《电力系统工程基础》(控制篇).

山东大学电气工程学院电力系统工程基础--控制篇山东大学电气工程学院主要内容第15章电力系统的运行与控制第16章电力系统电能质量与可靠性山东大学电气工程学院第15章电力系统的运行与控制–15.1电力系统运行的安全性–15.2电力系统的有功与频率控制–15.3电力系统的电压控制–15.4电力系统的优化调度–15.5电力系统运行的自动化山东大学电气工程学院15.1电力系统运行的安全性山东大学电气工程学院15.1电力系统运行的安全性15.1.1电力系统运行安全性的定义–电力系统运行的安全性是指应付各种可能的扰动以保持电力系统连续运行的能力。500MW700MW250MW250MW机组1机组21200MW500MW700MW500MW0MW机组1机组21200MW山东大学电气工程学院具体而言，电力系统的正常运行必须满足两个条件（约束）：–有功、无功功率的平衡（等式约束）；–电能质量和设备的运行状态（即频率、电压、元件电流、机组功率、功角等）不应超出允许要求的范围（不等式约束）。应付的手段：电力系统的运行调度与调节、保护、控制，用户侧管理等。山东大学电气工程学院15.1.2电力系统安全性的防御电力系统运行的监测–任务：向调度控制中心提供实时运行的相关信息。主要包括母线电压，线路电流\有功\无功，断路器、隔离开关的状态，系统频率，机组功率，变压器分接头位置等。–作用：依据收集的信息，判断系统的运行状态，为调度人员及时作出相关的控制决策提供辅助手段。–手段：数据采集与监视控制系统（supervisorycontrolanddataacquisition，SCADA），完成电力系统的状态估计（stateestimation，SE），预想事故评估（staticsecurityassessment/dynamicsecurityassessment，SA/DSA）等。山东大学电气工程学院8山东大学电气工程学院预想事故评估–预想事故评估：在完成电力系统状态估计的基础上，对预想的事故集（contingencies）进行分析。–电力系统的运行状态分类根据电力系统运行必须满足的两个条件，将电力系统运行状态划分如下：正常状态：安全正常状态、不安全正常状态紧急状态崩溃状态恢复状态山东大学电气工程学院电力系统运行状态的转化过程安全状态不安全状态正常状态紧急状态恢复状态崩溃状态紧急控制校正控制恢复控制供电恢复预防控制偶然扰动状态转移安全控制状态转移预想事故山东大学电气工程学院正常状态:分为安全/不安全正常状态预防控制：使系统从不安全正常状态转移到安全正常状态的控制，如架设输电线路、新建发电厂等。紧急状态:满足第一个条件，不满足第二个条件。–静态情况下，表现为过载或电压越限，允许时间较长，通过校正控制使系统返回正常状态；–对于稳定性破坏性质的，功角不断增大，频率或电压不断下降，允许时间较短，通过紧急控制，如切机、解列、切负荷使系统进入恢复状态山东大学电气工程学院恢复状态:第一个条件不满足，第二个条件满足。启动机组、系统并列等，使系统重新进入正常状态山东大学电气工程学院15.1.3电力系统的安全准则为了实现电力系统的安全、稳定运行，电力系统运行各部门（规划、计划、设计、建设、生产运行和科研试验等）都有自己的安全准则安全准则随技术、经济水平的发展而不断修正–《电力系统安全稳定导则》81年版、DL755-2001–《电力系统技术导则》SD131-84–《电力系统设计技术规程》SDJ161-85山东大学电气工程学院15.2电力系统的有功与频率控制山东大学电气工程学院全系统的有功平衡–各类发电厂发出的有功功率的总和，在任何时刻都应同系统的总负荷相平衡。–但系统中的电源总容量必须大于系统的最大负荷，即要有备用。设置备用的目的：系统的最大负荷不确定；发输电设备的故障不确定；机组必须定期检修15.2.1有功功率平衡与备用山东大学电气工程学院备用容量的分类按投入时间（工作方式）分–热备用：运转中的发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差（旋转备用）；–冷备用：未运转的、但能随时启动的发电设备可能发的最大功率（不含检修中的设备）；山东大学电气工程学院按用途分–负荷备用：适应负荷短时波动、一日内计划的负荷增加，一般为最大负荷的2~5%；–事故备用：适应发电设备发生偶然事故时的备用，一般为最大负荷的5~10%，分冷、热备用；–检修备用：满足检修需要而设置的备用（有时不设）；–国民经济（发展）备用：计及负荷超计划增长而设置的备用，一般为最大负荷的3~5%。山东大学电气工程学院15.2.2有功功率负荷变动及控制三类负荷变化–1、周期短（＜10s）、幅度小，偶然性极大；–2、周期较长（10s~3min）、幅度较大。如电炉、压延机械、电力机车等带有冲击性的负荷变动。–3、周期长（3min）、幅度大。主要是由生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。基本上可预测，并由负荷曲线反映。山东大学电气工程学院–电网频率f是发电机转速ω的体现，当发电机PM与PE（+有功损耗）平衡时，ω和f不变。–负荷随机变化，PE随机变化。–不可能严格保证任何时刻额定频率，频率偏移不可避免，需要合理规定允许的偏移范围。–我国目前：50Hz±(0.2~0.5)Hz，发达国家：±0.1Hz。山东大学电气工程学院控制方式–控制原则为有功功率的平衡，实质上调整发电机输出功率–频率的一次调整：调速器–频率的二次调整：调频器–频率的三次调整：依负荷曲线，在发电厂、机组间经济合理地分配山东大学电气工程学院–近似直线族（一次、二次调频）–发电机的单位调节功率：发电机组原动机或电源频率特性的斜率。–标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡。发电机组功频静态特性*MW/Hz/GGGNGGNGNGNPKfPfKKfPPfff0fN0PGNPG123山东大学电气工程学院–发电机调差系数：单位调节功率的倒数。–发电机的单位调节功率与调差系数的关系：–发电机的单位调节功率是可以整定的：汽轮发电机组：σ%=3~5或KG*=33.3~20水轮发电机组：σ%=2~4或KG*=50~250000%100100NNGGNGNGNNNGNfffffPPPfPfffPf*10011,1%0%0GNGGNPKKfff0fN0PGNPG123山东大学电气工程学院负荷的频率静特性–负荷有功功率与频率的关系：–与频率变化无关的负荷：如照明设备、电阻炉–与频率变化的一次方成正比：如切削设备、往复式水泵、压延设备，等–与频率变化的二次方成正比：如变压器的涡流损耗，等–与频率变化的三次方成正比：如通风机、静水头阻力不大的循环水泵，等–与频率变化的高次方成正比：如静水头阻力很大的循环水泵，等山东大学电气工程学院–a0+a1+a2+a3+…=1，–当f=fN时，PD=PDN–主要成份为前2种，在额定值附近为一直线（族）–负荷的单位调节功率：综合负荷静态频率特性的斜率。*MW/Hz/LLLNLLNLNLNPKfPfKKfPPfffN0PLNPL12323D0DN1DN2DN3DNNNN()()()fffPaPaPaPaPfff山东大学电气工程学院–标志了随频率的升降负荷消耗功率增加或减少的多少。其标幺值在数值上等于额定条件下负荷的频率调节效应，即一定频率下负荷随频率的变化率：–负荷的单位调节功率是不能整定的，KL*≈1.5。–值得注意的是，电力系统的静态频率特性（发电机和负荷）之所以认为是线性的，其前提是频率围绕额定值变化很小的范围。*****LLLLdPPKKdff山东大学电气工程学院频率的一次调整–基础：有功平衡–几何图解：负荷增加、频率降低–初始负荷增量:ΔPL0–系统频率变化:Δf=f′0–f00–负荷调节效应:ΔPL=KLΔf0–负荷实际增量:ΔPL0+ΔPL=ΔPL0+KLΔf–发电机功率增量:ΔPG=–KGΔf–依据有功平衡，有：ΔPL0+ΔPL=ΔPGff0f′00P0PP′0PLP′LPGA′B′Q′ABQΔPGΔPLΔPL0山东大学电气工程学院–ΔPL0=ΔPG–ΔPL=–(KG+KL)Δf=–KSΔf–KS为系统的单位调节功率–标志了系统负荷增加或减少时，在原动机调速器和负荷本身调节效应的共同作用下系统频率下降或上升的多寡。其可以确定在频率允许偏移范围内系统能承受的负荷的变化量。–系统负荷↑，f↓，发电机输出↑，负荷由其本身调节效应减少功率消耗，达到新的平衡状态P′0，f′0（而不是P0+ΔPL0）。ff0f′00P0PP′0PLP′LPGA′B′Q′ABQΔPGΔPLΔPL0山东大学电气工程学院–频率的一次调整为有差调节。–KS数值越大，负荷增减引起的频率的变化就越小，频率也就越稳定。–负荷的单位调节功率不可调，要调节KS需要控制、调节发电机的单位调节功率或调速器的调差系数。–系统进行频率的一次调频的前提是系统有备用容量，即PGN＞PLN。如果机组满载，则KG=0。山东大学电气工程学院–例如，系统中有n台发电机，当n台发电机全部参加调整时：–当n台机组仅有m台参加调整时：niGinmGGGNKKKKKK121......miGimGGGNKKKKK121...山东大学电气工程学院–需要注意的是，KS*≠KG*+KL*–ΔPL0=ΔPG–ΔPL=−(KG+KL)Δf=−(KG*PGN/fN+KL*PLN/fN)Δf两边同时除以PLN，得ΔPL0*=−(ρKG*+KL*)Δf*，ρ=PGN/PLN备用系数–ΔPL0太大时，仅靠一次调频不能使Δf在一定的范围内。山东大学电气工程学院f1f2PG1PG2PG1PG2PG1P'G1PG2P'G2'111'222121*2**1N2N21*N1*1N1*2*2N2**N*111GGGGGGGGGGGGGGGiGiiPPPPPPPPfPPffffPfPPfPPfP可知：并联运行机组所调节的有功功率与频率变化和机组额定容量成正比，与机组调差系数成反比。并联机组有功功率的分配山东大学电气工程学院能否将KS整定的很大（或调差系数很小），以保证频率质量？如果KS很大，在多机系统中，负荷变化量在个发电机组之间的分配无法固定，使得各发电机组的调速系统不能稳定工作。山东大学电气工程学院频率的二次调整–负荷初始增量：ΔPL0–频率变化：Δf=f″0-f0–负荷调节效应：ΔPL=KLΔf–负荷实际增量：ΔPLQ+ΔPL–发电机一次调整功率增量：ΔPG=−KGΔf–发电机二次调整功率增量：ΔPGQff0f′00P0PP′0PGA′B′Q′ABQΔPGQΔPLQA″C″CB″Q″P″0f″0Δf′Δf″P′GPLP′L山东大学电气工程学院–依据有功平衡，有：–ΔPLQ+ΔPL=ΔPG+ΔPGQ–ΔPL0–ΔPGQ=–(KG+KL)Δf–Δf=–(ΔPL0–ΔPGQ)/KS–若ΔPLQΔPGQ，f如何变化？–若ΔPLQ=ΔPGQ，f如何变化？（无差调节）ff0f′00PPGA′B′Q′ABQΔPGQA″C″CB″Q″f″0Δf′Δf″P′GPLP′LΔPLQP0P′0P″0山东大学电气工程学院调频厂须满足的条件–调整的容量和范围应足够大；–调整的速度应足够快；–调整范围内的经济性能应该好；–注意系统内及互联系统的协调问题。根据各种电厂的特点，调频厂的选择原则–系统中有水电厂时，选择水电厂做调频厂；–当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂山东大学电气工程学院互联电网的频率调整–若设A、B两系统互联，KA和KB分别为互联前A、B两系统的单位调节功率。两系统负荷变化（增加）分别为ΔPDA和ΔPDB，引起互联系统的频率变化（降低Δf），及联络线交换功率的变化ΔPt。假设两系统中都设有进行二次调整的电厂，它们的功率增量分别为ΔPGA和ΔPGB。