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1、西北民族大学电力系统自动化课程设计题目：功率频率控制系统的模型与仿真姓 名 张莲昌 学 号 P081412849 学 院 电气工程学院 专业班级 09电气工程及自动化（1）班 指导教师 杨晶显 摘要在现实中系统功率并不是一个恒定的值，而是随时变化的，在系统中，每时每刻发电功率和用电功率基本平衡。而功率又是影响频率的主要因素，当发电功率与用电功率平衡时，频率基本稳定，当发电功率大于用电功率时系统频率则上升，反之则下降，所以系统对有功功率和频率进行调整。本文研究了电力系统频率及有功功率的自动调节进行了详细的研究与论证。第一章 频率和有功功率自动调节的必要性 1、电力系统频率调节的必要性 A 频率对
2、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,转速不稳定会影响产品质量,甚至会出现次品和废品。（2）电力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。 B 频率对电力系统的影响（1）频率下降时,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,当频率低到45Hz附近时,某些汽轮机的叶片
3、可能因发生共振而断裂,造成重大事故。（次同步谐振，1970、1971年莫哈维电厂790MW机组的大轴损坏事故）（2）频率下降到47-48Hz时,火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机、送煤机）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）在核电厂中,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,使无功消耗增加,引起系统电压
4、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,可能出现所谓电压雪崩现象,出现电压雪崩也会造成大面积停电,甚至使系统瓦解。 2、电力系统有功功率调节的主要作用A维持电力系统频率在允许范围之内 电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有电机组发出的有功功率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。但是电力系统的负荷是时刻变化的,从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内 ，就是要及时调节系统内并联运行机组的有功功率。 B提高电力系统运行的经济性 系统总容量能够满足负荷需
5、求，但没有确定哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应该发多少有功功率才是最为经济的。电力系统有功功率控制的任务之一就是要解决这个问题，这就是电力系统经济调度。C保证联合电力系统的协调运行 电力系统的规模在不断地扩大,已经出现了将几个区域电力系统联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电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要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。第二章 电力系统的频率特性 1、发电机组和电力系统等效发电机组的功率频率静态特性发电机组的功率频率静态特性如右上图，当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率
6、变化。等效发电机组（电网中所有发电机组的等效机组）的功率频率静态特性如右中图所示，它跟发电机组的功率频率静态特性相似由此可见，发电机组和等效发电机组的功率频率静态特性都是向下倾斜的，其程度用调差系数表示，其倒数称为出力的频率调节效应系数：OPGPG2PG1ff1f212调差系数是一个可以整定的参数,反映的是机组或系统对频率变化的敏感程度。2、电力系统综合负荷的静态频率特性 电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负荷吸取的有功功率有的与频率无关，有的与频率的一次方成正比，有的与频率的二次方成正比，有的与频率的更高次方成正比。综合负荷与频率的关系可表示成：PLOfPL1f1 频率一般在额定频率
7、附近，频率偏移也很小，因此可将负荷的静态频率特性近似为直线。负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调节效应系数。负荷的频率调节效应系数记为KLOPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G23、电力系统的频率特性电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。如果把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力系统是由两个环节组成的闭环系统。发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性的交点就是电力系统的频率的稳定运行点。如右图，当等效发电机运行在特性G1，综合负荷特性为L1时，系统运行在a点，系统频率为f1。 第三章 电力系统频率的调节理1、电力系统频率的一次调整当系统负荷增加，综合负荷特性为L2
8、时，如果不改变发电机调速系统的设定值，等效发电机特性仍然为G1, 系统会运行在新的平衡点b点，系统频率为f2。如果当系统负荷增加，综合负荷特性变为L2时，改变发电机调速系统的设定值，等效发电机特性变为G2, 则系统运行在c点，系统频率回到f1。当系统负荷增加，综合负荷特性为L2时，若发电机调速系统的设定值不变，等效发电机特性仍然为G1, 系统运行在b点，系统频率为f2。这种由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化，使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。对于右图，频率一次调整的结果：OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2发电机有功功率增加了PL2-PL1，负荷调
9、节效应是负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率少吸收PL3-PL2，系统频率降低到f2。 当系统负荷减少时，频率的一次调整过程与上述相反。即系统频率升高，发电机有功功率减少，负荷调节效应使负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率有所增加。2、电力系统频率二次调整当系统负荷变化较大，频率的一次调整的结果使系统频率过高或过低时，需要改变发电机调速系统的设定值，使系统频率恢复到规定范围内。对于右图，等效发电机特性由G1变为G2, 系统频率回到f1。OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2频率二次调整的结果（相比一次调整）：发电机有功功率增加了PL3-PL2负荷调节效应使得负荷功率多吸收了
10、PL3-PL2频率提高：f1-f2总的调整结果：发电机有功功率增加了PL3-PL1负荷功率增加了PL3-PL1。频率维持f1。当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到规定范围内的频率调整称为频率的二次调整。电力系统频率的二次调整任务是由调频发电厂中的发电机组承担的。3、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）在频率的二次调整之前，让我们先看看电力系统负荷的变化情况。见下图。 由上图可见，总的负荷可分成二个部分： 负荷的持续分量，调度部门用日负荷曲线来描述。日负荷曲线示例如下： 从以上日负荷曲线可看到，把负荷分成基荷和峰荷。相应地，调度部门把发电厂分为三类： 带基荷发电厂
11、：出力基本不变（核电厂） 调峰发电厂：根据分时段的发电计划控制 调频发电厂：AGC自动控制 调度部门按日负荷曲线把各时段发电计划下发到各类发电厂，预设的发电计划与实际负荷不可能完全一致，其差值称为计划外负荷。计划外负荷由调频厂承担。 由此可见，调度部门使用发电计划来解决大部分有功功率平衡问题的，利用AGC中的自动调频功能来解决无法预计的负荷变化。4、自动调频系统自动调频系统是一个闭环反馈控制系统，主要由两大部分组成：机组控制器。主要用来控制机组调速器的调节特性（通过调频器），使机组在额定频率下发出设定的出力。负荷分配器。根据电力系统频率偏差以及与相邻电力系统交换功率的偏差信号，按一定准则计算出
12、各机组的应发出力。（分为电厂级和系统级）5、自动调频方法积差调节法 最简单的功率分配其中： Ks为系统的单位调节功率。 i为分配系数Psi为机组的设定出力。积差调节法：根据系统频率偏差的根据系统频率偏差的累积值进行调节。积差调节方程：若系统只有单台发电机调频其中： K为调频功率比例系数。 t1t2： t3t4： 调节方程：多台发电机调频或者写成通用形式：因为f是全网统一的，所以fdt相等，而且PGi等于系统的计划外负荷PL，则有：代回到前方程，则可得到每台调频机组承担的负荷（负荷分配）： 调节结束时，各调频机组发电出力增量按一定比例自动地分担了计划外负担，使系统有功功率重新平衡。 积差调节的缺
13、点是积差信号滞后于系统频率的瞬间变化，调整过程缓慢。6、调频电厂的选择 足够的调整容量和调整范围 调频机组具有与负荷变化速度相适应的较快的调整速度。 机组具备实现自动调频的条件 在电网中的位置及其输送通道、输送能力 调整机组的有功功率时能够满足安全和经济运行的原则 调整过程中不能使中枢节点电压波动超出允许范围 对于联网系统，还要考虑调频引起的联络线上交换功率的波动是否超出范围。 分为主调频厂、辅调频厂。（其他为非调频厂） 第四章 功率频率控制系统的模型与仿真在互联系统中，每一台发电机上都安装了负荷频率控制（PLC）和自动电压调整（AVR）,基本的发电控制环如图3-27所示。负荷频率控制器设置了
14、一个频率的设定值，它检测频率和发电机有功功率的微小变化，调整汽轮机阀门开度，保持发电机的频率在一个允许的范围内。自动电压调整控制器设置了一个电压的设定值，它检测极端电压和无功功率微小变化，调整发电机励磁电流，保持发电机的极端电压在一个允许的范围内。励磁系统时间常数比原动机时间常数要小很多，因而它的暂态衰减要快得多，且不会影响LFC的动态特性，因此LFC控制环和AVR控制环可以看成是互不影响的两个控制环，可以将其分开来分析。一、调速系统模型 发电机的调速系统由电动机、发电机、负荷和调速器组成。分析和设计控制系统的第一步是建立系统的数学模型，而建立模型的最普遍的两种方法是传递函数法和状态变量法。状
15、态变量法可以应用到线性和非线性系统，而为了用传递函数法和线性状态方程，首先必须将系统线性化，即用合理的假设和近似将数学方程线性化，获得以下元件的传递函数。 发电机模型根据同步发电机的摆动方程式，小扰动有（3-54）或根据速度偏差 （3-55）速度是标幺值，不写标幺值标识，有 （3-56）对式（3-56）做拉格朗日变换，有 （3-57）式（3-57）的关系可以用框图表示，如图3-28所示。负荷模型电力系统的负荷由各种用电设备组成。对电阻性负荷，比如电灯和加热设备，消耗的电能与频率无关。电机负荷对频率的变化比较敏感，其敏感程度取决于驱动设备速度一负荷特性的总和。综合负载的速度负荷特性近似表示为 (
16、3-58)式中非频率敏感设备的功率变化；频率敏感设备的功率变化；负荷变化的百分数与频率变化的百分数之比，若频率变化1%，负荷用电量变化1.6%则=1.6。 在发电机模型中加入负荷模型，画出图3-29的框图。去掉反馈环，则得到图3-30框图。（三）原动机模型机械功率的源就是原动机，它可以是水轮机，汽轮机或燃气轮机。输出功率的变化取决于蒸汽的开度。不同类型的涡轮机特性差别很大。对无再热蒸汽轮机，原动机模 （3-59）型可以近似用一个时间常数来表示，传递函数有简单无再热汽轮机的框图如图3-31所示。时间常数的范围是0.22.0s。（四）调速器模型调速器好比一个比较器，它的输出是设定功率和功率的差。由
17、调速器特性给出有 (3-60)或频域 (3-61)指令经过液压放大传递给阀门开度位置指令，假定一个线性关系并认为时间常数为，则有以下的频域关系式 （3-62）二、包括励磁系统的AGC 由于LFC和AVR系统之间联系较弱，可以将频率和电压幅值分开控制，这里将线性化的AGC扩展，使之包括励磁系统。由式（3-70）可知功率的微小变化是同步功率系数Ps和公角的微小影响，就有以下的线性化方程为 Pe=Ps+K2E公式中（3-82）K2是定子电动势的变化对功率变化的影响。同样，考虑转子公角对发电机机端电压的影响，有 +K6E公式中K5当定子电动势为常数时，机端电压的变化相对转子公角的变化;K6当转子公交为
18、常数时，机端电压的变化相对定子电动势的变化；最后为了推出包括转子公角的发电磁场传递函数，将定子电动势表示为 E=上面公式中的常数是有网络参数和运行状态决定的。对于稳态系统，Ps是正值，同样K2、K4、k6为正值，但k5可能为负值。一个孤立的发电站的组合仿真框图如图3-57所示，其参数见表3-5.表3-5 孤立发电站参数设备增益时间常数汽轮机KT=1T=0.4调速器Kg=1g=0.2放大器KA=10A=0.1励磁机KE=1E=0.5发电机KG=1G=1.5传感器KR=1R=0.04惯性常数调差系数H=6R=0.04当频率变化1%时负荷变化0.8%，即=0.8。假定同步功率因数Ps=1.5，电压系
19、数为K6=0.5，并且耦合常数K2=0.2、K4=1.4、K5= -0.1。建立混合SIMULINK仿真框图，并求当负荷标幺值变化PL1=0.25时的频率偏差和机端电压响应。 仿真框图 频率偏差阶跃响应 机端电压阶跃响应第四章 总结 由于电能是无法大量储存的，所以电网时时刻刻都是与负载保持平衡，即用多少发多少。当有功功率过多，会导致电压上升，频率增加，当有功功率过少，则电压下降，频率降低。实际电压偏高将造成设备过电压，威胁绝缘和降低使用寿命；实际电压偏低，将影响用户的正常工作，使用户设备和电器不能正常运行或停止运行。频率偏低，使用户电动机转速下降，功率降低，造成机械出力下降；频率偏高，使用户电
20、动机转速上升，增加功率消耗。严重时会导致电网解列崩溃。因此我们选择了对电力系统进行频率及有功功率的自动调节。电力系统有功功率控制的主要作用是维持电力系统频率在允许范围之内，电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有电机组发出的有功功率总和与系统所有电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗 (包括网损包括网损包括网损包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变化的,从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内 ，就是要及时调节系统内并联运行机组的有功功率，提高电力系统运行的经济性 。负荷频率控制（PLC）能够在一定程度上满足频率控制的要求。参考文献 1.
21、魏守平 罗萍 卢本捷. 我国水轮机数字式电液调速器评述 水电自动化与大坝监测 2003年第5期:1-7 2. 魏守平. 现代水轮机调节技术. 武汉：华中科技大学出版社，2002年1月 3. 魏守平. 水轮机控制系统的建模及仿真. 水电自动化与大坝监测 年第期: 4. 张志涌. 精通MATLAB 6.5版 北京航空航天大学出版社 北京 2003年3月 5. 华中科技大学、福建电力调度通讯中心 .福建电网负荷频率控制特性研究技术报告 2004年12月 6. 魏守平 王雅军 罗萍 . 数字式电液调速器的功率调节 水电自动化与大坝监测 2003年第4期:20-22致谢本设计是在我的指导老师杨晶显和诸位同学的帮助和悉心指导下完成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课开始到项目的最终完成，杨晶显老师和各位专业老师都始终给以我细心的指导和不懈的支持。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意