水轮机控制工程第九章电网负荷频率控制(LFC)

第九章电网负荷频率控制（LFC）在水轮机数字式（微机）电液调速器出现以前，水轮机调速器的主要作用是根据偏离机组频率（转速）额定值的偏差，调节水轮机导叶和桨叶机构，维持机组水力功率与电力功率平衡，从而使机组频率（转速）保持在额定频率（转速）附近的允许范围之内，这时的水轮机调速器主要是一个机组频率（转速）调节器。

现代水电厂和电力系统的发展，对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的要求。

与数字式（微机）电液调速器发展、完善和广泛应用的同时，水电厂自动发电控制系统（AGC）、电网能量管理系统（EMS）也已日趋成熟并进入了实用化的阶段；现代电力系统中，区域电网容量迅速加大，区域电网间联网并要求进行交换功率控制；大中型和多数小型水轮发电机组的主要运行方式是并入大的区域电网运行，在这种运行方式下，电网的负荷频率控制（LFC，Load Frequency Control）是通过电网AGC系统和电厂AGC系统，来控制水电机组的水轮机调速器及火电机组的调速系统来实现的，调速器（系统）实际上是机组的功率控制器。

因而，现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用“水轮机调节”来描述，它除了完成水轮发电机组频率（转速）调节任务之外，还可以具有电网一次调频、二次调频和区域电网间交换功率控制（TBC，Tie-Line Bias Control）等附加的控制功能。

因此，IEC关于水轮机调速器的技术规范导则（IEC61362（1998））和试验（IEC60308（CDV））都是用“水轮机控制系统”加以命名；我国的水轮机调速器与油压装置的国家标准（技术条件和试验验收规程）正在修订，也将把主题词“水轮机调速器与油压装置”改为“水轮机控制系统”。

这一章中，结合华中科技大学与福建电力有限公司共同开展的“福建电网控制区域的频率偏差系数动态特性及调频协调性研究”科研课题所取得的初步成果，基于水轮机调速器的静态和动态特性，分析与电网负荷频率控制（TBC）有关的电网一次调频、二次调频、自动发电控制和区域电网交换功率ACE控制等问题，提供初步的仿真和试验结果。

第一节电网负荷频率控制与水轮机调速器『15』一、机组负荷频率控制机组负荷频率控制（LFC）框图见图10－1。

图中：TBC是区域电网联络线交换功率控制、AGC是自动发电控制系统。

机组调速系统有两个信号输入端：“频率（转速）输入端”（频率给定c F和机组频率或电网频率n F）和“机组目标功率输入端”（功率给定c P和机组功率g P）。

图10－1机组负荷频率控制（LFC ）框图1.电网一次调频和二次调频作用通过水轮发电机组和火力发电机组调速系统的负荷/频率特性对电网的功率和频率的控制，通常称之为电网一次调频。

它主要是由发电机组调速系统的静态特性F=f(P)及其PID 动态调节特性来实现的；区域电网交换功率控制（TBC ）和电网自动发电控制（AGC ），是从电网的宏观控制上、经济运行及电网交换功率控制等因素上，向有关机组调速系统下达相应的机组目标（计划）功率值c P ，从而产生电网范围内的功率/频率控制（LFC ），称之为二次调频。

机组调速系统一次/二次调频功能框图见图10－2。

电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率（50HZ ）的频率偏差,按永态转差系数p e （调差系数）对机组进行功率控制。

它是将电网（机组）频率（转速）信号送入机组调速系统的“频率（转速）输入”端口，频率（转速）给定值与其比较形成频率（转速）偏差，调速系统根据这个偏差信号而进行调节实现的，它将频差F ∆变换为与p e 成反比的机组频差调节功率f P ∆。

由于机组调速系统都有设定的永态转差系数p e （调差系数），它决定了这是一个有差调节，因而由各机组调速系统共同完成的一次调频，不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频率恢复到额定频率（50HZ ）附近的一个允许范围内。

为了进行电网负荷频率控制（LFC ），使电网的功率差值得以弥补，从而使电网频率得以恢复，则必须采用电网的二次调频。

其主要作用是：控制参加电网负荷频率控制的机组的目标功率值P c ；根据电网功率差值和频率偏差，计算出机组的新的目标功率值，送至机组调速系统的“目标功率输入”端口，使机组调速系统实现对新目标功率值的调节。

当二次调频作用使电网实现了新的功率平衡、电网频率恢复到正常值时，机组调速系统实际上是在新的目标功率值P c 确定的静态工作点运行。

频率(转速)－信号Fg F '∆F ∆fP ∆++频率死区频率(转速)设定值f c机组目标功率+P c TP 机组实际功率c P ∆P ∆PID 调节机组频率(转速)功率N T图10－2机组调速系统一次/二次调频功能框图2.机组调速系统的一次调频静态关系式图10－3以静态特性的形式表示了机组调速系统的一次/二次调频特性。

（图中未考虑电网负荷频率特性（负荷频率自调节系数））：图10－3机组调速系统的一次/二次调频特性（图中N 改P ）1).机组原始工况静特性曲线②1c P 上○A 点：机组目标功率：1c P ；机组实际功率：1P ；机组频率：1f ；调速系统调差系数（速度变动率）：p e ；电网发生功率缺额，折算到讨论的机组：功率缺额：13P P -；2).一次调频作用：电网功率缺额，引起电网频率降低，如果不进行调节，则按静特性曲线②1c P ，频率应降至1f '，各机组根据频率偏差进行一次调频，讨论的机组增发了功率12P P P f -=∆，电网频率为2f （静特性曲线②1c P 上○B 点）。

即讨论的机组与电网其它机组一起进行了一次调频，但电网频率为2f ，不可能恢复到扰动前的1f 。

3).二次调频作用：若电网二次调频将讨论的机组的目标功率由1c P 修正为2c P ，则机组调速系统静特性由特性曲线②1c P 变为特性曲线①2c P 。

最后的调节结果为特性曲线①2c P 上○C 点：机组目标功率：2c P ；机组实际功率：3P ；机组频率：1f ；调速系统调差系数（速度变动率）：p e ；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复到扰动前的数值1f 。

综上所述，电网在负荷扰动后，电网频率产生相对于频率（转速）给定的偏差，各机组的调速系统根据频率偏差f ∆和（功率）调差系数p e 进行一次调频，在较快的时间（8″~15″）内弥补了系统部分功率差值；在一次调频的基础上，电网自动发电控制（AGC ，二次调频），修正相关机组的目标功率值c P ，通过调速系统的PID 调节（静态主要依靠积分调节I ），最终可实现电网功率平衡和频率的恢复。

4).电网（负荷）频率特性当频率发生变化时，同一负荷在额定频率下的值也会因之而发生变化，且其变化的方向是抑制频率的变化。

例如，频率增大时，原来在额定频率下的负荷值会增加，从而阻止频率的进一步增大；频率减小时，原来在额定频率下的负荷值会减小，从而阻止频率的进一步减小。

负荷的这种随频率变化而变化的特性，通常称为电网（负荷）静态频率特性，因其对频率变化的抑制作用，也可称其为电网（负荷）静态自调节特性。

负荷的不同性质（电动机负荷、照明负荷……）及其不同的组合，将使（负荷）静态频率特性(静态自调节特性)有与之对应的特性，因此（负荷）静态频率特性(静态自调节特性)也是随时在变化的。

为了描述这种特性，常用电网（负荷）静态频率特性系数p k 或电网（负荷）静态频率自调节系数n e 来表示：f pe k n p ∆∆==（10－1）式中：n p e k =——电网（负荷）静态频率自调节系数，一般0.2~5.0=n e ；f ∆——频率偏差相对量；p ∆——频率偏差f ∆（相对值）下的负荷变化量（相对量）；例如：0.1==n p e k 的物理意义是：当频率变化+0.01（+0.5Hz ）时，负荷值随之而增加+0.01（额定负荷的百分之一）。

在电网功率与电网频率变化过程中，还存在着负荷与频率之间的动态关系，即电网发电/用电功率出现差值p ∆时，电网频率的偏差f ∆与之呈一阶惯性环节的变化特性。

即：1/11)()(+=+=∆∆S e T e e S T S P S F na n n a (10－2)式中：a T ——电网（负荷）动态频率时间常数，一般s s T a 10~5=；)(S F ∆——频率偏差的拉普拉斯变换；)(S P ∆——功差频率的拉普拉斯变换；F ∆——在负荷扰动L p ∆下的机组频率变化值（Hz ）；值得指出的是：电网（负荷）频率特性是电网（负荷）的自身特性，它是随着电网结构、负荷性质及组合经常变化的，在实际运行条件下是很难在线测量的；在一次和二次调频的频率变化过程中，它起着有利于电网频率的稳定和补偿作用，但当频率接近或恢复到额定值，这种动态稳定作用也就减小或消失了。

二、发电机组调速系统一次调频静态特性1.发电机组调速系统开环静特性分析一次调频特性时，认为二次调频不起作用，即取图10－2中c P 恒定。

发电机组调速系统开环静特性（机组功率对机组频率偏差的特性）用相对值表示为：)50/(])50[(⨯---=∆p f n e E F p =()[]p f n e e f /1---=()[]p f e e f /-∆-（10－3）用绝对值表示，则有式（10－4）：()[]()50/50⨯--⨯-=∆p f r e E Fn P P （10－4）式中：p ∆——对应于频率偏差f ∆（相对量）的机组功率增量（相对量）；n F ——电网频率[Hz]；n f ——电网频率相对值，50n n F f =；f E ——调速系统频率（转速）死区（绝对量，Hz ），（50-n F ）为+，f E 为+；（50-n F ）为负，f E 为-；fe ——调速系统频率（转速）死区（相对量），50f f E e =；p e ——调速系统（功率）调差系数（速度变动率）；r pP P ∆=∆——对应于频率偏差（n F -50）[Hz]的机组功率增量[MW]r P ——机组额定功率[MW]。

式10－3和式10－4对于水电机组调速系统和火电机组调速系统都是正确的，式中的负号，表示频率偏差与功率偏差方向相反。

2.发电机组调速系统闭环静特性所谓发电机组调速系统的闭环静特性，是指：机组带孤立负荷，机组调速系统构成闭环时，机组频率对负荷扰动的静态特性。

1).基本方程：机组在稳定工况（静态）工作时，机组调速系统PID 控制器的积分调节输入端，必需为零，即必需满足下式：p e e f pf∆=-∆（10－5）机组输入功率（L p p ∆-∆）与机组频率偏差（f ∆）的静态关系为：f e p p n L ∆=∆-∆（10－6）式中：L p ∆——负荷扰动相对值；p ∆——在负荷扰动L p ∆下的机组功率变化值；f∆——在负荷扰动L p ∆下的机组频率变化值；fe ——频率死区相对值；p e ——（功率）调差系数（速度变动率）；n e ——机组、负荷频率特性系数（自调节系数）；2).闭环参数方程：联立解式（10－5）、式（10－6）得：p n f n L e e e e p p ⨯+⨯-∆=∆1（10－7）p n fp L e e e e p f ⨯++⨯∆=∆1（10－8）以绝对值表示则为：p P P r ∆⨯=∆（10－9）fF ∆⨯=∆50（10－10）式中：r P——机组额定功率（MW）；P∆——在负荷扰动p∆下的机组功率变化值（MW）；LF∆——在负荷扰动p∆下的机组频率变化值（Hz）；L3.福建电网水电机组和火电机组负荷差（MW）/频率差（Hz）特性图E为0.033Hz，永态转差系数（速度变动率）p e＝0.04，按照式10－4，取：频率死区f可得图10－4和图10－5的负荷差（MW）/频率差（Hz）特性图。