机组并联运行有功功率分配分析与计算

机组并联运行有功功率分配分析与计算 摘 要 电力系统自动化是为电力系统的安全、可靠及经济地运行服务，其应用于各种具有自动检测、决策和控制功能的装置并通过信号对系统进行监视、协调、调节和控制，保证电力系统安全经济运行和具有合格的电能质量。本文是对三台机组并联运行其各自有功功率的分配进行设计。 本设计对机组的并联运行其有功功率的分配情况进行分析计算，分析了机组有功功率调差系数和负荷频率调节效应系数对功率分配的影响，推导出了有功功率分配的公式。分析了系统频率下降与发电机调差系数和负荷频率调节效应的关系，此时的机组功率该如何分配，并确定了合适的，使机组的有功功率按各自的额定功率合理分配。分析总结了当负荷增加时的结果。 本设计通过频率和负荷的改变来计算有功功率的分配，并设计了合理的方案以保证有功功率最优分配。 关键词:电力系统自动化;并联机组;有功功率分配; 目 录 第1章 绪论 .............................................................................................................................. 3 第2章 机组并联运行有功功率分配计算 ................................................................................ 5 2.1 发电机有功频率调节基本原理 ....................................................................................... 5 2.1.1 ................................................................ 5 发电机频率控制和功率控制的基本原理 2.1.2 确定系统调速器 ...................................................................................................... 8 2.2 有功功率公式推导 .......................................................................................................... 9 2.2.1 有功功率分配一次调频 ........................................................................................ 10 2.2.2 有功功率分配二次调频 ........................................................................................ 10 2.3 有功功率最优分配 ........................................................................................................ 11 第3章 课程设计总结 ............................................................................................................. 12 参考文献 .................................................................................................................................. 13 第1章 绪论 电力系统自动化是电力系统一直以来力求发展的方向，它包括:发电控制自动化AGC，电力调度自动化，配电自动化等。电力系统自动化是对电能生产、传输和管理实现自动控制、自动调度和自动化管理。电力系统自动化的领域包括生产过程的自动检测、调节和控制。电力系统自动化的主要目标是保证供电的电能质量(频率和电压)，保证系统运行的安全可靠，提高经济效益和管理效能。 20世纪50年代，电力系统多限于单项自动装置，且以安全保护和过程自动调节为主，近年来，系统开始装设模拟式调频装置为基础的经济功率分配装置，并广泛采用运动通信技术。70-80年代，以计算机为主体配有功能齐全的整套软硬件的电网实时监控系统开始出现。各种自动调节装置和继电保护装置中广泛采用微型计算机。 本设计是在系统负荷一定的情况下，分析机组的有功功率调差系数和负荷频率调节效应系数对功率分配的影响，从而推导有功功率分配的公式，以保证机组的有功功率按各自的额定功率合理分配。我们知道，在发电厂中，并联机组之间的有功功率是否能合理分配是很重要的，在发电机组并联运行时，当负载在总额定功率的20%-100%范围内变化时，应能稳定运行，其功率分配误差应负荷一下要求:各台发电机组实际承担的有功功率与按额定功率比例分配的计算值之差，在发电机额定功率相同时应不超过机组有功功率的10%，如果功率分配出现较大的不平衡，无论是有功功率还是无功功率，都不仅会影响机组运行的效率和经济性，甚至会引起整个发电厂的故障，如果并联发电机组的有功功率分配严重不平衡的话，在负载总功率较大的时候，往往是一台发电机组已满载或过载，而另一台发电机仍处于轻载状态，这样就不能充分利用机组的容量，发挥其效能。反之，在负载总功率很小的时候，有功功率的不平衡又往往会在发电机组之间引起有功环流，使机组转入电动机状态，造成故障，以上情况足以说明，并联运行发电机组间功率的合理分配，并不仅仅是一个发电厂经济运行的问题，它还是保证机组供电可靠性的重要因素。 频率、电压是电网电能质量的两大指标，负荷变动将会导致有功功率的不平衡，其变化过程为:负荷变化---发电机转速变化---频率变化---负荷的调节效应---新频率下达到平衡。电力系统负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变则比较缓慢，因此系统中频率的波动是难免的。系统的变化可分为不同的分量:随机分量、脉动分量、持续分量。要达到频率新平衡，就要对频率进行调整，对于负荷的第一种分量—随机分量引起的频率偏移，一般利用发电机组上装设的调速器 来控制和调整原动机的输入功率，以维持系统的频率水平，成为一次调频。对于负荷的第二种分量—脉动分量引起的频率偏移较大，仅仅靠调速器的控制作用往往不能将频率偏移限制在允许范围之内，这是必须加调频器参与控制和调整，这种调整称为二次调频。 本设计通过分析负荷变化引起的频率变化，从而引起的有功功率控制，采用一次调频、二次调频设计出一套机组的有功功率按各自的额定功率合理分配的装置。 第2章 机组并联运行有功功率分配计算 2.1 发电机有功频率调节基本原理 2.1.1 发电机频率控制和功率控制的基本原理 电力系统负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变则比较缓慢，因此系统中频率的波动是难免的。 系统负荷不同分量及对应的频率调整如下: (1)随机分量—变化周期小于10s--利用发电机组上装设的调速器来控制和调整原动机的输入功率，以维持系统的频率水平，成为一次调频。 (2)脉动分量—变化周期在10s-3min之间—此负荷引起的频率偏移较大，仅仅靠调速器的控制作用往往不能将频率偏移限制在允许范围之内，这是必须加调频器参与控制和调整，这种调整称为二次调频。 )持续分量—变化十分缓慢—可进行负荷预测 (3 频率是电能质量的重要指标之一，负荷变动将会导致有功功率的不平衡，其变化过程为:负荷变化--发电机转速变化---频率变化---负荷的调节效应---新频率达到平衡。 一、发电机频率控制的基本原理 当电力系统负荷发生变化引起系统频率变化时，系统内并联运行机组的凋速器会根据电力系统频率变化自动调节进入它所控制的原动机的功力元素，改变输入原动机的功率，使系统频率维持在某—值运行，这就是电力系统频率的一次调整，也称为一次调频。一次调频是电力系统内并联运行机组的调速器在没有手动和自动调频装置参与调节的情况下，自动调节原动机的输入功率与系统负衙功率变化相平衡来维持电力系统频率的一种自动调节。 如果一次调频产生的频率偏差较大，那么，就需要对频率进行二次调整。改变调速器的频率给定值，实际上就是改变机组空载运行的频率。 二、发电机功率控制合理分配的必要性 1、维持电力系统频率在允许范围之内 电力系统的负荷是时刻变化的，任何一处复合变化都要引起上述等于关心的破裂，导致系统频率变化，电力系统有功功率控制的重要任务之一，就是要及时调节系统内并联运行机组元动机的输入功率，维持上述等于关系，保证电力系统频率在允许范围之内。 2、提高电力系统运行的经济性 当系统频率在额定值附近时，虽然频率满足要求，但没有说明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。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问题。 3、保证联合电力系统得协调运行 电力系统规模在不断的扩大，已经出现了将鸡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工功率，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。 三、有功频率调节基本原理 (1)电力系统的负荷静态调节效应: 负荷的有功功率随频率而改变的特性，称为负荷静态频率特性，也称负荷的调节效应。电力系统负荷与频率的关系为: 2n fff P,aP，aP()，aP，？，aP()()L0Le1Le2LenLefeffee 负荷有功功率与系统频率的关系如图2.2所示: 1.76 1.74 1.72 1.7 1.68PL 1.66 1.64 1.62 1.60.940.950.960.970.980.9911.011.021.031.04 f 图2.2 有功负荷的静态频率特性 K有功负荷的静态频率特性曲线的斜率即为负荷频率调节效应系数 L* KPf,,, LL*** ,,,PKf发电机组的负荷 : (表示第1、2、3 台发电机组) iLiL** 当系统频率下降时负荷从系统取用的有功功率下降;系统频率升高时负荷从系统取用的有功功率的现象称为电力系统负荷的频率调节效应简称负荷调节效 应，并用负荷调节效应系数来衡量负荷调节效应作用的大小。负荷的频率调节效应系数定义为: dPn,1L*K,,a，2af，？？naf L*12*n*df* 负荷的频率调节效应系数的数值决定于全电力系统各类有功负荷的比重。不同电力系统或同一电力系统不同时刻的负荷的频率调节效应系数的数值都可能不同，它是不能控制的，是电力系统调度部门应当掌握的一个数据。因为它是考虑按频率减负荷方案和低频率事故时，用一次拉闸恢复频率的计算依据。在实际电力系统中，它需要经过试验求得。一般电力系统K,1—3，它表示频率L* 变化1,时、负荷行功功宰相应变化1,一3,。 当电力系统的负荷增加时会引起电力系统频率下降，系统内并联运行机组的凋速器会根据电力系统频率的下降自动调节，改变输入原动机的功率，使系统频率维持在某—值运行，此时电力系统内并联运行机组的调速器在没有手动和自动调频装置的参与下进行调频，自动调节原动机的输入功率与系统负荷功率变化相平衡来维持电力系统频率是一种自动调节。若此时调节后的频率仍不满足要求，就要加入二次调频，此时的调频主要由调频厂承担，直到电力系统频率满足要求为止。 (2)静态调节特性 调差特性与机组间有功功率分配的关系如公式2-1所示: K,PG2*1*, (2-1) ,PK2*G1* 发电机组的功率增量用各自的标幺值表示时，在发电机组间的功率分配与机组的调差系数成反比。调差系数小的机组承担的负荷增量标么值要大，而调差系数大的机组承担的负荷增量标么值要小。 将电力系统内并联运行的所有机组用一台等效发电机组代替。调差系数的倒数称为机组的单位调节功率，即: ,P1GK,,,, G,,f ,P1G*K,,,, G*,,f** K表示当频率下降或上升1HZ时，发电机增发或减发的有功功率。当电力G 系统频率下降时负荷从系统取用的有功功率将下降;系统频率升高时负荷从系统 取用的有功功个将增加。可见可以用负荷频率调节效应系数来衡量负荷调节效应作用的大小. 2.1.2 确定系统调速器 原动机的调速器具有有差特性时，每一功率变化就有一频率变化与之对应。即当负载增减时具有有差特性的调速器将自动调节转速(频率)增减。本设计采用机械式调速器。 机械调速器由测速环节、执行放大环节、转速给定装置组成 ? 测速环节:主轴带动的齿轮传动机构和离心飞摆。 ? 执行放大环节:错油门，油动机。稳定状态:错油门活塞堵死油动机活塞二个油管路，油动机上下油压相等，调节汽阀开度不变。 ? 转速给定装置:同步器。控制电机的正转、反转，使D 点上下移动。 其工作过程如图2.1所示: 转速给定 放大 机组 测速 调差 图2.1 调速器工作流程 机械式调速器的一次调整是一种有差调节器，测速环节反映的转速变化，说明转速或频率调节并非完全恢复，而是有一定误差。发电机的有功功率由原动机承担，原动机的负载频率特性由调速器的特性决定。实际上，当调速器的调差系数不可调时，很难满足调差系数完全一致。另外，由于调速器结构中的间隙，使调速器有失灵区。 2.2 有功功率公式推导 PPP假设系统运行在f,f1，则三台机组发出的有功功率分别为、、。G1G2G3 当系统负荷增加，一次调频的结果使系统频率变为f2时，三台机组发出的有功 '''PP功率分别为、、(每台机组增发的有功功率为: PG3G1G2 ',P,P,P 1G1G1 ',P,P,P 2G2G2 ',P,P,P 3G3G3 通过分析有: ,P,P,PGGG123,,,,,,,f ,1*2**3PPPGeGeG,123 ,ff21,,f *fe PPP式中、、——分别为机组1、2、3的额定有功功率。由上两式G1eG2eG3e 有: 1,P,,,fP G1*G1e,1* 1,P,,,fP G2*G2e,2* 1,P,,,fP G3*G3e,3* 如果系统内有m台机组并联运行，比照上两式写出并联运行的机组在一次 调频时所调节的有功功率为: 1，，PfP,,,,i,1,2,？，m (1) Gt*Gte,t* ,P式中 ——第i台机组增加的功率; Gt , ——用标么值表示的第i台机组的调差系数; t* P ——第i台机组的额定有功功率; Gte ,f——一次调频结束时产生的系统频率调节偏差。 * 上式说明，并联运行机组所调节的有功功率与系统频率变化和机组的额定容量成正比，与机组调差系数成反比。调差系数小的机组承担的负荷增量标么值要大，而调差系数大的机组承担的负荷增量标么值要小。 2.2.1 有功功率分配一次调频 当电力系统负荷发生变化引起系统频率变化时，系统内并联运行机组的凋速器会根据电力系统频率变化自动调节进入它所控制的原动机的功力元素，改变输入原动机的功率，使系统频率维持在某—值运行，这就是电力系统频率的一次调整，也称为一次调频。考虑负荷频率调节效应系数和有功功率调差系数全系统负荷的变化量为: ',,,,,,,,,,,,，,PPPKfKfKKf() LGLGLGL ,PLKKK,,,，系统的单位调节功率为 SGL,f 2.2.2 有功功率分配二次调频 ,PP一次调频过程中，负荷虽然增加了一部分，但没有满足负荷增加使达到LL217.8MW的要求，进行二次调频。频率的二次调整的定义:用手动或自动装置改变调速器给定值，使得其调速特性曲线上下平移，以改变原动机的动力元素以维持电网频率不变，称为频率的二次调整。 电力系统中实现频率和有功功率自动调节的方法大致有如下几种:有差调频法、主导发电机法、积差调频法、改进积差调频法。有差调频法指系统中的调频机组的有差调频器并联运行，达到系统调频的目的。有差调频器的工作特性可以用下式表示， (,f,f,f),f，R,,P,0即 (2-3) NC ,f、,P式中 ——调频过程结束时系统频率的增量与调频机组有功功率的增C 量。 当系统中有n台机组参加调频，每台机组各配有一套式(2-3)表示的有差调频器时，全系统的调频方程式可用下面的联立方程组来表示 ,f，R,,P,0 1C1 ,f，R,,P,0 2C2 …… ,f，R,,P,0 3C3 设系统的负荷增量为 111,f,P,,P，,P，，,P,,,f(，，，),,？？ LC1C2CnRRRR12nx2.3 有功功率最优分配 有功负荷最优分配的目的:在满足对一定量负荷持续供电的前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位时间内锁消耗的能源最小。符合等微增率准则:忽略网损;假定各台机组的燃料消耗量和输出功率不受限制，要求:等微增率是指输入耗量微增量与输出耗量微增量的比值。对发电机组来说，为燃料消耗量的微增量与发电机输出功率微增量的比值。所谓等微增率法则，就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，在三台机组间的分配，使总的燃料消耗量最小。即 dFdFdF312,, dPdPdPG1G2G3 发电厂内并列机组的经济调度准则:各机组运行时微增率b1，b2，???bn相等，并等于全厂的微增率。其物理意义为: 假如三台机组微增率不等: dFdFdF312,, dPdPdPG1G2G3 并且总输出功率不变，调整负荷分配，机组1、2减少，机组3增加，节约的燃 dFdFdF312,F,,P,,P,,P,0料消耗为:。 dPdPdPG1G2G3 最经济的负荷分配就是等位增量率分配负荷。等微增率法则就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，这样就使系统总的燃料消耗为最小、最经济。 本设计就是为了满足功率控制的要求，采用一次调频和二次调频相结合的方法，在各机组间分配有功功率。 第3章 课程设计总结 本设计对机组的并联运行其有功功率的分配情况进行分析计算，分析了机组有功功率调差系数和负荷频率调节效应系数对功率分配的影响，推导出了有功功率分配的公式。分析了系统频率下降与发电机调差系数和负荷频率调节效应的关系，此时的机组功率该如何分配，并确定了合适的方案，使机组的有功功率按各自的额定功率合理分配。分析总结了当负荷增加时的结果。 发电机并联机组功率合理分配基本思想是在分析电力系统频率和有功功率自动控制时(常将电力系统内并联运行的所有机组用一台等效机组代替;将电力系统内所有负荷用一个等效负荷来代替;然后使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制的基本原理和方法进行分析和计算。并联运行机组所调节的有功功率与系统频率变化和机组的额定容量成正比，与机组调差系数成反比。调差系数小的机组承担的负荷增量标么值要大，而调差系数大的机组承担的负荷增量标么值要小。 当电力系统的负荷增加时会引起电力系统频率下降，系统内并联运行机组的凋速器会根据电力系统频率的下降自动调节，改变输入原动机的功率，使系统频率维持在某—值运行，此时电力系统内并联运行机组的调速器在没有手动和自动调频装置的参与下进行调频，自动调节原动机的输入功率与系统负荷功率变化相平衡来维持电力系统频率是一种自动调节。若此时调节后的频率仍不满足要求，就要加入二次调频，此时的调频主要由调频厂承担，直到电力系统频率满足要求为止。 电力系统并列运行有功控制的优点为:能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发电机纽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。提高电力系统运行的经济性，用最少的一次能源消耗获得最多的可用电能。保证联合电力系统的协调运行，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。 本设计通过分析负荷变化引起的频率变化，从而引起的有功功率控制，采用一次调频、二次调频设计出一套机组的有功功率按各自的额定功率合理分配的装置,它能保证并联运行发电机组间供电可靠性，并且使发电厂以功率最优控制，达到经济运行。 参考文献 [1] 周双喜 编著 《电力系统频率》 中国电力出版社,1998.8 [2] 李先彬 主编 《电力系统自动化》人民邮电出版社，1995.3 [3] 何仰赞等 编著 《电力系统分析》 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