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1、电力系统自动化 电力系统频率和有功功率自动控制,主讲教师：刘兴杰 答疑地点：教一楼347 联系方式：7522257;,3 电力系统频率和有功功率自动控制,理解电力系统频率和有功功率控制的重要性； 掌握电力系统负荷的调节效应； 理解调速器的基本工作原理、调速系统的静态调节特性、一次调整和二次调整； 掌握频率调差系数、并联机组间有功功率的分配； 了解电力系统频率的调节方法、自动发电控制（AGC）原理。,3.1 电力系统频率和有功功率控制的必要性,3.1.1 电力系统频率控制的必要性 频率对电力用户的影响 电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，转速不稳定会影响产品质量。 系统频率波动会影响某些测
2、量和控制用的电子设备的准确性和性能。 电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低。,3.1 电力系统频率和有功功率控制的必要性,频率对电力系统的影响 频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大。 频率下降到一定程度时，可能出现频率崩溃（频率雪崩）。 在核电厂中，当频率降到一定数值时，冷却介质泵即自动跳开，使反应堆停止运行。 电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功损耗增加，引起系统电压下降。 频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降低。可能导致电压崩溃（电压雪崩）。,3.1.2 电力系统有功功率控制的必要性 维持电力系统频率在
3、允许范围之内 提高电力系统运行的经济性 保证联合电力系统的协调运行,3.1 电力系统频率和有功功率控制的必要性,3.2 发电机组调速控制的基本原理,3.2.1 发电机组单机运行时调速控制的基本原理,3.2 发电机组调速控制的基本原理,同步发电机转子运动方程,3.2发电机组调速控制的基本原理,原动机的机械转矩MT,n(f,w),MT,0,3.2发电机组调速控制的基本原理,发电机电磁转矩MG 发电机电磁转矩与电磁功率成正比。发电机输出的电磁功率又与负荷的频率特性紧密相关。,3.2发电机组调速控制的基本原理,负荷的静态频率特性：有功负荷随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特性，即负荷的静态频率特性。
4、 负荷种类: 与频率变化无关的负荷，如白炽灯、电弧炉、电阻炉和整流负荷等。 与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、压缩机和卷扬机等。这类负荷占有较大比重。 与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗。 与频率的三次方成比例的负荷，如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等。 与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。,3.2发电机组调速控制的基本原理,3.2发电机组调速控制的基本原理,3.2发电机组调速控制的基本原理,M,0,n,MT1,MT2,MG1,MG2,a,b,c,na,nb,nc,负荷减小时,改变原动机 的出力后,发电机组调速系统的调节原理,3.2发电机组调速控制的
5、基本原理,3.2.2机组并网运行的转速调节,0,f，n,f1,MT，PG,MT1,MT2,a,b,PGa,PGb,1,3.3 机械液压调速器的原理,机械液压调速器的基本结构,3.3 机械液压调速器的原理,调差机构的形成 fAC、F、EB进汽量n A 调差机构的数学描述,3.3 机械液压调速器的原理,转速给定的原理 机组空载运行时调节机组转速 D EB进汽量n A C、F E 机组并联运行时调节机组的有功出力 D EB进汽量n A 基本不动 C、F E,3.3 机械液压调速器的原理,频率的一次调整（一次调频）：当负荷变化时，调速器会自发动作来调节发电机输出的动力元素，来抑制频率的变化，这种调速器
6、自发调节的过程叫频率的一次调整（一次调频）。 一次调频后会使电网的频率偏离额定值，当频率值偏离额定频率较大时，需要进行频率的二次调整。 频率的二次调整（二次调频）：通过手动或自动装置改变发电机调速器的功率（转速）给定值，调整发电机出力，使频率恢复到额定值的过程。,3.3 机械液压调速器的原理,机械液压调速器的基本结构,3.3 机械液压调速器的原理,机组调速系统的失灵区及其影响,f1,f0,f2,PG0,2,1,PW,fW,3.3 机械液压调速器的原理,机组调速系统的失灵区及其影响 为了使误差功率不致过大，要求发电机组调速系统的失灵区不能过大，调差系数不能过小，一般要求机组调速系统的失灵区应在0
7、.1%0.5%。 失灵区的存在还会使机组调速系统的动态调节品质变差。但是，如果失灵区过小或者完全没有，当电力系统频率发生微小波动时，调速器也要动作。这样会调节汽阀动作过于频繁，对机组本身和电力系统频率调节不利。因此，在一些非常灵敏的电液调速器中，通常要采取一些技术措施形成一定大小的失灵区。,3.4 其它类型的调速器,模拟电气液压调速器：转速和频率的测量、转速和功率的给定、调节规律实现等均采用电子电路构成，操纵机构仍然采用机械液压装置。 数字电液调速器：转速和频率的测量、转速和功率的给定、调节规律实现等均采用微机实现，操纵机构仍然采用机械液压装置。,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,
8、将电力系统内并联运行得所有机组用一台等效机组代替； 将电力系统内所有负荷用一个等效负荷代替； 然后使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制的基本原理和方法进行分析和计算。,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统等效负荷的静态频率调节特性,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统等效发电机组的静态调节特性,f,PG,fa,a,PGa,fb,b,PGb,f为系统等效机组的频率，即电力系统的频率；PG为系统等效机组发出的有功功率，即电力系统内并联运行的所有机组发出的有功功率的总和。忽略机组的损耗，等效发电机组发出的功率PG与等效原动机发出的功率PT相等，即PGPT
9、。,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统频率控制的基本原理频率的一次调节,PG,fA,A,D,C,B,PL,PL,PG(f),PL(f),PL(f),PGA,PGD,PGC,fC,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统频率控制的基本原理频率的二次调节,PG,fA,A,D,C,B,PL,PL,PL(f),PL(f),PG(f),PG(f),PTD,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统频率控制的基本原理调频电厂的选择 电力系统中并联运行的发电机组都装有调速器。当系统负荷变化时，有可调容量的机组均参与频率的一次调整，而二次调整只由部分发电厂承担。
10、从是否承担频率的二次调整任务出发，可将系统中所有发电厂分为调频厂和非调频厂两类。调频厂负责全系统的频率调整任务；非调频厂在系统正常运行情况下只按调度控制中心预先安排的负荷曲线运行，而不参加频率调整。,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,选择调频电厂时，主要考虑下列因素： (1)具有足够大的容量和可调范围； (2)允许的出力调整速度满足系统负荷变化速度的要求； (3)符合经济运行原则； (4)联络线上交换功率的变化不致影响系统安全运行。,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统的有功功率控制电力系统中的有功功率平衡 控制电力系统频率在允许范围之内是通过控制系统内并联运行机
11、组输入的总功率等于负荷在额定频率所消耗的有功功率实现的，即实现有功功率的平衡。,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统的有功功率控制电力系统中的有功功率平衡,1总负荷； 2随机分量； T3min；调度预测安排来平衡；,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统的有功功率控制并联运行机组间有功功率分配,f,PG,0,PG1(f),PG2(f),f1,PG1,PG2,PG1,PG2,f2,PG1,PG2,3.7 电力系统频率和有功功率控制的基本原理,电力系统的有功功率控制并联运行机组间有功功率分配 例题:某系统有两台发电机，P1e=100MW, 1*=0.04 , P2
12、e=50MW, 2*=0.05,当f=50Hz时，P1=80MW, P2=30MW 。 ）画出两机组的调差特性。 ）当负荷功率为120时系统频率为多少？两机组出力各多少？ ）当负荷功率分别为120和150，只靠一号机二次调频能否使频率恢复到50。为什么？,（）画出两机组的调差特性,（2）当负荷功率为时系统频率为多少？两机组出力各多少？,（）当负荷功率分别为和，只靠一号机二次调频能否使频率恢复到。为什么？,120MW时可以，因为一号机剩余容量20MW大于负荷增量10MW。 150MW时不可以，因为负荷增量40MW大于一号机剩余容量20MW。,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,自动调频与手动
13、调频相比，不仅反应速度快、频率波动小，同时还可以兼顾到其他方面的要求，例如实现有功负荷的经济分配、保持系统联络线交换功率为定值和满足系统安全经济运行的各种约束条件等。所以现代电力系统普遍装设自动调频装置。 主导发电机法仅适用于小容量的电力系统； 虚有差法仅反应频率的偏差信号，而且有功功率在多个调频发电厂之间是按固定比例分配的，不能实现经济分配原则，同时也不能控制区域间联络线的功率。,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,积差调节法是根据系统频率偏差的累积值调节频率的。先假定系统中由一台发电机组进行频率积差调节，调节方程式为,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,积差调节过程,3.9 电力系
14、统自动调频和自动发电控制,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,改进积差调频法,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,积差调节法维持系统频率的精度取决于各调频机组的频差积分信号数值的一致性。当采用多个调频电厂调频时，可以采用分散方式，即参与调频电厂各有一套频差信号发生器，就地产生(kf)dt 信号进行调频。为了使各调频厂测得的f 值尽可能一致，避免频差积分的差异而造成功率分配上的误差，需设置高稳定性晶体振荡标准频率发生器。 为了克服频差积分信号分散产生的不一致性，积差调节法的频差积分信号也可在电网调度中心集中产生，即装设一套高精度频率发生器集中产生积
15、差信号，确定各调频机组的调节量，用远动通道送给各调频机组。,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,电网调度中心把频差积分信号值(kf)dt 通过远动通道送到各调频电厂，厂内配置一台有功功率控制器，用于控制全厂调频机组的功率调节量PC 。它的输入信息，除了调度所送来的频差积分信号外，还有当地产生的频差f 和厂内各调频机组的输出功率 PC1 ， PC2 ，等。它的输出信号为各调频机组按所对应的方程计算各自应发出的功率，控制相应机组的控制电动机，调节它们的功率给定值，该有功功率控制器可用带CPU 的数字电子器件组成，它的输出信号可以经D/A 转换放大后，接到各控制电动机，也可以输出按比例调节的脉冲。这种集中调频方式优点很明显，但需要远动通道。,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,集中调频方式示意图,3.9 电力系统自动调频和自动发电控制,随着电力系统远动技术的发展，自20世纪80 年代中期，我国四大电网(华东、东北、华中和华北)和部分省级电网引进了国外的SCADA/AGC系统，为我国电网调度自动化系统的发展奠定了基础。从1989 年9 月投入运行至今，全国有30 多家省级及以上电网投入
