电力系统自动化教案.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流电力系统自动化教案.精品文档.电力系统自动化教案(初稿、节选)课程名称:电力系统自动化学时:40;上课:36;实验:4。教 材:电力系统自动化,商国才编著,天津大学出版社,1999.6。参考书:电力系统自动化,李先彬主编,水利电力出版社,1995。电力系统自动装置原理,杨冠城主编,水利电力出版社,1995本课程的教学内容:绪论:电力系统自动化的重要性,本课程的主要内容及其特点。电力系统频率和有功功率的自动控制:负荷的频率调节效应,调速系统的静态调节特性,一次调频和二次调频,电力系统的自动调频与自动发电控制(AGC)。电力系统电压和无功功率的自
2、动控制:励磁控制系统的主要任务及对磁控制系统的基本要求,磁方式分类,起励、灭励、强励、强减,励磁调节器基本构成,励磁控制系统的静态调节特性,电压调差系数,调差装置。同步发电机的并列操作:准同期并列与自同期并列,准同期并列的整定计算,自动准同期装置的基本构成原理。电力系统自动低频减载:电力系统频率的动态特性,自动低频减载的基本原理,低频减载整定计算的原则。电力系统调度自动化概论:调度自动化系统的基本构成与工作原理,调度自动化的主要功能,调度自动化系统的现状与趋势。第一章 绪论学习目标:了解电力系统自动化课程的特点和涉及的学科,总体把握课程学习方法,了解电力系统的运行状态及其特征。由电力系统的特点
3、和运行要求可见对电力系统的控制与管理一个大型电力系统,使之安全、优质和经济的运行是十分困难而艰巨的。仅靠值班人员进行人工监视是无法实现的,必须依靠自动装置和设备才能实现。1.1 电力系统自动化的发展阶段一、单一功能自动化阶段单一功能的自动装置有:故障自动切除装置(即继电保护装置,自动切除出现故障的发电机、变压器和输电线路等设备)、自动操作和调节装置(如断路器自动操作、发电机自动调压和自动调速装置等)、远距离信息装置(即远动装置)单一功能自动化的特点是:1、继电保护、远动、自动化三者自成体系,分别完成各自功能2、对单个电力设备和单一过程用分立的自动装置来完成自动化的单一功能3、电力系统中各发电厂
4、和变电站之间的自动装置没有什么联系。4、电力系统的统一运行主要靠电力系统调度中心的调度员根据遥信、遥测传来的信息,加上自己的知识和经验通过电话或遥控和遥调来指挥。二、综合自动化阶段 特点是用一套自动化系统或装置来完成以往两套或多套分离的自动化系统或装置所完成的工作。1.2 电力系统的运行状态及调度控制一、电力系统的正常状态和非正常状态正常时满足等式和不等式约束条件二、电力系统运行状态及相应的调度控制第二章 电力系统调度自动化学习目标:了解调度自动化系统的基本构成与工作原理,调度自动化的主要功能,调度自动化系统的现状与趋势。2.1 电力系统调度自动化是如何实现的电力系统调度自动化的功能有电力系统
5、监视和控制电力系统状态估计电力系统安全分析和安全控制电力系统稳定控制电力系统潮流优化电力系统实时负荷预测电力系统频率和有功功率自动控制电力系统电压和无功功率自动控制电力系统经济调度控制电力系统负荷管理2.2 远动和信息传输设备的配置和功能参考电力系统远动课程2.3 调度计算机系统及人机联系设备一、调度计算机系统:完成信息处理和加工任务。由计算机硬件、软件和专用接口组成,由多台计算机组成调度自动化系统时,还有计算机硬件系统的配置问题。二、人机联系设备:交互型的调度员控制台、远方控制台、调度员工作站、模拟屏以及通用的打印机、程序员终端等。2.4 电力系统的分层调度控制集中调度控制就是把电力系统内所
6、有发电厂和变电站的信息都集中在一个调度控制中心,由一个调度控制中心对整个电力系统进行调度控制。分层调度控制就是把全电力系统的监视控制任务分配给属于不同层次的调度中心,下一层调度完成本层次的调度控制任务外,还接受上一级调度组织的调度命令并向上层调度传递所需信息。分层调度与集中调度相比,它的优点是:便于协调控制;提高系统可靠性;改善系统响应各级调度中心的控制和管理任务:大区电网调度中心(网调):1.区网负荷预测、安排系统结构和发电计划2.频率有功功率控制、经济运行调度控制3.区主网枢纽点电压监视和无功功率控制4.区网安全监视、预防事故分析和校正控制5.区网正常操作和事故处理6.区网检修计划7.调度
7、记录、统计业务省调度中心(省调):1.省网负荷预测并按经济原则作出省网系统结构的调度及所属发电厂发电计划2.省主网和110kv系统枢纽点电压监视和无功控制3.省主网和110kv系统安全监视和控制4.不影响区网的局部性正常操作和事故处理5.管理范围内的网损计算和检修计划6.水库调度、水电厂发电计划7.调度记录报告(对上级)、统计业务地区调度所(地调)或中间控制所(即某些厂、站承担对其附近子厂、站得控制和信息传递):1.局部110KV系统枢纽点电压监视和控制2.局部110KV系统安全监视和控制3.局部110KV系统正常操作和事故处理4.管理范围内的网损计算和检修计划5.对所属供电局的业务联系6.统
8、计业务第三章 电力系统的频率和有功功率自动控制学习目标:负荷的频率调节效应,调速系统的静态调节特性,一次调频和二次调频,电力系统的自动调频与自动发电控制(AGC)。电力系统频率的动态特性,自动低频减载的基本原理,低频减载整定计算的原则。3.0概述f=pn/60式中 f发电机频率,HZ P发电机转子的极对数; n机组转速,r/min。由上式可知,要控制发电机频率就得控制机组转速。3.1频率、有功控制的必要性一、 电力系统频率控制的必要性频率是电能质量的重要指标之一1、 频率对电力用户的影响 1)电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化,这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化。有些
9、产品(如纺织和造纸行业的产品)对加工机械的转速要求很高,转速不稳定会影响产品质量,甚至会出现次品和废品。2) 系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能,频率过低时有些设备甚至无法工作。这对一些重要工业和国防是不能允许的。3) 电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低,导致其所带动机械的转速和出力降低,影响电力用户设备的正常运行。2、 率对电力系统的影响1)率下降时,汽轮机叶片的振动会变大,轻则影响使用寿命,重则可能产生裂纹。对于额定频率为50Hz的电力系统,当频率降低到45Hz附近时,某些汽轮机的叶片可能发生共振而断裂,造成重大事故。2)下降到4748Hz时,由异步电动
10、机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨媒机等发电厂厂用机械的出力随之下降,使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降,从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。这种趋势如果不能及时制止,就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度,这种现象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造成大面积停电,甚至使整个系统瓦解。3)核电厂中,反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。当频率降到一定数值时,冷却介质泵即自动跳开,使反应堆停止运行。4)电力系统频率下降时,异步电动机和变压器的励磁电流增加,使异步电动机和变压器的无功损耗增加,引起系统电压下降。频率下降还会引起励磁机出力下降,并使发电机电势下降,导致全系统电压水平降
11、低。如果电力系统原来的电压水平偏低,在频率下降到一定值时,可能出现电压快速而不断地下降,即所谓电压雪崩现象。出现电压雪崩会造成大面积停电,甚至使系统瓦解。二、 力系统有功功率控制的必要性1、 维持电力系统频率在运行范围之内电力系统频率是靠电力系统内并联运行地所有发电机组发出的有功总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。当系统内并联运行的机组发出的有功功率总和等于系统内所有负荷在额定频率所消耗的有功功率总和时,系统就运行在额定频率。如果上述“等于”关系遭到破坏,系统频率就会偏离额定值。电力系统有功功率控制的重要任务之一,就是要及时调节系统内并联运行机组原动机的输入功
12、率,维持上述“等于”关系,保证电力系统频率在允许范围之内2、 提高电力系统运行地经济性前面已经指出,当系统内并联运行的所有机组发出的有功功率总和等于系统内所有负荷在额定频率所消耗的有功功率总和时,系统就运行在额定频率,但没有说明那些机组参与并联运行以及参与并联运行的机组各应该发多少有功功率。电力系统有功功率控制的另一个任务就是要解决这个问题。这就是电力系统经济调度问题。电力系统经济调度包括两个方面:第一,开启那些机组并入电力系统运行;第二,确定已并网运行的机组各发多少有功功率。前者是机组经济调度问题,后者是有功负荷的经济分配问题。经济调度需要考虑机组效率、各种发电机组的协调、电力系统网损等问题
13、,目的是提高电力系统运行的经济性,用最少的一次能源消耗获得最多的可用电能。3、 保证联合电力系统地协调运行电力系统的规模不断扩大,已经出现了将几个区域电力系统连在一起组成的联合电力系统。有的联合电力系统实行分区域控制,要求不同区域系统间交换的有功功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。电力系统频率和有功功率控制是密切相关和不可分割的,应该统一考虑并协同控制。3.4机械液压调速器首先按图说明调速器的构成:测速机构:离心飞摆执行机构:错油门和油动机及其连杆转速给定:同步器调差机构:一次调节的过程:D不动:转速n下降A点上升C点下降
14、F,E下降B点上升同时转速n上升引起A上升C点上升E点上升回到原来位置调节结束。调节结束后b点比原来高,a点比原来低,c点不懂。为有差调节,若去掉b点和活塞的连杆则为无差调节。二次调节的过程:抬高D点,因为BCA先不动E下降B上升n上升A上升C上升F上升E点上升重新堵死油路调节结束,ACB集体抬高给出调差系数的概念,定义由调节特性给出调差的概念:并从概念上解释两个定义的等价关系失灵区的影响:失灵区过大会导致误差功率过大,过小会导致调速器频繁动作,对机组和系统都不利,故一般小于0.2%-0.5%;失灵区一定的情况下误差功率与调差系数成反比3.7 电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理现代电力系
15、统中并联运行的发电机组台数很多,负荷的数量就更多,且分布在辽阔的地理区域之内。不难想象,控制如此庞大的电力系统,使频率满足要求、功率分布得经济合理是一项十分复杂得工作。为了使问题简化并突出主要矛盾,在分析电力系统频率和有功功率自动控制时 ,常将电力系统内并联运行得所有机组用一台等效机组代替;将电力系统内所有负荷用一个等效负荷代替;然后使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制得基本原理和方法进行分析和计算。一、电力系统负荷得静态频率特性负荷的有功功率随着频率而变化得特性叫做负荷的静态频率特性。电力系统负荷功率与频率的关系为零次方负荷:负荷功率与频率变化无直接关系,如电热、照明、电弧炉及整流
16、负荷。一次方负荷:负荷功率与频率成比例关系,如金属切削机床、磨煤机、卷扬机等。二次方负荷:负荷功率与频率平方成比例关系,这类机械不多,但电力系统中的网损即是。三次方负荷:负荷功率与频率三次方成比例关系,火电厂的厂用机械多属于此类,如鼓风机、循环水泵等。此外,还有一些高水头的水泵,如给水泵,则是与频率的更高次方成正比。电力系统负荷的静态频率特性曲线如图所示。可以看出当频率下降时负荷从系统取用的有功功率将下;系统频率升高时负荷从系统取用的有功功率将增加。这种现象称为电力系统负荷的频率调节效应,简称负荷调节效应,并用负荷调节效应系数来衡量负荷调节作用的大小。负荷调节效应与负荷的组成和比重有关。二、电
17、力系统等效发电机组的静态调节特性等效机组的调差系数和以及静态调节方程式的物理意义与单机调速系统一直。调差系数的倒数称为机组的单位调节功率,即三、 电力系统频率控制的基本原理结合教材图形,从概念上解释发展过程,假设无调速器稳定在b点。(一)、频率的一次调整稳定在c点。增加的负荷功率一部分通过负荷自己的调节特性使负荷少吸收来承担,一部分由发电机组通过降低频率增加(二)、频率的二次调整改变频率或转速给定环节回复到原额定运行频率。负荷增量将全部由调频机组承担。(三)、调频电厂的选择电力系统中并联运行的发电机组都装有调速器。当系统负荷变化时,有可调容量的机组均参与频率的一次调整,而二次调整只由部分发电厂
18、承担。从是否承担频率的二次调整任务出发,可将系统中所有发电厂分为调频厂和非调频厂两类。调频厂负责全系统的频率调整任务;非调频厂在系统正常运行情况下只按调度控制中心预先安排的负荷曲线运行,而不参加频率调整。选择调频电厂时,主要考虑下列因素: (1)具有足够大的容量和可调范围; (2)允许的出力调整速度满足系统负荷变化速度的要求; (3)符合经济运行原则; (4)联络线上交换功率的变化不致影响系统安全运行。水轮发电机组的出力调整范围大,允许出力变化速度快,一般宜选水电厂担任调频。四、电力系统的有功功率控制并联运行机组间的有功功率分配结合例题进行讲解。3.9 电力系统自动调频方法和自动发电控制一、电
19、力系统的自动调频方法有主导发电机法、虚有差法、积差调节法等。二、自动发电控制(AGC)四个基本目标:使电力系统的发电出力和负荷功率相匹配;将电力系统的频率偏差调节到零,保持系统频率为额定值;空盒子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;在区域内各发电厂间进行负荷的经济分配。3.10电力系统自动低频减负荷3.10.1 概述电力系统中某些机组故障切除时,由于出现有功功率缺额,系统频率会急剧下降。采用自动低频减载装置,可以制止事故的进一步扩大,所以这是一种有效的措施。众所周知,电力系统在正常情况下,需要调节频率,使系统维持在额定频率下稳定运行。这时发电机组所发出的有功功率与负
20、荷所消耗的有功功率在该频率下达到平衡。但是,功率平衡关系随时可能遭到破坏,这时,系统中将出现有功功率差额。当频率在额定值附近时,如果功率平衡,即(P=0),则电机转速将保持不变。如果发电功率大于消耗功率,即(P0),出现功率余额时,电机将加速,使频率上升。反之,当(P0),出现功率缺额时,电机将减速,使频率下降。特别是当系统发生事故时,例如有一台机组或一个发电厂被断开,系统频率将急剧下降。假如此时系统中全部备用容量均已动用,还是应付不了,则应及时采取其它对策,否则将会导致事故扩大,甚至整个系统瓦解,造成极其严重的后果。因此,这种频率的过度降低,不仅影响电能质量,而且会给系统的安全运行带来如下一
21、些严重的危害:1、危害汽轮机汽轮机在结构上是如此设计的:在额定频率下运行时,叶片振动很小;当频率下降时,叶片振动变大甚至产生共振现象。运行经验表明,某些型式的汽轮机长时期在频率低于4949.5赫以下运行时,叶片容易产生裂纹,当频率低到45赫附近时,个别级的叶片可能发生共振而引起断裂事故。 2、产生频率崩溃现象当频率下降到4748赫时,火电厂的厂用机械(例如风机、水泵及磨煤机等)的出力将显著下降,几分钟内将使发电厂的正常运行受到破坏,致使功率缺额更为严重,频率进一步下降,从而造成所谓“频率崩溃”现象。3、产生电压崩溃现象当频率下降到4645赫时,全系统发电机转子及励磁机的转速显著下降,致使发电机
22、电势下降,全系统的电压水平大为降低。即使有较完善的自动调节励磁装置,也难以恢复。当电压下降到一定程度时,负荷不仅不减少吸收无功功率,反而吸收更多的的无功功率,使系统无功功率严重不足,引起电压的进一步下降。这就出现所谓“电压崩溃”如果发生这种恶性事故,将会引起大面积停电,使系统陷于瘫痪状态,往往要数小时才能恢复正常。装设自动低频减载装置,就是应付这种事故的重要对策之一。它在系统发生事故,频率急剧下降时,通过切除部分负荷的方法,来制止频率的下降,并使它逐步恢复正常。为了保证系统的正常和安全运行,系统频率应保持应有的水平。在正常运行情况下,系统中经常性的频率波动不应超过0.2赫,同时根据规定也不允许
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