1、North China Electric Power University第八講 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調(diào)節(jié)及控制（1）主講人：李巖松華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院North China Electric Power Universitypage22022-5-4第五章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調(diào)節(jié)及控制 本章就電力系統(tǒng)的頻率特性和調(diào)頻的有關(guān)問題展開討論，闡述了經(jīng)濟調(diào)度和自動調(diào)頻的問題。North China Electric Power Universitypage32022-5-4第一節(jié) 電力系統(tǒng)頻率特性系統(tǒng)內(nèi)有系統(tǒng)內(nèi)有m臺機組，電功率輸出為臺機組，電功率輸出為 ，原動機的輸入總

2、功率，原動機的輸入總功率為為 ，在忽略內(nèi)部損耗的條件下，存在關(guān)系：，在忽略內(nèi)部損耗的條件下，存在關(guān)系：mGiP1mTiP1mmGiTiPP11系統(tǒng)負荷變動使機組輸出電功率增加系統(tǒng)負荷變動使機組輸出電功率增加 ，而機械功率來不及，而機械功率來不及做出反應(yīng)，這時做出反應(yīng)，這時LPLmGimTiPPP11為了保持功率平衡機組只能把轉(zhuǎn)子的一部分動能轉(zhuǎn)換為電功率，為了保持功率平衡機組只能把轉(zhuǎn)子的一部分動能轉(zhuǎn)換為電功率，mKiLmGimTiWdtdPPP111機組轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)頻率下降機組轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)頻率下降North China Electric Power Universitypage42022-5

3、-41、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性電力系統(tǒng)負荷變動情況電力系統(tǒng)負荷變動情況電力系統(tǒng)運行中的主要任務(wù)之一就電力系統(tǒng)運行中的主要任務(wù)之一就是對頻率進行監(jiān)視和控制，保證電是對頻率進行監(jiān)視和控制，保證電力系統(tǒng)頻率的偏移在允許范圍內(nèi)力系統(tǒng)頻率的偏移在允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率就是改變單位時間內(nèi)進調(diào)節(jié)頻率就是改變單位時間內(nèi)進入原動機的動力元素（蒸汽或水）入原動機的動力元素（蒸汽或水）力求電力系統(tǒng)負荷在安全運行力求電力系統(tǒng)負荷在安全運行約束條件下，實現(xiàn)經(jīng)濟運行及在約束條件下，實現(xiàn)經(jīng)濟運行及在發(fā)電機組之間實現(xiàn)經(jīng)濟分配。發(fā)電機組之間實現(xiàn)經(jīng)濟分配。勵磁調(diào)節(jié)基本目標：勵磁調(diào)節(jié)基本目標：發(fā)電機端電壓發(fā)電機端電壓和和無功功率

4、分配無功功率分配調(diào)速器的基本目標：調(diào)速器的基本目標：發(fā)電機頻率發(fā)電機頻率和和有功功率分配有功功率分配North China Electric Power Universitypage52022-5-41、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性電力系統(tǒng)中有功功率與頻率之間的關(guān)系：電力系統(tǒng)中有功功率與頻率之間的關(guān)系：1、與頻率變化無關(guān)的負荷：、與頻率變化無關(guān)的負荷：照明、電弧爐、整流負荷照明、電弧爐、整流負荷2、與頻率成正比的負荷：、與頻率成正比的負荷：切削機床、球磨機、壓縮機切削機床、球磨機、壓縮機3、與頻率的二次方成正比的負荷：、與頻率的二次方成正比的負荷：變壓器中的渦流損耗變壓器中的渦流損耗4、與頻率

5、的三次方成正比的負荷：、與頻率的三次方成正比的負荷：通風(fēng)機、靜水頭阻力不大的通風(fēng)機、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵循環(huán)水泵5、與頻率的高次方成正比的負荷：、與頻率的高次方成正比的負荷：靜水頭阻力很大的循環(huán)水泵靜水頭阻力很大的循環(huán)水泵nnLNnNLNNLNNLNLNLffPaffPaffPaffPaPaP.332210North China Electric Power Universitypage62022-5-41、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性1.3210*3*32*2*10*nnnLaaaaafafafafaaP電力系統(tǒng)有功負荷的靜態(tài)頻率特性方程電力系統(tǒng)有功負荷的靜態(tài)頻率特性方程 當電力系統(tǒng)內(nèi)機

6、組的輸入功率當電力系統(tǒng)內(nèi)機組的輸入功率和負荷功率之間失去平衡時和負荷功率之間失去平衡時,系系統(tǒng)負荷也參與了調(diào)節(jié)作用。統(tǒng)負荷也參與了調(diào)節(jié)作用。這種特性有利于系統(tǒng)中的有功這種特性有利于系統(tǒng)中的有功功率在另一個頻率下重新獲得平功率在另一個頻率下重新獲得平衡衡負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)*dfdPKLLNorth China Electric Power Universitypage72022-5-41、電力系統(tǒng)負荷的功率-頻率特性nmmmLLfmadfdPK11*為負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，用為負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，用以衡量調(diào)節(jié)效應(yīng)的大小。以衡量調(diào)節(jié)效應(yīng)的大小。根據(jù)國內(nèi)外的實測數(shù)據(jù)表明，根據(jù)

7、國內(nèi)外的實測數(shù)據(jù)表明，有功負荷與頻率之間的關(guān)系有功負荷與頻率之間的關(guān)系曲線接近于一條直線。曲線接近于一條直線。*fPtgKLLfPKLLLNNLLPfKK*有功功率有功功率變化量變化量相對應(yīng)有功功相對應(yīng)有功功率變化的頻率率變化的頻率的變化量的變化量 是電力系統(tǒng)調(diào)度部門要求掌握的一個數(shù)是電力系統(tǒng)調(diào)度部門要求掌握的一個數(shù)據(jù)。它表明系統(tǒng)頻率變化據(jù)。它表明系統(tǒng)頻率變化1%時負荷功率變化時負荷功率變化的百分數(shù)。的百分數(shù)。*LKNorth China Electric Power Universitypage82022-5-42、發(fā)電機組的功率-頻率特性發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速調(diào)整是由原動機的調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)的，發(fā)電

8、機的發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速調(diào)整是由原動機的調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)的，發(fā)電機的功率功率-頻率特性取決于調(diào)速器系統(tǒng)的特性頻率特性取決于調(diào)速器系統(tǒng)的特性*BWAMG2*2*1*fCfCPG發(fā)電機組無調(diào)速器發(fā)電機組無調(diào)速器在調(diào)速器的作用在調(diào)速器的作用下不斷改變進氣下不斷改變進氣量，使原動機的量，使原動機的運行點不斷地從運行點不斷地從一根靜態(tài)特性向一根靜態(tài)特性向另一根靜態(tài)特性另一根靜態(tài)特性曲線過渡。曲線過渡。此時原動機進氣量達到最大值，此時原動機進氣量達到最大值，調(diào)速器不起作用，當頻率調(diào)速器不起作用，當頻率f繼續(xù)繼續(xù)下降時，運行點只能沿著對應(yīng)于下降時，運行點只能沿著對應(yīng)于最大進氣量的靜態(tài)特性曲線移動。最大進氣量的靜態(tài)特

9、性曲線移動。North China Electric Power Universitypage92022-5-42、發(fā)電機組的功率-頻率特性對應(yīng)于頻率下降對應(yīng)于頻率下降 ，發(fā)電機組輸出功，發(fā)電機組輸出功率增加率增加 ，這是一種有差調(diào)節(jié)特性，這是一種有差調(diào)節(jié)特性fGPGPfR發(fā)電機組的發(fā)電機組的調(diào)差系數(shù)調(diào)差系數(shù)負號表示發(fā)電機輸出功率負號表示發(fā)電機輸出功率的變化和頻率變化相反的變化和頻率變化相反*GGNGNPfPPffR0*GPRf發(fā)電機組的靜態(tài)調(diào)節(jié)方程發(fā)電機組的靜態(tài)調(diào)節(jié)方程North China Electric Power Universitypage102022-5-43、發(fā)電機組調(diào)差系數(shù)與

10、有功功率分配*GPRf*1*2*2*1RRPP機組間的有功功率分配與機機組間的有功功率分配與機組的調(diào)差系數(shù)成反比組的調(diào)差系數(shù)成反比niiGiNNniGiRPffPP1*1推廣到多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行的情況：推廣到多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行的情況：North China Electric Power Universitypage112022-5-45、電力系統(tǒng)的頻率特性North China Electric Power Universitypage122022-5-4第二節(jié) 調(diào)速器及頻率調(diào)節(jié)特性機械液壓調(diào)速器機械液壓調(diào)速器電氣液壓調(diào)速器電氣液壓調(diào)速器North China Electric Power

11、 Universitypage132022-5-41、機械液壓調(diào)速器1、在、在B、D點不動的情況下，點不動的情況下，A點上升點上升- E點上升點上升2、在、在A、D點不動的情況下，點不動的情況下，B點下降點下降- E點下降點下降E E點的位移正比于點的位移正比于A A、B B兩兩點的位移之和，具有加點的位移之和，具有加法性質(zhì)。法性質(zhì)。3、在、在C點不動的情況下，點不動的情況下，B點上升點上升 A點下降；點下降；B點下降點下降A(chǔ)點上升點上升B B點具有反饋作用點具有反饋作用North China Electric Power Universitypage142022-5-41、機械液壓調(diào)速器負荷

12、突然減少負荷突然減少轉(zhuǎn)速升高轉(zhuǎn)速升高A增大增大E點減小點減小減小開度減小開度開度反饋開度反饋B減少減少達到新的達到新的平衡點平衡點North China Electric Power Universitypage152022-5-41、機械液壓調(diào)速器調(diào)頻器啟動調(diào)頻器啟動D點增大點增大E點增大點增大開度增大開度增大B點增大點增大開度反饋開度反饋達到新達到新平衡點平衡點North China Electric Power Universitypage162022-5-42、電氣液壓調(diào)速器12345North China Electric Power Universitypage172022-5-4

13、2、電氣液壓調(diào)速器轉(zhuǎn)速測量磁阻發(fā)送器磁阻發(fā)送器作用是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電壓信號。作用是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電壓信號。 齒輪與鐵芯齒輪與鐵芯之間的磁阻變化之間的磁阻變化導(dǎo)致通過測速磁導(dǎo)致通過測速磁頭的磁通發(fā)生相頭的磁通發(fā)生相應(yīng)變化，在線圈應(yīng)變化，在線圈中感應(yīng)出微弱的中感應(yīng)出微弱的脈動信號，該信脈動信號，該信號的頻率與機組號的頻率與機組轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)速成正比。North China Electric Power Universitypage182022-5-4 微分電路在方波的上升沿時獲得正微分電路在方波的上升沿時獲得正向尖峰脈沖，觸發(fā)一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器向尖峰脈沖，觸發(fā)一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后，輸出

14、一個幅度為后，輸出一個幅度為v寬度為寬度為t的正向的正向方波脈沖。在單位時間內(nèi)，單穩(wěn)態(tài)觸方波脈沖。在單位時間內(nèi)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的正脈沖數(shù)與磁阻發(fā)送器輸發(fā)器輸出的正脈沖數(shù)與磁阻發(fā)送器輸出信號頻率成正比出信號頻率成正比2、電氣液壓調(diào)速器轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速/頻率頻率-電壓變送器電壓變送器將磁阻發(fā)送器輸出的脈將磁阻發(fā)送器輸出的脈動信號轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)速成動信號轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)速成正比的電壓輸出值。正比的電壓輸出值。濾波器實際上是個積分器，在單位時濾波器實際上是個積分器，在單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)越多則輸出的電壓越高間內(nèi)脈沖個數(shù)越多則輸出的電壓越高North China Electric Power University

15、page192022-5-42、電氣液壓調(diào)速器功率測量將發(fā)電機的有功功率轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓將發(fā)電機的有功功率轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓有功功率變送器有功功率變送器執(zhí)行元件就是霍爾效應(yīng)原理的測量元件執(zhí)行元件就是霍爾效應(yīng)原理的測量元件810cosBidREcHH霍爾效應(yīng)系數(shù)霍爾效應(yīng)系數(shù)霍爾元件厚度霍爾元件厚度控制電流控制電流磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度與元件磁感應(yīng)強度與元件平面法線的夾角平面法線的夾角North China Electric Power Universitypage202022-5-42、電氣液壓調(diào)速器功率測量tUKimcsin1tIKBmsin2tIUKttIUKKKEmmmm

16、H2coscos2sinsin321正比于有功功率正比于有功功率8HHCcos10REi BdNorth China Electric Power Universitypage212022-5-42、電氣液壓調(diào)速器給定環(huán)節(jié)及PID調(diào)節(jié)器用高精度穩(wěn)定電源供電的精密多轉(zhuǎn)電位器構(gòu)成用高精度穩(wěn)定電源供電的精密多轉(zhuǎn)電位器構(gòu)成由由運運算算放放大大器器構(gòu)構(gòu)成成North China Electric Power Universitypage222022-5-42、電氣液壓調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換器功率放大器輸出功率放大器輸出增大增大電液轉(zhuǎn)換器線圈電磁力電液轉(zhuǎn)換器線圈電磁力增大增大調(diào)節(jié)油閥調(diào)節(jié)油閥關(guān)小關(guān)小在十字彈簧在十

17、字彈簧的壓力下的壓力下繼動器輸入油壓繼動器輸入油壓升高升高繼動器蝶閥繼動器蝶閥下移下移繼動器排油繼動器排油增加增加North China Electric Power Universitypage232022-5-42、電氣液壓調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換器繼動器內(nèi)腔油壓繼動器內(nèi)腔油壓升高升高繼動器滑閥繼動器滑閥下移下移油動機入油油動機入油增加增加油動機活塞油動機活塞上移上移汽門調(diào)節(jié)閥汽門調(diào)節(jié)閥開大開大進入汽輪機的有功進入汽輪機的有功增大增大North China Electric Power Universitypage242022-5-42、電氣液壓調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換器油動機活塞油動機活塞上移上移B點點上移

18、上移A點點上移上移繼動器蝶閥繼動器蝶閥上移上移穩(wěn)定在新的工作點穩(wěn)定在新的工作點North China Electric Power Universitypage252022-5-42、電氣液壓調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換器繼動器繼動器油動機油動機蒸汽閥蒸汽閥AB杠桿杠桿功率放大器功率放大器AB+-+North China Electric Power Universitypage262022-5-43、數(shù)字式電液調(diào)速器輔助功能：輔助功能：機組自啟動控制機組自啟動控制、跟蹤電網(wǎng)頻跟蹤電網(wǎng)頻率快速同期并列、啟動過程的熱應(yīng)力管理率快速同期并列、啟動過程的熱應(yīng)力管理North China Electric Powe

19、r Universitypage272022-5-4二、頻率調(diào)節(jié)特性物理系統(tǒng)物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模物理映射物理映射數(shù)學(xué)分析數(shù)學(xué)分析1、調(diào)速器、調(diào)速器2、原動機、原動機3、區(qū)域系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)North China Electric Power Universitypage282022-5-41、調(diào)速器cDABDAEPkXfkXXKXKXKX21421EBXKdtXd3假定流入油壓機的油量與假定流入油壓機的油量與導(dǎo)油閥的位置導(dǎo)油閥的位置 成正比成正比EX ssXKsXEB3 sXKsPKsFKsXBcE421 3412KsKsFKsPKsXcBNorth China Electric Power

20、 Universitypage292022-5-41、調(diào)速器 124342111KKRKKTKKKsFRsPsTKsXnncnnB sFRsPsGsXcnB1 nnnsTKsG1表示了原動機調(diào)節(jié)量與控制指令信號表示了原動機調(diào)節(jié)量與控制指令信號 及系及系統(tǒng)頻率統(tǒng)頻率 間的動態(tài)特性間的動態(tài)特性 sPc sFNorth China Electric Power Universitypage302022-5-42、原動機汽輪機氣閥位置氣閥位置 的改變會導(dǎo)致進氣量的變化，使汽輪機輸入功率的改變會導(dǎo)致進氣量的變化，使汽輪機輸入功率變動變動 ，因而引起發(fā)電機功率的變化，因而引起發(fā)電機功率的變化 BXTPGP

21、汽輪機的調(diào)節(jié)閥門和第一級噴嘴之間有一定的空間，開啟汽輪機的調(diào)節(jié)閥門和第一級噴嘴之間有一定的空間，開啟/關(guān)關(guān)閉氣門使進入氣門的蒸汽量有所改變，但是這個空間的壓力閉氣門使進入氣門的蒸汽量有所改變，但是這個空間的壓力不能立即改變，這樣就形成了機械功率滯后于氣門開度變化，不能立即改變，這樣就形成了機械功率滯后于氣門開度變化，也就是也就是“汽容影響汽容影響”。可以用慣性環(huán)節(jié)來描述：可以用慣性環(huán)節(jié)來描述： sTKsXsPsGTTBTT1 sTsTsTKKsXsPsGrTrrTBTT1)1 (1對于再熱式汽輪機要考對于再熱式汽輪機要考慮再熱段充氣時延慮再熱段充氣時延North China Electric Power Universitypage312022-5-43、原動機水輪機在水流的穩(wěn)態(tài)情況下，水的流速是一定的。在水流的穩(wěn)態(tài)情況下，水的流速是一定的。當迅速關(guān)小導(dǎo)向葉片的開度，導(dǎo)管中的水壓力會急當迅速關(guān)小導(dǎo)向葉片的開度，導(dǎo)管中的水壓力會急劇上升；當迅速開大導(dǎo)向葉片的開度，導(dǎo)管中的水劇上升；當迅速開大導(dǎo)向葉片的開度，導(dǎo)管中的水壓力會急劇下降。這就是水錘現(xiàn)象。壓力會急劇下降。這就是水錘現(xiàn)象。水輪機的功率不能隨著開度的變化而有一個時滯水輪機的功率不能隨著開度的變化而有一個時滯 15 . 01sTsTsGWW