第4章(自动化)

第4章水轮发电机组频率和功率的自动控制概述12自动发电控制（AGC）3频率和有功功率自动调节的方法4.1概述1、电力系统的功率平衡与频率稳定电力系统的频率是指电力系统中同步发电机产生的正弦交流电压的频率，是电力系统运行参数中最重要的参数之一。在稳态运行条件下，所有发电机同步运行，整个电力系统的频率是相等的。并列运行的每一台发电机的转速与频率之间的关系为式中p为发电机转子的极对数；n为发电机的转速，r/min；f为发电机定子电压的频率，Hz。60fpn电力系统的频率稳定与否，取决于系统的有功功率是否平衡：若系统总的发电功率等于用户总的耗用功率（包括厂用电和线路耗损），则系统的频率维持在额定值；若系统总的发电功率大于（或小于）用户总耗用功率，则系统的频率大于（或小于）额定值；由此可见，系统频率的变化是由于发电机的负荷功率与原动机输出功率之间失去平衡所致，因此调频与发电机的有功功率控制是分不开的。并网运行发电机组的功率控制，就是维持电力系统功率的平衡，使系统的频率偏差在容许的范围内。如何有效控制?改变负荷功率？改变输出功率？但电力系统的负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变则较缓慢，因此系统中频率的波动是难免的。式中，J为转动惯量，ω为角速度，M为力矩，其中一个为水力作用对水轮机转子的作用力矩（驱动力矩Mh），另一个为发电机定子对转子的电磁作用力矩（制动力矩Mg）。机组运行过程中，可能遇到的三种情况：dMM0constnconstdthg机组转速稳定（负荷不变）dMM0dthg机组加速运转（负荷减小）dMM0dthg机组减速运转（负荷增大）水轮发电机组基本运动方程（角动量定理）：dJMMdthg①②③从理论上讲，改变η、Q、H、ω中之一，都可改变M。但ω为被调节量，改变η不经济，改变H不现实（短时间内基本不变），因此只能改变Q来改变M，即通过导水机构的开度改变M。即对水电站而言，要通过改变导水机构的开度，调节发电流量大小，改变出力，以解决频率波动。这就是水轮机调速器的控制方法和基本原理。9.81NMQH9.81QHMdMM0dthg机组转速稳定（负荷不变）dMM0dthg机组加速运转（负荷减小）dMM0dthg机组减速运转（负荷增大）①②③Mg与负荷相关，Mh如何改变？改变Mh、Mg使得两者平衡2、电力系统的日负荷电力调度中心根据统计资料来制定系统日负荷曲线，如下图所示。图中，黑线为计划负荷，红线为实际负荷，其差值为计划外负荷。（小时）481216202410001500200025003000t)(MWP平均负荷基荷腰荷峰荷0计划负荷实际负荷前面说到，系统中频率的波动是难免的，其原因之一是电力系统的负荷是不断变化的。那么电力系统的负荷是如何不断变化的？计划外负荷从电力系统运行的实际情况来分析，系统负荷的变化主要可以分为两种类型：一种是有规律的变化，另一种是无规律的变化。（小时）481216202410001500200025003000t)(MWP平均负荷基荷腰荷峰荷0计划负荷实际负荷在一天之内，电力系统的负荷是有规律地变化的，一般有两三个高峰，例如早上八点左右和晚上七、八点左右；在高峰之间是相应的低谷，一般在晚上十点至第二天凌晨期间可能出现最低负荷。电力系统的日负荷曲线基本是按这种有规律的负荷来拟定的，最高负荷与最低负荷之间的差额，则随具体系统的情况而异，一般可达最大负荷的25%~50%左右。电力系统中无规律变化的负荷，是由于某些生产设备（例如大型水泵电动机、电气机车等）的启停而引起的，一般而言，这些设备的启停是没有规律的，这种无规律负荷的变化范围，通常在电力系统中所占的比例不大，一般不超过系统最大容量的2%左右，且系统容量越大，所占比例越小。（小时）481216202410001500200025003000t)(MWP平均负荷基荷腰荷峰荷0计划负荷实际负荷（小时）481216202410001500200025003000t)(MWP平均负荷基荷腰荷峰荷0计划负荷实际负荷不管是有规律的负荷变化还是无规律的负荷变化，都会引起电力系统频率或多或少的波动，而频率的波动将对用户产生直接的影响。因此，电力系统的频率波动必须控制在一定范围内，以确保系统用户的工作条件和系统运行安全。3、调频机组与调频电站由于计划外负荷是随机变化的，因此必须采取必要的技术手段，将电力系统的频率维持在正常水平。这就要求在系统中划出一部分机组甚至几个水电站执行调频任务，使系统的总发电功率随时跟踪用户的总耗用功率，这些机组或电站称为调频机组或调频电站。调频容量的大小取决于系统在10分钟内最大负荷上升的速度和系统频率的允许偏差值，一般约为系统最大负荷的8~10%。维持系统频率在50±0.2Hz/s；能够在调频机组和电站间实现有功功率的优化分配；能够防止输电线路过负荷运行；保证有一部分机组有旋转备用容量。对调频机组功率控制的要求是：在大容量电力系统中，由于需要的调频容量较大，对调频的要求比较高，故参与调频的机组往往不是一台，而是多台，甚至可能有几个电站的机组参与调频。而系统中的发电机组是多种多样的，通常有火电机组，又有水电机组，甚至还有核电风电等，这些机组的型号、容量、性能是各不相同的，所以，它们在承担固定负荷时存在一个有功功率的最优分配问题，即在调频的同时，又要在调频机组间实现有功功率的最优分配。什么是机组间有功功率的最优分配呢？4、运行机组间负荷优化分配原则基本原则：满足电力系统的功率平衡；避开机组的非安全运行区（机组震动区）运行；实现运行机组间的负荷优化分配，使系统的总发电费用最少。在完全由水电站组成的系统中，运行机组间负荷优化分配是指水能消耗最少的方案。对于有调节库容的水电站来说，是将电网调度按时段（一般是lh、0.5h或者15min）给定的电站日负荷，分配到各台机组，来确定机组间负荷的优化分配和机组合理的启、停次序，从而在满足各种约束条件下，使全厂的发电耗水最小（“以电定水”）。在由水、火电站组成的混合系统中，运行机组间负荷优化分配是指：在来水量一定的条件下，根据水库的调节性能和给定的负荷出力，进行水、火电机组间有功功率的分配，使系统总费用最少的方案。运行机组间负荷优化分配问题（水电系统）的数学模型为：目标函数约束条件mjjjHPQMinQ1),(。台机组的稳定运行区域第台机组的流量；第台机组的出力；第台机组的水头；第电站机组台数；jSjQjPjHmjjjjjjmjjSkPkPkP)()()(11()ttttttQVVSImin,max,1;tttttQQQQQQmin,max,1;tttttVVVVVV该模型的求解可采用：等微增率法、动态规划法等常规算法和遗传算法、粒子群算法等智能优化算法，这些算法有各自的特点，应根据问题的规模、计算速度要求、约束条件等，选择其中一种，或综合几种方法应用。1、水轮发电机组的调速系统水轮发电机组转速的调整是由水轮机调速系统来实现的，当系统有功功率平衡遭到破坏，引起频率变化时，原动机的调速系统将自动改变原动机的进水（汽）量，相应增加或减少发电机的出力，以适应负荷的需要。因此，发电机的功率-频率特性取决于调速系统的特性。水轮机调速系统的原理图如下：4.2频率和有功功率自动调节的方法水头反馈元件引水和泄水系统水轮机转矩发电机频率（转速）电网励磁执行机构放大校正元件测量元件给定元件导叶开度（流量）被控系统调速器流量目前，国内外原动机的调速系统有很多种类型，下面介绍原始的机械调速系统（离心飞摆式调速系统）。机械式调速器的结构图如下：2、水轮机调速器出口出口高压油入口流量水轮机导叶接力器导叶飞摆主配压阀关闭开启错油门油动机调频器ABCDFEab出口出口高压油入口流量水轮机导叶接力器导叶飞摆主配压阀关闭开启错油门油动机调频器ABCDFEabE′A′B′A″频率降低→飞摆下降→A降至A′→E降至E′→B升至B′→导叶开大→频率升高→飞摆上升→A′升至A″→C、F、E回到原点→a,b油门关闭。（上述为一次调频，其结果是A″低于A，说明一次调频有偏差，需通过调频器二次调频→A″升至A）出口出口高压油入口流量水轮机导叶接力器导叶飞摆主配压阀关闭开启错油门油动机调频器ABCDFEabE′A′B′A″A″低于A，此时为使负荷增加后机组转速仍能维持原始转速，在外界信号作用下，调频器转动，将D点抬高。杠杆DE绕F点顺时针转动（AB杆不动，故C、F不动），错油门再次向下移动，进一步加大进水量，机组转速上升，离心飞摆使A″上升。而在油动机活塞向上移动时，杠杆AB绕A″逆时针转动，带动C、F、E点向上移动，再次堵住错油门小孔，再次结束调解过程。如果D点的位移选择得恰当，A″就有可能回到原来位置A。这就是“二次调频”水轮发电机组的频率调差系数定义为式中为发电机有功功率的增量，MW；f*和P*为额定值。为频率差，即有功功率增量为时，频率相应的增量，。3、频率调差系数调差系数主要取决于调速器的静态调节特性（当调速器的调节过程结束，建立新的稳态时，发电机有功功率与频率之间的关系），它与机组间有功功率的分配密切相关。调差特性与机组间有功功率分配的关系，可用下图描述：PfKPfHzPK0)()(**PKfPPKff或)(MWP)(Hzf1K2Ksysfffr1,1P2,1P1,2P2,2P图中，向下倾斜的直线就表示发电机组的有功功率-频率静态特性曲线，它反应调整过程结束后发电机输出有功功率与频率之间的关系。直线向下倾斜，说明是有差调节，即负荷有功功率改变之后，频率不能自动回到初始值。一次调频是在电力系统出现频率差时，根据调速器的调差系数来分配机组间的负荷，由调速器完成功率调节。一次调频存在频率差；二次调频是在调速器调节的基础上，由自动发电控制来重新调整各运行机组的负荷，通过改变调速器的整定值，使频率静态特性曲线向上（下）平移，最终消除频率差。电力系统的调频分为一次调频和二次调频：1,1P2,1Pfrf1,2P2,2P1P3,1P2P3,2Pfffr1,1P2,1Pfrf1,2P2,2P1P3,1P2P3,2Pfffr如图所示，以左图1号机组为例，P1,1到P1,2点表示当系统频率为fr时，1号机组的出力为P1,1，当系统有功负荷增加，使得系统频率下降，此时机组在系统频率下降之后，通过调速器调节使出力增加到P1,2而达到新的平衡，但此时的频率为fr-Δf，即未达到额定fr，因此需要通过改变调速器的整定值，将功率上升到P1,3，以消除频率差。2号机组与之类似。4、利用调速器进行一次调频（有差调节）设系统中有n台并列运行机组，其额定功率分别为Pri，其调差系数分别为。若系统出现计划外负荷，设调频后导致相应的频率变化为，求各机组承担的计划外负荷的份额(待求量)。列出n台机组的调节方程：（4-1）式中：为系统频率变化的相对值(未知量、中间量)。上式可写为（待求量）：系统计划外负荷为：（4-2）iK000*222*111*rnnnrrPPKfPPKfPPKfPfiPrfff/*niKPfPirii,3,2,1*niiriniinKPfPPPPP11210fKP则由（4-2）有：（4-3）由（4-1）及（4-3）式，得调节过程结束后，每台机组所承担的计划外负荷为：（4-4）1nriiiPfPK*11,2,3,ririinriiiiiPPPPfinPKKK该方法的优点：各机组同时参加调频，没有先后之分；计划外负荷在调频机组间是按照一定的比例分配的。该方法的缺点：由（4-3）式可知，当系统利用调速器实现频率的一次调节时，存在频率偏差∆f*，且其偏差值与计划外负荷成正比，以及与各台机组的调差系数成正比。这是