NorthChinaElectricPowerUniversity1/322022/12/22第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性物理系統(tǒng)數(shù)學建模物理映射數(shù)學分析1、調(diào)速器2、原動機3、區(qū)域系統(tǒng)NorthChinaElectricPowerUni1NorthChinaElectricPowerUniversity2/322022/12/22一、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進入原動機的動力元素是由調(diào)速器控制的，它是電力系統(tǒng)頻率和有功功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成部分。不論汽輪機或者是水輪機，調(diào)速器的執(zhí)行環(huán)節(jié)都是利用液壓放大原理控制氣門（或者導水葉）的開度，盡管調(diào)速器構成各異，但是他們主要部件的方程式的型式是相同的。NorthChinaElectricPowerUni2NorthChinaElectricPowerUniversity3/322022/12/22只討論小偏離的情況，假定：1、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的頻率為，對應的原動機汽閥位置為，發(fā)電機輸出功率為。2、D點移動微小距離，正比于發(fā)生增加功率指令，3、當D點升高時，引起E點降低，通過錯油門作用，使B點升高，從而原動機的輸入功率增加，穩(wěn)態(tài)時兩者相等。4、由于發(fā)電機功率增加，使系統(tǒng)頻率發(fā)生微小變化，引起調(diào)速器響應，使A點向上移動，正比于。5、正方向如圖中所標柱。1、調(diào)速器NorthChinaElectricPowerUni3NorthChinaElectricPowerUniversity4/322022/12/22假定流入油壓機的油量與導油閥的位置成正比NorthChinaElectricPowerUni4NorthChinaElectricPowerUniversity5/322022/12/22表示了原動機調(diào)節(jié)量與控制指令信號及系統(tǒng)頻率間的動態(tài)特性NorthChinaElectricPowerUni5NorthChinaElectricPowerUniversity6/322022/12/222、原動機——汽輪機氣閥位置的改變會導致進氣量的變化，使汽輪機輸入功率變動，因而引起發(fā)電機功率的變化汽輪機的調(diào)節(jié)閥門和第一級噴嘴之間有一定的空間，開啟/關閉氣門使進入氣門的蒸汽量有所改變，但是這個空間的壓力不能立即改變，這樣就形成了機械功率滯后于氣門開度變化，也就是“汽容影響”。可以用慣性環(huán)節(jié)來描述：對于再熱式汽輪機要考慮再熱段充氣時延NorthChinaElectricPowerUni6NorthChinaElectricPowerUniversity7/322022/12/223、原動機——水輪機在水流的穩(wěn)態(tài)情況下，水的流速是一定的。當迅速關小導向葉片的開度，導管中的水壓力會急劇上升；當迅速開大導向葉片的開度，導管中的水壓力會急劇下降。這就是水錘現(xiàn)象。水輪機的功率不能隨著開度的變化而有一個時滯NorthChinaElectricPowerUni7NorthChinaElectricPowerUniversity8/322022/12/224、汽輪發(fā)電機組的傳遞函數(shù)NorthChinaElectricPowerUni8NorthChinaElectricPowerUniversity9/322022/12/22汽輪機與無限大系統(tǒng)并聯(lián)運行發(fā)電機的功率變化對系統(tǒng)的頻率沒有影響NorthChinaElectricPowerUni9NorthChinaElectricPowerUniversity10/322022/12/22施加一個階躍變化發(fā)電機穩(wěn)態(tài)輸出功率增量與控制指令成正比，調(diào)節(jié)過程不會出現(xiàn)振蕩，過程是單調(diào)衰減的。NorthChinaElectricPowerUni10NorthChinaElectricPowerUniversity11/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)在區(qū)域i內(nèi)突然有一個負荷變化1、發(fā)電機組動能提供的功率增量2、負荷的頻率調(diào)節(jié)效應引起的負荷功率的變化3、聯(lián)絡線上的功率變化由于調(diào)速器的作用，這個區(qū)域的頻率變化為發(fā)電機輸入功率相應地變化了

與之間不平衡，兩者之差由三方面來平衡：NorthChinaElectricPowerUni11NorthChinaElectricPowerUniversity12/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——轉子動能提供的功率增量動能隨控制區(qū)域等效發(fā)電機轉速（頻率）的平方而變化NorthChinaElectricPowerUni12NorthChinaElectricPowerUniversity13/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——聯(lián)絡線的功率增量聯(lián)絡線路的功率增量為控制區(qū)域i輸出的總的有功功率增量，它等于與區(qū)域i相連的各聯(lián)絡線路中的功率增量之和。NorthChinaElectricPowerUni13NorthChinaElectricPowerUniversity14/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——聯(lián)絡線的功率增量拉普拉斯變換NorthChinaElectricPowerUni14NorthChinaElectricPowerUniversity15/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——考慮轉子動能的功率增量拉普拉斯變換NorthChinaElectricPowerUni15NorthChinaElectricPowerUniversity16/322022/12/225、單區(qū)域閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)NorthChinaElectricPowerUni16NorthChinaElectricPowerUniversity17/322022/12/226、多區(qū)域閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)NorthChinaElectricPowerUni17NorthChinaElectricPowerUniversity18/322022/12/22二、電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)特性1、單區(qū)域系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性2、多區(qū)域系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性NorthChinaElectricPowerUni18NorthChinaElectricPowerUniversity19/322022/12/222、多區(qū)域系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性NorthChinaElectricPowerUni19NorthChinaElectricPowerUniversity20/322022/12/221、單區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性在不考慮外加控制功率的前提下，研究單區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性NorthChinaElectricPowerUni20NorthChinaElectricPowerUniversity21/322022/12/22施加一個階躍變化稱為系統(tǒng)功率頻率特性系數(shù)或者稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，它標志了系統(tǒng)負荷增加或者減少時，在原動機調(diào)速器調(diào)節(jié)特性和負荷調(diào)節(jié)效應共同作用下，系統(tǒng)頻率下降或上升的數(shù)值。應用終值定理NorthChinaElectricPowerUni21NorthChinaElectricPowerUniversity22/322022/12/22NorthChinaElectricPowerUni22NorthChinaElectricPowerUniversity23/322022/12/22例題：書P150系統(tǒng)總額定容量正常運行負荷慣性常數(shù)調(diào)差系數(shù)負荷調(diào)節(jié)效應系數(shù)當負荷增量為求的變化曲線方程NorthChinaElectricPowerUni23NorthChinaElectricPowerUniversity24/322022/12/22相關參數(shù)計算Kp=1/KL=2Tp=2H/KL*=20sR=4.8/100NorthChinaElectricPowerUni24NorthChinaElectricPowerUniversity25/322022/12/22程序Matlab程序 Kp=2;Tp=20;Tn=0.08;Tt=0.3;R=4.8/100;sysGp=zpk([],[-1/Tp],Kp/Tp);sysGnT=zpk([],[-1/Tn,-1/Tt],1/Tt/Tn);sys2=sysGnT/R;sysCom=feedback(sysGp,sys2);[Y,t]=step(sysCom,5);SysMod=feedback(sysGp,1/R);[Ym,tm]=step(SysMod,5);plot(t,-Y*0.01*50,tm,-Ym*0.01*50)legend('Com','Simple')NorthChinaElectricPowerUni25NorthChinaElectricPowerUniversity26/322022/12/22動態(tài)響應曲線NorthChinaElectricPowerUni26NorthChinaElectricPowerUniversity27/322022/12/222、多區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，因為大系統(tǒng)在運行方面具有很多優(yōu)點NorthChinaElectricPowerUni27NorthChinaElectricPowerUniversity28/322022/12/222、多區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性在兩個互聯(lián)系統(tǒng)中，每個區(qū)域的負荷突然增量為，不考慮控制功率NorthChinaElectricPowerUni28NorthChinaElectricPowerUniversity29/322022/12/222、多區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性如果兩個區(qū)域具有相同的參數(shù)NorthChinaElectricPowerUni29NorthChinaElectricPowerUniversity30/322022/12/22小結1、調(diào)速器的傳遞函數(shù)2、原動機的傳遞函數(shù)3、汽輪發(fā)電機組的傳遞函數(shù)4、單區(qū)域系統(tǒng)的傳遞函數(shù)5、單區(qū)域系統(tǒng)的頻率特性6、單區(qū)域系統(tǒng)的頻率特性計算7、多區(qū)域系統(tǒng)的頻率特性負荷變，無控制，頻率變，何如？NorthChinaElectricPowerUni30NorthChinaElectricPowerUniversity31/322022/12/22第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性物理系統(tǒng)數(shù)學建模物理映射數(shù)學分析1、調(diào)速器2、原動機3、區(qū)域系統(tǒng)NorthChinaElectricPowerUni31NorthChinaElectricPowerUniversity32/322022/12/22一、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進入原動機的動力元素是由調(diào)速器控制的，它是電力系統(tǒng)頻率和有功功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成部分。不論汽輪機或者是水輪機，調(diào)速器的執(zhí)行環(huán)節(jié)都是利用液壓放大原理控制氣門（或者導水葉）的開度，盡管調(diào)速器構成各異，但是他們主要部件的方程式的型式是相同的。NorthChinaElectricPowerUni32NorthChinaElectricPowerUniversity33/322022/12/22只討論小偏離的情況，假定：1、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的頻率為，對應的原動機汽閥位置為，發(fā)電機輸出功率為。2、D點移動微小距離，正比于發(fā)生增加功率指令，3、當D點升高時，引起E點降低，通過錯油門作用，使B點升高，從而原動機的輸入功率增加，穩(wěn)態(tài)時兩者相等。4、由于發(fā)電機功率增加，使系統(tǒng)頻率發(fā)生微小變化，引起調(diào)速器響應，使A點向上移動，正比于。5、正方向如圖中所標柱。1、調(diào)速器NorthChinaElectricPowerUni33NorthChinaElectricPowerUniversity34/322022/12/22假定流入油壓機的油量與導油閥的位置成正比NorthChinaElectricPowerUni34NorthChinaElectricPowerUniversity35/322022/12/22表示了原動機調(diào)節(jié)量與控制指令信號及系統(tǒng)頻率間的動態(tài)特性NorthChinaElectricPowerUni35NorthChinaElectricPowerUniversity36/322022/12/222、原動機——汽輪機氣閥位置的改變會導致進氣量的變化，使汽輪機輸入功率變動，因而引起發(fā)電機功率的變化汽輪機的調(diào)節(jié)閥門和第一級噴嘴之間有一定的空間，開啟/關閉氣門使進入氣門的蒸汽量有所改變，但是這個空間的壓力不能立即改變，這樣就形成了機械功率滯后于氣門開度變化，也就是“汽容影響”?？梢杂脩T性環(huán)節(jié)來描述：對于再熱式汽輪機要考慮再熱段充氣時延NorthChinaElectricPowerUni36NorthChinaElectricPowerUniversity37/322022/12/223、原動機——水輪機在水流的穩(wěn)態(tài)情況下，水的流速是一定的。當迅速關小導向葉片的開度，導管中的水壓力會急劇上升；當迅速開大導向葉片的開度，導管中的水壓力會急劇下降。這就是水錘現(xiàn)象。水輪機的功率不能隨著開度的變化而有一個時滯NorthChinaElectricPowerUni37NorthChinaElectricPowerUniversity38/322022/12/224、汽輪發(fā)電機組的傳遞函數(shù)NorthChinaElectricPowerUni38NorthChinaElectricPowerUniversity39/322022/12/22汽輪機與無限大系統(tǒng)并聯(lián)運行發(fā)電機的功率變化對系統(tǒng)的頻率沒有影響NorthChinaElectricPowerUni39NorthChinaElectricPowerUniversity40/322022/12/22施加一個階躍變化發(fā)電機穩(wěn)態(tài)輸出功率增量與控制指令成正比，調(diào)節(jié)過程不會出現(xiàn)振蕩，過程是單調(diào)衰減的。NorthChinaElectricPowerUni40NorthChinaElectricPowerUniversity41/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)在區(qū)域i內(nèi)突然有一個負荷變化1、發(fā)電機組動能提供的功率增量2、負荷的頻率調(diào)節(jié)效應引起的負荷功率的變化3、聯(lián)絡線上的功率變化由于調(diào)速器的作用，這個區(qū)域的頻率變化為發(fā)電機輸入功率相應地變化了

與之間不平衡，兩者之差由三方面來平衡：NorthChinaElectricPowerUni41NorthChinaElectricPowerUniversity42/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——轉子動能提供的功率增量動能隨控制區(qū)域等效發(fā)電機轉速（頻率）的平方而變化NorthChinaElectricPowerUni42NorthChinaElectricPowerUniversity43/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——聯(lián)絡線的功率增量聯(lián)絡線路的功率增量為控制區(qū)域i輸出的總的有功功率增量，它等于與區(qū)域i相連的各聯(lián)絡線路中的功率增量之和。NorthChinaElectricPowerUni43NorthChinaElectricPowerUniversity44/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——聯(lián)絡線的功率增量拉普拉斯變換NorthChinaElectricPowerUni44NorthChinaElectricPowerUniversity45/322022/12/225、單區(qū)域系統(tǒng)——考慮轉子動能的功率增量拉普拉斯變換NorthChinaElectricPowerUni45NorthChinaElectricPowerUniversity46/322022/12/225、單區(qū)域閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)NorthChinaElectricPowerUni46NorthChinaElectricPowerUniversity47/322022/12/226、多區(qū)域閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)NorthChinaElectricPowerUni47NorthChinaElectricPowerUniversity48/322022/12/22二、電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)特性1、單區(qū)域系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性2、多區(qū)域系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性NorthChinaElectricPowerUni48NorthChinaElectricPowerUniversity49/322022/12/222、多區(qū)域系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性NorthChinaElectricPowerUni49NorthChinaElectricPowerUniversity50/322022/12/221、單區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性在不考慮外加控制功率的前提下，研究單區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性NorthChinaElectricPowerUni50NorthChinaElectricPowerUniversity51/322022/12/22施加一個階躍變化稱為系統(tǒng)功率頻率特性系數(shù)或者稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，它標志了系統(tǒng)負荷增加或者減少時，在原動機調(diào)速器調(diào)節(jié)特性和負荷調(diào)節(jié)效應共同作用下，系統(tǒng)頻率下降或上升的數(shù)值。應用終值定理NorthChinaElectricPowerUni51NorthChinaElectricPowerUniversity52/322022/12/22NorthChinaElectricPowerUni52NorthChinaElectricPowerUniversity53/322022/12/22例題：書P150系統(tǒng)總額定容量正常運行負荷慣性常數(shù)調(diào)差系數(shù)負荷調(diào)節(jié)效應系數(shù)當負荷增量為求的變化曲線方程NorthChinaElectricPowerUni53NorthChinaElectricPowerUniversity54/322022/12/22相關參數(shù)計算Kp=1/KL=2Tp=2H/KL*=20sR=4.8/100NorthChinaElectricPowerUni54NorthChinaElectricPowerUniversity55/322022/12/22程序Matlab程序 Kp=2;Tp=20;Tn=0.08;Tt=0.3;R=4.8/100;sysGp=zpk([],[-1/Tp],Kp/T