5、ersity共三十六頁(yè)3、自動(dòng)(zdng)發(fā)電控制AGC自動(dòng)發(fā)電控制AGC的基本(jbn)目標(biāo)：1、使全系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)輸出功率和總負(fù)荷功率相匹配2、維持系統(tǒng)頻率為額定值，在正常穩(wěn)態(tài)情況下，其頻率偏差在0.050.2Hz范圍內(nèi)。3、控制地區(qū)電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線的交換功率與計(jì)劃值相等，實(shí)現(xiàn)各地區(qū)有功功率就地平衡。4、在安全運(yùn)行前提下，所管轄系統(tǒng)范圍內(nèi)，機(jī)組間負(fù)荷實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)分配。5、監(jiān)視和調(diào)整備用容量，滿足電力系統(tǒng)安全要求。7/19/20229North China Electric Power University共三十六頁(yè)3、自動(dòng)(zdng)發(fā)電控制AGCAGC是建立在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化能量(nngling)管

6、理系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CCS）間閉環(huán)控制的一種先進(jìn)技術(shù)手段。調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí)頻率偏差為零。機(jī)組控制環(huán)區(qū)域調(diào)度控制環(huán)計(jì)劃跟蹤環(huán)控制誤差7/19/202210North China Electric Power University共三十六頁(yè)3、自動(dòng)發(fā)電(fdin)控制AGCAGC有三種基本控制(kngzh)方式1、恒定頻率控制FFC（Flat Frequency Control）按照頻率偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，在頻率偏差為零時(shí)調(diào)節(jié)結(jié)束。對(duì)聯(lián)絡(luò)線不加以控制適用于電廠間聯(lián)系緊密的小型系統(tǒng)2、恒定交換功率控制FTC（Flat Tie-line Control）按照控制調(diào)頻機(jī)組保持交換功率恒定進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)系

7、統(tǒng)頻率不加以控制只適用于兩個(gè)系統(tǒng)間按照協(xié)議交換功率的情況。7/19/202211North China Electric Power University共三十六頁(yè)頻率聯(lián)絡(luò)線功率偏差(pinch)控制（TBC）3、頻率聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制TBC（Tie-line load frequency Bias Control） 既按照頻率偏差又按照聯(lián)絡(luò)線交換功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持各地區(qū)電力系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)的就地平衡(pnghng)。適用于大型電力系統(tǒng)或聯(lián)合電力系統(tǒng)（常用方法）定義本區(qū)域調(diào)節(jié)作用信號(hào)為區(qū)域控制誤差A(yù)CE控制功率調(diào)整結(jié)果在穩(wěn)態(tài)情況下滿足7/19/202212North China Electric

8、Power University共三十六頁(yè)電力系統(tǒng)(din l x tn)典型事故電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置就是針對(duì)危及系統(tǒng)安全運(yùn)行的故障所采用的自動(dòng)化對(duì)策，他們的任務(wù)(rn wu)就是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些故障時(shí)，按照預(yù)定的控制準(zhǔn)則迅速作出反應(yīng)，采取必要的措施以避免事故擴(kuò)大。事故1：A電廠發(fā)生故障而切機(jī)，B系統(tǒng)突然減少了功率 。如果運(yùn)行機(jī)組備用容量遠(yuǎn)小于 ，則會(huì)造成電網(wǎng)功率的嚴(yán)重缺額，頻率會(huì)大幅度下降。此時(shí)如果不及時(shí)切負(fù)荷，則會(huì)危及系統(tǒng)安全，甚至整個(gè)系統(tǒng)崩潰。7/19/202213North China Electric Power University共三十六頁(yè)電力系統(tǒng)(din l x tn)典型事故事故2

9、：在雙回線路上輸送的功率 很大，當(dāng)有一回線三相短路而被切除， 超出了一回線路運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定極限。如果不迅速減少輸送功率，則可能由于系統(tǒng)穩(wěn)定破壞而解列。造成受端更為嚴(yán)重的功率缺額。事故處理：1、對(duì)于(duy)事故1，B系統(tǒng)迅速切除負(fù)荷2、對(duì)于事故2，A電廠迅速減少輸送功率7/19/202214North China Electric Power University共三十六頁(yè)電力系統(tǒng)(din l x tn)典型事故存在問題：如果由調(diào)度人員在很短的時(shí)間(shjin)內(nèi)正確判斷事故并且完成相應(yīng)的上述操作，顯然是不可能的。原因是遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸和操作命令的傳達(dá)都需要一定的時(shí)間(shjin)，如此長(zhǎng)的時(shí)間(

10、shjin)勢(shì)必會(huì)失去及時(shí)處理事故的良機(jī)。解決辦法：針對(duì)引發(fā)系統(tǒng)性事故的緊急操作任務(wù)必須依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)裝置來完成。0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Sec.電磁暫態(tài)Electromagnetic Switching Transient暫態(tài)穩(wěn)定Transient stability（angle and voltage）系統(tǒng)運(yùn)行Power system operation小擾動(dòng)穩(wěn)定Small signal stability長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定Long term voltage stability繼電保護(hù)范圍自動(dòng)裝置范圍自動(dòng)化系統(tǒng)范圍人員操作范圍7/19/202215North

11、China Electric Power University共三十六頁(yè)第四節(jié) 電力系統(tǒng)自動(dòng)(zdng)低頻減載電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的有功(yu n)功率與負(fù)荷所需有功(yu n)功率之間的平衡狀況。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生了較大的事故時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的功率缺額，其缺額值超出了正常熱備用可以調(diào)節(jié)的能力，這時(shí)即使令全系統(tǒng)中運(yùn)行的所有發(fā)電機(jī)都發(fā)出其設(shè)備可能提供的最大功率，仍然不能滿足負(fù)荷功率的需要，所引發(fā)的系統(tǒng)頻率下降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了系統(tǒng)安全運(yùn)行所允許的范圍。為了保證電網(wǎng)安全和對(duì)重要用戶的供電，必須采取措施，切除部分負(fù)荷，以使系統(tǒng)頻率恢復(fù)到可以安全運(yùn)行的水平內(nèi)。7/19/202216North

12、China Electric Power University共三十六頁(yè)頻率降低對(duì)電力系統(tǒng)(din l x tn)的影響系統(tǒng)頻率(pnl)降低較大時(shí)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行極為不利，甚至?xí)斐上到y(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果。1、對(duì)汽輪機(jī)的影響：頻率降低會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的葉片產(chǎn)生裂紋，甚至葉片斷裂。2、發(fā)生頻率崩潰現(xiàn)象3、發(fā)生電壓崩潰現(xiàn)象頻率降低火電廠廠用機(jī)械出力降低鍋爐出力降低發(fā)電廠出力降低頻率降低勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降電動(dòng)勢(shì)下降加劇無功不足電壓水平下降7/19/202217North China Electric Power University共三十六頁(yè)1、電力系統(tǒng)頻率的靜態(tài)(jngti)特性在電力系統(tǒng)出現(xiàn)較大的功率

13、(gngl)缺額時(shí)，如能在較低的頻率維持運(yùn)行，主要是依靠負(fù)荷頻率特性的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)頻率降低時(shí)，負(fù)荷按照自身的頻率特性自動(dòng)地減少了從系統(tǒng)中所吸收的功率，使之與發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率盡可能的保持平衡。此時(shí)，系統(tǒng)所減少的功率就是系統(tǒng)的功率缺額。系統(tǒng)功率缺額負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性系統(tǒng)功率缺額7/19/202218North China Electric Power University共三十六頁(yè)2、電力系統(tǒng)(din l x tn)頻率的動(dòng)態(tài)特性研究電力系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)(dngti)過程（1）單機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)有功缺額時(shí)，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)子動(dòng)能考慮到機(jī)械角速度變化不太快7/19/202219North China El

14、ectric Power University共三十六頁(yè)2、電力系統(tǒng)(din l x tn)頻率的動(dòng)態(tài)特性（2）機(jī)組并聯(lián)(bnglin)運(yùn)行：考慮忽略各節(jié)點(diǎn)頻率偏差 的差異，把全系統(tǒng)的所有機(jī)組看作一臺(tái)等值機(jī)。電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)機(jī)械負(fù)荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以忽略，這樣并不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。等值機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)7/19/202220North China Electric Power University共三十六頁(yè)2、電力系統(tǒng)(din l x tn)頻率的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額或者功率過剩時(shí)，系統(tǒng)頻率 的動(dòng)態(tài)特性可用指數(shù)曲線來描述。在事故初期(chq)，頻率下降的速度與功率缺額成正

15、比7/19/202221North China Electric Power University共三十六頁(yè)2、電力系統(tǒng)頻率(pnl)的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)頻率(pnl)下降至 ，切除負(fù)荷 ，若 則有曲線C當(dāng)頻率下降至 ，切除負(fù)荷 ，若 ，且使 則有曲線d當(dāng)頻率下降至 ，切除負(fù)荷 ，若 ，且使 則有曲線e結(jié)論：如果能夠及時(shí)切除負(fù)荷功率，就可以延緩系統(tǒng)頻率下降過程。7/19/202222North China Electric Power University共三十六頁(yè)3、自動(dòng)低頻(dpn)減載的工作原理當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的功率缺額時(shí)，低頻減載裝置的任務(wù)就是(jish)迅速斷開相應(yīng)數(shù)量的用戶負(fù)荷，使系統(tǒng)頻

16、率在不低于某一允許值的情況下，達(dá)到有功功率平衡，以確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。這是防止電力系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰的系統(tǒng)性的保護(hù)裝置。1、最大功率缺額的確定2、自動(dòng)低頻減載裝置的動(dòng)作順序3、頻率級(jí)差的選擇4、每段切除功率的限制5、自動(dòng)減載裝置的延時(shí)與防止誤動(dòng)作6、特殊輪7/19/202223North China Electric Power University共三十六頁(yè)（1）最大功率(gngl)缺額的確定考慮即使在系統(tǒng)發(fā)生最嚴(yán)重的事故情況下，也就是出現(xiàn)最大可能的功率(gngl)缺額時(shí)，接至自動(dòng)低頻減載裝置的用戶功率(gngl)量（待切除的負(fù)荷）也能使系統(tǒng)頻率恢復(fù)至可以運(yùn)行的水平，以避

17、免事故擴(kuò)大。確定系統(tǒng)事故情況下最大的可能功率缺額，以及接入自動(dòng)低頻減載裝置的功率值，是系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保證。一般應(yīng)該根據(jù)最不利的運(yùn)行方式下發(fā)生事故時(shí)，實(shí)際可能發(fā)生的最大功率缺額來考慮。例如：按系統(tǒng)中斷開最大機(jī)組，或者某一電廠來考慮。一般希望系統(tǒng)切除負(fù)荷后的恢復(fù)頻率要小于系統(tǒng)額定頻率自動(dòng)低頻減載裝置的最大可能斷開的功率 要小于最大功率缺額7/19/202224North China Electric Power University共三十六頁(yè)（1）最大功率(gngl)缺額的確定根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷、系統(tǒng)恢復(fù)頻率以及最大功率缺額 ，可以計(jì)算出接到自動(dòng)低頻減載裝置的功率總數(shù)。7/19/202225Nort

18、h China Electric Power University共三十六頁(yè)（2）自動(dòng)低頻(dpn)減載裝置的動(dòng)作順序系統(tǒng)運(yùn)行方式有很多種，事故的嚴(yán)重程度也很大差別，而對(duì)于自動(dòng)低頻減載裝置都必須做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，切除(qich)相應(yīng)數(shù)量的負(fù)荷。解決的辦法只有分批斷開負(fù)荷功率，采用逐步修正的辦法，才能取得較為滿意的結(jié)果。盡管頻率動(dòng)態(tài)方程表明頻率下降速率載有有功缺額的信息，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，按頻率降低值來切除負(fù)荷，即按頻率自動(dòng)減載。自動(dòng)低頻減載裝置是在電力系統(tǒng)發(fā)生事故后系統(tǒng)頻率下降時(shí)，按照頻率的不同數(shù)值按順序依次切除負(fù)荷，也就是將最大開斷功率分配在不同啟動(dòng)頻率值的區(qū)段內(nèi)分批切除負(fù)荷。為了確定自動(dòng)低

19、頻減載裝置的級(jí)數(shù)，應(yīng)該確定第一級(jí)啟動(dòng)頻率 和最末一級(jí)啟動(dòng)頻率 的數(shù)值。7/19/202226North China Electric Power University共三十六頁(yè)（2）自動(dòng)低頻減載裝置的動(dòng)作(dngzu)順序1、第一級(jí)啟動(dòng)(qdng)頻率在事故初期及早切除負(fù)荷功率，對(duì)于延緩頻率下降過程是有利。第一級(jí)啟動(dòng)頻率選擇高值，在48.5Hz-49Hz之間。2、最末一級(jí)啟動(dòng)頻率在電力系統(tǒng)中允許最低頻率受到“頻率崩潰”和“電壓崩潰”的限制，一般取46Hz-46.5Hz之間。3、頻率級(jí)差n級(jí)數(shù)越大，每級(jí)開斷的功率越少，適應(yīng)性越好。7/19/202227North China Electric P

20、ower University共三十六頁(yè)（3）頻率(pnl)級(jí)差的選擇按照(nzho)選擇性確定頻率級(jí)差強(qiáng)調(diào)各級(jí)元件動(dòng)作次序，要求在前一級(jí)動(dòng)作后還不能制止頻率下降的情況下，后一級(jí)才能動(dòng)作。頻率測(cè)量元件的最大誤差頻率對(duì)應(yīng)于 時(shí)間內(nèi)頻率的變化頻率裕度頻率級(jí)差的主要決定因素7/19/202228North China Electric Power University共三十六頁(yè)（4）每段切功率(gngl)的限制在同一事故情況下，切除負(fù)荷越多，系統(tǒng)恢復(fù)頻率(pnl)就越高，因此，每級(jí)切除負(fù)荷的功率受到恢復(fù)頻率(pnl)的限制。切除功率的限值計(jì)算按照“第i-1級(jí)動(dòng)作切除負(fù)荷后，系統(tǒng)的穩(wěn)定頻率正好在第i級(jí)

21、的啟動(dòng)頻率上”來考慮。（1）系統(tǒng)缺額功率系統(tǒng)缺額由負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來補(bǔ)償7/19/202229North China Electric Power University共三十六頁(yè)（4）每段切功率(gngl)的限制（2）當(dāng)?shù)趇級(jí)切除負(fù)荷 后，系統(tǒng) ，這時(shí)系統(tǒng)功率缺額由負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來補(bǔ)償。（3）每級(jí)切除(qich)的負(fù)荷功率值7/19/202230North China Electric Power University共三十六頁(yè)（5）自動(dòng)減載裝置(zhungzh)的延時(shí)與防止誤動(dòng)作系統(tǒng)發(fā)生(fshng)事故電壓急劇下降頻率繼電器可能會(huì)誤動(dòng)作增加一個(gè)時(shí)限自動(dòng)低頻減載裝置采用一個(gè)0.1-0.2s的延時(shí)地

22、區(qū)變電站短時(shí)供電中斷旋轉(zhuǎn)機(jī)組反饋輸送功率電壓維持、頻率急劇下降在容量不大系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊負(fù)荷系統(tǒng)頻率瞬時(shí)下降低頻減載裝置誤動(dòng)作附加其他信號(hào)閉鎖7/19/202231North China Electric Power University共三十六頁(yè)（6）特殊(tsh)輪自動(dòng)低頻減負(fù)荷裝置分為兩組：基本輪和特殊輪。基本輪為快速(kui s)動(dòng)作，用以抑制頻率下降。特殊輪則為在基本輪動(dòng)作后，用以恢復(fù)系統(tǒng)頻率到可以操作的較高數(shù)值。事例：在第i輪動(dòng)作后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在低于恢復(fù)頻率的低限，但是又不足以使i+1輪減負(fù)荷裝置動(dòng)作。帶時(shí)限的特殊輪動(dòng)作切除負(fù)荷啟動(dòng)頻率不低于前面基本輪的啟動(dòng)頻率動(dòng)作時(shí)限為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的2-3倍，最小動(dòng)作時(shí)間為10-20s7/19/2022