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1、第五讲 发电控制与频率调节,黄琦博士电子科技大学自动化工程学院,主要内容,概述数学模型发电机模型负荷模型原动机模型调速器模型联络线模型自动发电控制,概述-电力系统的频率特性,1）并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为：式中 P发电机组转子极对数 n 发电机组的转数（r/min）f电力系统频率（Hz）显然，电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速。,概述-电力系统的频率特性,2)电力系统频率一致。3)任一时刻，发供平衡。4)负荷增加时，系统出现了功率缺额，机组的转速下降，整个系统的频率降低。5)调频与有功功率调节是不可分开的。6)调频是一个要有整个系统来统筹调度与协调的问题，不允
2、许任何电厂有一点“各自为政”的趋向。7)调频与运行费用的关系也十分密切。8)力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。,概述-负荷与频率变化,实际负荷变化曲线,实测频率变化曲线,概述-电力系统的频率特性,9）负荷的变动情况可以分成几种不同的分量：一是变化周期一般小于10s的随机分量；二是变化周期在10s3min之间的脉动分量；三是变化周期在3min以上的持续分量，负荷预测预报这一部分。10）第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。11）第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。12）第三种负荷变化，调度部门
3、的计划内负荷，这称为频率的三次调整。,概述,经济调度和机组计划安排建立了基于经济考虑的最佳运行点；运行点需要通过发电控制来实现：各个发电机单元的本地控制调度中心大系统控制和互联控制多个电网和独立发电厂（Independent Power Produces,IPPs）的区域控制ISO-Independent System OperatorRTO-Regional Transmission System Operator,概述,考虑一个含多台发电机的电力系统负荷持续变化需要采取适当的控制措施来将负荷变化分派到各台发电机调速器维持发电机机械速度（频率）辅助控制系统动作实现负荷的分配影响电能输出通常需
4、要远端信号,系统负荷变动,（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等,（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律,（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电 炉启停,发电机模型、负荷模型、原动机模型、调速器模型,发电系统及其控制系统,发电机模型,每台发电机上安装的调速器实现对频率的一次调节（primary control），控制中心的辅助调节来实现发电负荷的分配发电和频率控制也经常被成为负荷频率控制（LFC：Load-frequency control）,发电机模型,=rotational speed=rotational acceleration
5、=phase angle of a rotating machine Tnet=net accelerating torque in a machine Tmech=mechanical torque exerted on the machine by the turbine Telec=electrical torque exerted on the machine by the generator Pnet=net accelerating power Pmech=mechanical power input Pelec=electrical power output I=moment o
6、f inertia for the machine M=angular momentum of the machineall quantities,except for the phase angle,are expressed in per unit on the machine base and/or the standard system frequency basesteady-state and nominal values have a“0”subscript added,发电机模型,基本关系加速原理：动量原理：能量方程：,相角偏差,发电机模型,与标称值的偏差：,与转矩关联：,出力
7、偏差：,发电机模型,Laplace变换：,负荷模型,通常为电阻性负荷和感应电动机负荷，负荷变化通常来自负荷本身的变化和由于频率变化导致的负荷变化：,负荷模型,传递函数框图：从原动机侧看进去：,负荷模型,负荷模型,原动机模型（Prime-mover Model）,原动机驱动发电机发电汽轮机水轮机惯性时间常数（“Charging time”time constant），Tch汽门开度：,原动机模型（Prime-mover Model）,汽轮机模型（3-级）,水轮机模型,调速器（Governor）模型,调速器补偿转子速度变化：负荷变化最终会引起转子速度变化转速变化也可以看成系统频率变化同步调速器,调
8、速器（Governor）模型,调速器模型,同步调速器：通过转速偏差的积分来强迫频率偏差趋于零不能用于两台以上的发电机机组调速器竞争系统频率机组之间的负荷分配采用参考信号提供频率和出力参考输入加入一个新信号，负荷参考输入信号，控制出力反馈环中包含R,确定调速特性,调速器模型,调速功能实现机组间的负荷分享,出力变化导致的频率变化（p.u.）,调速器模型,调速器模型,调速器特性,调速器特性调速器实现机组间出力分配,调速器特性,通过改变负荷参考输入，可以改变调速器特性，从而在保持系统频率的条件下实现机组分配,全系统模型,全系统模型,稳态值：利用Laplace方法：对于多机系统：,联络线模型（Tie-l
9、ine model）,联络线模型,在标幺值情况下，,直流潮流（DC load flow）,联络线模型,联络线模型,当发生负荷变化后，在稳态情况下：,联络线模型,算例#5.1,算例#5.1(cont.),自动发电控制（AGC:Automatic Generation Control）,AGC的主要目标,AGC主要有三大目标：维持系统频率维持控制区域的能量交换在电力市场中，需要履行与相邻区域的联络线功率输送合同保持每台发电机组经济运行,AGC的基本功能,1、使发电自动跟踪电力系统负荷变化2、响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为额定值3、在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划
10、值4、对周期性的负荷变化按发电计划调整发电功率5、监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求,附加控制（Supplementary Control Action）,负荷变化将会引起频率变化，其幅度取决于调速器特性曲线附加控制将系统频率恢复到标称值（50 or 60 Hz）通过在调速器中加入积分控制环实现控制动作通过调整速度参考点输入来强迫频率偏差为零,附加控制,联络线控制,通常有两个以上电力系统互联，目的有三：1）需要时购买或销售电能；2）在紧急故障情况下提供支援；3）频率恢复时提供共同的频率基准 定义如下术语与变量实际净交换总和（total actual net interchange）:+f
11、or power leaving the system;for power entering the system 预计交换潮流:联络线潮流变化:,联络线控制,联络线控制,定义区域控制偏差（Area Control Error:ACE）：需要的发电变化，表示需要恢复频率和区域功率交换预计值区域内需要的发电量。,频率偏移因子（Frequency Bias Factors）,发电分配,一个控制区域通常包含多台发电机，前面提到的联络线控制只适合单一台机组控制。经济调度必须要与发电控制联系起来输入是控制区域需要的出力输出是各台机组的出力需求是时刻变化的，因此，这一状态不会持续太久,发电分配,发电分配是通过基准值和参与因子来确定的。,发电分配基准值和参与因子,假设微增率曲线的一次和二次导数均存在，则：,Participation factor,算例#5.2,算例#5.2（cont.）,AGC实现,AGC实现,AGC实现,电力系统控制系统,频率控制和电压控制的根本原因是由于负荷的变化,控制的时间尺度,
