第4章自动化.ppt

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1、4.4.水轮发电机组频率和功率的自动控制水轮发电机组频率和功率的自动控制4.1 4.1 概述概述1 1、电力系统的功率平衡与频率稳定、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运行的每一台发电机的转速与频率之间的关系为式中式中

2、 为发电机转子的极对数；为发电机转子的极对数；为发电机的转速，为发电机的转速，；为发电机定子电压的频率，为发电机定子电压的频率，。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：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若系统总的发电功率 =用户总的耗用功率（包括线路耗损），则用户总的耗用功率（包括线路耗损），则系统的频率维持在额定值；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；频率大于（或小于）额定值；60pnf pnmin/rfHz 由此

3、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入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入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。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，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。使系统的频率偏差在容许的范围内。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。慢，因此系统中频率的波动是难免的。2

4、2、电力系统的日负荷、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，如图所示。电力调度中心根据统计资料来制定系统日负荷曲线，如图所示。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。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。（小时小时）481216202410001500200025003000t)(MWP平均负荷平均负荷基荷基荷腰荷腰荷峰荷峰荷0计划负荷计划负荷实际负荷实际负荷3 3、调频机组与调频电站、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，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

5、率维持在正常水平。这就要求在系统中划出一部分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，是系统的总发电功率随时跟踪机组甚至几个水电站执行调频任务，是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频容量的大小取决于系统在1010分钟内最大负荷上升的速度和系统频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率的允许偏差值，一般约为系统最大负荷的 。维持系统频率在维持系统频率在50500.2Hz/s0.2Hz/s；

6、能够在调频机组和电站间实现有功功率的优化分配；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；能够防止输电线路过负荷运行；保证电钟的准确性；保证电钟的准确性；保证有一部分机组有旋转备用容量。保证有一部分机组有旋转备用容量。%108 对调频机组功率控制的要求是：对调频机组功率控制的要求是：4 4、运行机组间负荷优化分配原则、运行机组间负荷优化分配原则 基本原则：基本原则：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，是将电网调度能消耗最少的方案。对于有调节库容

7、的水电站来说，是将电网调度按时段（一般是按时段（一般是lhlh或者或者0.5h0.5h）给定的电站日负荷，分配到各台机组，）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。足各种约束条件下，使全厂的发电耗水最小。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，使系统总费用指：在来水量一定的条件下，根据水库的调节性能，使系统总费用最少的方案。最少的

8、方案。满足电力系统的功率平衡；满足电力系统的功率平衡；避开机组的非安全运行区运行；避开机组的非安全运行区运行；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。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。该模型的求解可采用：等微增率法、动态规划法和并行遗传算法该模型的求解可采用：等微增率法、动态规划法和并行遗传算法等，这些算法有各自的特点，应根据问题的规模、计算速度要求、等，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。约束条件等，选择其中一种，或综合几种方法应用。运行机组间负荷优化分配问题的数学模型为：运行机组间负荷优化分配

9、问题的数学模型为：目标函数目标函数约束条件约束条件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；jSjQjPjHmjjjjjjmjjSkPkPkP)()()(11 1、水轮发电机组的调速系统、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。因此，水轮发电机组转速的调整是由水轮机调速系统来实现的。因此，发电机的功率发电机的功率-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：原理图如下：4.2 4.2 频率和有功功率自动调节的方法频率和有功功率自

10、动调节的方法水头水头反馈元件反馈元件引水和泄水引水和泄水系系 统统水轮机水轮机转矩转矩发电机发电机频率频率（转速）（转速）电电 网网励励 磁磁执行机构执行机构放大校正放大校正元元 件件测量元件测量元件给定元件给定元件导叶开度导叶开度（流量）（流量）被控系统被控系统调速器调速器 机械式调速器的工作原理图如下：机械式调速器的工作原理图如下：2 2、水轮机调速器、水轮机调速器 当系统的负荷变化引起频率（转速）改变时，调速器通过改变水当系统的负荷变化引起频率（转速）改变时，调速器通过改变水轮机的进水量，调节发电机的输入功率以适应负荷的需要。轮机的进水量，调节发电机的输入功率以适应负荷的需要。出口出口出

11、口出口高压油入口高压油入口流量流量水轮机水轮机导叶接力器导叶接力器导叶导叶飞摆飞摆主配主配压阀压阀关闭关闭开启开启 水轮发电机组的频率调差系数水轮发电机组的频率调差系数 定义为定义为式中式中 为发电机有功功率的增量，为发电机有功功率的增量，；为频率差，即有功功率增量为为频率差，即有功功率增量为 时，频率相应的增量，时，频率相应的增量，。3 3、频率调差系数、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，它机组间有功功率调差系数主要取决于调速器的静态调节特性，它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

12、下图描述：图描述：PfKPfMWHzP1P2P)(MWP)(Hzf1K2KsysfK0)()(*PKfPPKff或或 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；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

13、消除频率差。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：电力系统的调频分为一次调频和二次调频：1,1P2,1Pfrf1,2P2,2P1P3,1P2P3,2Pfffr4 4、利用调速器进行一次调频（有差调节）、利用调速器进行一次调频（有差调节）设系统中有设系统中有n n台并列运行机组，其额定功率分别为台并列运行机组，其额定功率分别为 ，其调差系数，其调差系数分别为分别为 。若系统出现计划外负荷。若系统出现计划外负荷 ，导致相应的频率变化为，导致相应的频率变化为 ，设各机组承担的计划外负荷的份额分别为设各机组承担的计划外负荷的份额分别为 。列出。列出n n台机组的调节台

14、机组的调节方程：方程：（4-14-1）式中：式中：为为系统频率变化的相对值。系统频率变化的相对值。上式可写为：上式可写为：系统计划外负荷为：系统计划外负荷为：（4-24-2）riPiK000*222*111*rnnnrrPPKfPPKfPPKfPfiPrfff/*niKPfPirii,3,2,1*niiriniinKPfPPPPP1121 若把整个系统的全部机组用一台等值机组代替，其额定功率和调若把整个系统的全部机组用一台等值机组代替，其额定功率和调差系数分别用差系数分别用 和和 表示，则有：表示，则有：（4-34-3）式中：式中：由（由（4-24-2）及（）及（4-34-3）式，得等值机组的

15、调差系数：）式，得等值机组的调差系数：（4-44-4）由（由（4-14-1）及（）及（4-34-3），求得系统频率的相对变化值：），求得系统频率的相对变化值：（4-54-5）调节过程结束后，每台机组所承担的计划外负荷为：调节过程结束后，每台机组所承担的计划外负荷为：（4-64-6）nPKKPfPr*nirirPP1niiriniriniirirKPPKPPK111rrrrPPKPPKPPKfff222111niPPKKPPririi,3,2,1 为了减少频率偏差，可将各机组调速器的调差系数整定得小一些，为了减少频率偏差，可将各机组调速器的调差系数整定得小一些，以使系统频率较小变化时，能导致机组

16、出力的较大变化。但是，调以使系统频率较小变化时，能导致机组出力的较大变化。但是，调差系数不宜整定得太小，否则会造成并列运行机组间不稳定分配负差系数不宜整定得太小，否则会造成并列运行机组间不稳定分配负荷的情况。荷的情况。由（由（4-54-5）式可知：当系统利用调速器实现频率的一次调节时，存）式可知：当系统利用调速器实现频率的一次调节时，存在频率偏差在频率偏差 ，且其偏差值与计划外负荷成正比，以及与各台机组，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。这是一次调频的根本缺点。的调差系数成正比。这是一次调频的根本缺点。*f 由（由（4-54-5）式还可知，频率偏差与系统的总运行机组容量成反比，）式还可知，频率偏差与系统的总运行机组容量成反比，大容量的系统在小负荷波动时，不会造成较大频率差。大容量的系统在小负荷波动时，不会造成较大频率差。为了使系统频率能够维持在预定的水平，可以规定某些电站的机为了使系统频率能够维持在预定的水平，可以规定某些电站的机组参与调频（称为调频电站和调频机组），其余电站的机组按计划组参与调频（称为调频电站和调频机组），其余电站的机组按计划负荷运行。负荷