电力系统频率和有功功率自动控制.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力系统频率和有功功率自动控制,基本概念,频率和有功功率自动控制的必要性,电力系统的频率特性,电力系统频率调节原理,电力系统经济调度,AGC,的概况,AGC,的评价体系,一、频率和有功功率自动控制的必要性,1,、电力系统频率控制的必要性,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,转速不稳定会影响产品质量,甚至会出现次品和废品。,一、频率和有功功率自动控制的必要性,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力用户的影响,（,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。,一、频率和有功功率自动控制的必要性,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力用户的影响,（,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,。,一、频率和有功功率自动控制的必要性,1,、电力系统频率控制的必要性,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）,一、频率和有功功率自动控制的必要性,1,、电力系统频率控制的必要性,B,频率对电力系统的影响,（,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,。,一、频率和有功功率自动控制的必要性,1,、电力系统频率控制的必要性,B,频率对电力系统的影响,（,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,。,一、频率和有功功率自动控制的必要性,1,、电力系统频率控制的必要性,B,频率对电力系统的影响,（,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。,3、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）,系统是由两个环节组成的闭环系统。,负荷调节效应使得负荷功率多吸收了PL3-PL2,3、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）,1、电力系统频率控制的必要性,2、电力系统有功功率控制的主要作用,当系统负荷增加，综合负荷特性为L2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。,三、电力系统频率调节原理,处理方法：引入水煤换算系数，将水量转换为煤耗，即将水电厂转换为火电厂处理，然后再利用拉格朗日乘子法。,二、电力系统的频率特性,1、电力系统频率控制的必要性,当系统负荷增加，综合负荷特性为L2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。,足够的调整容量和调整范围,相应地，调度部门把发电厂分为二类：,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。,尽可能多承担调峰调频任务，使火电厂减少出力且运行平稳降低煤耗,1min内ACE平均值，2s采样一次,一、频率和有功功率自动控制的必要性,2,、,电力系统有功功率控制的主要作用,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。,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：,1min内ACE平均值，2s采样一次,为互联电网队全年1min中频率平均偏差的均方根控制目标值。,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。,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。,(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。,系统的频率的稳定运行点。,1min内ACE平均值，2s采样一次,1、电力系统频率一次调整,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。,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。,二、电力系统的频率特性,一、频率和有功功率自动控制的必要性,2,、,电力系统有功功率控制的主要作用,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。,一、频率和有功功率自动控制的必要性,2,、,电力系统有功功率控制的主要作用,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。,二、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,O,P,G,P,G2,P,G1,f,f,1,f,2,1,2,发电机组的,功率频率静态特性如右图，当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。,二、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,O,P,G,P,G2,P,G1,f,f,1,f,2,1,2,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图所示，它跟,发电机组的,功率频率静态特性相似,二、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,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：,二、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,O,P,G,P,G2,P,G1,f,f,1,f,2,1,2,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,。,P,G3,二、电力系统的频率特性,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。,二、电力系统的频率特性,综合负荷与频率的关系可表示成：,二、电力系统的频率特性,2,、电力系统综合负荷的静态频率特性,频率一般在额定频率附近，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,P,L,O,f,P,L1,f,1,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,。,二、电力系统的频率特性,负荷的频率调节效应系数记为,K,L,二、电力系统的频率特性,3,、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。,二、电力系统的频率特性,3,、电力系统的频率特性,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,如图，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,。,二、电力系统的频率特性,3,、电力系统的频率特性,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,当系统负荷增加，综合负荷特性为,L2,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,。,二、电力系统的频率特性,3,、电力系统的频率特性,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,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,。,三、电力系统频率的调节原理,1,、电力系统频率的一次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,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,。,三、电力系统频率调节原理,1,、电力系统频率一次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,对于右图，频率一次,调整的结果：,发电机有功功率,增加了,P,L2,-P,L1,，负荷调节效应,是负荷吸取的有功功率,相对于原频率下的功率,少吸收,P,L3,-P,L2,，系统频,率降低到,f,2,。,三、电力系统频率调节原理,1,、电力系统频率一次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,对于右图，频率一次,调整的结果：,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。,三、电力系统频率调节原理,2,、电力系统频率二次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,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,。,三、电力系统频率调节原理,2,、电力系统频率二次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,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,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,。,三、电力系统频率调节原理,2,、电力系统频率二次调整,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。,三、电力系统频率调节原理,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,三、电力系统频率调节原理,3,、电力系统有功功率调整,（频率的二次调整）,负荷总的变化情况,随机分量,脉冲分量,持续分量,三、电力系统频率调节原理,3,、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）,由上图可见，总的负荷可分成二个部分：,随机分量,脉冲分量,持续分量,一次调频,一、二次调频,发电计划加二次调频,三、电力系统频率调节原理,3,、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）,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：,三、电力系统频率调节原理,3,、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）,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二类：,带基荷发电厂,：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,三、电力系统频率调节原理,3,、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）,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。,三、电力系统频率调节原理,3,、电力系统有功功率调整（频率的二次调整）,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,、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）,四、经济调度（三次调频）,1,、概述,传统经济调度：最低发电成本或最少一次能源消耗,电力市场环境：购电费用最低为目标,传统经济调度的重要任务：进行有功功率电源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。,火电厂内机组的经济分配,火电厂之间的经济分配,水火电厂有功功率负荷的经济分配,2,、火电厂内各机组间的经济负荷分配,燃料耗量特性,B=f(P),燃料耗量微增特性：,dB/dP,控制目的：全厂发出功率,P,D,时，总的燃料消耗最小。,目标函数：（总燃料耗量最少）,约束条件,：（有功功率平衡）,求解方法：拉格朗日乘子法，引入,将,C,对,P,和,求偏导，并令其等于零，得到：,等微增率准则,2,、火电厂内各机组间的经济负荷分配,四、经济调度,3,、火电厂之间的经济负荷分配,必须要考虑网损修正,目标函数：（总燃料耗量最少）,约束条件,：（有功功率平衡）,类似处理，得到各机组之间分配条件：,四、经济调度,4,、水火电厂之间的经济负荷分配水火联合经济调度,水电厂的作用：,尽可能多承担调峰调频任务，使火电厂减少出力且运行平稳降低煤耗,需要保持高水头运行，以提高效率,特殊性：,水电厂分为多年调节、年调节、日调节和径流式水电厂。,梯级水电厂之间的联系和制约。,同样水量在不同水头下的出力不同,四、经济调度,4,、水火电厂之间的经济负荷分配水火联合经济调度,处理方法：引入水煤换算系数,，将水量转换为煤耗，即将水电厂转换为火电厂处理，然后再利用拉格朗日乘子法。,显然，实际应用中，,应该是水头的函数，此时显然在优化时更为复杂。,其本质是将水换成煤，水电厂等效为火电厂。,五,AGC,总论（,Automation Generation Control,）,能量管理系统中最重要、最基础的闭环系统。,2003,年,6,月，全国省级以上电网中，已有,31,家投入了,AGC,功能。,AGC,的基本目标,使全系统的出力与负荷相匹配,将电力系统的频率偏差调节到,0,，保持系统频率为额定值,控制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,在区域各个电厂间进行负荷的经济分配,第二个目标也称为,LFC,（负荷频率控制）,AGC,的一般过程,跟踪控制,调节控制,机组控制,发电计划,调速器,气轮机,负荷预测,机组组合,水电计划,交换计划,电力系统,发电计划,区域控制误差,机组分组,df,P,G,AGC,的区域控制误差（,ACE,）,ACE,i,=,b,i,df+dP,T,I,根据控制目的不同：典型控制方式,定频率偏差控制,定交换功率控制,定频定交换功率控制,与,AGC,相关的发电机组运行方式,发电机的几种运行方式：,停机方式：故障或检修状态,备用方式：冷备用，热备用,手动方式：不受,AGC,自动控制,调度员直接控制方式：调度员远方控制机组,带基荷方式：,AGC,控制下，但是设定为基荷发电。,带基荷和调频方式：,AGC,的完全控制，根据,ACE,计算分配功率增量，随时增减出力。,与,AGC,相关的发电机组运行方式,运行方式转换：除了停机方式外，机组运行方式可由调度员遥控更改运行方式，使其转入调频状态。,出现下列情况，调频机组需要转为手动方式：,自动调功装置开关跳闸，无法遥调出力。,机组遥测不正常。,机组控制机构异常。,AGC,的系统结构,采集的信息：,调频机组出力,系统频率偏差,联络线交换功率功率,AGC,的工作过程,采集信息,功率分配,设定出力,远动传送,执行机构控制,AGC,与其他应用软件的关系,机组组合,发电计划,水电计划,负荷预测,AGC,交换计划,安全约束调度,状态估计,最优潮流,计划,限制,潮流,网损,修正,六、,AGC,性能评价指标,A1,、,A2,标准介绍,A1,：控制区域的,ACE,在任意,10,分钟内必须至少过零一次。即：不允许任意连续十分钟达不到控制目标。,A2,：控制区域的,ACE,在任意,10,分钟内的平均值必须控制在规定的范围,L,d,内。即：不允许任意连续,10,分钟平均控制效果超标。,NERC,（北美电力系统可靠性协会）要求控制合格率在,90,以上。,六、,AGC,性能评价指标,A1,、,A2,标准缺陷,没有体现对频率质量的要求。,增加了机组的无谓调节。,在事故情况下，互连的控制区域在未修改交换计划前，难以作出较大的支援。,六、,AGC,性能评价指标,CPS1,、,CPS2,标准,1min,内,ACE,平均值，,2s,采样一次,1min,内频率偏差平均值，,1s,采样一次,B,为控制区域设定的频率偏差系数，有符号，单位,10MW/HZ,为互联电网队全年,1min,中频率平均偏差的均方根控制目标值。,六、,AGC,性能评价指标,0,，该区域在,1min,中过程中高频超送或低频少送。,谢谢观看,谢谢观看,