电气工程基础 控制篇 - shandong university · 2015/11/25 电气工程基础—控制篇 3...
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电气工程基础—控制篇2015/11/25 2
15.2~15.3 有功-频率控制与无功-电压控制
电网运行约束等式约束： 有功平衡，无功平衡
不等式约束：频率偏移，电压偏移
参考PQ分解法潮流计算：频率偏移主要与有功（不）平衡有关
电压偏移主要与无功（不）平衡有功
几点解释在任意运行点上，有功、无功都是平衡的
满足运行约束的高水平平衡 v.s. 不满足运行约束的低水平平衡
控制：如何使低水平平衡过渡到高水平平衡
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15.2 电力系统的有功与频率控制
15.2.1 有功功率平衡与备用全系统的有功平衡
运行：规划：
系统电源容量: 可投入发电设备的可用功率之和
系统的备用容量Reserve：系统电源容量大于发电负荷的部分。
设置备用用以解决系统因确定性或不确定性事件导致的发电变更
机组定期检修（确定性）水电、风电、太阳能发电等受气象环境影响（不确定性）系统最大负荷变化（不确定性）发输电设备故障故障（不确定性）
备用容量设置是一个风险决策问题
Generation Demand LossP P P 运行平衡
Nominal Generation ReserveP P P 规划平衡
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NYISO 2015年日最大负荷统计(至11/23）
Source:http://www.nyiso.com/public/markets_operations/market_data/load_d
ata/index.jsp
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NYISO 2015年月发电检修计划（从11/24）
Source:http://www.nyiso.com/public/markets_operations/market_data/power_
grid_data/index.jsp
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备用容量的分类
按存在形式（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）；无延时响应或30分钟内响应；
冷备用：机组停机但设备完好且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）；数分钟至数小时内响应。
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%；（热备用）
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%；（热备用）
检修备用：满足检修需要而设置的备用（有时不设）；（冷备用）
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%。（冷备用）
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2014年山东电网运行
山东总装机：7300万kW（含风电）山东统调机组容量：5600万kW（夏季）
外部电力：750万kW黄骅-滨州、辛安-聊城500kV AC
银东-胶东±660kV HVDC
2014年山东最高负荷：6167.9万kW（2014/08/04）山东统调负荷5705.8万kW（2014/08/04）
统调备用100万kW
电气工程基础—控制篇
2015年山东电网运行
山东总装机：7500万kW（含风电）新增约100万kW火电+100万kW风电
外部电力：750万kW黄骅-滨州、辛安-聊城500kV AC
银东-胶东±660kV HVDC
2015年山东最高负荷：6436.9万kW（2015/07/29）山东统调负荷5965万kW（2015/07/29）
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15.2.2 有功功率负荷变动及控制
负荷变化1、周期短(＜10s) 、幅度小，偶然性极大；
一次调频：调速器自动响应
2、周期较长(10s~3min) 、幅度较大。
如电炉、压延机械、电力机车等带冲击性负荷二次调频：调频器响应以调速器的正确动作为基础
3、周期长(>3min)、幅度大。
主要由生产、生活、气象等变化引起基本上可预测，并由负荷曲线反映三次调频：按某种准则的发电优化调度（Economic Dispatch, ED)
以调频器的正确动作为基础
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NYISO 2015/11/01-11/07周负荷曲线
Source:http://www.nyiso.com/public/markets_operations/market_data/load_d
ata/index.jsp
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秒级负荷波动
Source: 《电力系统调频与自动发电控制》
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发电原理的简单回顾
能量转换流程（以火力发电为例）
转子转速 电频率
机械功率 电磁功率
化学能煤
热能高温高压水蒸汽
动能转子大轴
电能电磁场
锅炉 汽轮机
燃烧热传递
膨胀做功
发电机
电磁感应
能量：载体：
调速器
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频率与有功功率的定性关系
电网频率 f由电源频率即发电机转速ω决定
发电机转速满足刚体转子运动方程
发电机驱动功率（机械功率Pmech）与制动功率（气隙电磁功率Pelec）（有功负荷+有功损耗）满足：Pelec=Pmech: 平衡状态，ω 和 f保持恒定
Pelec>Pmech: 减速状态，ω 和 f下降
Pelec<Pmech: 加速状态，ω 和 f升高
电力系统频率控制目的：调节Pmech使其在额定频率下与Pelec
保持平衡
mech elec
j
P PdT
dt
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频率与有功功率的定性关系
发电机机械功率Pmech能够通过调节电厂设备实现可控
但电磁功率Pelec受随机变化的负荷影响，Pelec随机变化
因此，不可能严格保证任何时刻额定频率（控制成本不可承受），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
WAMS Light记录数据
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电力系统频率响应特性
系统运行方式变化/扰动等影响频率动态过程EAC：短路过程中的发电机加速-->转速和频率变化
转子运动方程描述了驱动功率Pmech和制动功率Pelec对转速的影响Pmech由发电机频率特性决定
主要是调速器的频率特性（调频系数）发电机静态频率特性
发电机动态频率特性
Pelec由负荷频率特性决定（不考虑负荷波动）
主要是电动机的频率特性（滑差）负荷静态频率特性
负荷动态频率特性
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（静态）频率控制方式
频率控制的目的是平衡有功发电和负荷（及网损）功率
理论上，发电机和负荷都可以参与频率控制。负荷一般用于动态频率控制：低频减载（Under-Frequency Load
Shedding, UFLS）
同步发电机的频率调整由原动机的调速系统实现。
针对不同的负荷波动形式，频率控制可分为三个层次一次调频：调速器
二次调频：调频器
三次调频：依负荷曲线，在发电厂、机组间经济合理地分配
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发电机组调速器原理（机械液压）
source: Arthur Bergen, Power system analysis, 2ed
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发电机组调速器原理（电液调速）
sourcehttp://www.wecc.biz/library/WECC%20Documents/Documents%20for%
20Generators/Governor%20Tutorial.pdf
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发电机组的频率静特性
调速器的负反馈有差调节特性较小范围内：近似线性（一次、二次调频）
发电机（组）的单位调节功率
发电机组原动机或电源频率特性的斜率。
以机组额定功率为基准
标志着随频率变化发电机组发出功率减少或增加的量。
发电机（组）的调差系数：单位调节功率的倒数
ff0fN0
PGN
PG ab
c
f1f2
PG1
PG2
MW/HzG
G
PK
f
0 0
0
Hz/MW 0
/% 100 100
/
N N
G GN GN
N N
G GN N
f f f ff
P P P
f f f f
P P f
*
//
/
G GN
G G N GN
N
P PK K f P
f f
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发电机组单位调节功率与调差系数
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（调速器设计）：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* =50~25
*1001 1
, 1%
0%
0GN
G G
N
PK K
f
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负荷频率静特性
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、电阻炉等
与频率变化一次方成正比：如切削设备、往复式水泵、压延设备等
与频率变化二次方成正比：如变压器的涡流损耗等
与频率变化三次方成正比：如通风机、静水头阻力不大的循环水泵
等
与频率变化高次方成正比：如静水头阻力很大的循环水泵等
主要成份为前2种在额定值附近为一直线(族)
2 3
D 0 DN 1 DN 2 DN 3 DN
N N N
( ) ( ) ( )f f f
P a P a P a P a Pf f f
D 0 DN 1 DN
N
( )f
P a P a Pf
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负荷频率静特性
负荷的单位调节功率综合负荷的静态频率特性的斜率
以负荷额定功率为基准
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由负荷组成决定，无法人为整定，KL*≈1.5~2。
ffN0
PLN
PL
1
2
3
MW/HzLL
PK
f
* **
* *
L LL
dP PK
df f
*
//
/
L LN
L L N LN
N
P PK K f P
f f
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Discussion
电力系统静态频率特性是发电机和负荷静态频率特性的总体体现；
负荷静态频率特性由负荷组成、特性决定，无法人为控制；
发电机静态频率特性由调速器特性决定，可以人为控制；
调速器参数（响应特性）应与负荷频率特性相协调（整定）；
在电网频率围绕额定值变化范围很小时，电力系统的静态频率特性（发电机和负荷）可以认为是线性的。
较大频率偏移时，电力系统的静态频率特性是非线性的。
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频率的一次调整
在不同频率值上发电与负荷的有功平衡关系
例题（负荷增加，频率降低算例）初始负荷增量: ΔPL0
系统频率变化: Δf = f'0 – f0 < 0
负荷调节效应: ΔPL = KL Δf < 0
负荷实际增量: ΔPL0+ ΔPL = ΔPL0 + KL Δf
发电机功率增量: ΔPG = –KG Δf
依据有功平衡，有ΔPL0+ ΔPL = ΔPG
ΔPL0 = ΔPG–ΔPL = –(KG + KL) Δf = –KS Δf
KS 为系统的单位调节功率
ff0f′00
P0
P
P′0
PL
P′L
PG
A′
B′
Q′A
B
Q
·ΔPG
ΔPL
ΔPL0
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Discussion
KS=KG + KL
系统的单位调节功率，MW/Hz
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的调节
效应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)P'0≠P0 + ΔPL0
有差调节
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Discussion
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。定义备用系数：ρ= PGN/PLN
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多机系统调频特性
系统中有 n 台发电机当 n 台发电机都参加调频时
当只有m 台发电机参加调频时
单位调节功率
GN G1 G2 GN G
1
MW/Hzn
i
i
K K K K K
GM G1 G2 G( -1) G G
1
MW/Hzm
m m i
i
K K K K K K
GMS LK K K
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多机系统调频特性
以全系统机组总额定功率为基准定义机组单位调节功率
以全系统负荷总额定功率为基准定义负荷单位调节功率
系统单位调节功率可以以全系统机组总额定功率或全系统负荷总额定功率为基准。由于安全运行所需（PGN>PLN）
以全系统负荷总额定功率为基准时
* /G G N GNK K f P
* /L L N LNK K f P
* G* *S LK K K
* *
**
*/ P// GN LS G N LN L LN
G L
G N GNK K f P K KK
K
P f
K
P
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并联机组的有功功率分配
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
' '
1 1 1 2 2 2
1 2
1* 2* *
1N 2N
2 1
*
N
1 * 1N
1*
2 * 2N
2*
* N
*
,
1
1
1
G G G G G G
G G
G G
G G
G G
Gi Gi
i
P P P P P P
P Pf
P P
f ff
f
P f P
P f P
P f P
f1
f2
PG1 PG2
PG1 PG2
PG1 P’G1 PG2 P’G2
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例题15-1
机组类型 水轮机组 水轮机组 汽轮机组 汽轮机组 小汽轮机组机组台数n(台) 5 5 6 20 1单一机组容量P (MW) 100 75 100 50 1000调差系数( %) 2.5 2.75 3.5 4 4单一机组单位调节功率(MW/Hz)K =P /(f * %/100.0)
#DIV/0!
单一机组单位调节功率标幺值(以机组容量为基准)K =K *f /P
#DIV/0!
总计单位调节功率标幺值(以机组容量为基准)K =K *n*f /(P *n)
#DIV/0!
单一机组单位调节功率标幺值(以负荷容量为基准)K =K *f /P
#DIV/0!
N
G N N
G* G N N
G* G N N
G* G N LOAD
总计单位调节功率(MW/Hz)K *n
#DIV/0!G
总计单位调节功率标幺值(以负荷容量为基准)K =K *n*f /P
#DIV/0!G* G N LOAD
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Discussion
一次调频下，频率静态偏移量与功率扰动量成正比ΔPL0 =KS Δf
ΔPL0太大时，仅靠一次调频不能使 Δf 在一定的范围内。
二次调频
一次调频意味着机组不能满载（经济性变差）
问题：能否将KS整定的很大(或调差系数很小) ，以保证频率质量？只考虑静态频率特性时，理论上是可行的
但是，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，即系统
动态稳定性变差
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频率的二次调整
由于一次调频为有差调节，调速系统控制下，系统频率可能无法恢复到允许正常范围内，此时需要进行二次调频
二次调频的操作：通过手动或自动地操作调频器，使机组的频率特性曲线平行上下移动，从而使负荷变动引起的频率偏移保持在允许的范围内
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二次调频算例
一次调频+二次调频初始运行点Q（f0, P0）
负荷扰动ΔPLQ
新负荷特性曲线PL'
一次调频
一次调频运行点Q'PG与PL'曲线交点
f0'可能超出系统允许范围
二次调频
调频机组增加出力ΔPGQ
新发电特性曲线PG'二次调频运行点Q"PG'与PL'曲线交点
f0"满足系统允许频率波动范围
ff0f′00
P0
P
P′0
PG
A′
B′
Q′
A
B
Q
ΔPGQ
ΔPLQ
A″
C″C
B″
Q″P″0
f″0
Δf′
Δf″
P′GPL
P′L
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一次调频与二次调频的功率平衡方程
一次调频
负荷扰动完全由机组和负荷单位调节功率特性承担
二次调频
欠调：ΔPGQ<ΔPLQ
超调：ΔPGQ>ΔPLQ
无差调节：ΔPGQ=ΔPLQ
二次调频以一次调频为基础
' ' ' '
LQ G L G L SP K f K f K K f K f
" "
" " " "
LQ GQ G L
LQ GQ G L G L S
P P K f K f
P P K f K f K K f K f
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调频厂
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
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电网互联与调频控制
例题若设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。
设联络线上的交换功率由A向B流动时为正值。
A B tP
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一次调频
系统A有功平衡方程
系统B有功平衡方程
联立，解之可得
互为备用
DA T AP P K f
DB T BP P K f
DA DB
A B
P Pf
K K
A DB B DAT
A BA B
K P K PP
K K
A B tP
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二次调频
系统A有功平衡方程
系统B有功平衡方程
联立，解之可得
DA T GA AP P P K f
DB T GB BP P P K f
DA GA DB GB A B
A B A B
P P P P P Pf
K K K K
A DB GB B DA GA A B B AT
A BA B A B
K P P K P P K P K PP
K K K K
A B tP
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三次调频
频率的三次调整负荷曲线的编制与负荷预报
负荷预测+历史实测数据+天气预报+统计分析方法误差不超过2%~3%
按预计的负荷曲线（有功功率日负荷曲线），安排系统中各发电厂
预计可投入的发电设备和发电容量
发电计划：
机组组合（unit commitment）经济调度（economic dispatch）最优化潮流（optimal power flow）
电气工程基础—控制篇2015/11/25 40
有功-频率控制与潮流计算的关系
在潮流计算中，除平衡节点以外其他节点的注入有功功率之所以可以给定，就是由于系统中绝大部分发电厂是按照经济性原则进行优化调度的。
平衡节点，一般取系统中担负调频任务的发电厂母线，实际运行中这类厂有多个，构成自动发电控制（AutomaticGeneration Control, AGC）。
电气工程基础—控制篇2015/11/25 41
15.2.3 自动发电控制
自动发电控制自动发电控制是将一次、二次调整按照电力系统整体设计的自动负
荷—频率控制系统。
基本目标使全系统的出力与负荷相匹配
将电力系统的频率偏差调节到0，保持系统频率为额定值（LFC）
控制区域间联络线的交换功率与计划值相等，实现各区域内有功功
率的平衡（LFC）
在区域各个电厂间进行负荷的经济分配
电气工程基础—控制篇2015/11/25 42
控制方式
区域控制误差：ACEi= Ksidf + PT,i定频率控制（Fixed Frequency Control）：以偏离额定频率为准则，
实现频率的无差调节
定联络线功率控制（Fixed Tie-line Control）：以偏离区域间联络线功
率计划值为准则，实现联络线功率的无差调节
联络线频率偏差控制（TBC，tie-line frequency bias control）：使每个
区域的负荷和发电恢复平衡，即：频率在给定值，邻近区域的纯功率
交换为给定值
电气工程基础—控制篇2015/11/25 43
AGC的一般过程
跟踪控制
调节控制
机组控制
发电计划
调速器
汽轮机
负荷预测
机组组合
水电计划
交换计划
电力系统
发电计划
区域控制误差机组分组
dω
PG
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AGC对机组功率的分配包括两个部分：按经济调度原则分配计划负荷和计划外负荷，送出基点
功率值；
将消除区域控制误差所需要的调节功率PR分配给机组
按照一定的时间间隔（如5min） AGC机组由三次
调整整定其基态
从广义角度，电力系统一次、二次、三次联合、统一的自动功能就是电力系统的AGC。其中，一次调整时自然的，二次调整与三次调整紧密相关，将电力系统安全、可靠、经济进行统筹考虑。
电气工程基础—控制篇2015/11/25 45
参考
电力系统调频与自动发电控制，中国电力出版社
电气工程基础—控制篇2015/11/25 46
Homework
2-1：发电机调速系统响应特性分析
2-2：电力系统频率特性计算
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Q&A
Fundamentals of Electrical EngineeringPower System Control