1、University of South China第八讲 电力系统频率及有功功率的自动调节及控制（1）主讲人：盛义发主讲人：盛义发南华大学南华大学电气工程学院电气工程学院University of South Chinapage22023-5-14第五章 电力系统频率及有功功率的自动调节及控制 本章就电力系统的频率特性和调频的有关问题展开讨论，阐述了经济调度和自动调频的问题。University of South Chinapage32023-5-14第一节 电力系统频率特性系统内有系统内有m台机组，电功率输出为台机组，电功率输出为 ，原动机的输入总功率，原动机的输入总功率为为 ，在忽略内部损
2、耗的条件下，存在关系：，在忽略内部损耗的条件下，存在关系：mGiP1mTiP1mmGiTiPP11系统负荷变动使机组输出电功率增加系统负荷变动使机组输出电功率增加 ，而机械功率来不及，而机械功率来不及做出反应，这时做出反应，这时LPLmGimTiPPP11为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，mKiLmGimTiWdtdPPP111机组转速降低，系统频率下降机组转速降低，系统频率下降University of South Chinapage42023-5-141、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统负荷变动情况电力系统负
3、荷变动情况电力系统运行中的主要任务之一就电力系统运行中的主要任务之一就是对频率进行监视和控制，保证电是对频率进行监视和控制，保证电力系统频率的偏移在允许范围内力系统频率的偏移在允许范围内调节频率就是改变单位时间内进调节频率就是改变单位时间内进入原动机的动力元素（蒸汽或水）入原动机的动力元素（蒸汽或水）力求电力系统负荷在安全运行力求电力系统负荷在安全运行约束条件下，实现经济运行及在约束条件下，实现经济运行及在发电机组之间实现经济分配。发电机组之间实现经济分配。励磁调节基本目标：励磁调节基本目标：发电机端电压发电机端电压和和无功功率分配无功功率分配调速器的基本目标：调速器的基本目标：发电机频率发电
4、机频率和和有功功率分配有功功率分配University of South Chinapage52023-5-141、电力系统负荷的功率-频率特性电力系统中有功功率与频率之间的关系：电力系统中有功功率与频率之间的关系：1、与频率变化无关的负荷：、与频率变化无关的负荷：照明、电弧炉、整流负荷照明、电弧炉、整流负荷2、与频率成正比的负荷：、与频率成正比的负荷：切削机床、球磨机、压缩机切削机床、球磨机、压缩机3、与频率的二次方成正比的负荷：、与频率的二次方成正比的负荷：变压器中的涡流损耗变压器中的涡流损耗4、与频率的三次方成正比的负荷：、与频率的三次方成正比的负荷：通风机、静水头阻力不大的通风机、静水
5、头阻力不大的循环水泵循环水泵5、与频率的高次方成正比的负荷：、与频率的高次方成正比的负荷：静水头阻力很大的循环水泵静水头阻力很大的循环水泵nnLNnNLNNLNNLNLNLffPaffPaffPaffPaPaP.332210University of South Chinapage62023-5-141、电力系统负荷的功率-频率特性1.3210*3*32*2*10*nnnLaaaaafafafafaaP电力系统有功负荷的静态频率特性方程电力系统有功负荷的静态频率特性方程 当电力系统内机组的输入功率当电力系统内机组的输入功率和负荷功率之间失去平衡时和负荷功率之间失去平衡时,系系统负荷也参与了调节
6、作用。统负荷也参与了调节作用。这种特性有利于系统中的有功这种特性有利于系统中的有功功率在另一个频率下重新获得平功率在另一个频率下重新获得平衡衡负荷的频率调节效应负荷的频率调节效应*dfdPKLLUniversity of South Chinapage72023-5-141、电力系统负荷的功率-频率特性nmmmLLfmadfdPK11*为负荷的频率调节效应系数，用为负荷的频率调节效应系数，用以衡量调节效应的大小。以衡量调节效应的大小。根据国内外的实测数据表明，根据国内外的实测数据表明，有功负荷与频率之间的关系有功负荷与频率之间的关系曲线接近于一条直线。曲线接近于一条直线。*fPtgKLLfPK
7、LLLNNLLPfKK*有功功率有功功率变化量变化量相对应有功功相对应有功功率变化的频率率变化的频率的变化量的变化量 是电力系统调度部门要求掌握的一个数是电力系统调度部门要求掌握的一个数据。它表明系统频率变化据。它表明系统频率变化1%时负荷功率变化时负荷功率变化的百分数。的百分数。*LKUniversity of South Chinapage82023-5-142、发电机组的功率-频率特性发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的，发电机的功率功率-频率特性取决于调速器系统的特性频率特性取决于调速器系统的特性*BWAMG2*2*1*
8、fCfCPG发电机组无调速器发电机组无调速器在调速器的作用在调速器的作用下不断改变进气下不断改变进气量，使原动机的量，使原动机的运行点不断地从运行点不断地从一根静态特性向一根静态特性向另一根静态特性另一根静态特性曲线过渡。曲线过渡。此时原动机进气量达到最大值，此时原动机进气量达到最大值，调速器不起作用，当频率调速器不起作用，当频率f继续继续下降时，运行点只能沿着对应于下降时，运行点只能沿着对应于最大进气量的静态特性曲线移动。最大进气量的静态特性曲线移动。University of South Chinapage92023-5-142、发电机组的功率-频率特性对应于频率下降对应于频率下降 ，发电
9、机组输出功，发电机组输出功率增加率增加 ，这是一种有差调节特性，这是一种有差调节特性fGPGPfR发电机组的发电机组的调差系数调差系数负号表示发电机输出功率负号表示发电机输出功率的变化和频率变化相反的变化和频率变化相反*GGNGNPfPPffR0*GPRf发电机组的静态调节方程发电机组的静态调节方程University of South Chinapage102023-5-143、发电机组调差系数与有功功率分配*GPRf*1*2*2*1RRPP机组间的有功功率分配与机机组间的有功功率分配与机组的调差系数成反比组的调差系数成反比niiGiNNniGiRPffPP1*1推广到多台发电机组并联运行的
10、情况：推广到多台发电机组并联运行的情况：University of South Chinapage112023-5-145、电力系统的频率特性University of South Chinapage122023-5-14第二节 调速器及频率调节特性机械液压调速器机械液压调速器电气液压调速器电气液压调速器University of South Chinapage132023-5-141、机械液压调速器1、在、在B、D点不动的情况下，点不动的情况下，A点上升点上升-E点上升点上升2、在、在A、D点不动的情况下，点不动的情况下，B点下降点下降-E点下降点下降E E点的位移正比于点的位移正比于A A
11、、B B两两点的位移之和，具有加点的位移之和，具有加法性质。法性质。3、在、在C点不动的情况下，点不动的情况下，B点上升点上升 A点下降；点下降；B点下降点下降A点上升点上升B B点具有反馈作用点具有反馈作用University of South Chinapage142023-5-141、机械液压调速器负荷突然减少负荷突然减少转速升高转速升高A增大增大E点减小点减小减小开度减小开度开度反馈开度反馈B减少减少达到新的达到新的平衡点平衡点University of South Chinapage152023-5-141、机械液压调速器调频器启动调频器启动D点增大点增大E点增大点增大开度增大开度增
12、大B点增大点增大开度反馈开度反馈达到新达到新平衡点平衡点University of South Chinapage162023-5-142、电气液压调速器12345University of South Chinapage172023-5-142、电气液压调速器转速测量磁阻发送器磁阻发送器作用是将转速转换为相应频率的电压信号。作用是将转速转换为相应频率的电压信号。齿轮与铁芯齿轮与铁芯之间的磁阻变化之间的磁阻变化导致通过测速磁导致通过测速磁头的磁通发生相头的磁通发生相应变化，在线圈应变化，在线圈中感应出微弱的中感应出微弱的脉动信号，该信脉动信号，该信号的频率与机组号的频率与机组转速成正比。转速成
13、正比。University of South Chinapage182023-5-14 微分电路在方波的上升沿时获得正微分电路在方波的上升沿时获得正向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器向尖峰脉冲，触发一个单稳态触发器后，输出一个幅度为后，输出一个幅度为v宽度为宽度为t的正向的正向方波脉冲。在单位时间内，单稳态触方波脉冲。在单位时间内，单稳态触发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输发器输出的正脉冲数与磁阻发送器输出信号频率成正比出信号频率成正比2、电气液压调速器转速测量转速转速/频率频率-电压变送器电压变送器将磁阻发送器输出的脉将磁阻发送器输出的脉动信号转换为与转速成动信号转换为与转速成正比的电压输出值。
14、正比的电压输出值。滤波器实际上是个积分器，在单位时滤波器实际上是个积分器，在单位时间内脉冲个数越多则输出的电压越高间内脉冲个数越多则输出的电压越高University of South Chinapage192023-5-142、电气液压调速器功率测量将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压将发电机的有功功率转换为与之成正比的电压有功功率变送器有功功率变送器执行元件就是霍尔效应原理的测量元件执行元件就是霍尔效应原理的测量元件810cosBidREcHH霍尔效应系数霍尔效应系数霍尔元件厚度霍尔元件厚度控制电流控制电流磁感应强度磁感应强度磁感应强度与元件磁感应强度与元件平面法线的夹角平面法线的夹角
15、University of South Chinapage202023-5-142、电气液压调速器功率测量tUKimcsin1tIKBmsin2tIUKttIUKKKEmmmmH2coscos2sinsin321正比于有功功率正比于有功功率8HHCcos10REi BdUniversity of South Chinapage212023-5-142、电气液压调速器给定环节及PID调节器用高精度稳定电源供电的精密多转电位器构成用高精度稳定电源供电的精密多转电位器构成由由运运算算放放大大器器构构成成University of South Chinapage222023-5-142、电气液压调速器
16、电液转换器功率放大器输出功率放大器输出增大增大电液转换器线圈电磁力电液转换器线圈电磁力增大增大调节油阀调节油阀关小关小在十字弹簧在十字弹簧的压力下的压力下继动器输入油压继动器输入油压升高升高继动器蝶阀继动器蝶阀下移下移继动器排油继动器排油增加增加University of South Chinapage232023-5-142、电气液压调速器电液转换器继动器内腔油压继动器内腔油压升高升高继动器滑阀继动器滑阀下移下移油动机入油油动机入油增加增加油动机活塞油动机活塞上移上移汽门调节阀汽门调节阀开大开大进入汽轮机的有功进入汽轮机的有功增大增大University of South Chinapage
17、242023-5-142、电气液压调速器电液转换器油动机活塞油动机活塞上移上移B点点上移上移A点点上移上移继动器蝶阀继动器蝶阀上移上移稳定在新的工作点稳定在新的工作点University of South Chinapage252023-5-142、电气液压调速器电液转换器继动器继动器油动机油动机蒸汽阀蒸汽阀AB杠杆杠杆功率放大器功率放大器AB+-+University of South Chinapage262023-5-143、数字式电液调速器辅助功能：辅助功能：机组自启动控制机组自启动控制、跟踪电网频跟踪电网频率快速同期并列、启动过程的热应力管理率快速同期并列、启动过程的热应力管理Uni
18、versity of South Chinapage272023-5-14二、频率调节特性物理系统物理系统数学建模数学建模物理映射物理映射数学分析数学分析1、调速器、调速器2、原动机、原动机3、区域系统、区域系统University of South Chinapage282023-5-141、调速器cDABDAEPkXfkXXKXKXKX21421EBXKdtXd3假定流入油压机的油量与假定流入油压机的油量与导油阀的位置导油阀的位置 成正比成正比EX ssXKsXEB3 sXKsPKsFKsXBcE421 3412KsKsFKsPKsXcBUniversity of South Chinap
19、age292023-5-141、调速器 124342111KKRKKTKKKsFRsPsTKsXnncnnB sFRsPsGsXcnB1 nnnsTKsG1表示了原动机调节量与控制指令信号表示了原动机调节量与控制指令信号 及系及系统频率统频率 间的动态特性间的动态特性 sPc sFUniversity of South Chinapage302023-5-142、原动机汽轮机气阀位置气阀位置 的改变会导致进气量的变化，使汽轮机输入功率的改变会导致进气量的变化，使汽轮机输入功率变动变动 ，因而引起发电机功率的变化，因而引起发电机功率的变化 BXTPGP汽轮机的调节阀门和第一级喷嘴之间有一定的空间
20、，开启汽轮机的调节阀门和第一级喷嘴之间有一定的空间，开启/关关闭气门使进入气门的蒸汽量有所改变，但是这个空间的压力闭气门使进入气门的蒸汽量有所改变，但是这个空间的压力不能立即改变，这样就形成了机械功率滞后于气门开度变化，不能立即改变，这样就形成了机械功率滞后于气门开度变化，也就是也就是“汽容影响汽容影响”。可以用惯性环节来描述：可以用惯性环节来描述：sTKsXsPsGTTBTT1 sTsTsTKKsXsPsGrTrrTBTT1)1(1对于再热式汽轮机要考对于再热式汽轮机要考虑再热段充气时延虑再热段充气时延University of South Chinapage312023-5-143、原动机
21、水轮机在水流的稳态情况下，水的流速是一定的。在水流的稳态情况下，水的流速是一定的。当迅速关小导向叶片的开度，导管中的水压力会急当迅速关小导向叶片的开度，导管中的水压力会急剧上升；当迅速开大导向叶片的开度，导管中的水剧上升；当迅速开大导向叶片的开度，导管中的水压力会急剧下降。这就是水锤现象。压力会急剧下降。这就是水锤现象。水轮机的功率不能随着开度的变化而有一个时滞水轮机的功率不能随着开度的变化而有一个时滞 15.01sTsTsGWWnUniversity of South Chinapage322023-5-144、汽轮发电机组的传递函数 sFRsPsGsXcnB1 sTKsXsPsGTTBTT
22、1University of South Chinapage332023-5-144、汽轮发电机组的传递函数汽轮机与无限大系统并联运行汽轮机与无限大系统并联运行发电机的功率变化对发电机的功率变化对系统的频率没有影响系统的频率没有影响 TGPPsF0 sPsTKsTKsPsPcTTnnGT11University of South Chinapage342023-5-144、汽轮发电机组的传递函数 sPsTKsTKsPsPcTTnnGT11施加一个阶跃变化施加一个阶跃变化cP sPsTKsTKsPsPcTTnnGT11 cTnGsGPKKsPsPlim0发电机稳态输出功率增量发电机稳态输出功率增
23、量 与控制指令与控制指令 成正比，成正比，调节过程不会出现振荡，过程是单调衰减的。调节过程不会出现振荡，过程是单调衰减的。GPcPUniversity of South Chinapage352023-5-14小结小结1、负荷的功率、负荷的功率-频率特性频率特性2、发电机组的功率、发电机组的功率-频率特性频率特性3、调差特性与有功功率分配的关系、调差特性与有功功率分配的关系4、电力系统的频率特性、电力系统的频率特性5、机械调速器、机械调速器7、电气液压调速器的基本原理及控制框图、电气液压调速器的基本原理及控制框图8、调速器的工作过程、调速器的工作过程9、数字式电气液压调速器、数字式电气液压调速器
