第三章電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調節(jié)-電力系統(tǒng)自動化

第3章電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調節(jié)3.1電力系統(tǒng)的頻率特性有功功率不平衡時,系統(tǒng)頻率就要發(fā)生變化,而系統(tǒng)的負荷是經(jīng)常發(fā)生變化的,所以必須對系統(tǒng)頻率和有功功率進行監(jiān)視和調節(jié)。

目的要求：

了解電力系統(tǒng)調頻的實質和重要性；了解負荷的靜態(tài)頻率特性及負荷調節(jié)效應；了解調速器的工作原理及其靜態(tài)調節(jié)特性、配有調速器的發(fā)電機組的功率頻率特性.重點：

負荷的靜態(tài)頻率特性及負荷調節(jié)效應難點：

電力系統(tǒng)的功率-頻率特性分析一.電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動調節(jié)的主要任務：

及時地調整發(fā)電機的出力,使系統(tǒng)的有功功率保持平衡,維持系統(tǒng)頻率在允許的范圍內,并使系統(tǒng)負荷在同步發(fā)電機之間實現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟分配。

1.電力系統(tǒng)中負荷的功率頻率特性（負荷的靜態(tài)頻率特性）當系統(tǒng)頻率變化時,整個系統(tǒng)的負荷功率PL

也要隨之改變,即

PL=F(f)標幺值形式PL*=a0+a1f*+a2f*2+·······+anf*n一般特性曲線在較小的頻率變化范圍內2.負荷調節(jié)效應：

系統(tǒng)頻率變化時,總負荷吸收的有功功率也隨之變化；即當頻率下降時,總負荷吸收的有功功率隨之下降,如果系統(tǒng)頻率升高,總負荷吸收的有功功率隨之增大.3.負荷頻率應系數(shù)

KL*:衡量調節(jié)效應的大小

KL*=dPL*df*=a1+2a2f*+3a3f*2·······+nanf*n-1KL*=tgβ=ΔPL*Δf*負荷的組成不同,KL*值也不相同,一般在1～3之間.例4-1某電力系統(tǒng)中,與頻率無關的負荷占30％,與頻率一次方成比例的負荷占40％,與頻率二次方成比例的負荷占10％,與頻率三次方成比例的負荷占20％.試求當系統(tǒng)頻率由50HZ

下降到47HZ時,負荷功率變化的百分數(shù)及其相應的KL*的大小.解:由公式可以求出頻率下降到47HZ時系統(tǒng)的負荷為:

PL*=a0+a1f*+a2f*2+a3f*3=0.3+0.4×0.94+0.1×0.942+0.2×0.943=0.93則

ΔPL%=(1-0.93)×100%=7%Δf%=(1-47/50)×100%=6%于是

KL*=ΔPL*%/Δf*%=7/6=1.17例4-2某電力系統(tǒng)總有功負荷為3200MW(包括電網(wǎng)的有功損耗),系統(tǒng)的頻率為50HZ,若KL*=1.5,試求KL.解

由式(4-8)可得KL=KL*(PLN/fN)=1.5×(3200/50)=96(MW/HZ)若系統(tǒng)的KL*不變，負荷的增長到3650MW時,則有KL=1.5×(3650/50)=109.5(MW/HZ)*由此可知,KL的數(shù)值與系統(tǒng)的負荷大小有關.

二、發(fā)電機組的功率頻率特性（頻率調節(jié)特性）----當系統(tǒng)因負荷變化導致頻率改變時,發(fā)電機組的調速系統(tǒng)動作,改變原動機的進汽量(或進水量),調節(jié)發(fā)電機的輸入功率以適應系統(tǒng)負荷的需要.（一）調速器：測量,放大,執(zhí)行等組成,控制汽門(或導水葉)的開度,以控制進入原動機的動力元素.調速系統(tǒng)示意圖（二）調速系統(tǒng)靜態(tài)特性(有差調節(jié)特性)在穩(wěn)態(tài)下，配有調速器的發(fā)電機組轉速n與所帶有功功率P的關系..PGnNnPNP△ffnon△P若發(fā)電機組原在（PN，nN）點，當有功變化為P時，調速器調節(jié)后，機組運行在（P，n）,n≠nN因此又稱為有差調節(jié)特性。1.速度變動率R（調速系統(tǒng)靜態(tài)特性的斜率）：當發(fā)電機有功功率從0增加到PN時，轉速從n0

變到nN,R=-no-nNnN×100%2.發(fā)電機組的頻率調節(jié)方程:

Δf*+R*·ΔPf*=0△Pε△Pε(三)調節(jié)特性的失靈區(qū)ε（遲緩率）

1．定義：由于測量元件的不靈敏性,調速系統(tǒng)對于微小的轉速變化不能反應,調節(jié)特性實際上是一條具有一定寬度不靈敏的帶子,稱為失靈區(qū)。

f1f2fN△fε△fεPN0fP調速器不靈敏區(qū)ε=△fεfN2．調速器的失靈區(qū)對頻率調整有何影響?將導致并聯(lián)運行的發(fā)電機組之間有功功率分配產生誤差或頻率誤差.最大誤差功率

△fε與R

調差系數(shù)存在如下關系△fε△Pε=tgα=R用標幺值表示為△fε*△Pε*=R*=ε△Pε*有功功率分配的最大誤差

△fε*與失靈度ε成正比,而與調差系數(shù)R*成反比

但如果不靈敏區(qū)太小或完全沒有,那么當系統(tǒng)頻率發(fā)生微小波動時,調速器就要進行調節(jié),造成閥門調節(jié)過于頻繁

三、電力系統(tǒng)的功率頻率特性發(fā)電機組的功率特性PG

＝G(f)與負荷的功率頻率特性PL＝F(f)兩曲線的交點,就是電力系統(tǒng)頻率及功率的穩(wěn)定運行a點。

如負荷增加△PL,總負荷變?yōu)镻L1,特性變?yōu)镻L1＝F(f).（1）機組均無調速器輸入功率恒定頻率下降,負荷取用的有功功率也逐漸減小?？控摵烧{節(jié)效應,系統(tǒng)達到新的平衡,運行點移到b點,

頻率為,系統(tǒng)負荷取用的有功仍為PL?！鱢是相當大的。

（2）頻率一次調整：通過發(fā)電機調速系統(tǒng)實現(xiàn)，反映機組轉速變化而相應調整原動力閥門開度，完成調節(jié)系統(tǒng)頻率。有調速器的作用,

增加機組的輸入功率.調節(jié)結束時,穩(wěn)定在PL1＝F(f)和PG＝G(f)

兩曲線的交點c點.頻率為f2,負荷取用的功率為PL2,△f較小,但仍然有差。（3）頻率二次調整：通過發(fā)電機調頻裝置實現(xiàn)，反映頻率變化而相應調整原動力閥門開度，完成調節(jié)系統(tǒng)頻率。調頻裝置操作調速器的整定機構，使發(fā)電機的頻率調節(jié)特性向上移為PG1＝G(f)時,則頻率上升,負荷取用的功率增加,系統(tǒng)運行點為PL1＝F(f)和PG1＝G(f)

的交點d點,于是系統(tǒng)中各機組的輸入功率與負荷所需的功率PL1又相平衡,系統(tǒng)頻率可恢復為fN.PL=F(f)PL1=F(f)PG=G(f)PG=G(f)fNf2f3abcd△fL△fL2△fL1PLP2P1f0P電力系統(tǒng)的功率頻率特性小結

負荷吸收的有功功率隨頻率而改變的特性稱為負荷的功率頻率特性，也稱為負荷的靜態(tài)頻率特性，這是負荷本身固有的調節(jié)效應。調速系統(tǒng)動作的起因是系統(tǒng)內負荷變化，發(fā)電機阻力轉矩變化，造成與發(fā)電機的原動轉矩（汽輪機輸出轉矩）不平衡；調速系統(tǒng)動作的目的是達到新的轉矩平衡，即功率平衡。頻率的一次調整通過汽輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)反應機組轉速變化，調節(jié)原動力閥門開度調節(jié)轉速，其表現(xiàn)在某一條調節(jié)特性上運行點的變化，當負荷變化較大時，調整結束時頻率與額定值偏差較大——調節(jié)結果有差；頻率的二次調整通過調頻器反應系統(tǒng)頻率變化，調節(jié)原動力閥門開度調節(jié)轉速，表現(xiàn)為一條調節(jié)特性上、下平移，可以保證調整結束時頻率與額定值偏差很小或趨于零——調節(jié)結果是無差的；復習思考

1.頻率和有功功率調節(jié)的主要任務是什么?2.在電力系統(tǒng)中,有了調速器對頻率的一次調節(jié),為什么還要引入調頻器,進行二次調節(jié)?3.調速器的失靈區(qū)對頻率調整有何影響?

3.2調頻與調頻方程式目的要求：了解發(fā)電機組的頻率調節(jié)特性與機組間有功功率分配的關系.掌握電力系統(tǒng)的調頻方式和調頻準則,建立起經(jīng)濟調度與自動調頻的基本概念.重點：聯(lián)合自動調頻一、調頻定義：借助調頻器對頻率進行二次調整,此時機組上裝有有差特性的調速器,調頻器的輸出作用于調速器,將發(fā)電機頻率調節(jié)特性適當移動,以保持系統(tǒng)頻率在額定值。二、調頻方法1．主導發(fā)電機法（虛有差法）：調節(jié)過程中有差（△f≠0）、調節(jié)結束時無差（△f＝0）

一臺機組上裝設有調頻器準則為:△f＝0

其它機組上的功率隨主導機組的功率按比例地變化,協(xié)助主導發(fā)電機的調頻工作。調整準則是:Pi=aiP1

(i=1,2,3,······n)實質：當負荷變動引起頻率變化,主導機組的功率首先改變，各協(xié)助調頻的其它機組作相應的功率調整,只有在系統(tǒng)頻率恢復到額定值,主導機組和協(xié)助調頻的其它機組間功率符合比例時為止。

應用：速度較慢

,只適用于中小型電力系統(tǒng)。

2．同步時間法（頻率積差調節(jié)法）：頻率差對時間的積分值-積差，控制調頻器對機組功率來進行調節(jié)。調節(jié)準則：

△f+Ri

(△Pi-ai∫k,△fdt)=0i=(1,2,······m)式中

Ri━━━第i臺機組的調差系數(shù);

ai

━━━第i臺機組的功率分配系數(shù);

k,━━━功率與頻率積差的換算系數(shù).可以體會∫k,△fdt

是系統(tǒng)的計劃外負荷值.

實質：系統(tǒng)中出現(xiàn)計劃外負荷時,就會引起頻率變化,產生△f，各調頻機組承擔計劃外負荷的比例由功率分配系數(shù)決定，在調節(jié)過程結束時,△f＝0。應用：采用多個調頻電廠調頻時，可以采用分散的調頻方案。難綜合考慮。無法使系統(tǒng)中的潮統(tǒng)分布符合經(jīng)濟和安全等原則。而且在實現(xiàn)有功調節(jié)時，由于調頻機組的功率改變滯后于頻率偏差，造成調頻過程緩慢。

3．聯(lián)合自動調頻：調度中心的自動調頻裝置,其負荷分配器可根據(jù)測得的發(fā)電機實際功率和頻率偏差信號,按一定的準則將系統(tǒng)負荷分配給各機組.兩種觀點：1）把聯(lián)合電力系統(tǒng)看成是一個統(tǒng)一電力系統(tǒng)

;2）把聯(lián)合電力系統(tǒng)看成是若干個區(qū)域電力系統(tǒng).

調頻方式:①按系統(tǒng)的頻差要求進行調節(jié);按頻差要求進行調節(jié)時,最終維持的是系統(tǒng)頻率,而對聯(lián)絡線上的交換功率不加控制。②按系統(tǒng)內聯(lián)絡線上交換功率的偏差要求進行調節(jié);按聯(lián)絡線上交換功率的偏差進行調節(jié)時,最終是交換功率維持恒定,而對系統(tǒng)的頻率并不控制。

③既按頻差要求又按聯(lián)絡線交換功率的偏差要求進行調節(jié).（分散調頻）既按頻差又按聯(lián)絡線交換功率調節(jié)時,維持的是各區(qū)域電網(wǎng)功率就地平衡。AB聯(lián)合電力系統(tǒng)頻率—交換功率特性△PAB△f0A系統(tǒng)B系統(tǒng)PAB正常運行是A系統(tǒng)向B系統(tǒng)輸送有功功率PAB，要實現(xiàn)分區(qū)調頻，當A負荷增加,B負荷不變,B系統(tǒng)機組出力增加,使得聯(lián)絡線上輸送的功率PAB減小,即△PAB＜0,△f＜0.

A負荷減小,B負荷不變

,有△PAB＞0和△f＞0

當A負荷不變而B負荷變化時,A系統(tǒng)的頻-交換功率特性,它位于二、四象限。

頻率-交換功率特性的方程

A系統(tǒng):△f+KA△PAB=0

B系統(tǒng):△f-KB△PAB=0

優(yōu)點：實現(xiàn)按△f和△PAB的調節(jié)方式.當A系統(tǒng)內機組增加的出力等于負荷的增量時,系統(tǒng)頻率恢復到額定值,聯(lián)絡線上輸送的功率也恢復到原值,這時△f=0,△PAB=0。分區(qū)調頻方程組:A系統(tǒng):∫(△f+KA△PAB)dt+△PA=0B系統(tǒng):∫(△f-KA△PAB)dt+△PAB=0維持額定頻率和聯(lián)絡線交換功率不變.

3.3電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調度與自動調頻（一）經(jīng)濟調度在保證頻率質量的前提下,使電力系統(tǒng)負荷在各機組間獲得最佳分配,使所需的運行總費用為最小。

（二）等微增率分配負荷的基本概念1.微增率：輸入微增量與輸出微增量的比值.b=dF/dP

dF

----輸入消耗費用微增量;

dP

----輸出功率微增量.機組負荷變化時消耗費用的變化b1＞b2:1號機組的功率減少

△P,其功率變?yōu)镻1,,相應的微增率減小至b1,;2號機組增加相同的△P,其功率變?yōu)镻2,

相應的微增率增大至b2,

2.等微增率法則：運行的發(fā)電機組按微增率相等的原則來分配負荷。b1＞b2:1號機組的功率減少

△P,其功率變?yōu)镻1,,相應的微增率減小至b1,;2號機組增加相同的△P,其功率變?yōu)镻2,

相應的微增率增大至b2,

1號機組減少的燃料消耗費用大于2號機組增加的消耗費用,負荷轉移可使消耗費用減少,當b1等于b2時,總的燃料消耗費用為最小即最經(jīng)濟.

系統(tǒng)中并聯(lián)運行的發(fā)電機組經(jīng)濟調度的準則是:

各機組的微增率相等

（三）發(fā)電廠內各機組間負荷的經(jīng)濟分配

1.發(fā)電廠內各機組間負荷的經(jīng)濟分配原則——等微增率準則（分析）經(jīng)濟調度及系統(tǒng)調頻示意圖分析:

負荷增加,產生△f,經(jīng)積分環(huán)節(jié)

–k1/s后得到-∫△fdt,各機組調頻器動作,按同步時間法調頻,使發(fā)電機組輸出功率分別增加△PG1,△PG2。由于各發(fā)電機組的微增率特性不一致,上述調頻過程不會同時自然地符合等微增率準則,