水轮发电机组频率和功率的自动控制 · 教材 P30–P38

负荷扰动后,
调频功率由哪个区域承担?

本页对应教材 P30–P38,内容包括主导发电机法、分区调频法和区域控制误差 ACE。通过两区域联络线演示,说明如何根据频率偏差与联络线功率偏差判断负荷变动所在区域,并确定二次调频的责任区域。

负荷变动→ 频率 Δf 变化→ 联络线 ΔP 变化→ 符号 / ACE 判定→ 责任区二次调频
区域 A 区域 B PAB
PART 1

前置知识

本节只列出理解后续内容所需的基本概念,调速器的详细结构与一次调频推导不在本页范围内。

频率与有功平衡

同步发电机频率由转子转速决定:

f = p·n / 60
ΣPG = ΣPL + 网损

发电功率与负荷功率相等时频率维持额定;负荷突增、发电功率暂时不足时,转子减速,频率下降。

调速器静特性

有差特性:频率下降时机组自动增发,调节后频率存在偏差,多台机组可并列运行、按比例分担负荷。

无差特性:调差系数为 0,机组维持额定频率;同一并列系统中只能有一台机组(或一个调频电站)按无差特性运行。

ep = |Δf/fr| / |ΔP/Pr| · K = |ΔP/Δf| = Pr/(ep·fr)

ep 越小则 K 越大,同样负荷变化引起的频率偏差越小;无差机组 K→∞,不参与调频的机组 K=0。

对比项一次调频二次调频
执行机构调速器自动动作调频器、调频厂、AGC
调节特性有差,频率存在残差无差,频率恢复额定
参与机组全部有差机组指定的调频机组
响应速度秒级相对较慢
按日负荷曲线安排的是计划负荷,实际负荷与计划负荷的差值为计划外(非计划)负荷,由指定的调频机组补偿;其余按计划运行的机组称为调功机组。
BACKGROUND

为什么需要专门的调频机组

调差系数的限制

减小调差系数可以减小频率偏差,但调差系数过小会使并列机组间负荷分配不稳定、功率分配误差增大,因此不能仅靠减小调差系数解决问题。

容量的限制

频率偏差与系统总运行容量成反比,大容量系统在小负荷波动时频率偏差较小;但系统容量有限,仍需指定专门的调频机组承担计划外负荷。

解决办法:规定调频机组或调频电站,其余机组按计划负荷运行。一次调频中,计划外负荷按各机组的功率调整系数比例分配。

调频电站的选择

调频机组需要频繁、大幅度改变出力,应选择调节速度快、调节范围大、调节成本低的电站。

水电厂:开停机快,数分钟内即可大幅增减出力,不消耗燃料、调节成本低,适合承担调频任务。
火电厂:启停较慢,受最小技术出力和爬坡速率限制,调节成本较高,一般作为辅助。
主导发电机法

单一系统,一台机组承担全部计划外负荷。

分区调频法

多区域,区内负荷由本区承担。

区域控制误差 ACE

判断负荷变动所在区域的控制指标。

章节 01

主导发电机法(无差调节)

指定一台容量足够大的机组以无差特性(调差系数 ep=0,等价于功率调整系数 K→∞)运行,承担全部计划外负荷,调节结束后频率恢复额定。

有差 / 无差静特性

Pf 50 Δf≠0 无差:f=50 有差
图:P–f 静特性对比。有差机组(蓝点)在负荷增加后沿斜线移动,频率留下偏差;无差机组(绿点)沿 f=50 垂直线上移增发,频率不发生偏移。

机组承担情况

主导 基载1 基载2 基载3
图:各机组承担情况。只有主导机组的出力随计划外负荷增加,基载机组出力保持不变。

主导机组按无差特性运行,承担全部计划外负荷;基载机组出力保持计划值。

注意区分:K→∞ 表示无差,机组在频率出现偏差时持续调节;K=0 表示不参与调频,两者含义不同。

调频过程

负荷变动
系统频率改变
主导调频机组调节系统动作
协助调频机组调整功率 Pi=Ci·Pm
系统频率随之改变
频率恢复到额定值?

人工不灵敏区(死区)

P f 50 计划出力 −Δfm+Δfm 频率低·增发 频率高·减发 死区内:出力保持计划值
|Δf|<0.1:不参与调频,按计划运行。
人工不灵敏区是调功机组的二次调频死区:频率偏差较小时机组不动作,避免频繁调节;频率偏差超过限值后才改变出力。

单主导机组

P₁ = ΔPΣ,Δf = 0(主导机组无差)
ΔPi = 0,i = 2,…,n(基载机组)

多电站共同调频

Pi = Ci·Pm
ΔPΣ = (1 + ΣCi)·Pm
主导机组的容量比重必须足够大,否则无法承担全部计划外负荷。
缺乏同时性

各机组出力按比例分配,但动作有先后。

调节缓慢

逐级调节,整体响应较慢。

适用范围有限

适用于中小电力系统。

章节 02 · 核心

分区调频法 · 两区域联络线

多个区域联合运行时,区内非计划负荷主要由本区调频厂承担,联络线交换功率基本维持计划值。调频方程需要判断负荷变动是否发生在本区,并采取相应的调节措施。

原则一区内非计划负荷主要由本区调频厂承担。
原则二其他区调频厂仅作短时支援,不承担本区的二次调频。
原则三联络线功率基本维持计划值,非计划交换功率趋近于零。
扰动幅度 50 MW
稳态
系统频率 f(全系统同一值) f=50.00Hz Δf=0.00 区域 A 区域 B 调频厂 调频厂 ΔP 负荷 + MW ↑ ΔP 负荷 + MW ↑ PAB=100 MW

调频过程波形对比(A区 / B区)

A区机组出力 ΔPA B区机组出力 ΔPB 联络线 ΔPAB 频率偏差 Δf
ΔPA0 ΔPB0 ΔPAB0 Δf0.00
重置或切换场景后重新记录。一次调频阶段两区机组出力相同;二次调频完成后,非责任区出力恢复为0,责任区出力等于扰动幅度。

A区域 A 仪表盘

频率偏差 Δf0.00
联络线 ΔPAB0
一次调频(临时)0
二次调频(责任)0
ACEA(二次调频指令 = −ACE)0
稳态

B区域 B 仪表盘

频率偏差 Δf0.00
联络线 ΔPBA0
一次调频(临时)0
二次调频(责任)0
ACEB(二次调频指令 = −ACE)0
稳态
Δf0.00
ΔPAB0
规则1:Δf 与 ΔPAB 同号 → 本区域(A)有负荷变动
规则2:Δf 与 ΔPAB 异号 → 其它区域(B)有负荷变动
稳态:联络线维持计划值,无扰动。
EQUATION

调频方程与案例推演

调频方程表示一个区域的有功平衡关系:机组二次增发、一次调频、联络线交换功率三项之和为零。

ΔPA + KA·Δf + ΔPAB = 0
项含义所属调频级别
Δf = f − fr频率偏差(全系统同一值)—
ΔPAB联络线功率增量(相对计划值,送出为正)—
KA·Δf一次调频项;Δf<0 时为负,−KΔf 为一次增发的功率一次调频
ΔPA调频器或 AGC 的二次增发功率(控制量)二次调频
将方程改写为 ΔPA = −(KAΔf + ΔPAB),括号内即 ACE,因此二次调频指令满足 ΔPA = −ACEA。
·同号、异号与扰动归属

同号 → 扰动在本区

本区负荷突增时频率下降(Δf<0),更多功率留在区内使用,联络线送出功率减少(ΔPAB<0),二者同为负。KΔf 与 ΔPAB 不能抵消,ΔPA 为正,本区需要二次增发。

异号 → 扰动在它区

它区负荷突增时本区频率同样下降(Δf<0),本区一次增发的功率经联络线送往它区(ΔPAB>0),二者异号。若 K 整定恰当,KΔf 与 ΔPAB 抵消,ΔPA≈0,本区不进行二次增发。

·数值案例(KA=KB=200 MW/Hz,B区突增 50 MW)

A区 · 一次调频瞬间

Δf=−0.125、ΔPAB=+25,二者异号。

ΔPA = −[200×(−0.125)+25] = 0

A区一次增发的 25 MW 属于临时支援,二次调频不动作。

B区 · 二次调频

Δf=−0.125、ΔPBA=−25,二者同号。

ΔPB = −[200×(−0.125)+(−25)] = +50 MW

B区二次增发 50 MW 承担全部新增负荷,频率与联络线随后恢复。

A区突增过程完全对称:Δf=−0.125、ΔPAB=−25(同号),由 A区二次增发 50 MW,B区 ΔPB=0。

频率偏差系数 K 的整定

KA 应整定为本区的自然频率响应能力,即区内机组调速器单位调节功率与负荷频率效应之和。

K 偏小:区外扰动时 KΔf 不足以抵消 ΔPAB,ΔPA≠0,非扰动区会额外增发。
K 偏大:本区扰动时容易过度调节,引起频率与功率反复变化。
章节 03

区域控制误差 ACE

ACE 是分区调频的控制指标,由频率偏差和联络线功率偏差两项组成。控制器根据 ACE 即可确定是否调节、调节方向和调节幅度。

ACEi = Ki·Δf + ΔPtie,i
ΔPtie,i = P实际 − P计划(送出为正) · 二次调频指令 ΔPi = −ACEi
频率项 KΔf:反映系统频率偏离额定值的程度。
联络线项 ΔPtie:反映交换功率偏离计划值的程度。

ACE = 0

两项抵消或同时为零,代入调频方程得 ΔPi=0:本区无调频责任,机组保持原有出力。

ACE ≠ 0

符号决定调节方向(负值对应增发、正值对应减发),绝对值决定调节幅度。

若将 ACE 对时间积分后再控制调频器(ΔPi = −KI∫ACE dt),只要 ACE 不为零积分就持续累积,ACE 归零后积分停止,可使频率和联络线精确恢复到额定值和计划值。

AACEA 实时联动

ACEA = 200×(0.00) + (0) = 0
0
本区无扰动

BACEB 实时联动

ACEB = 200×(0.00) + (0) = 0
0
本区无扰动
两张卡与核心动画同步:B区突增时 ACEA=0(不二次增发)、ACEB=−50(增发50 MW),调节完成后二者归零。

手动 ACE 计算器

K·Δf−30
ΔPtie+20
ACE−10
需要增发,ΔP = −ACE = 10 MW
将 Δf 与 ΔPtie 调成异号且大小相等(如 Δf=−0.10、K=150、ΔPtie=+15),ACE 即归零,对应它区扰动、本区不二次增发的情况。
章节 04

ACE 的应用 · 衔接 AGC

AGC(自动发电控制)以分区调频和 ACE 为基础,自动采集频率与联络线功率、计算 ACE,并将调节任务分配给调频机组,实现二次调频自动运行。AGC 的详细构成不在本页范围内。

三种区域控制模式

模式控制目标
FFC 定频率控制只维持系统频率(ACE=KΔf),不控制联络线,适用于孤立系统。
FTC 定联络线控制只维持联络线交换计划(ACE=ΔPtie),不控制频率。
TBC 频率联络线偏差同时控制频率与联络线(ACE=KΔf+ΔPtie),自动判定责任区域,互联电网普遍采用。
AGC 以数秒为一个控制周期,属于二次调频;调节功率按机组参与因子分配,并考虑机组调节范围和爬坡速率约束。
SUMMARY

小结:调频全流程

1
负荷变动

出现计划外负荷,Δf≠0

2
一次调频

调速器秒级响应,频率存在残差

3
归属判定

单一系统由主导机组承担;多区域按同号、异号判定

4
ACE 判定

ACE=KΔf+ΔPtie,本区 ACE≠0 才调节

5
责任区二次调频

扰动区增发,非扰动区 ΔP≈0

6
恢复

ACE 归零,频率与联络线恢复额定值和计划值

主导发电机法

单一系统、无差调节、响应较慢。

分区调频法

区内负荷由本区承担,联络线维持计划值。

ACE

统一控制指标,用于判定责任区域。

负荷变动 → 频率变化 → 联络线功率变化 → 符号或 ACE 判定归属 → 责任区二次调频 → 频率与联络线恢复。
QUIZ

随堂测验 · 判断题

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