电力系统自动化(4频率与有功调节)

调速系统的外特性
• 外特性：频率与有功功率之间的关系 • 调差：外特性曲线的斜率：
f* = 100% P*
• 调速系统的（有功功率）调差，都是正调 差，不允许以零调差或负调差运行； • 有功功率分配，按调差系数反比例分配。
调速器的失灵区
• 调速器的执行部件多是机械部件，因此（1）必然 存在因自由行程引起的不灵敏区（也称失灵区或 死区）；（2）调速器反应过分灵敏将导致机械执 行部件频繁动作，加速磨损。因此，对死区偏小 的调速器还需人为添加死区，以提高机械部件使 用寿命；
四、电力系统频率与有功功率调节
本章要点
1、频率调整的意义和特点；
2、同步发电机组调速系统的基本工作原理；
3、电力系统负荷的功频特性与负荷调节效应；
4、电力系统自动调频方法（电源侧调频）；
5、自动低频减载（负荷侧调频）；
4.1 频率调整的意义和特点
• 频率是电能质量指标之一； • 频率偏移是电力系统有功功率不平衡的结果； （1）调频就是调速；（2）速度偏差是转矩不平衡的 结果；（3）调频就是调有功功率。 • 频率调节可在电源侧和/或负荷侧进行； （1）电源侧调节：投切机组、增减运行机组的有功； （2）负荷侧调节：切除负荷、抽水蓄能； • 频率是整个电力系统共有的频率； • 频率调节是一个系统级的自动控制，且与经济运行 密切相关；
自动调频技术
• 自动调频涉及的技术问题有： （1）频差的获取：各调频电厂就地获取与调度 中心集中获取两种方式； （2）有功调整量的计算： P、I、PI、PID等； （3）有功调整量的分配：分配系数需考虑机组 状况和经济性、电力系统稳定性： （4）机组同步调节：集中式的自动发电控制是 电力系统调频技术的发展趋势，需要运动技 术支持；
PL PL* K 有名制： L f 标幺制： K L f *
电力系统的功频特性与频率调整
• 电力系统是由发电机组、输电网络和负荷组成的。 可将输电网络的有功损耗合并到负荷之中，等值 发电机组的功频特性曲线与等值负荷的功频特性 曲线的交点就是电力系统的功频运行点。 • 负荷波动对系统频率的影响，分三种情况进行分 析： （1）调速器退出（或满载发电机组）； （2）调速器投入； （3）调速器投入且调整其功率给定值； • 一次调频和二次调频的概念。
电力系统低频减载
• 减载（减负荷），是负荷侧的调频措施； • 在电力系统事故情况下，当采取各种措施 之后仍然不能制止频率下降时，则由低频 减载装置自动切除一部分负荷来进行紧急 调频。 • 低频减载的基本问题： （1）何时开始切？ （2）切多少？ （3）一次性切除还是分多次逐步切除？
低频减载的基本问题
PLe - PLk
k=1 i
=K L*
fe
• 两者之差即等于第i次需要切除的负荷量
Pie -Phe =PLi
i-1 f i PLi = PLe - PLk K L* fe k=1 i-1 f i -f h = PLe - PLk K L* fe k=1 i f h - PLe - PLk K L* fe k=1 f h +PLi K L* fe
多数情况下，最大负荷切除量约占系统总容量的 30%。
低频减载的基本问题
（3）一次性切除还是分多次逐步切除？
分析：事故可大可小，按最严重事故最大功率缺 额考虑的最大负荷切除量，若不管大小事故一律 全部切除，显然不合理。理论上，应该按频率偏 差决定负荷切除量（如同调频方程所描述的那样， 切除量与频率偏差成正比），由于负荷具有不能 反复投切以及切除量不连续的特点（不像发电机 功率给定调整那样具有连续可逆的特点 ），所以 负荷切除是分级进行的。
• 具有死区的调速系统外特性曲线成为一条宽带直 线，导致机组间功率分配存在误差。
4.3 电力系统负荷的功频特性
• 电力系统负荷是由多种特性各异的负荷组 合在一起的综合负荷； • 电力系统负荷的有功功率-频率特性可以描 述为： f f f
2 n
PL a0 PLe a1 PLe a2 PLe an PLe fe fe fe PL a0 a1 f* a2 f*2 an f n PL f* PL PLe f fe
电力系统自动调频方法简介
• 分散控制和集中控制； • 频率调整是系统级的控制，采用集中式控 制比较有利；在远动技术（四遥）不发达 的条件下，才采用分散控制； • 有两种调频控制策略： （1）电力系统整体调频控制策略； （2）联合电力系统的分区调频（维持联络线 传输功率的调频）控制策略；
系统整体调频的控制策略
低频减载的基本问题（续）
• “频率悬浮”现象及其对策：由于切除量的不确定性以及 最小切除量原则的影响，某级负荷切除后可能有以下几 种情况出现： ①频率回升到等于或大于额定频率-不希望但几无可能性； ②频率回升到希望频率与额定频率之间-最佳，可能性小； ③频率回升但未达到希望频率； ④频率保持不变； ⑤频率下降但不到下级动作频率； ⑥频率下降且低于下级动作频率； 对策： ①②停止切除； ⑥继续切除；③④⑤ 称为“频率悬浮”
电力系统频率波动规律与对策
• 电力系统频率的三种波动分量及其对策： （1）10s以下；随机小波动，由调速器自动调 节（一次调频）； （2）10s～3min；计划外负荷，调整调速器的 功率给定（二次调频）； （3） 3min以上；预测负荷+制定发电计划；
4.2 调速器的基本原理与特性
• 电源侧有功功率调整，是借助原动机调速 器来实现的。 • 调速器的任务： （1）调速、稳速； （2）有功功率分配； • 飞摆式调速器举例：
i-1 f -f PLe - PLk K L* i h fe k=1 PLi = f h 1-K L* fe
有名制
i-1 1- PLk* K L* (fi* -f h* ) PLi* = k=1 1-K L*f h*
标幺制
低频减载的基本问题（续）
低频减载的基本问题
• 若分级切， （1）共分多少级； （2）每级切多少？ （3）何时切完？ （4）切除负荷的先后排序；
低频减载的基本问题
• 共分多少级？理论上，级数越多越好（接 近连续），实际受负荷大小、测控误差等 影响，一般分10～30级左右（国内多在10 级以内）； • 每级切多少？为尽可能减小停电面积，应 按最小切除功率原则计算每级的切除功率。 由各级启动频率恢复到期望频率所需切除 的功率，就是最小切除功率。
n
（3）比例积分：Pi =-K Pi f-K Ii fdt（改进积差法）
wenku.baidu.com
（4）虚有差： Pi =Pi -i Pi =-Ki f
i=1
·（1）～（3）式中，有功调整量△P的参照点是产生 频率偏差之前的稳定运行功率，而（4）式中，虚有 差的有功增量参照点是浮动的，实质上仍然是比例积 分控制（形式上有差，实际上无差，即虚有差）。
Phe PLe - PLk
k=1 i
• 第i-1级切除后，频率稳定值恰等于第i级的 动作值fi，其恢复到额定频率所需切除的有 功功率（或有功功率缺额）△Pie为：
Pie PLe - PLk
k=1 i-1
=K L*
fi fe
• 当第i级动作切除负荷后，希望恢复到希望 频率fh，则有： Phe f h
• 电力系统整体调频准则：频率偏差为零； • 调频约束条件： （1）经济运行约束； （2）电力系统稳定性约束； （3）电钟准确性约束（频率偏差的积分为零）；
调频方程
·调频方程（计算有功给定增量，类似于双闭环调节中 的外环调节）：
（1）比例： （2）积分：
Pi =-Ki f
Pi =-K i fdt （积差法）
（1）何时开始切除？切除频率太晚则影响电能质量，甚至 危及系统安全；太早则无谓造成用户停电也不好。一般当 频率低于49.1Hz（早先为48～48.5Hz，还有逐渐升高的 趋势）启动切除负载。
（2）切多少？①按最严重事故情况下可能发生的最大有功 缺额来考虑最大负荷切除量，宁多勿少。理由：多了可以 少切，少了系统就垮了；②希望的恢复频率一般为 49.5Hz，小于额定50Hz；理由：恢复频率越低，要求切 除的负荷越少，停电面积越小。较低的恢复频率可以少切 负荷，此时以降低电能质量换取供电可靠性。但恢复频率 过低则系统不安全。
低频减载的基本问题
• 最小切除功率计算
计算思路：最小切除功率等于由启动频率恢复到 额定频率所需切除的功率减去由期望频率恢复到 额定频率所需切除的功率。 由启动频率恢复到 50Hz所需切除的功率： 由期望频率恢复到 50Hz所需切除的功率：
Pie PLe - PLk
k=1 i-1
fi =K L* fe f h =K L* fe
• 何时切完？末级启动频率应不小于频率崩溃的临界 值，晚于该临界频率再切已无意义，末级频率一般 不低于46～46.5Hz，现在多为47.5～48Hz。根据 最大负荷切除量计算条件可知，末级动作后必将恢 复系统频率到期望频率。 • 首级频率49.1Hz，末级频率46～46.5Hz，若分N 级切除，则频率级差=（49.1-46.5）/N，当N取30 时，频率级差小于0.1Hz。 • 切除负荷的排序：先切除重要性相对较低的负荷， 再切除重要性相对较高的负荷。
分区控制的比例式控制策略
• 控制原则：有功功率按分区就地平衡，维持联络 线传输功率不变；
• 控制方程式：
A区调频方程： f+k A PAB +kGA PGA =0
B区调频方程：
f-k BPAB +kGBPGB =0
• 控制方程式分析：（1）A区功率增加；（2）A区 功率减小；（3）B区功率增加；（4）B区功率减 小；由分析结果可见，调频方程满足控制原则。
a0 a1 a2 an 1
电力系统有功负荷的频率调节效应
• 由电力系统负荷的功频特性方程知：功频特性曲 线是一条单调上升的曲线；
• 电力系统有功负荷随电力系统频率同向升降的特 性，有助于电力系统频率的稳定； • 电力系统有功负荷随电力系统频率变化而变化， 反过来又对电力系统频率产生影响的这一特性， 称为电力系统有功负荷的频率调节效应，度量这 种调节能力的指标称为：电力系统有功负荷调节 效应系数。
思考
• PI控制方程与虚有差控制方程的异同； • 分区控制思想与实现方法的举一反三（多 控制目标的控制方程）； • 运行机组增减给定值，相当于平移外特性， 请问：投切机组相当于改变了外特性的什 么？
电力系统自动发电控制（AGC）
• AGC：建立在远动技术之上的系统级电源 侧有功功率闭环控制系统。可以远方开停 机、调节有功功率出力； • 根据电力系统频率偏差和联络线功率偏差， 按一定调节准则计算出各调频机组的有功 出力定值，各调频机组根据所分配的给定 功率定值运行； • 调节准则中可以包含经济运行要求、稳定 性要求等进行负荷的最佳分配。
4.4 电力系统自动调频方法
• 电力系统自动调频，是指改变发电机组功率定值 的二次调频；
• 调频电厂、调频机组的选择原则；
• 调频控制是需要电力系统内多台机组同步调整的 系统级的控制，还需考虑机组间的有功功率合理 分配、电力系统稳定性、运行经济性；
• 根据频率偏差确定有功功率调整量的方法，仍然 离不开自动控制理论，如PID等；
低频减载的基本问题
• 低频减载最大切除负荷量的计算：按最大有功缺 额来计算最大负荷切除量。 根据负荷调节效应系数的定义式，以及最大功率 缺额、负荷调节效应系数、希望的恢复频率、切 除前的总负荷功率等，可以计算出低频减载最大 切除负荷量：
K L* （PHmax -PLmax） PLe （PLe -PLmax） P * = （f e -f H） f* f fe fe P
电力系统有功负荷的频率调节效应系数
• 在额定频率附近，负荷的功频特性曲线近似为直 线，其斜率： • 称KL和KL*为负荷的频率调节效应系数。统计数 据表明：KL*大约在1～3之间变化，且每个系统 的KL*会随季节和昼夜发生变化。 • KL与KL*的换算：
PLe PL f e fe PL* K L* = = =K L f f* f PLe PLe fe PL