电力系统自动装置原理第五章课件.ppt

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1、第五章 电力系统频率及有功功率的自动调节,每分钟转数,每秒钟转数,系统频率,正常情况,负荷突然变动而使发电机组电功率增加PL,第一节 电力系统的频率特性,维持系统频率在规定范围内; 力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。,二 电力系统负荷的功率频率特性,当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变, 这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率频率特性。,与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等； 与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等； 与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗，但这种损耗在电网有功 损耗中所占比重较小;与频率的三

2、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。,电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为以下几类，,三 发电机组的功率频率特性,频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率频率特性或调节持性。,发电机组的功率频率静态特性如下图：在不改变发电机调速系统设定值时，发电机输出功率增加则频率下降，而当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。图中向下倾斜的直线即为发电机频率静态特性，而和表示发电机出力分别为PG1和PG2时对应的频率。,等值发电机组（电网中所有发电机组的等效机组）的功率频率静态特性如下图所示，它

3、跟发电机组的功率频率静态特性相似。,调差特性与机组间有功功率分配的关系,多机组间的功率增量分配,对没有调节容量的机组(调差系数趋于无限大)应以PieRi*为零代入； 多台机组调差系数等于零是不能并联运行的；一台机组的调差系数等于零与多台有差调节机组的并列运行是不现实的。,6 几点注意,调节特性的失灵区,四 电力系统的频率特性,调速器的调节作用被称为一次调节。,一次调频：由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化，使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。,对于下图：L1和L2为负荷增长前后的负荷频率特性，G1为等效发电机的出力频率特性。频率一次调整的结果：发电机有功功率增加了PL2

4、-PL1，负荷调节效应是负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率少吸收PL3-PL2，系统频率降低到f2，系统运行点为b点。,第二节 调速器原理,一 机械液压调速器,1 工作原理,如果B点和D点不动，A点向上移动时，带动E点也向上移动；如果A点和D点不动，B点向下移动时，带动E点也向下移动；如果A点和B点不动，D点向上移动时，带动E点向下移动。,2 调速系统框图,3 转速给定装置,调节过程,4 机组静特性平行移动,三 功率频率电液调速器,1 转速测量,A 磁阻发送器,磁阻发送器的作用是将转速转换为相应频率的电压信号。它由齿轮和测速磁头两部分组成，齿轮与主轴联在一起。测速磁头由永久磁铁和线圈组成，

5、且与齿轮相距一定间隙。当汽轮机转动时带动齿轮一起旋转。测速磁头所对的齿顶及齿槽交替地变化，这种磁阻的变化导致通过测速磁头磁通的相应变化，于是在线圈中感应出微弱的脉动信号，该信号的频率与机组转速成正比。,B 频率电压变送器,频率电压变送器的输出特性,工作波形,方框图,2 功率测量,3 转速给定装置调节过程,3 转速给定装置调节过程,四 数字式电液调速器,控制电路部分的功能用微机实现。,第三节 电力系统频率调节系统及其特性,系统稳态时的频率为fe，对应的原动机汽阀位置为XB，发电机输出功率为PG；D点移动微小距离XD，正比于发出增加功率指令信号PC；当D点升高时，引起E点降低XE，通过错油门作用，

6、使B点升高XB，从而原动机的输入功率增加PT，发电机的输出功率增加PG，稳态时两者相等； 由于发电机功率增加，使系统的频率发生微小的变化f，引起调速器响应，使A点向上移动XA。在不考虑不灵敏区和延时的情况下，则XA正比于f； 所有联接点的位移正方向如图中箭头所示。,一 调节系统的传递函数,1 调速器,机械液压调速器为例来描述,简单的汽轮机的传递函数,再热式汽轮机的传递函数,水轮机的传递函数,2 原动机,3 调速器+汽轮机,KnKT=1,发电机组动能提供的功率增量； 负荷的频率调节效应而引起的负荷功率变化；联络线上功率的变化。,4 电网部分(发电机、负荷及联络线）,负荷变化与发电机组输入功率变化

7、的差值：,功率平衡关系式（标么值）,联络线功率增量关系式,联络线功率增量框图,功率平衡式的框图,5 单区域的闭环调节框图,F(s),PT(s),Pc(s),GnT(s),+,-,6 与其他系统相联的控制区域i的闭环框图,二 电网的频率调节特性,1 单区域电网的频率特性,系统总额定容量 Pe=2000MW正常运行的负荷 PL=1000MW惯性常数 H=5s调差系数 R*=4.8%负荷调节效应系数 KL*=0.5,B 动态特性,总的闭环系统的时间常数只有0.4687s，比表征电厂本身的时间常数TP(为20s)要小得多，这主要是由于闭环系统中的反馈所起的作用(即调速器的作用)；减小R值使增大，可以减

8、小稳态频率偏差；当计及Tn、TT时，f 随时间变化曲线不是纯指数型的，在初期出现了振荡、 开始时形成一个较大的瞬时频率降落； 算例中，当负荷变化20Mw时、频率降落为0.0234Hz，如果长期存在会引起较大的累计频率偏差，这是不允许的。,以上讨论中关于系统变化过程解释如下：当负荷突然增加l(即20MW)时，系统功率平衡遭到破坏，起初瞬间由于频率尚未下降汽轮发电机的调速系统还未动作，所以发电机的输入功率不变。因此，这时负荷所增加的功率是由系统的动能供给的(动能以20MWs的速率减小)。随着系统动能的减小，发电机的转速下降(即系统频率下降)，调速系统随之动作，增加发电机的输入功率与此同时，由于频率

9、的下降，负荷的频率调节效应使它吸取的功率有所减小。 总之，增加的20MW负荷功率是由三部分来平衡的，即系统动能供给的功率，发电机增加的输入功率以及负荷少吸收的功率，在开始瞬间，后两项为零，随着频率降低，它们就逐渐增大，最后在一个较低的频率下稳定运行。此时，动能已不再供给功率，20MW的负荷增量仅由后两项来供给。,2 多区域系统的频率特性（二区域系统为例）,2 多区域系统特性,二区域系统静态特性,第四节 电力系统自动调频,电力系统中的所有发电机组均装有调速器，如系统负荷发生变化，则每台发电机的调速器都将反应系统频率的变化，自动地调节进汽(水)阀门的开度，改变机组出力，使有功功率重新达到平衡。这就

10、是频率的一次调整。,带基本负 荷的发电厂调峰厂调频厂,二次调频：当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到额定频率的调整过程称为频率的二次调整，也称二次调频。,对于下图：L1和L2为负荷增长前后的负荷频率特性，G1和G2为发电机调速系统调节前后的出力频率特性。当系统负荷变化较大，频率的一次调整的结果使系统频率过高或过低时，需要改变发电机调速系统的设定值，使系统频率恢复到额定频率。对于下图，负荷由L1变为L2，等效发电机特性由G1变为G2, 系统频率回到f1。相比于一次调频，负载增大了PL3-PL2，发电机出力增加了PL3-PL2。,备用容量：备用容量包括负荷备用容量、事

11、故备用容量、检修备用容量。电网的总备用容量不宜低于最大发电机负荷的20%。,冷备用：电网需要时，随时能启动投入的备用机组容量。热备用：备用单元已经通电、准备使用和作好连接，一旦主用单元失效，该备用单元能立即投入使用的配置。旋转备用：特指运行正常的发电机维持额定转速，随时可以并网，或已并网但仅带一部分负荷，随时可以加出力至额定容量的发电机组。事故备用：是在电力系统中发电设备发生偶然故障时，为保证向用户正常供电而设置的备用。一般为最大发电容量的10%左右，但不小于电网中一台最大发电机组的容量。检修备用：是为系统内发电设备定期检修而设置的。一般应当结合电网负荷特点，水、火电比例，设备质量，检修水平等

12、情况确定，一般宜为最大发电负荷的8%15%。,电力系统的负荷曲线是指系统中负荷数值随时间而变化的特性曲线，可分为日、周、年负荷曲线和年持续负荷曲线。,日负荷曲线：表示负荷数值在一昼夜0时至24时内的变化情况。周负荷曲线:表示一周内每天最大负荷的变化状况。年负荷曲线：表示一年内各月最大负荷的变化状况。年持续负荷曲线：全年负荷按大小排队，并作出对应的累计持续运行小时数，从最小负荷开始，依次将各点负荷连成曲线。,短期负荷预测,电力系统运行的特点是任何时刻发电机发出的功率必须紧密跟踪系统负荷的需求（包括电力网中的功率损耗及厂用电），以保持电力系统频率恒定。根据预测负荷来制定发电计划，决定机组间的负荷分

13、配、水火电机组的协调、机组起停及与相邻系统间的功率交换等。这种负荷预测称为短期负荷预测。一般预测下一天至两天每小时的负荷，最长预测周期为一周。,AGC的控制方式,AGC控制模式有一次控制模式和二次控制模式两种。一次控制模式又分：恒定频率控制方式。恒定机组出力控制方式。恒定交换功率控制方式。频率及联络线功率偏移控制方式。二次控制模式又分为两中：时间误差校正模式；联络线累积电量误差校正模式。,AGC的基本原理和算法,基本原理：自动发电控制（AGC）的基本原则是要求各控制区域负责供应本区域的负荷，并经常假设整个互联系统中各控制区的频率基本相等。当某控制区域负荷发生变化时，起初的这个负荷变化是由各发电

14、机组的转动动能来提供的，随着动能的消耗，整个互联系统的频率开始下降，系统中的所有发电机组都将响应这个频率的变化，增加出力并使频率达到一个新的稳态，此时，AGC的职责是经济地调整发电，使负荷的变化仅由本控制区域的电厂来供应，并使频率回升到它原来的整定值。,A1、A2指标,A1：控制区域的ACE在任意10分钟内必须至少过零一次。即：不允许任意连续十分钟达不到控制目标。A2：控制区域的ACE在任意10分钟内的平均值必须控制在规定的范围Ld内。即：不允许任意连续10分钟平均控制效果超标。,CPS1、CPS2指标,（1）CPS1指标：其中：为控制区域1min内的ACE平均值，2s采样一次，ACE0，表示

15、正偏差；ACE0, 表示系统频率超过控制目标频率；F0，表示系统频率低于控制目标频率。B为控制区域设定的频率偏差系数，有符号，单位10MW/HZ。 为互联电网对全年1min中频率平均偏差的均方根控制目标值。,CPS2指标：,要求考核时段（十分钟）ACE的平均值的绝对值控制在规定的范围L10以内，即：要求| |/10 L10。其中：B 控制区域的频率偏差系数。B1 整个互联电网的频率偏差系数。 互联电网对全年10min频率平均偏差的均方根值的控制目标值。CPS作为反映联络线功率和系统频率偏差控制管理水平和技术应用水平的综合评价指标，要求在指定考核时段内CPS1 200%或 CPS1 100%和C

16、PS2合格同时满足。南方电网以十分钟为考核时段，统计CPS合格情况及年、月、日合格率。,CPS1、CPS2与A1、A2的比较：,（1）CPS标准克服了A1、A2标准未涉及电网频率控制目标的缺陷。（2）CPS标准不要求ACE在规定时间过零，可以减少一些不必要的调节。（3）CPS标准对各控制区域对电网频率质量的功过评价十分明确，特别有利于某一控制区域内发生事故时，其他控制区域对其进行支援。（4）CPS标准对数据采集提出了更高要求。ACE是指区域控制误差,超短期负荷预测,为保证系统安全运行，调度员在进行某项系统操作或改变运行方式前，需根据未来时刻的负荷情况进行潮流计算以判断改变运行方式后系统是否安全

17、，是否会发生越限事件。调度员也需要对未来时刻的系统在某种预想事故条件下进行系统潮流计算以作出安全评定。凡此种种都需要对负荷进行预测。这种预测的周期较短，一般是数分钟至十分钟后的负荷，称为超短期负荷预测。,在现代化调度中心，短期负荷预测与超短期负荷预测都可以在实时环境中进行，称为实时负荷预测。即根据在线计算机的实时数据与历史数据按规定的周期起动在线程序进行负荷预测。如果不具备实时条件，短期负荷预测也可以根据历史的负荷记录数据进行离线计划预测。而超短期负荷预测由于周期短、预测频繁，只能在实时环境中进行。负荷预测的及时性与准确性对电力系统运行及电能生产费用有很大的影响。实时负荷预测是由在线计算机的软

18、件实现的。它有负荷预测模型、数据源及人机界面三个主要的组成部分。,确定主、辅调频厂,主调频厂负责调整频率，所以主调频厂选择的好坏直接关系到频率的质量。一般选择主调频厂时，应考虑以下问题： 具有足够的调频容量和调整范围； 具有与负荷变化相适应的调整速度； 调整出力时应符合安全及经济运行原则。还应考虑电源联络线上的交换功率是否会因调频引起过负荷跳闸或推动稳定运行，高频引起的电压波动是否在允许范围。在水、火电厂并存的电网中，一般选水电厂为主调频厂。大型火电厂中高效率机组带基荷，效率低的机组可做为辅助调频厂。因为水电厂调频不仅速度快和操作简便，而且调整范围大（只受发电机容量的限制），基本上不影响水电厂

19、的安全运行。在大发水电季节，为了多发水电，一般由水厂带基荷，而由火电厂调频。,常用调峰电源,水电常规机组；抽水蓄能机组；汽轮发电机组；燃气轮机组；其他新型式调峰电源,频率调整的要求,频率调整要求：中国电力工业部颁发的动力系统调度管理规程规定频率偏差不得超过，电钟误差任何时候不大于1min；同时又规定，容量较大的电力系统频率偏差不得超过，电钟误差不应大于30s。频率调整方式手动调频时，AGC控制的机组应有足够的容量才能保证频率质量。自动调频时，正常时由调频厂保证频率质量。调度员应根据情况调整有关电厂的出力以保证调频厂有足够的调整容量。当因某种原因频率超过正常允许范围时，调度员应下令有电厂增加出力

20、，尽快将系统频率恢复到允许范围内,控制调频器的信号,比例调节：按频率偏移的大小，控制调频器按比例地增、减机组功率， 这种调频方式只能减小而不能消除系统频率偏移。积分调节：按频率偏移对时间的积分控制调频器，这种方式可以 实现无差调节，但负荷变动最初阶段，因控制信号不大而延缓了调节过程。 微分调节：按频率偏移对时间的微分控制调频器，在负荷变动最初阶段，增、减调节较快，但随着时间推移f 趋于稳定时，调节量也就趋于零，在稳态时它就不起作用。,当负荷变动系统频率发生变化时，调频电厂中主导发电机组的调节系统首先动作，改变主导机组的功率，力图维持系统频率恒定。这时，由于主导机组的功率变化，协助调频的其它机组

21、也随之作相应的功率调整，力图使它们的调节功率与主导机组的调节功率间维持给定的比例关系。在调节过程中，主导机组按系统频率不断地调节，协助调频机组也跟随主导机进行调节，直到系统频率恢复到额定值，协助调频机组与主导机组的调节功率符合给定比例时为止。这时系统中不参加调频的其余机组的功率维持不变，计划外负荷的变动全部由调频机组承担。,(一）主导发电机法,单机积差调节,调节方程,（二）积差调节法是指调频系统按频率偏差的时间积分值进行调节。,稳态时频率是电力系统的统一参数，各点的频差积分的值也都相同，所以同步时间法可适用于众多电厂参与调整。同步时间法的调节速度比较缓慢，不能保证频率的瞬时偏差在规定范围内，所

22、以通常并不单纯采用积差调节，而是将频率的瞬时偏差和积差相结合，构成改进的频率积差调节方程。,首先对式（5一86)进行拉氏变换，得,整理后可得,由于响应取决于式(5一90)的极点，即取决于式(5一91)的根，则,1、当,2、,3、,在s平面上有两个负实根,集中制与分散制调频,电力系统以多个调频电厂实现积差调频时，根据积差信号取得方式的不同，可分为集中制积差调频与分散制积差调频。 集中制积差调频是在中心调度所设置一套高精度标准频率发生器，再取系统频率，以构成频差及其积分信号，通过远动通道将该信号送向各调频厂，各厂再按调节方程调节。分散制积差调频则是在各调频厂均设置一套精度满足要求的频差积分信号发生

23、器，免去远动通道传送积差信号。分散制方式可能存在各厂的积差信号略有差异，这会产生功率分配上的误差。,几个区域电力系统通过联络线连接形成联合电力系统。对于联合电力系统的调频，当然可以当成单一的电力系统，对整个系统采用上述调频方法。但联合系统的容量大，实现时困难大，或将使调频装置变得十分复杂；还可能使联络线过载，危及系统稳定等。因此，需要一种多系统调频方式。对构成联合系统的各区域系统分别进行调频，使各区域的有功功率尽可能平衡，只借助联络线上交换功率来相互支持，达到联合系统的经济运行。这种分区调整方式的调度比较方便。 随着电力系统远动技术的成熟并广泛应用，电网调度的SCADA(Supervisory

24、 Control And Data Acquisition System)系统也走上实用化阶段，联合自动调频具备了可实施的基础，调度中心实时监控计算机系统中，可配置AGC(Automatic Generation Control)功能软件完成如下任务。,C 频率联络线功率偏差控制TBC,区域调节作用的信号称为区域控制误差(Area Control Error)。,AGC的目标和基本功能,AGC其基本功能为：负荷频率控制（LFC），经济调度控制（EDC），备用容量监视（RM），AGC性能监视（AGC PM），联络线偏差控制（TBC）等；基本的目标：（1） 保证发电出力与负荷平衡；（2） 保证系统

25、频率为额定值；（3） 使区域间联络线潮流与计划相等；（4） 最小区域化运行成本。,AGC的总体结构,AGC是一个闭环反馈控制系统，主要由两大部分组成：机组控制器。主要用来控制机组调速器的调节特性（通过调频器），使机组在额定频率下发出设定的出力。负荷分配器。根据电力系统频率偏差以及与相邻电力系统交换功率的偏差信号，按一定准则计算出各机组的应发出力。（分为电厂级和系统级）,电力系统的频率调节涉及系统中有功功率平衡和潮流分布。在保证频率质量和系统安全运行前提下，如何使电力系统运行具有良好的经济性，这就是电力系统经济调度控制 (Economic load Dispatching Control)的任务

26、。它是联合自动调频的重要目标之一，因此也有人把EDC列为AGC功能的一部分，称之为AGCEDC功能。EDC是按数学模型编制的程序，调用时需一定的时间开销，但它可以较长时间起动一次(一般在5min以上)。有人称EDC为三次经济调整。,第五节 电力系统的经济调度与自动调频,一 等微增率分配负荷的基本概念,耗量特性是指发电机组在单位时间内所消耗的能量与输出功率之间的关系。微增率是指输入耗量微增量与输出功率微增量的比值。对发电机组来说，为燃料消耗量(或消耗费用)的微增量与发电机输出功率微增量的比值。等微增率法则，就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，这样就可使系统总的燃料消耗或费用为最小，从

27、而是最经济的。,耗量特性曲线,锅炉汽轮机发电机组成的单元机组的耗量特性和微增率特性如图(a)和(d)的形状。随着输出增加，其耗量增量大于输出功率的增量，耗量微增率随输出功率的增加而增大。,Example,发电厂内并联运行机组的经济调度准则为：各机组运行时微增率相等，并等于全厂的微增率。,二 发电厂之间负荷的经济分配,在考虑线损条件下，负荷经济分配的准则是每个电厂的微增率与相应的线损修正系数的乘积相等。,三 发电厂机组功率控制,调度所计算机系统执行AGC功能给调频电厂的调节指令有两种方式,下达给各调频机组下达全厂总调节量,92,经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be,写在最后,93,谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard,演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日,