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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 西北民族高校电力系统自动化课程设计题目：功率频率掌握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）班指导老师 杨晶显1 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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稳；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稳时,频率基本稳固,当发电功率大于用电功率时系统频率就上升,反之就下降,所以系 统
2、对有功功率和频率进行调整；本文讨论了电力系统频率及有功功 率的自动调剂进行了具体的讨论与论证；第一章 频率和有功功率自动调剂的必要性 1、电力系统频率调剂的必要性2 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - A 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 ,转速不稳固会影响产品质量 ,甚至会显现次品和废品；2）电力系统频率波动会影响某些测量和掌握用的电子设备的精确性和性能 ,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答
3、应的；3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低 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,导致其所带动机械的转速和出力1）频率下降时 ,汽轮机叶片的振动会变大,轻就影响使用寿命,重就可能产生裂纹；对于额定频率为 50Hz的电力系统 ,当频率低到 45Hz邻近时 ,某些汽轮机的叶片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；这种趋势假如不能准时禁止,就会在短时间内
4、使电力系统频率下降到不能答应的程度；这种现象称为频率雪崩；显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；当频率降到肯定数值时 ,冷却介质泵即自动跳开 ,使反应堆停止运行；的有功功率总和之间的平稳来维护的；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答应范畴之内 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,就是要准时调剂系统系统总容量能够满意负荷需求,但没有确定哪些机组参加并联运行,并联运行的机组各应 该发多少有功功率才是最为经济的；电力系统有功功率掌握的任务之一就是要解决这个问 题,这就是电
5、力系统经济调度；C保证联合电力系统的和谐运行电力系统的规模在不断地扩大,已经显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掌握,要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先 商定的协议进行；这时电力系统有功功率掌握要对不同区域系统之间联络线上通过的功率 和电量实行掌握；3 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其次章 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,输出功率不随频率变化；等效发电
6、机组 电网中全部发电机组的等效机组f12）的功率频率静态特性如右中图所示,它跟发电机组f1的功率频率静态特性相像由此可见,发电机组和等效发电机组的功率频率f2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剂效应系数：Of PG1PG2PG调差系数是一个可以整定的参数,反映的是机组或系统对f1 f2 1 2 频率变化的敏锐程度；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O PG1 PG2 PG 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：P
7、La 0P Lea 1P Lefa 2P Lef2a nP LefnfefefeP La 0a 1f*a 2f*2a nfnPL P LP LP Lef*ffea 0a 1a 2a n1频率一般在额定频率邻近,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；PL1 负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调剂效应系数；K LO f 1 f 负荷的频率调剂效应系数记为4 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3、电力系统的频率特性f a L1 b c L2 G2 电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成
8、；假如把输电网络的损耗看成负荷的一部分,就电f1 f2 力系统是由两个环节组成的闭环系统；发电机组的功G1 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固运行点；如右图,当等效发电机运行在特性G1,综合负O PL1 PL2 PL3 P荷特性为 L1时,系统运行在a点,系统频率为f1；第三章 电力系统频率的调剂理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时,假如不转变发电机调速系统的设定值,等效发电机特性仍旧为G1, 系统会运行在新的平稳点b点,系统频率为f2；假如当系统负荷增加,综合负荷特性变为L2 时,转变发电机调速系统的设定值,等效发电机特性变为G2, 就系
9、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 机特性仍旧为 G1, L2时,如发电机调速系统的设定值不变,等效发电系统运行在 b点,系统频率为 f2 ；这种由发电机特性和负荷调剂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：发电机有功功率增加了PL2-f2；f a L1 b c L2 G2 PL1,负荷调剂效应是负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率少吸取PL3-PL2 ,系统频率降低到当系统负荷削减时,频率的一次调整过程与上述相反f1 f2 G1 ；即系统频率上升,发电机有功功率削减,负荷调剂效应使负荷吸取的有功
10、功率相对于原频率下的功率有所增加；名师归纳总结 5 / 16 O PL1 PL2 PL3 P第 5 页,共 16 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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,需要转变发电机调速系统的设定值,使系统频率复原到规定范畴内；对于右图,等效发电机特性由 G1变为 G2, 系统频率回到 f1；频率二次调整的结果相比一次调整）：f a L1 b c L2 G2 发电机有功功率增加了PL3-PL2 负荷调剂效应使得负荷功率多吸取了PL3-PL2 f1 f2 频率提高： f1-f2 G1
11、 总的调整结果：发电机有功功率增加了PL3-PL1 O PL1 PL2 PL3 P负荷功率增加了PL3-PL1 ；频率维护 f1；当系统负荷变化较大,通过转变发电机调速系统的设定值使系统频率复原到规定范畴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形；见下图；由上图可见,总的负荷可分成二个部分：负荷的连续重量,调度部门用日负荷曲线来描述；日负荷曲线示例如下：6 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 16 页精选学习资料 -
12、- - - - - - - - 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：出力基本不变 核电厂）调峰发电厂：依据分时段的发电方案掌握 调频发电厂： AGC 自动掌握调度部门按日负荷曲线把各时段发电方案下发到各类发电厂,预设的发电方案与实际负荷 不行能完全一样,其差值称为方案外负荷；方案外负荷由调频厂承担；由此可见,调度部门使用发电方案来解决大部分有功功率平稳问题的,利用 AGC 中的自动 调频功能来解决无法估计的负荷变化；4、自动调频系统 自动调频系统是一个闭环反馈掌握系统,主要由两大部分组成：机组掌握器；主要用来掌握机组调速器的调剂特性 率
13、下发出设定的出力；通过调频器）,使机组在额定频负荷安排器；依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 定准就运算出各机组的应发出力；分为电厂级和系统级）5、自动调频方法积差调剂法 最简洁的功率安排其中： Ks为系统的单位调剂功率； i为安排系数 Psi为机组的设定出力；积差调剂法：依据系统频率偏差的依据系统频率偏差的累积值进行调剂；积差调剂方程：如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：调剂方程：多台发电机调频7 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 或者
14、写成通用形式：由于 f是全网统一的,所以 fdt 相等,而且 PGi等于系统的方案外负荷 PL,就有：代回到前方程,就可得到每台调频机组承担的负荷 负荷安排）：调剂终止时,各调频机组发电出力增量按肯定比例自动地分担了方案外负担,使系统 有功功率重新平稳；积差调剂的缺点是积差信号滞后于系统频率的瞬时变化,调整过程缓慢；6、调频电厂的挑选 足够的调整容量和调整范畴 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、输送才能 调整机组的有功功率时能够满意安全和经济运行的原就 调整过程中不能使中枢节点电压波动超出答应范畴 对于联网系统,仍要考虑调
15、频引起的联络线上交换功率的波动是否超出范畴；分为主调频厂、辅调频厂；其他为非调频厂）第四章 功率频率掌握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掌握 AVR）,基本的发电掌握环如图 3-PLC）和自动电压调整27所示；负荷频率掌握器设置了一个频率的设定值,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答应的范畴8 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 内；自动电压调整掌握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
16、持发电机的极端电压在一个答应的范畴 内；励磁系统时间常数比原动机时间常数要小许多,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掌握环和 AVR掌握环可以看成是互 不影响的两个掌握环,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；分析和设计掌握系 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,第一必需将系统线性化,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 依据同步发电机的摇摆方程式
17、,小扰动有3-54）或依据速度偏差 3-55）速度是标幺值,不写标幺值标识,有9 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3-56）对式 3-56）做拉格朗日变换,有 3-57 ）式 式中 非频率敏锐设备的功率变化；频率敏锐设备的功率变化；负荷特性近似表示为负荷变化的百分数与频率变化的百分数之比,如频率变化 1%,负荷用电量变化1.6%就 =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,就得到图 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
18、功率的10 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,传递函数有简洁无再热汽轮机的框图如图 3-31所示；时间常数 的范畴是 0.22.0s ； 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,就有以下的频域关系式11 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3
19、-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掌握,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 +K 2E公式中 的有功功率总和之间的平稳来维护的；但是电力系15 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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答应范畴之内,就是要准时调剂系统内并联运行机组的有功功率,提高电力系统运行的经
20、济性；负荷频率掌握 PLC）能够在肯定程度上满意频率掌握的要 求；参考文献1. 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 . 现代水轮机调剂技术 . 武汉：华中科技高校出版社,2002年1月3. 魏守平 . 水轮机掌握系统的建模及仿真 . 水电自动化与大坝监测年第期: 4. 张志涌 . 熟知MATLAB 6.5 版 北京航空航天高校出版社 北京 2003年3月5. 华中科技高校、福建电力调度通讯中心 .福建电网负荷频率掌握特性讨论技术报告 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剂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忙和尽心指导下完成的；他们庄重的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和鼓励着我；从课开头到工程的最终完成,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；在此谨向老师致以真诚的谢意和崇高的敬意16 / 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 16 页