电力系统自动化 Automation of Power.ppt

电力系统自动化AutomationofPowerSystem,杭州电子科技大学自动化学院,第三章电力系统频率及有功功率的调节,一、电力系统的频率特性二、调频与调频方程式三、电力系统的经济调度与自动调频四、电力系统低频减载,,目的要求,了解电力系统调频的实质和重要性；了解负荷的静态频率特性及负荷调节效应；了解调速器的工作原理及其静态调节特性、配有调速器的发电机组的功率频率特性.,重点,负荷的静态频率特性及负荷调节效应,难点,电力系统的功率-频率特性分析,第一节电力系统的频率特性,一、概述1并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为式中P发电机组转子极对数n发电机组的转数（r/min）f电力系统频率（Hz）显然，电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速。,第一节电力系统的频率特性,2电力系统频率一致。3任一时刻，发供平衡。4负荷增加时，系统出现了功率缺额，机组的转速下降，整个系统的频率降低。5调频与有功功率调节是不可分开的。6调频是一个要有整个系统来统筹调度与协调的问题，不允许任何电厂有一点“各自为政”的趋向。7调频与运行费用的关系也十分密切。8力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。,第一节电力系统的频率特性,第一节电力系统的频率特性,9）负荷的变动情况可以分成几种不同的分量一是变化周期一般小于10s的随机分量；二是变化周期在10s～3min之间的脉动分量；三是变化周期在3min以上的持续分量，负荷预测预报这一部分。10）第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。11）第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。12）第三种负荷变化，调度部门的计划内负荷，这称为频率的三次调整。,第一节电力系统的频率特性,二、电力系统负荷的调节效应1）当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变，即这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率频率特性，是负荷的静态频率特性，也称作负荷的调节效应。,2）电力系统中各种有功负荷与频率的关系,负荷的功率频率特性一般可表示为式中额定频率系统频率为f时，整个系统的有功负荷系统频率为额定值时，整个系统的有功负荷为上述各类负荷占的比例系数,第一节电力系统的频率特性,将上式除以，则得标么值形式，即通常与频率变化三次方以上成正比的负荷很少，如忽略其影响，并将上式对频率微分，得称为负荷的调节效应系数。,第一节电力系统的频率特性,第一节电力系统的频率特性,说明1）负荷的频率效应起到减轻系统能量不平衡的作用。2）称为负荷的频率调节效应系数。3）电力系统允许频率变化的范围很小，为此负荷功率与频率的关系曲线可近似地视为具有不变斜率的直线。这斜率即为。4）表明系统频率变化1时，负荷功率变化的百分数。5）对于不同的电力系统，值也不相同。一般13。即使是同一系统的，也随季度及昼夜交替导致负荷组成的改变而变化。,第一节电力系统的频率特性,例3-1某电力系统中，与频率无关的负荷占30％，与频率一次方成比例的负荷占40％，与频率二次方成比例的负荷占10％，与频率三次方成比例的负荷占20％。求系统频率由50Hz下降到47Hz时，负荷功率变化的百分数及其相应的值。,第一节电力系统的频率特性,解由（3-3）式可求出当频率下降到47Hz时系统的负荷为则于是,第一节电力系统的频率特性,例3-2某电力系统总有功负荷为3200MW（包括电网的有功损耗），系统的频率为50Hz，若，求负荷频率调节效应系数KL值。解若系统KL*值不变，负荷增长到3650MW时，则即频率降低1Hz，系统负荷减少l09.5MW，由此可知，KL的数值与系统的负荷大小有关。,第一节电力系统的频率特性,三、发电机组的功率频率特性a发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。b通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率频率特性或调节特性。c发电机组的功率频率特性取决于调速系统的特性。,第一节电力系统的频率特性,一机械式调速器简介1）两个重锤开度减小A降至A′C点尚未移动B点降至B′点D点代表有伺服马达控制的转速整定元件，它不会因转速而变动E、F下降至E′、F′。活塞提升，汽门提升，进汽量增加转速就会回升。,第一节电力系统的频率特性,2）转速上升时重锤开度增加A、B、E、F各点也随之不断改变；这个过程要到C点升到某一位置时，比如C′′，即汽门开大到某一位置时，机组的转速通过重锤的开度使杠杆DEF重新回复到使Ⅱ的活门完全关闭的位置时才会结束，这时B点就回到原来的位置。3）由于C′′上升了，所以A′′必定低于A。这说明调速过程结束时，出力增加，转速稍有降低。4）调速器是一种有差调节器。5）通过伺服马达改变D点的位置，就可以达到将调速器特性上下平移的目的。,第一节电力系统的频率特性,（二）发电机的调差系数同步发电机的频率调差系数R负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化符号相反。调差系数R的标幺值表示为上式又称为发电机组的静态调节方程。,第一节电力系统的频率特性,在计算功率与频率的关系时，常常采用调差系数的倒数，KG*发电机的功率-频率特性系数，或原动机的单位调节功率。一般发电机的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值对汽轮发电机组R*4-6或KG*16.6-25；对水轮发电机组R*2-4或KG*25-50；,第一节电力系统的频率特性,（三）调差特性与机组间有功功率分配的关系曲线①代表1号发电机组的调节特性。曲线②代表2号发电机组的调节特性。系统频率为fe线段CB的长度所示系统总负荷ΣPL。1号机承担的负荷为P1，2号机承担的负荷为P2，于是有P1P2ΣPL,第一节电力系统的频率特性,系统频率稳定在f11号机组的负荷增加了ΔP12号机组的负荷增加了ΔP2两台机组增量之和等于ΔPL可得此式表明在发电机组间的功率分配与机组的调差系数成反比。,第一节电力系统的频率特性,（四）调节特性的失灵区由于测量元件的不灵敏性，对微小的转速变化不能反应，调速器具有一定的失灵区，因而调节特性实际上是一条具有一定宽度的带子。不灵敏区的宽度可以用失灵度ε来描述，即式中ΔfW调速器的最大频率呆滞有失灵区产生的分配功率上的误差为（用标幺值表示）,第一节电力系统的频率特性,1）ΔPW*与失灵度ε成正比，而与调差系数R*成反比。过小的调差系数将会引起较大的功率分配误差，所以R*不能太小。2）如果不灵敏区太小或完全没有，那么当系统频率发生微小波动时，调速器也要调节，这样会使阀门的调节过分频繁。,第一节电力系统的频率特性,四、电力系统的频率特性发电机组的功率频率特性与负荷的功率、频率特性曲线的交点就是电力系统频率的稳定运行点。,第一节电力系统的频率特性,a点fe，PLb点负荷增加ΔPL，负荷静态频率特性变为PL1，无调速器，频率稳定值下降到f3，取用功率仍然为原来的PL值c点调速器一次调节，增加机组的输入功率PT。频率稳定在f2d点调频器二次调节，增加机组的输入功率PT。频率稳定在fe,第二节调频与调频方程式,一、有差调频法1调频方程式有差调频法指用有差调频器进行并联运行，达到系统调频的目的的方法。有差调频器的稳态工作特性可以用下式表示，即ΔfRΔPc0式中Δf、ΔPc调频过程结束时系统频率的增量与调频机组有功功率的增量R有差调频器的调差系数,第二节调频与调频方程式,2）调频过程调频器的调整是向着满足调频方程式的方向进行的。,第二节调频与调频方程式,3）机组间有功功率的分配当系统中有n台机组参加调频式中Δf系统的频率增量Ri第i台机组的调差特性ΔPCi第i台机组的有功功率增量（调频功率,第二节调频与调频方程式,设系统的负荷增量（即计划外的负荷）为ΔPL，则调节过程结束时，必有上式也可以写为其中是系统的等值调节系数则每台调频机组所承担的计划外负荷为,第二节调频与调频方程式,4）优缺点1、各机组同时参加调频，没有先后之分2、计划外负荷在调频机组间是按一定的比例分配的3、频率稳定值的偏差较大,第二节调频与调频方程式,二、主导发电机法1）调频方程式式中ΔPci第i调频发电机的有功增量Ki功率分配系数,第二节调频与调频方程式,2）调频过程设系统负荷有了新的增量ΔP，主导发电机调频器的调节方程的原有平衡状态被首先打破，无差调频器向着满足其调节方程的方向对机组的有功出力进行调整，随之出现了新的ΔP1值，于是其余n－1个调频机组的功率分配。方程式的原有平衡状态跟着均被打破，它们都会向着满足其功率分方程的方向对各自机组的有功出力进行调节，即出现了“成组调频”的状态。调频过程一直要到ΔPC1不再出现新值才告结束。,第二节调频与调频方程式,3）机组间有功功率的分配调频结束时必有而各调频机组分担的频率为式中上式说明各调频机组间的出力也是按照一定的比例分配的。,第二节调频与调频方程式,4）优缺点1、各调频机组间的出力也是按照一定的比例分配的。2、在无差调频器为主导调频器的主要缺点是各机组在调频过程中的作用有先有后，缺乏“同时性”。,第二节调频与调频方程式,三、积差调频法（同步时间法）1）调频方程式积差调频法（或称同步时间法）是根据系统频率偏差的累积值进行工作的。单机积差调节的调频方程式为式中K-调频功率比例系数,第二节调频与调频方程式,2）调频过程在t0时ffe、∫Δfdt0、ΔPc0，上式是得到满足的。在t1-tA时负荷增大，频率下降，出现了Δf0，∫Δfdt向正方向积累，使其负值减小􀁺平衡被破坏，调节器动作，减小功率的设定值ΔPc直到频率恢复到fe，调节过程结束􀁺这时有Δf0，∫ΔfdtB常数，发电机的出力为,第二节调频与调频方程式,由此可见，积差调节法的特点是调节过程只能在Δf0时结束，，此常数与计划外负荷成正比。,第二节调频与调频方程式,3）机组间有功功率的分配多台机组用积差法实现调频时，可采用集中制、分散制两种方式,第二节调频与调频方程式,其调频方程组如下,第二节调频与调频方程式,各机组的∫Δfdt也可以认为是相等的，系统的调频方程式为式中,第二节调频与调频方程式,每台调频机组分担的计划外负荷为按积差调频法实现调频时，各机组的出力也是按照一定比例自动进行分配的。,第二节调频与调频方程式,4）优缺点1.频率积差调节法的优点是能使系统频率维持额定。2.计划外的负荷能在所有参加调频的机组间按一定的比例进行分配。3.缺点是频率积差信号滞后于频率瞬时值的变化，因此调节过程缓慢。,第二节调频与调频方程式,四、改进积差调频法1）调频方程式在频率积差调节的基础上增加频率瞬时偏差的信息式中ΔPci第i机组承担的功率调节量Ri第i台机组的调差系数第i台机组的调节功率的分配系数，K功率频率换算系数,第二节调频与调频方程式,2）调频过程􀁺当系统频率变化时，按Δf启动的调速器会比按积差工作的调频器先进行大幅度的调整.到频差累积到一定值时，调频器会取代调速器的工作特性，使频率稳定在fe.􀁺调速器的作用为一次调频，积差调频为二次调频.,第二节调频与调频方程式,3）机组间有功功率的分配∫KΔfdt代表了系统计划外负荷的数值（K是一个转换常数），在调频结束时，计划外负荷是按一定比例在调频机组间进行分配的。,第二节调频与调频方程式,4）优缺点1、集中制调频的主要优点是各机组的功率分配是有比例的，也即式中的αi，αi是按照经济分配的原则给出的。2、图3-13所示分散机制调频的主要缺点是各调频装置的误差会带来系统内无休止的无谓的功率交换。,第二节调频与调频方程式,五、分区调频法（一）、分区控制误差ACE􀁺联络线功率应维持为计划功率􀁺A区负荷不变时，B区负荷增长，Δf0Δf和ΔPAB的符号相同，本区有负荷变动Δf和ΔPAB的符号不同，它区有负荷变动􀁺找到KA使KAΔfΔPAB0�分区控制误差（areacontrolerror）ACEKiΔfΔPtieACE0表明本区无负荷变动，无须调频,第二节调频与调频方程式,（二）、分区调频方程式1）调频方程式ACE积差调频方程式为式中系统频率的偏差,即i区联络线功率和的实际值i区联络线功率和的计划值i区调频机组的出力增量,第二节调频与调频方程式,2）频率恢复到额定值在调频过程结束时，必有分区控制误差ACE为零系统分区调频方程组为,第二节调频与调频方程式,分区调频结束时，各区的控制误差ACE都等于零，任何调频机组都不再出现新的功率增量，即有由于，如果各区调频中心都没有装置误差，即系统频率必维持在额定值fe，并有ΔPtie.I0。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,一、等微增率分配负荷的基本概念微增率是指输入耗量微增量与输出功率微增量的比值。等微增率法则，就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，这样就可使系统总的燃料消耗（或费用）为最小。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,对应于某一输出功率时的微增率就是耗量特性曲线上对应于该功率点切线的斜率，即式中b耗量微增率（或简称微增率）输入耗量微增率；输出功率微增量。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,第三节电力系统的经济调度与自动调频,设有n台机组，每台机组承担的负荷为P1，P2，,Pn，对应的燃料消耗为F1，F2，，Fn，则总的燃料消耗为而总负荷功率PL为,第三节电力系统的经济调度与自动调频,用拉格朗日乘子法则来求解取拉格朗日方程式中-总燃料消耗；-拉格朗日乘子；-约束函数。这里功率平衡就是相应的约束条件，即,第三节电力系统的经济调度与自动调频,使总燃料消耗最小的条件是（3-31）式对功率的偏导数为零。即,第三节电力系统的经济调度与自动调频,因PL是常数，同时各机组的输出功率又是相互无关的，所以,第三节电力系统的经济调度与自动调频,设每台机组都是独立的，那么每台机组燃料消耗只与本身的输出功率有关。因此，上式可写成,第三节电力系统的经济调度与自动调频,因此，发电厂内并联运行机组的经济调度准则为各机组运行时微增率b1,b2,⋯,bn相等，并等于全厂的微增率λ。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,二、发电厂之间负荷的经济分配设有n个发电厂，每个电厂承担的负荷分别为P1，P2，，Pn，相应的燃料消耗为F1，F2，，Fn，则全系统总的燃料消耗为总的发电功率与总负荷PL及线损Pe相平衡，即,第三节电力系统的经济调度与自动调频,拉格朗日方程为上式对功率的偏导数为零，得式中-线损修正系数；-系统微增率；-电厂微增率。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,在考虑线损条件下，负荷经济分配的准则是每个电厂的微增率与相应的线损修正系数的乘积相等。为了求得各电厂的微增率bi，必须计算出线损pe（一般事先根据运行工况而选定的线损系数求得），然后算出各电厂的线损微增率σi，即由上式得,第三节电力系统的经济调度与自动调频,三、自动发电控制（AGC/EDC功能）（一）概述电力系统中发电量的控制，一般分为三种情况由同步发电机的调速器实现的控制（一次调整，10S）；由自动发电控制（简称AGC，即英文AutomaticGenerationControl的缩写）（二次调整，10S3min）；按照经济调度（简称EDC，即英文EconomicDispatchControl）（三次调整，3min）。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,（2）自动发电控制的基本原理图中Pzd为输电线路功率的整定值，fzd为系统频率整定值，P为输电线路功率的实际值，f为系统频率的实际值，Bf为频率修正系数，SK外部控制回路，用来根据电力系统频率,偏差和输电线路上的功率偏差来确定输出控制信号，Pc为系统。要求调整的控制信号功率，SN为内部控制回路，用来控制调整调速器阀门开度，以达到所需要的输出功率。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,G1、G2、G3为发电机组；ACE称为区域控制误差，用来根据系统频率偏差以及输电线路功率偏差来确定输出控制信号；负荷分配器根据输入的控制信号大小并且根据等微增率准则或其他原则来控制各台发电机输出功率的大小。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,自动发电控制系统具有四个基本任务和目标①使全系统的发电机输出功率和总负荷功率相匹配；②将电力系统的频率偏差调整控制到零，保持系统频率为额定值；③控制区域间联络线的交换功率与计划值相等，以实现各个区域内有功功率和负荷功率的平衡；④在区域网内各发电厂之间进行负荷的经济分配。自动发电控制系统包括两大部分（1）负荷分配器（2）发电机组控制器,第三节电力系统的经济调度与自动调频,各台发电机组的设定调整功率按以下公式分配式中-各台发电机组的设定调整功率；-各台发电机的基点经济功率；-每台发电机的实际输出功率；-每台发电机的实际输出功率；,第三节电力系统的经济调度与自动调频,经济负荷分配（EDC）每隔五分钟修改一次Pbi和αi值，以适应经济调度的要求。有时为了增大加到发电机组上的误差信号信息，可以使用一个或者多个附加的负荷分配回路，如图3-19所示。这样的附加分配回路可以用一个分配系数iβ来表示，但它与按经济调度调整负荷的“分配系数αi”不同，它不受经济调度的约束，所以称为调整分配。,第三节电力系统的经济调度与自动调频,第三节电力系统的经济调度与自动调频,自动发电控制（AGC）的分配方式为或当ACE0，负荷按经济调度（EDC）分配当ACE0，ACE功率按分配,第三节电力系统的经济调度与自动调频,第三节电力系统的经济调度与自动调频,N满足􀂗地区间规定的净交换功率PAPBPC􀂗保持本系统的频率为额定值,第四节电力系统低频减载,一、概述a事故情况下，系统可能产生严重的有功缺额，因而导致系统频率大幅度下降。b所缺功率已经大大超过系统热备用容量，只能在系统频率降到某值以下，采取切除相应用户的办法来减少系统的有功缺额，使系统频率保持在事故允许的限额之内。c这种办法称为按频率自动减负荷。中文简拼为“ZPJH”，英文为UFLS（UnderFrequencyLoadShedding）。,第四节电力系统低频减载,二、系统频率的事故限额（1）系统频率降低使厂用机械的出力大为下降，有时可能形成恶性循环，直至频率雪崩。（2）系统频率降低使励磁机等的转速也相应降低，当励磁电流一定时，发送的无功功率会随着频率的降低而减少，可能造成系统稳定的破坏。（3）电力系统频率变化对用户的不利影响频率变化将引起异步电动机转速的变化。系统频率降低将使电动机的转速和功率降低。（4）汽轮机对频率的限制。（5）频率升高对大机组的影响。（6）频率对核能电厂的影响。,第四节电力系统低频减载,三、系统频率的动态特性系统频率变化不是瞬间完成的，而是按指数规律变化，其表示式为式中-由功率缺额引起的另一个稳定运行频率-系统频率变化的时间常数，它与系统等值机组惯性常数以及负荷调节效应系数∗LK有关，一般在（4～10）间。大系统Tf较大，小系统Tf较小。,第四节电力系统低频减载,四、自动低频减载（按频率自动减负荷装置“ZPJH”）的工作原理,第四节电力系统低频减载,“轮”计算点f1、f2,fn点1系统发生了大量的有功功率缺额点2频率下降到f1，第一轮继电器起动，经一定时间Δt1点3断开一部分用户，这就是第一次对功率缺额进行的计算。点3-4如果功率缺额比较大，第一次计算不能求到系统有功功率缺额的数值，那么频率还会继续下降，很显然由于切除了一部分负荷，功率缺额已经减小，所有频率将按3-4的曲线而不是3-3曲线继续下降。,第四节电力系统低频减载,点4当频率下降到f2时，ZPJH的第二轮频率继电器启动，经一定时间Δt2后点5又断开了接于第二轮频率继电器上的用户。点5-6系统有功功率缺额得到补偿。频率开始沿5～6曲线回升，最后稳定在f∞2。逐次逼近进行一次次的计算，直到找到系统功率缺额的数值（同时也断开了相应的用户）。即系统频率重新稳定下来或出现回升时，这个过程才会结束。,第四节电力系统低频减载,五、最大功率缺额的确定1）保证在系统发生最大可能的功率缺额时，也能断开相应的用户，避免系统的瓦解，使频率趋于稳定。2）对系统中可能发生的最大功率缺额应作具体分析有的按系统中断开最大容量的机组来考虑；有的要按断开发电厂高压母线来考虑等。3）系统功率最大缺额确定以后，就可以考虑接于减负荷装置上的负荷的总数。要求恢复频率fhf可以低于额定频率。4）考虑到负荷调节效应，接于减负荷装置上的负荷总功率PJH可以比最大功率缺额Pqe小些。,第四节电力系统低频减载,根据负荷调节效应系数公式可以得到或式中恢复频率偏差的相对值，减负荷前系统用户的总功率。,第四节电力系统低频减载,例3-3某系统的用户总功率为MWPfhe2800，系统最大的功率缺额MWPqe900，负荷调节效应系数2∗LK，自动减负荷动作后，希望恢复频率值Hzfhf48，求接入减负荷装置的负荷总功率JHP。解减负荷动作后，残留的频率偏差相对值由式（3-47）得,第四节电力系统低频减载,六、各轮动作功率的选择1）第一级动作频率一般的一级启动频率整定在49Hz。2）最后一轮的动作频率自动减负荷装置最后一轮的动作频率最好不低于46～46.5Hz3）前后两级动作的频率间隔前后两级动作的时间间隔是受频率测量元件的动作误差和开关固有跳闸时间限制的。,第四节电力系统低频减载,七、各轮最佳断开功率的计算1系统频率的最后稳定值在最大恢复频率fhfmaxi与最小恢复频率fhfmini之间2（fhfmaxi－fhfmini）是正比于ZPJH第i次的计算误差的3当ZPJH动作后，可能出现的最大误差为最小时，ZPJH就具有最高的选择性。4fhfmin事实上等于特殊轮的动作频率fdzts,第四节电力系统低频减载,5一般情况下，各轮的fhfmaxi是不同的，而ZPJH的最终计算误差则应按其中最大的计算。根据极值原理，显而易见，要使ZPJH装置的误差为最小的条件是fhfmax1fhfxmaxvfhfmaxnfhf06各轮恢复频率的最大值fhf0可考虑如下当系统频率缓慢下降，并正好稳定在第i轮继电器的动作频率fdzi时，第i轮继电器动作，并断开了相应的用户功率ΔPi，于是频率回升到这一轮的最大恢复频率fhfmaxi。,第四节电力系统低频减载,第四节电力系统低频减载,八、特殊轮的功用与断开功率的选择1）第i轮动作后，系统频率稳定在低于恢复频率的低限fhfmini但又不足使i1轮减负荷装置动作2）特殊轮的动作频率fdztsfhfmin3）它是在系统频率已比较稳定时动作的，因此其动作时限可以取系统频率时间常数Tf的2～3倍，一般为15～25s,第四节电力系统低频减载,4）特殊轮断开功率可按以下两个极限条件来选择（1）当最后第二轮即n－1轮动作后，系统频率不回升反而降到最后一轮，即第n轮动作频率fdzn附近，但又不足使第n轮动作时，则在特殊轮动作断开其所接用户功率后，系统频率应恢复到fhfmin以上，因此特殊轮应断的用户功率为,第四节电力系统低频减载,（2）当系统频率在第i轮动作后稳定在稍低于特殊轮的动作频率fdzts，特殊轮动作断开其用户后，系统频率不应高于fhf0，因此只有在按式（3-53）算出的ΔPts小于式（3-52）的数值时，才按式（3-52）选择ΔPts。,第四节电力系统低频减载,九、ZPJH装置的时限a为了防止在系统发生振荡或系统电压短时间下降时ZPJH装置的误动作，要求装置能带有一些时限b但时限太长将使系统发生严重事故时，频率会危险地降低到临界值以下。因此一般可以取为0.2～0.3s。c参加自动减载的一部分负荷允许带稍长一些的时限，例如带5s时限，但是这部分负荷功率的数量必须控制在这样的范围内，即其余部分动作以后，保证系统频率不低于临界频率45Hz。,ThankYou,