第十讲 频率及有功功率的自动调节分析

主要内容电力系统的频率特性1.调速器原理2.电力系统的频率调节系统及其特性3.电力系统的自动调频4.电力系统的经济调度与自动调频5.ΔΔΔ通过本章的学习，应当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，以及发电机组的频率调节特性与机组间有功功率分配的关系。学习目的及要求第一节电力系统的频率特性本节需要掌握的主要知识点一、负荷的功率-频率特性二、发电机组的功率-频率特性三、电力系统的频率特性1、电力系统正常运行下，相关情况如何？GPL∆PPG功率平衡：PG=∆P+PL机组转速：n=nN,f=fN=50Hz答案：电源发出的功率与网络损耗及用户的负荷相平衡，系统中的机组同步运行，系统频率维持在额定频率50Hz。电网稳态条件下的频率f是全系统一致的运行参数:60pnf一、负荷的功率-频率特性2、机理分析功率平衡(忽略损耗）：PTPG水库水能水轮机转子机械能发电机电能PL11mmTiGiPP原动机输入机械功率发电机输出电气功率同步运行：n=nNf=fN=50Hz3、负荷变化怎么办？（PL增加）能量始终平衡:PMPG水轮机发电机PLPLPGPT原动机输入功率：11mmTiGiLPPP原动机输入机械功率发电机输出电气功率发电机新增输出功率保持不变3、负荷变化怎么办？（PL增加）PMPG水轮机发电机PL输入的水能没有变！增加的能量从哪来？？答案：转子释放机械能，弥补负荷的增加。转子速度降低，系统频率下降！机组的动能111()mmmTiGiLKidPPPWdt原动机输入机械功率发电机输出电气功率发电机新增输出功率保持不变弥补其增长★系统频率变化是由于发电机的负荷与原动机的输入功率之间失去平衡所致，因此调频与有功功率调节是不可分不开的。电力系统负荷是不断变化的，而原动机输入的功率改变较慢，因此系统中频率的波动是难免的。结论4、负荷变化，导致系统频率变化，不满足电能质量要求！怎么办？PMPG水轮机发电机PL调速器开度N+-调速器：感受到转速的变化，说明系统负荷发生改变，需要调整水能输入，以满足负荷的要求。转速n向靠近nN变化。tP持续分量脉动分量随机分量负荷瞬时变动情况分解周期10s周期10~3mins缓慢持续变化5、电力系统负荷变动情况分析负荷曲线分析负荷曲线分析变动有很大的偶然性属于这一种的主要有电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动第二种变动幅度较大，周期也较长.第三种变动幅度最大，周期也最长.该种负荷基本可以预计。第一种变动幅度很小，周期又很短。(1).对用户的影响：异步电动机：转速与系统频率有关，影响产品质量；电子技术设备:频率的不稳定影响电子技术设备的准确性。(2).对发电厂及系统本身的影响：发电厂的厂用机械（泵和风机）是用异步电动机带动的系统低频率运行时，汽轮机叶片共振，缩短其寿命，严重时会使叶片断裂。频率降低异步电动机和变压器的励磁电流增加系统无功增加电压降低6、频率偏移的影响欧美各国：+0.1Hz；我国：一般允许偏差+0.2Hz；某些系统要求+0.1Hz日本：+0.1Hz7、频率偏移的允许范围•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。励磁调节基本目标：发电机端电压和无功功率分配调速器的基本目标：发电机频率和有功功率分配7、结论当系统频率变化时，整个系统的有功功率也要随着改变，即LPFf二、电力系统负荷的功率-频率特性这种有功负荷随频率而改变的特性称为负荷的功率-频率特性，是负荷的静态频率特性。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：照明、电弧炉、整流负荷2、与频率成正比的负荷：切削机床、球磨机、压缩机3、与频率的二次方成正比的负荷：变压器中的涡流损耗4、与频率的三次方成正比的负荷：通风机、静水头阻力不大的循环水泵5、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230123........nLLNLNLNLNnLNNNNnffffPaPaPaPaPaPffff二、电力系统负荷的功率-频率特性bLNPLbPbfNfLPfoa1............3210*3*32*2*10*nnnLaaaaafafafafaaP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和负荷功率之间失去平衡时,系统负荷也参与了调节作用。•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衡——负荷的频率调节效应***dfdPKLL230123........nLLNLNLNLNnLNNNNnffffPaPaPaPaPaPffff211**12*3***1*3......nniLLniidPKaafafnafiafdf为负荷的频率调节效应系数，用以衡量调节效应的大小。根据国内外的实测数据表明，在频率允许变化的范围内，有功负荷与频率之间的关系曲线接近于一条直线。***fPtgKLLfPKLLLNNLLPfKK*有功功率变化量相对应有功功率变化的频率的变化量KL*是电力系统调度部门要求掌握的一个数据。对于不同的电力系统，因负荷的组成不同，KL*也不同，一般在1~3之间。同时，每个系统的KL*值亦随季节及昼夜交替而有所变化。*LP*f1.101.051.000.950.900.950.960.970.980.991.001.011.021.0323*01*2*3**......nLnPaafafafaf1801.01.0**fo*GP*GM*P*M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-频率特性取决于调速器系统的特性。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。**BWAMG2*1*2*GPCfCf发电机组无调速器三、发电机组的功率-频率特性（一）、发电机的功率-频率特性''2*1*2*GPCC由图可知，输出功率最大值是在额定条件下，即转速和转矩都为额定值时出现。'a''a'''a123'3POf•在调速器的作用下不断改变进气量，使原动机的运行点不断地从一根静态特性向另一根静态特性曲线过渡。•此时原动机进气量达到最大值，调速器不起作用，当频率f继续下降时，运行点只能沿着对应于最大进气量的静态特性曲线移动。（一）、发电机的功率-频率特性三、发电机组的功率-频率特性对应于频率下降，发电机组输出功率增加，这是一种有差调节特性fGPGPfR发电机组的调差系数负号表示发电机输出功率的变化和频率变化相反***GGNGNPfPPffR0***GPRf发电机组的静态调节方程fNf1foGNPGbPGPGPabf三、发电机组的功率-频率特性（一）、发电机的功率-频率特性图5-6配有调速系统的发电机组的功率-频率特性•计算功率和频率关系时，常采用调差系数的倒数来表示****1fPRKGG0***GGPfKKG*为发电机组的功率-频率静态特性系数，或者是原动机的单位调节功率。•发电机组的调差系数主要决定于调速器的静态调节特性。•与机组间的有功功率分配相关。•调节特性的失灵区又造成机组间的有功功率分配的不确定性。调差系数机组间有功分配调速器的静态特性调节特性的失灵区三、发电机组的功率-频率特性（二）、调差特性与机组间有功功率分配的关系***GPRf*1*2*2*1RRPP•机组间的有功功率分配与机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情况：P'2P2P0'1P1PfABCNf1f2P1PLP'P①②三、发电机组的功率-频率特性NNPffRP*1*1*NnGiNiiPRPR系统等值机组的调差系数**iGiNNGiRPPPRP系统中负荷变化后，每台发电机所承担的功率1、多台发电机的调差系数为零是不能并联运行的；2、含有一台调差系数为零机组的系统在理论上是可行的，但是在实际上是不能运行的。原因是就目前的系统容量而言不可能仅由一台机组来完成全部的调差任务。因此，只能是由多台有差调节机组并联运行三、发电机组的功率-频率特性fNfowfwfwPwPPlP（三）、调节特性的失灵区机械式调速器对于微小的转速变化是不能反应的，因此调速器具有一定的失灵区，调节特性实际上就是一条具有一定宽度的带子。不灵敏区宽度可以用失灵度来描述：NwffwP为机组间的最大误差功率为调速器最大的频率呆滞wf****RtgPfww****与成正比，与成反比。wP*R•若调差系数很小，则机组间的最大误差功率就会很大，这样就会引起机组间功率分配误差的增大。•若不灵敏区宽度很小，则调速器在频率的微小波动时就会动作，机械动作会频繁。调差系数不能很小在电液调速器中形成一个人为的不灵敏区（三）、调速器调节特性的失灵区系统频率特性是由负荷频率特性和发电机频率特性共同形成的12LLLPPPPfPL=f(f)PL1=f(f)aPLfNbdPL1ΔPLcPL2f3f2ΔPL1ΔPL2四、电力系统的频率特性发电机组负荷LPGPf+_P