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1、North China Electric Power University第十一讲 电力系统频率及有功功率的自动调节（2）肖仕武Office:J5B309Tel:80794899North China Electric Power University2/322022/10/28主要内容l电力系统的频率调节系统及其特性n调节系统的传递函数u调速器u原动机汽轮机n汽轮发电机组的传递函数n单区域系统l多区域闭环调节系统l电网的频率调节特性n单区域电网的频率特性n多区域电网的频率特性North China Electric Power University3/322022/10/28第三节 电力系统
2、的频率调节系统及其特性物理系统物理系统数学建模数学建模物理映射物理映射数学分析数学分析1、调速器、调速器2、原动机、原动机3、区域系统、区域系统North China Electric Power University4/322022/10/28一、调节系统的传递函数进入原动机的动力元素是由调速器控制的，它是电力系统频率和进入原动机的动力元素是由调速器控制的，它是电力系统频率和有功功率调节系统的基本组成部分。有功功率调节系统的基本组成部分。不论汽轮机或者是水轮机，调速器的执行环节都是利用不论汽轮机或者是水轮机，调速器的执行环节都是利用液压放大液压放大原理原理控制气门（或者导水叶）的开度，尽管调
3、速器构成各异，但控制气门（或者导水叶）的开度，尽管调速器构成各异，但是他们主要部件的方程式的型式是相同的。是他们主要部件的方程式的型式是相同的。North China Electric Power University5/322022/10/281、调速器只讨论只讨论小偏离小偏离的情况，假定：的情况，假定：1、系统稳态时的频率为、系统稳态时的频率为 ，对应的原动机汽阀位置为，对应的原动机汽阀位置为 ，发电机输出功率为，发电机输出功率为 。2、D点移动微小距离点移动微小距离 ，正比于发生增加功率指令，正比于发生增加功率指令 ，3、当、当D点升高时，引起点升高时，引起E点降低点降低 ，通过错油门作
4、用，使，通过错油门作用，使B点升高点升高 ，从而原动机的输入功率增加，从而原动机的输入功率增加 ，稳态时，稳态时两者相等。两者相等。4、由于发电机功率增加，使系、由于发电机功率增加，使系统频率发生微小变化统频率发生微小变化 ，引，引起调速器响应，使起调速器响应，使A点向上移动点向上移动 ，正比于正比于 。5、正方向如图中所标柱。、正方向如图中所标柱。North China Electric Power University6/322022/10/281、调速器假定流入油压机的油量与假定流入油压机的油量与导油阀的位置导油阀的位置 成成正比正比North China Electric Power
5、University7/322022/10/281、调速器表示了原动机调节量与控制指令信号表示了原动机调节量与控制指令信号 及及系统频率系统频率 间的动态特性间的动态特性North China Electric Power University8/322022/10/282、原动机汽轮机气阀位置气阀位置 的改变会导致进气量的变化，使汽轮机输入功的改变会导致进气量的变化，使汽轮机输入功率变动率变动 ，因而引起发电机功率的变化，因而引起发电机功率的变化 汽轮机的调节阀门和第一级喷嘴之间有一定的空间，开启汽轮机的调节阀门和第一级喷嘴之间有一定的空间，开启/关关闭气门使进入气门的蒸汽量有所改变，但是这
6、个空间的压力闭气门使进入气门的蒸汽量有所改变，但是这个空间的压力不能立即改变，这样就形成了机械功率滞后于气门开度变化，不能立即改变，这样就形成了机械功率滞后于气门开度变化，也就是也就是“汽容影响汽容影响”。可以用惯性环节来描述：可以用惯性环节来描述：对于再热式汽轮机要考对于再热式汽轮机要考虑再热段充气时延虑再热段充气时延North China Electric Power University9/322022/10/283、原动机水轮机在水流的稳态情况下，水的流速是一定的。在水流的稳态情况下，水的流速是一定的。当迅速关小导向叶片的开度，导管中的水压力会急当迅速关小导向叶片的开度，导管中的水压力
7、会急剧上升；当迅速开大导向叶片的开度，导管中的水压剧上升；当迅速开大导向叶片的开度，导管中的水压力会急剧下降。这就是水锤现象。力会急剧下降。这就是水锤现象。水轮机的功率不能随着开度的变化而有一个时滞水轮机的功率不能随着开度的变化而有一个时滞North China Electric Power University10/322022/10/284、汽轮发电机组的传递函数North China Electric Power University11/322022/10/284、汽轮发电机组的传递函数汽轮机与无限大系统并联运行汽轮机与无限大系统并联运行发电机的功率变化对发电机的功率变化对系统的频率没
8、有影响系统的频率没有影响North China Electric Power University12/322022/10/284、汽轮发电机组的传递函数施加一个阶跃变化施加一个阶跃变化发电机稳态输出功率增量发电机稳态输出功率增量 与控制指令与控制指令 成正比，成正比，调节过程不会出现振荡，过程是单调衰减的。调节过程不会出现振荡，过程是单调衰减的。North China Electric Power University13/322022/10/285、单区域系统在区域在区域i内突然有一个负荷变化内突然有一个负荷变化 1、发电机组动能提供的功率增量、发电机组动能提供的功率增量2、负荷的频率调节
9、效应引起的负荷功率的变化、负荷的频率调节效应引起的负荷功率的变化3、联络线上的功率变化、联络线上的功率变化由于调速器的作用，这个区由于调速器的作用，这个区域的频率变化为域的频率变化为发电机输入功率相应地变化了发电机输入功率相应地变化了 与与 之间不平衡，两者之差由三方面来之间不平衡，两者之差由三方面来平衡：平衡：North China Electric Power University14/322022/10/285、单区域系统转子动能提供的功率增量动能随控制区域等效发电机转速（频率）的平方而变化动能随控制区域等效发电机转速（频率）的平方而变化North China Electric Powe
10、r University15/322022/10/285、单区域系统联络线的功率增量联络线路的功率增量联络线路的功率增量 为控制区域为控制区域 i 输出的总的有功功率输出的总的有功功率增量，它等于与区域增量，它等于与区域 i 相连的各联络线路中的功率增量之和。相连的各联络线路中的功率增量之和。North China Electric Power University16/322022/10/285、单区域系统联络线的功率增量拉普拉斯变换拉普拉斯变换North China Electric Power University17/322022/10/285、单区域系统考虑转子动能的功率增量拉普拉斯
11、变换拉普拉斯变换North China Electric Power University18/322022/10/285、单区域闭环调节系统North China Electric Power University19/322022/10/286、多区域闭环调节系统North China Electric Power University20/322022/10/28二、电网的频率调节特性1、单区域系统的频率调节特性、单区域系统的频率调节特性2、多区域系统的频率调节特性、多区域系统的频率调节特性North China Electric Power University21/322022/10
12、/28二、电网的频率调节特性2、多区域系统的频率调节特性、多区域系统的频率调节特性North China Electric Power University22/322022/10/281、单区域电网的频率特性在不考虑外加控制功率的前提下，研究单区域电网的频率特性在不考虑外加控制功率的前提下，研究单区域电网的频率特性North China Electric Power University23/322022/10/281、单区域电网的频率特性施加一个阶跃变化施加一个阶跃变化称为系统功率频率特性系数或者称为系统的单位调节功率，它标称为系统功率频率特性系数或者称为系统的单位调节功率，它标志了系统负
13、荷增加或者减少时，在原动机调速器调节特性和负荷志了系统负荷增加或者减少时，在原动机调速器调节特性和负荷调节效应共同作用下，系统频率下降或上升的数值。调节效应共同作用下，系统频率下降或上升的数值。应用终值定理应用终值定理North China Electric Power University24/322022/10/281、单区域电网的频率特性North China Electric Power University25/322022/10/281、单区域电网的频率特性例题：例题：系统总额定容量系统总额定容量正常运行负荷正常运行负荷惯性常数惯性常数调差系数调差系数负荷调节效应系数负荷调节效应系
14、数当负荷增量为当负荷增量为求求 的变化曲线方的变化曲线方程程North China Electric Power University26/322022/10/28相关参数计算lKp=1/KL=2lTp=2H/KL*=20sNorth China Electric Power University27/322022/10/28程序lMatlab程序Kp=2;Tp=20;Tn=0.08;Tt=0.3;R=4.8/100;sysGp=zpk(,-1/Tp,Kp/Tp);sysGnT=zpk(,-1/Tn,-1/Tt,1/Tt/Tn);sys2=sysGnT/R;sysCom=feedback(sy
15、sGp,sys2);Y,t=step(sysCom,5);SysMod=feedback(sysGp,1/R);Ym,tm=step(SysMod,5);plot(t,-Y*0.01*50,tm,-Ym*0.01*50)legend(Com,Simple)North China Electric Power University28/322022/10/28动态响应曲线North China Electric Power University29/322022/10/282、多区域电网的频率特性现代电力系统的规模越来越大，因为大系统在运行方现代电力系统的规模越来越大，因为大系统在运行方面具有很
16、多优点面具有很多优点North China Electric Power University30/322022/10/282、多区域电网的频率特性在两个互联系统中，每个区域的负荷突然增量为在两个互联系统中，每个区域的负荷突然增量为 ，不考虑控制功率不考虑控制功率North China Electric Power University31/322022/10/282、多区域电网的频率特性如果两个区域具有相同的参数如果两个区域具有相同的参数North China Electric Power University32/322022/10/28小结小结1、调速器的传递函数、调速器的传递函数2、原动机的传递函数、原动机的传递函数3、汽轮发电机组的传递函数、汽轮发电机组的传递函数4、单区域系统的传递函数、单区域系统的传递函数5、单区域系统的频率特性、单区域系统的频率特性6、单区域系统的频率特性计算、单区域系统的频率特性计算7、多区域系统的频率特性多区域系统的频率特性负荷变，无控制，负荷变，无控制，频率变，何如？频率变，何如？