1、第四章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié),一、電力系統(tǒng)的頻率特性 二、調(diào)速器原理 三、電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性 四、電力系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)頻 五、電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與自動(dòng)調(diào)頻,一、電力系統(tǒng)的頻率特性,1、概述 2、電力系統(tǒng)負(fù)荷的功率頻率特性 3、發(fā)電機(jī)組的功率頻率特性 4、電力系統(tǒng)的頻率特性,1、概述,每分鐘轉(zhuǎn)數(shù),每秒鐘轉(zhuǎn)數(shù),系統(tǒng)頻率,正常情況,負(fù)荷突然變動(dòng)而使發(fā)電機(jī)組電功率增加PL,維持系統(tǒng)頻率在規(guī)定范圍內(nèi); 力求使系統(tǒng)負(fù)荷在發(fā)電機(jī)組之間實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)分配。,如圖是電力系統(tǒng)中負(fù)荷瞬時(shí)變動(dòng)情況的示意圖。從圖中可以看出，負(fù)荷的變動(dòng)情況可以分成幾種不同的分量：第一種是頻率較高的隨機(jī)分量，其變化周期一般小于1

2、0s，第二種為脈動(dòng)分量，變化幅度較大，變化周期在10s一3min之間；第三種為變化很緩慢的持續(xù)分量。 負(fù)荷的變化必將導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率的變化，由于電力系統(tǒng)本身是一個(gè)慣性系統(tǒng)，所以對(duì)頻率的變化起主要影響的是負(fù)荷變動(dòng)的第二、三種分量。,2、電力系統(tǒng)負(fù)荷的功率頻率特性,A、當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷也要隨著改變, 這種有功負(fù)荷隨頻率而改變的特性叫做負(fù)荷的功率頻率特性。,與頻率變化無關(guān)的負(fù)荷，如照明、電弧爐、電阻爐、整流負(fù)荷等； 與頻率成正比的負(fù)荷，如切削機(jī)床、球磨機(jī)、往復(fù)式水泵、壓縮機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等； 與頻率的二次方成比例的負(fù)荷，如變壓器中的渦流損耗，但這種損耗在電網(wǎng)有功 損耗中所占比重較小;

3、與頻率的三次方成比例的負(fù)荷，如通風(fēng)機(jī)、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵等; 與頻率的更高次方成比例的負(fù)荷，如靜水頭阻力很大的給水泵等。,B、電力系統(tǒng)中各種有功負(fù)荷與頻率的關(guān)系，可以歸納為以下幾類，,3、發(fā)電機(jī)組的功率頻率特性,概述 發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)和功率頻率靜態(tài)特性系數(shù) 調(diào)差特性與機(jī)組間有功功率分配的關(guān)系 多機(jī)組間的功率增量分配 幾點(diǎn)注意 調(diào)節(jié)特性的失靈區(qū),概述,頻率變化而引起發(fā)電機(jī)組輸出功率變化的關(guān)系稱為發(fā)電機(jī)組的功率頻率特性或調(diào)節(jié)持性。,發(fā)電機(jī)組的功率頻率靜特性系數(shù),汽輪發(fā)電機(jī)組: 16.625 水輪發(fā)電機(jī)組: 2550,發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù),發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)和功率頻率靜態(tài)特性系數(shù),調(diào)差特性與機(jī)

4、組間有功功率分配的關(guān)系,調(diào)差特性與機(jī)組間有功功率分配的關(guān)系，可用圖來說明。圖中表示兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的情況，曲線代表1號(hào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性，曲線代表2號(hào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性。假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)總負(fù)荷為PL，如線段CB的長度所示，系統(tǒng)頻率為fe，1號(hào)機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷為P1，2號(hào)機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷為P2。 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加，經(jīng)過調(diào)速器的調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在f1，這時(shí)1號(hào)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P1，增加了P1；2號(hào)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷為P2，增加了P2，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組增量之和等于PL 。,多機(jī)組間的功率增量分配,上述結(jié)論可以推廣到系統(tǒng)中多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的情況。,幾點(diǎn)注意,對(duì)沒有調(diào)節(jié)容量的機(jī)組(調(diào)差系數(shù)趨于無限大)應(yīng)以PieRi

5、*為零代入； 多臺(tái)機(jī)組調(diào)差系數(shù)等于零是不能并聯(lián)運(yùn)行的； 一臺(tái)機(jī)組的調(diào)差系數(shù)等于零與多臺(tái)有差調(diào)節(jié)機(jī)組的并列運(yùn)行是不現(xiàn)實(shí)的。,調(diào)節(jié)特性的失靈區(qū),以上討論中，我們都是假定機(jī)組的調(diào)節(jié)特性是一條理想的直線。但是實(shí)際上，由于測量元件的不靈敏性，對(duì)微小的轉(zhuǎn)速變化不能反應(yīng)，特別是機(jī)械式調(diào)速器尤為明顯。這就是說，調(diào)速器具有一定的失靈區(qū)，因而調(diào)節(jié)特性實(shí)際上是一條具有一定寬度的帶子，如圖所示。,不靈敏區(qū)的寬度可以用失靈度來描述,過小的調(diào)差系數(shù)將會(huì)引起較大的功率分配誤差，所以不能太小。 不靈敏區(qū)的存在雖然會(huì)引起一定的功率誤差或頻率誤差，但是，如果不靈敏區(qū)太小或完全沒有，那么當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，調(diào)速器也要調(diào)節(jié)，這

6、樣會(huì)使閥門的調(diào)節(jié)過分頻繁，因而在一些非常靈敏的電液調(diào)速器中，通常要采用外加措施，形成一個(gè)人為的不靈敏區(qū)。,由于調(diào)速器的頻率調(diào)節(jié)特性是條帶子，因此導(dǎo)致并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組間有功功率分配產(chǎn)生誤差。從圖中可以看出，對(duì)應(yīng)于一定的失靈度來說，最大誤差功率與調(diào)差系數(shù)存在如下關(guān)系,4、電力系統(tǒng)的頻率特性,電力系統(tǒng)主要是由發(fā)電機(jī)組、輸電網(wǎng)絡(luò)及負(fù)荷組成，如果把輸電網(wǎng)絡(luò)的功率損耗看成是負(fù)荷的一部分，則電力系統(tǒng)功率頻率關(guān)系可以簡化為圖所示。在穩(wěn)態(tài)頻率為的情況下，PT、PG和PL都相等，因此在討論它們的功率頻率特性曲線時(shí)，就可以看成為由兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)組的功率頻率特性與負(fù)荷的功率頻率特性曲線的交點(diǎn)就是

7、電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，例如圖中的1點(diǎn)。 如果系統(tǒng)中的負(fù)荷增加PL，則總負(fù)荷靜態(tài)頻率特性下移，假設(shè)這時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的所有機(jī)組均無調(diào)速器，機(jī)組的輸入功率恒定為PT且等于PL，則系統(tǒng)頻率將逐漸下降，負(fù)荷所取用的有功功率也逐漸減小。依靠負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，運(yùn)行點(diǎn)移到圖中3點(diǎn)， 頻率穩(wěn)定值下降到f3，系統(tǒng)負(fù)荷所取用的有功功率仍然為原來的PL值。在這種情況下，頻率偏差值f決定于PL值的大小，一般是相當(dāng)大的。但是，實(shí)際上各發(fā)電機(jī)組都裝有調(diào)速器，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加，頻率開始下降后，調(diào)速器即起作用，增加機(jī)組的輸入功率PT。經(jīng)過一段時(shí)間后，運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定在4點(diǎn)，這時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷所取用的功率為PL4，小于額定頻率下所需

8、的功率PLl，頻率穩(wěn)定在f2。此時(shí)的頻率偏差要比無調(diào)速器時(shí)小得多了。由此可見，調(diào)速器對(duì)頻率的調(diào)節(jié)作用是很明顯的。調(diào)速器的這種調(diào)節(jié)作用通常稱為一次調(diào)節(jié)。,二、調(diào)速器原理,1、概述 2、機(jī)械液壓調(diào)速器（以其為主分析） 3、功率頻率電液調(diào)速器 4、數(shù)字式電液調(diào)速器,1、概述,2、機(jī)械液壓調(diào)速器,工作原理 調(diào)速系統(tǒng)框圖 調(diào)節(jié)過程 機(jī)組靜特性平行移動(dòng),工作原理,如圖是簡化的凝汽式汽輪機(jī)的機(jī)械液壓式調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 測速是由汽輪機(jī)主軸帶動(dòng)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和離心飛擺組成。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，離心飛擺轉(zhuǎn)動(dòng)加快，由于離心力作用，飛擺的重錘向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)且點(diǎn)向上移動(dòng)，可見且點(diǎn)的位移表示了機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是油動(dòng)機(jī)

9、，它的動(dòng)作受錯(cuò)油門控制，圖中所示位置，錯(cuò)油門的兩個(gè)凸肩正好堵住了油動(dòng)機(jī)的上、下腔油路，因此油動(dòng)機(jī)活塞靜止不動(dòng)，汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽閥保持開度不變。當(dāng)錯(cuò)油門凸肩向上移動(dòng)一個(gè)距離時(shí)，油動(dòng)機(jī)的上、下腔分別與壓力油和排油接通，在油壓作用下油動(dòng)機(jī)活塞向下移動(dòng)，于是關(guān)小調(diào)節(jié)汽閥，減少進(jìn)汽量，即減小原動(dòng)機(jī)的輸入功率。油動(dòng)機(jī)和錯(cuò)油門實(shí)際上又是一個(gè)放大器，通過機(jī)液機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的強(qiáng)大作用力，把E點(diǎn)的微小位移轉(zhuǎn)移為調(diào)節(jié)汽閥開度的變化。,調(diào)速系統(tǒng)框圖,調(diào)節(jié)過程,機(jī)組靜特性平行移動(dòng),3、功率頻率電液調(diào)速器,4、數(shù)字式電液調(diào)速器,三、電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性,1、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 2、電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)特性,1、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞

10、函數(shù),（1）調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù) （2）原動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù) （3）調(diào)速器加汽輪機(jī)框圖 （4）電網(wǎng)部分 （5）單區(qū)域的閉環(huán)調(diào)節(jié)框圖 （6）與其他系統(tǒng)相聯(lián)的控制區(qū)域i的閉環(huán)框圖,（1）調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù),如果B點(diǎn)和D點(diǎn)不動(dòng)，A點(diǎn)向上移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)E點(diǎn)也向上移動(dòng)； 如果A點(diǎn)和D點(diǎn)不動(dòng)，B點(diǎn)向下移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)E點(diǎn)也向下移動(dòng)； 如果A點(diǎn)和B點(diǎn)不動(dòng)，D點(diǎn)向上移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)E點(diǎn)向下移動(dòng)。,（2）原動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù),水輪機(jī)的傳遞函數(shù),簡單的汽輪機(jī)的傳遞函數(shù),再熱式汽輪機(jī)的傳遞函數(shù),（3）調(diào)速器加汽輪機(jī)框圖,簡單的汽輪機(jī)加調(diào)速器,再熱式汽輪機(jī)加調(diào)速器,（4）電網(wǎng)部分,發(fā)電機(jī)組動(dòng)能提供的功率增量； 負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)而引起的負(fù)荷功率變化

11、； 聯(lián)絡(luò)線上功率的變化。,負(fù)荷變化與發(fā)電機(jī)組輸入功率變化的差值：,功率平衡關(guān)系式（有名值）,功率平衡式的框圖,功率平衡關(guān)系式（標(biāo)么值）,聯(lián)絡(luò)線功率增量關(guān)系式,聯(lián)絡(luò)線功率增量框圖,GnT(s),F(s),PT(s),Pc(s),GnT(s),+,-,Gp(s),PT(s),(5) 單區(qū)域的閉環(huán)調(diào)節(jié)框圖,Pc(s),GnT(s),Pti(s),Fi(s),F3(s),F2(s),F1(s),(6) 與其他系統(tǒng)相聯(lián)的控制區(qū)域i的閉環(huán)框圖,2、電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)特性,（1）單區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性 （2）多區(qū)域系統(tǒng)的頻率特性,（1）單區(qū)域電網(wǎng)的頻率特性,A 靜態(tài)特性,B 動(dòng)態(tài)特性,A 靜態(tài)特性,系統(tǒng)總額定容量

12、 Pe=2000MW 正常運(yùn)行的負(fù)荷 PL=1000MW 慣性常數(shù) H=5s 調(diào)差系數(shù) R*=4.8% 負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù) KL*=0.5,B 動(dòng)態(tài)特性,a總的閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)只有0.4687s，比表征電廠本身的時(shí)間常數(shù)TP(為20s)要小得多，這主要是由于閉環(huán)系統(tǒng)中的反饋所起的作用(即調(diào)速器的作用)； b減小R值使增大，可以減小穩(wěn)態(tài)頻率偏差； c當(dāng)計(jì)及Tn、TT時(shí)，f 隨時(shí)間變化曲線不是純指數(shù)型的，在初期出現(xiàn)了振蕩、 開始時(shí)形成一個(gè)較大的瞬時(shí)頻率降落； d算例中，當(dāng)負(fù)荷變化20Mw時(shí)、頻率降落為0.0234Hz，如果長期存在會(huì)引起較大的累計(jì)頻率偏差，這是不允許的。,以上討論中關(guān)于系統(tǒng)變化過程

13、解釋如下：當(dāng)負(fù)荷突然增加l(即20MW)時(shí)，系統(tǒng)功率平衡遭到破壞，起初瞬間由于頻率尚未下降汽輪發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)還未動(dòng)作，所以發(fā)電機(jī)的輸入功率不變。因此，這時(shí)負(fù)荷所增加的功率是由系統(tǒng)的動(dòng)能供給的(動(dòng)能以20MWs的速率減小)。隨著系統(tǒng)動(dòng)能的減小，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降(即系統(tǒng)頻率下降)，調(diào)速系統(tǒng)隨之動(dòng)作，增加發(fā)電機(jī)的輸入功率與此同時(shí)，由于頻率的下降，負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)使它吸取的功率有所減小。 總之，增加的20MW負(fù)荷功率是由三部分來平衡的，即系統(tǒng)動(dòng)能供給的功率，發(fā)電機(jī)增加的輸入功率以及負(fù)荷少吸收的功率，在開始瞬間，后兩項(xiàng)為零，隨著頻率降低，它們就逐漸增大，最后在一個(gè)較低的頻率下穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)，動(dòng)能已不

14、再供給功率，20MW的負(fù)荷增量僅由后兩項(xiàng)來供給。,Pc1(s),Pc2(s),2 多區(qū)域系統(tǒng)的頻率特性（二區(qū)域系統(tǒng)為例）,二區(qū)域系統(tǒng)靜態(tài)特性,四、電力系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)頻,1、概述 2、主導(dǎo)電機(jī)法 3、積差調(diào)節(jié)法 4、聯(lián)合電力系統(tǒng)調(diào)頻,1、概述,電力系統(tǒng)中的所有發(fā)電機(jī)組均裝有調(diào)速器，如系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化，則每臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)速器都將反應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，自動(dòng)地調(diào)節(jié)進(jìn)汽(水)閥門的開度，改變機(jī)組出力，使有功功率重新達(dá)到平衡。這就是頻率的一次調(diào)整。,帶基本負(fù) 荷的發(fā)電廠 調(diào)峰廠 調(diào)頻廠,2、主導(dǎo)電機(jī)法,當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，調(diào)頻電廠中主導(dǎo)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)首先動(dòng)作，改變主導(dǎo)機(jī)組的功率，力圖維持系統(tǒng)頻率恒定

15、。這時(shí)，由于主導(dǎo)機(jī)組的功率變化，協(xié)助調(diào)頻的其它機(jī)組也隨之作相應(yīng)的功率調(diào)整，力圖使它們的調(diào)節(jié)功率與主導(dǎo)機(jī)組的調(diào)節(jié)功率間維持給定的比例關(guān)系。在調(diào)節(jié)過程中，主導(dǎo)機(jī)組按系統(tǒng)頻率不斷地調(diào)節(jié)，協(xié)助調(diào)頻機(jī)組也跟隨主導(dǎo)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)頻率恢復(fù)到額定值，協(xié)助調(diào)頻機(jī)組與主導(dǎo)機(jī)組的調(diào)節(jié)功率符合給定比例時(shí)為止。這時(shí)系統(tǒng)中不參加調(diào)頻的其余機(jī)組的功率維持不變，計(jì)劃外負(fù)荷的變動(dòng)全部由調(diào)頻機(jī)組承擔(dān)。,3、積差調(diào)節(jié)法,A 單機(jī)積差調(diào)節(jié) B 多臺(tái)機(jī)組的積差調(diào)節(jié) C 改進(jìn)的積差調(diào)節(jié)法 D 集中制與分散制調(diào)頻,A 單機(jī)積差調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)方程,調(diào)頻過程見下一頁,積差調(diào)節(jié)法是指調(diào)頻系統(tǒng)按頻率偏差的時(shí)間積分值進(jìn)行調(diào)節(jié)。,調(diào)頻過程,B 多臺(tái)

16、機(jī)組的積差調(diào)節(jié),C 改進(jìn)的積差調(diào)節(jié)法,電力系統(tǒng)以多個(gè)調(diào)頻電廠實(shí)現(xiàn)積差調(diào)頻時(shí)，根據(jù)積差信號(hào)取得方式的不同，可分為集中制積差調(diào)頻與分散制積差調(diào)頻。 集中制積差調(diào)頻是在中心調(diào)度所設(shè)置一套高精度標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器，再取系統(tǒng)頻率，以構(gòu)成頻差及其積分信號(hào)，通過遠(yuǎn)動(dòng)通道將該信號(hào)送向各調(diào)頻廠，各廠再按調(diào)節(jié)方程調(diào)節(jié)。分散制積差調(diào)頻則是在各調(diào)頻廠均設(shè)置一套精度滿足要求的頻差積分信號(hào)發(fā)生器，免去遠(yuǎn)動(dòng)通道傳送積差信號(hào)。分散制方式可能存在各廠的積差信號(hào)略有差異，這會(huì)產(chǎn)生功率分配上的誤差。,D 集中制與分散制調(diào)頻,4、聯(lián)合電力系統(tǒng)調(diào)頻,A 聯(lián)合電力系統(tǒng)調(diào)頻的任務(wù) B 聯(lián)合電力系統(tǒng)的調(diào)頻方式 C 頻率聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制TBC,

17、A 聯(lián)合電力系統(tǒng)調(diào)頻的任務(wù),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0.05一0.2Hz范圍內(nèi)； 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)有功功率的就地平衡； 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。,B 聯(lián)合電力系統(tǒng)的調(diào)頻方式,恒定頻率控制FFC(Flat Frequency Control) 恒交換功率控制FTC(Flat Tie-Line Control) 頻率聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制TBC(Tie line load frequency Bias Control),C 頻率聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制TBC,區(qū)域調(diào)節(jié)作用的信號(hào)稱為區(qū)域控制誤差(Area C

18、ontrol Error)。,五、電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與自動(dòng)調(diào)頻,一、等微增率分配負(fù)荷的基本概念 二、發(fā)電廠之間負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配 三、發(fā)電廠機(jī)組功率控制,一、等微增率分配負(fù)荷的基本概念,耗量特性是指發(fā)電機(jī)組在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的能量與輸出功率之間的關(guān)系。 微增率是指輸入耗量微增量與輸出功率微增量的比值。對(duì)發(fā)電機(jī)組來說，為燃料消耗量(或消耗費(fèi)用)的微增量與發(fā)電機(jī)輸出功率微增量的比值。 等微增率法則，就是運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組按微增率相等的原則來分配負(fù)荷，這樣就可使系統(tǒng)總的燃料消耗或費(fèi)用為最小，從而是最經(jīng)濟(jì)的。,耗量特性曲線,鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組成的單元機(jī)組的耗量特性和微增率特性如圖(a)和(d)的形狀。隨著輸出增加，其耗量增量大于