第五章一、二节频率特性及调速器原理幻灯片.ppt

1、第五章 频率及有功功率自动调节,2/45,2020/8/6,主要内容,电力系统频率特性 负荷的功率-频率特性 发电机组的功率-频率特性 发电机组调差系数与有功功率分配 调速器调节特性的失灵区 电力系统的频率特性 调速器原理 机械液压调速器 模拟式电气液压调速器 转速测量/功率测量/给定环节及PID调节器/电液转换器 工作状态：未并网，并网频率恒定、并网频率波动 数字式电液调速器,第一节 电力系统频率特性,一、概述 发电机组是发电机及其原动机组成的整体,也称为机组。 机组未并网单独运行时机端电压的频率 f =Pn/60 (5-1) 式中， f发电机的频率； P发电机转子的极对数； n机组转速,r

2、/min 要控制发电机的频率就得控制机组转速。,4/45,2020/8/6,系统内有m台机组，电功率输出为 ，原动机的输入总功率为 ，在忽略内部损耗的条件下，存在关系：,系统负荷变动使机组输出电功率增加 ，而机械功率来不及做出反应，这时,为了保持功率平衡机组只能把转子的一部分动能转换为电功率，,机组转速降低，系统频率下降,可见，频率的变化是由于发电机的负荷与原动机输入功率之间功率的失去平衡所致。 控制电力系统频率在允许范围之内是通过控制系统内并联运行机组输入的总功率等于系统内负荷在额定频率所消耗的有功功率实现的。 这个“等于关系就是电力系统中有功功率在额定频率时消耗的有功功率平衡关系。 由于电

3、力系统负荷功率的变化是随机的，不能被准确地预知。,图5-1中，PL是电力系统的实际负荷功率曲线 PL1变化缓慢、幅度大, 由工厂的作息制度、人们的生活规律等造成的, 是持续负荷分量。 变化有一定规律，可根据经验用负荷预测的方法预先估计出来，通过调度部门预先编制系统发电曲线与之平衡。,PL,PL1,图5-1电力系统有功负荷曲线,PL2变化周期较长,一般在10s至3min, 变化幅度比较大, 是脉动负荷分量。 它引起的频率偏移较大,仅靠一次调频不能将频率偏移调节到允许范围内, 必须通过自动装置或人工手动参与调整,即二次调频才能将频率调整到允许范围之内。,PL,PL2,PL1,图5-1电力系统有功负

4、荷曲线,PL3变化周期很短,一般在10s以下, 变化幅度很小， 是随机负荷分量， 它引起的频率偏移很小, 由机组调速器调节输入原动机的功率与之平衡, 即由一次调频来调节。,PL,PL3,PL2,PL1,图5-1电力系统有功负荷曲线,PL1变化缓慢、幅度大,作息制度、生活规律等造成的,是持续负荷分量。可用负荷预测的方法预先估计出来,通过调度部门预先编制系统发电曲线与之平衡。 PL2变化周期较长,幅度比较大,是脉动负荷分量。它引起的频率偏移较大,不仅靠一次调频,还必须通过自动装置或人工手动参与调整,即二次调频将频率调整到允许范围。 PL3变化周期很短,10s以下,变化幅度很小,是随机负荷分量,它引

5、起的频率偏移很小,由调速器调节输入原动机的功率,即由一次调频来调节。,PL,PL3,PL2,PL1,图5-1电力系统有功负荷曲线,10/45,2020/8/6,所以电力系统运行中的主要任务之一就是对频率进行监视和控制，失去平衡时，频率就会偏离额定值，就必须调节机组出力，保证电力系统频率的偏移在允许范围内(我国规定：允许偏差不得超过0.2Hz,当采用现代化自动装置时,频率偏差可不超过0.050.15Hz。某些电力系统以0.1Hz作为频率偏差的考核指标)。 调节频率就是改变单位时间内进入原动机的动力元素（蒸汽或水）力求电力系统负荷在安全运行约束条件下，实现经济运行及在发电机组之间实现经济分配。 励

6、磁调节基本目标：发电机端电压和无功功率分配 调速器的基本目标：发电机频率和有功功率分配,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来代替； 将电力系统内所有负荷用一个等效负荷代替; 然后用发电机组单机带负荷时频率和有功功率自动控制的基本原理和方法进行分析和计算。,12/45,2020/8/6,二、电力系统负荷的功率-频率特性,当频率变化时整个系统的有功负荷也要随着变化，即PL=F(f),这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率-频率特性，是负荷的静态频率特性。 电力系统中有功功率与频率之间的关系： 1、与频率变化无关的负荷：照明、电弧炉、电阻炉

7、、整流负荷 2、与频率成正比的负荷：切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等 3、与频率的二次方成正比的负荷：变压器中的涡流损耗 4、与频率的三次方成正比的负荷：通风机、静水头阻力不大的循环水泵 5、与频率的高次方成正比的负荷：静水头阻力很大的循环水泵,13/45,2020/8/6,电力系统有功负荷的静态频率特性方程,当电力系统内机组的输入功率和负荷功率之间失去平衡时,系统负荷也参与了调节作用。 这种特性有利于系统中的有功功率在另一个频率下重新获得平衡负荷的频率调节效应,（当f=fN时，近似f*1）,（同除PLN时的标幺值）,系统频率升高时,负荷从系统中取用的功率将增加。 当频率下降时，

8、负荷从系统中取用的功率将下降； 这种现象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KL来衡量负荷调节效应作用的大小。,fN：负荷功率缺额f由负荷的功率频率特性负荷缓解f的下降，最终稳定在略低于fN的频率值。 fN：负荷功率过剩f由负荷的功率频率特性负荷缓解f的上升，最终稳定在略高于fN的频率值。,15/45,2020/8/6,为负荷的频率调节效应系数，用以衡量调节效应的大小。,根据国内外的实测数据表明，有功负荷与频率之间的关系曲线接近于一条直线。,有功功率变化量,相对应有功功率变化的频率的变化量,它表明系统频率变化1%时负荷功率变化的百分数。,KL*是一个无量纲的数,

9、KL*是调度部门要掌握的数据， 怎么得到？实际系统需测试求得,也可根据资料估算。不同的系统负荷组成不同KL*值也不同,一般在1-3之间 但对同一个系统,KL*是随季节及昼夜交替而变化,但差别不大,因此对一个系统而言可近似认为KL*是不变的。 KL与负荷的大小有关，调度部门只要掌握KL*的值,就很容易算出KL的值，从而得到频率偏移量与功率调节量之间的关系。,题某电力系统中，与f 0次方、1次方、2次方及3次方成比例的负荷分别占30%、40%、10%和20%，且当f = 50Hz时系统总的有功负荷为3200MW（包括有功网损）。试求： (1)当f = 47Hz时，负荷变化的百分数及相应的KL和KL

10、*； (2)当f = 52Hz时，负荷变化的百分数及相应的KL和KL*； (3)若f = 50Hz时系统总的有功负荷为3600MW（包括有功网损），则上述两种情形的KL又是多大？,(1) f = 47Hz时，PL*=a0+a1f* +a2f* 2+anf*n= PL* = 0.3+0.4(47/50)+0.1 (47/50)2+0.2 (47/50)3 = 0.93 PL * = 1-0.93 = 0.07 KL* = PL* / f* = 0.07/(3/50) = 1.17 KL = (PLN / fN)KL* =32001.17/50 =74.88MW/Hz (2) f = 52Hz时

11、PL* = 0.3+0.4(52/50)+0.1 (52/50)2+0.2 (52/50)3 = 1.05 PL * = 1.05-1 = 0.05 KL* = PL* / f* = 0.05/(2/50) = 1.25 KL = (PLN / fN) KL* =32001.25/50 =80.0MW/Hz (3) PLN =3600MW时 KL = (PLN / fN) KL* =36001.17/50 =84.24MW/Hz KL = (PLN / fN) KL* =36001.25/50 =90.0MW/Hz,结论KL =90.0MW/Hz 表示:当系统频率降低1Hz时,系统的负荷会减少

12、消耗90MW,在调度部门掌握KL*后，只需根据PLN的大小即可求出KL,而从而可得频率偏移量与功率调节量之间的关系。 KL与实际总负荷的大小有关。 若近似认为f*1，近似计算得 KL * =a1+2a2+3a3+ n an =0.4+20.1+30.2=1.2 可见由两种方法求得的负荷调节效应系数相差是很小的,误差仅为2左右。,发电机组的转速调整是由原动机的调速系统来实现的， 发电机的功率-频率特性取决于调速器系统的特性 当负荷变化引起频率变化时，调速系统工作，改变原动机进汽量，调节发电机的输入功率，满足负荷的需要。 把由于频率的变化而引起发电机输出功率的变化的关系称为发电机组的功率-频率特性

13、或调节特性。,三、发电机组的功率-频率特性,发电机组的转矩方程近似表示为： MG* = AB* PG* = K(A* B2*) PG* = c1f* c2f2* 通常，c1 =2c2。于是，未配置调速器时的特性如右图所示。 当f* = - c1 /(-2 c2) = 1.0时（在额定条件下），PG*取得最大值。,返回,(1)未配置调速器的情形,PG*,f*,1.0,PG*max,o,*,MG*,(一)发电机组的功率-频率特性,1.0,P*,M*,22/45,2020/8/6,发电机组无调速器时:,在调速器的作用下不断改变进汽量，使原动机的运行点不断地从一根静态特性向另一根静态特性曲线过渡。,此

14、时原动机进气量达到最大值，调速器不起作用，当频率f继续下降时，运行点只能沿着对应于最大进汽量的静态特性曲线移动2-3。,(2)配置调速器的情形,MG* = AB*,PG* = c1f* c2f2*,PG*,f*,1.0,PG*max,o,*,MG*,1.0,P*,M*,发电机组有调速器时：,当发电机以额定频率fN运行时,输出功率为PGa， 当负荷增加使 f 下降时，发电机组由于调速器的作用，使输出功率增加到PGb, 对应于频率下降了f，发电机组输出功率增加了PG(？)，形成左图所示形状的近似工作特性，这是一种有差调节其斜率数值称调差系数，即,R = f / PG 或 R* = f* /PG*

15、注意与无功时的 = UG* / IQ*或 = UG* / QG*对照 由上述关系可得机组的有功功率/频率静特性调节方程：f* + R*PG* =0 还可得功率/频率静特性系数： 注意与负荷频率调节效应系数对照 KG = 1/R = PG/f 或 KG* = 1/R* = PG*/f* 结论：发电机组输出功率的增量与频率的变化成正比，与调差系统成反比。系统中所有机组的调速系统均为有差调节，因此，只要存在频率变化，则所有机组都将承担负荷的变化。,负号表示发电机输出功率的变化和频率变化相反,25/45,2020/8/6,计算功率和频率关系时，常采用调差系数的倒数来表示,KG*为发电机组的功率-频率静

16、态特性系数，或者是原动机的单位调节功率。汽轮发电机RG*=4%6%或KG*=16.625；水轮发电机RG*=2%4%或KG*=16.625,发电机组的调差系数主要决定于调速器的静态调节特性。,与机组间的有功功率分配相关。,调节特性的失灵区又造成机组间的有功功率分配的不确定性。,调差系数,机组间有功分配,调速器的静态特性,调节特性的失灵区,26/45,2020/8/6,(二)发电机组调差系数与有功功率分配,机组间的有功功率分配与机组的调差系数成反比,推广到多台发电机组并联运行的情况：,对上式求和得,用等值机代替, PG*=PG / PGN = f* (PGN1/R1* +PGN2/ R2*) /

17、 PGN 等值调差系数 R* = PGN /(PGN1/R1* +PGN2/ R2*),设两机组额定输出功率（fN时）为PGN1和PGN2,和PGN =PGN1 +PGN2。当负荷增加引起频率下降f 后,两机组总的功率变化将为: PG=PG1+PG2 =f / R1 f / R2 =f / R 其中，两台机组的等值调差系数为： R = 1/(1/ R1 +1/ R2) 对标幺值情形： PG=PG1+PG2=PGN1PG1*+PGN2PG2* = PGN1f* / R1* PGN2f* / R2* = f* (PGN1/R1* +PGN2/ R2*),两台机组间有功功率的分配,返回,28/45,

18、2020/8/6,系统等值机的调差系数,系统中负荷变化后，每台发电机所承担的功率,1、多台发电机的调差系数为零是不能并联运行的 2、含有一台调差系数为零机组的系统在理论上是可行的，但是在实际上是不能运行的。原因是就目前的系统容量而言不可能仅由一台机组来完成全部的调差任务。因此，只能是由多台有差调节机组并联运行,设机组稳定在图点运行,输出PG=PG0，f=f1。,机组调速系统的失灵区,PG,f1,f2,f,0,PW,PG0,f0,PW,fW,fW,（三）调速器调节特性的失灵区,(1)失灵区的形成 因机械摩擦、间隙和重叠,机械式调速器对于微小的转速变化是不能反应的，因此调速器调速系统的静态特性并不

19、是图3-4所示的平滑曲线,具有一定的失灵区，调节特性实际上就是一条具有一定宽度的带子。,当机组负荷增加时,转速会下降.只有下降到f2(即点）时克服了摩擦力,走完了间隙和重叠之后,调节汽阀开度才开始随频率的下降而开大。,机组调速系统的失灵区,PG,f1,f2,f,0,PW,PG0,f0,PW,fW,fW,式中fW调速器的最大频率呆滞,fW=(f1-f2)/2,机组调速系统的失灵区,由于频率在f1和f2之间变化时,调速器不能调节,因此 将f1和f2之间叫做调速系统的失灵区,也称调速死区。 用失灵度描述，即,PG,f1,f2,f,0,PW,PG0,f0,PW,fW,fW,(2)失灵区的影响,由于失灵

20、区的存在,使得机组并网运行时所带有功负荷成为不确定值。 如图,对应于发电机额定频率fe时,其有功功率可能为(PG0-PW)和(PG0+PW)之间的任何值。,机组调速系统的失灵区,PG,f1,f2,f,0,PW,PG0,f0,PW,fW,fW,PG0-PW,PG0PW,33/45,2020/8/6,不灵敏区宽度可以用失灵度 来描述：,为机组间的最大功率误差,为调速器最大的频率呆滞,调速器的最大频率呆滞fW 、最大误差功率PW与调差系数R之间有如下关系: 式中PW 最大误差功率的绝对值,34/45,与 成正比，与 成反比。,若调差系数很小，则机组间的最大误差功率就会很大，这样就会引起机组间功率分配

21、误差的增大。,若不灵敏区宽度很小，则调速器在频率的微小波动时就会动作，机械动作会频繁，反而不利于频率稳定.,调差系数不能很小,在电液调速器中设置一个人为的失灵区,常用的灵敏度很高的电液调速器中，因固有的失灵区过小，要人为设置失灵区。 一般要求机组调速系统失灵区应小于0.20.5。 一般希望PW*（24) %,所以取（26) %,而汽轮机失灵区较大, 所以取（46) %, 而水轮机失灵区较小, 所以取（24) %,三、电力系统频率控制的基本原理,（一）频率的一次调整 定义：当电力系统负荷发生变化引起频率变化时,系统内并联运行机组的调速器会根据电力系统频率变化自动调节进入它的原动机的功率,使系统频

22、率维持在某一值运行,这就是电力系统频率的一次调整,也称为一次调频。 一次调频是机组的调速器是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荷功率变化相平衡来维持电力系统频率的一种自动调节。,电力系统一次调频如图 等效机组的原动机和发电机输出功率为 PT=PTi，PG=PGi 对应A点 PTA=PGA=PLA (3-60) 此时等效机组输入和输出功率相等,系统将稳定在A点运行。,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,f0,f,f A,PG( f ) , PT(f ),PL( f ),A,图3-34电力系统一次调频和 二次调频过程,若负荷突增PL,则由PL(f )

23、变为PL(f )。 因电能不能储存,任何时刻机组发出的和负荷消耗的功率总和相等, 所以负荷突增的瞬间, 等效机组必多发出有功PL从PGA突增到PGD, 而其原动机输入仍为PTA.,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,f0,f B,f,f A,PL,f B,PG( f ) , PT(f ),PL( f ),PL(f ),A,图3-34电力系统一次调频和 二次调频过程,将上述用数学描述，即,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,f0,f B,f,f A,PL,f B,PG( f ) , PT(f ),PL( f ),PL(f ),A,图3-34电力

24、系统一次调频和 二次调频过程,为保持等效机组的有功平衡,机组将转子储存的部分动能转换成电功率送往负荷,即有,（3-64）,Ji、i系统中第i台机组的机械转动惯量和机械角速度,等效机组在释放转子动能的同时，自己的转速也随之下降。 一方面机组调速系统按照等效机组的静态调节特性增加输入原动机的动力元素,使原动机输出功率增加; 另一方面根据负荷的静态频率特性，负荷从系统中取用的有功功率也要减少。,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,PGC PTC PLC,f0,f0,f B,f,f C,f A,PL,PG,PL,f B,PG( f ) ,PT( f ),PL( f ),PL(

25、f ),A,C,B,KL.f,图3-34电力系统一次调频和 二次调频过程,D,fC=fC-fA PG等效机组多发出的有功功率； PL系统负荷从系统少取用的功率。,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,PGC PTC PLC,f0,f0,f B,f,f C,f A,PL,PG,PL,f 1,f B,f C,PG( f ) ,PT( f ),PL( f ),PL(f ),A,C,B,PG( f ) ,PT(f ),KL.f,图3-34电力系统一次调频和二次调频过程,D,当电力系统负荷突然减少时， 经过与增加负荷功率相反的调节过程以后，系统会在某一频率稳定运行， 并同时满足式

26、(3-65)描述的各项内容， 只是f和PL会变为正值，PT、PG会变成负值。,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,PGC PTC PLC,f0,f0,f B,f,f C,f A,PL,PG,PL,f 1,f B,f C,PG( f ) ,PT( f ),PL( f ),PL(f ),A,C,B,PG( f ) ,PT(f ),KL.f,图3-34电力系统一次调频和 二次调频过程,D,当负荷增加时,若调速器不调节, 即系统等效机组的输入不变而仍为PTA， 负荷增加的功率(PL)就会全部由负荷频率调节效应来调节。 系统将稳定在图3-34中的B点, f=fB,fBfBfA。

27、,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,PGC PTC PLC,f0,f0,f B,f,f C,f A,PL,PG,PL,f 1,f B,f C,PG( f ) ,PT( f ),PL( f ),PL(f ),A,C,B,PG( f ) ,PT(f ),KL.f,图3-34电力系统一次调频和 二次调频过程,D,图中C点的 f1fBfC 就是一次调频的调节效果。即减少了频率的下降量f1,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,PGC PTC PLC,f0,f0,f B,f,f C,f A,PL,PG,PL,f 1,f B,f C,PG( f ) ,P

28、T( f ),PL( f ),PL(f ),A,C,B,PG( f ) ,PT(f ),KL.f,D,(二)频率的二次调节,当手动或通过自动装置改变调速器的频率(或功率)给定值，调节进入原动机的动力元素来维持电力系统频率的调节方法,称为电力系统频率的二次调节，也称为二次调频。 改变调速器的功率给定值，实际上就是改变机组空载运行的频率。（是多少？） 通过改变频率给定值可以保持系统频率不变或较少变化。,如,增加频率给定值,则空载频率(PG0时)就会升高,设由f0增加到f0. 由于没有改变调差系统的整定值,机组调速系统的静态调节特性曲线的斜率不会改变.(杠杆) 这样,增加给定值就使机组静态调节特性向

29、上平移了.由曲线PG(f )上平移到PG(f ).,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PGD PLD,PGC PTC PLC,f0,f0,f B,f,f C,f A,PL,PG,PL,f 1,f B,f C,PG( f ) ,PT( f ),PL( f ),PL(f ),A,C,B,PG( f ) ,PT(f ),KL.f,图3-34电力系统一次调频和 二次调频过程,D,当负荷增加PL后, 增加给定频率值由f0至f0 ,使机组静态调节特性向上平移到PG (f ) 可以将系统频率由fC调回到fA,从而使系统频率保持不变. fD fA,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,PG

30、D PLD,PGC PTC PLC,f0,f0,f B,f,f C,f A,PL,PG,PL,f 1,f B,f C,PG( f ) ,PT( f ),PL( f ),PL(f ),A,C,B,PG( f ) ,PT(f ),KL.f,图3-34电力系统一次调频和 二次调频过程,D,返回50页,空载时曲线1,f0fe 若要带负荷PLA则向上平移至2， 若负荷增加至PLB则向上平移至3使fA fBf0 fe 当减小调速器中频率给定值时,会使机组的静态调节特性向下平移。 当机组退出运行时，则由2或3向下平移至1使机组平稳退出运行。,PG PT PL,0,PGA PTA PLA,f0,f,f0,PG

31、( f ) , PT(f ),A,1,3,2,PLB,B,通过二次调节，系统负荷的变化PL就完全由等效机组输入功率的增加PG承担了，即,实现了无差调频,第二节 调速器原理,机械液压调速器 电气液压调速器 模拟式 数字式,第二节 调速器原理,机械液压 调速器,测速机构,放大执行机构,转速给定装置,调差机构,油动机,错油门,第二节 调速器原理,电气液压调速器(模拟式),第二节 调速器原理,电气液压调速器(数字式),一、机械液压调速器的基本结构,图是简化凝汽式汽轮机机械液压调速系统原理图,大虚框是机械液压调速器，由测速机构、放大执行机构、转速给定装置和调差机构等组成. (一)测速机构 测速机构由汽轮

32、机主轴带动的齿轮传动机构和离心飞摆组成。 套筒A的位置表征机组转速的大小，套筒A的位移表征机组转速的变化。,(二)放大执行机构,放大执行机构由错油门和油动机组成。 在图位置时,错油门的两个凸肩正好堵住了油动机上、下腔的油路,油动机活塞静止不动,汽轮机调节汽阀保持一定开度不变。 当E点向上移动时, 油动机活塞向下移动,关小调节汽阀的开度,减少进入汽轮机的蒸汽量。减速 当E点向下移动时,压力油进入油动机的下腔,开大调节汽阀的开度,增加汽轮机的进汽量。升速,放大执行机构的作用: 一是将E点微小的机械位移放大成了调节汽阀开度的较大变化; 二是将引起E点位移的微小的作用力变成了强大的、能够操动调节汽阀开

33、度变化的作用力。,(三)转速给定装置,图中同步器是转速给定装置。 同步器中的控制电动机由运行人员手动或自动装置控制， 使其正转或反转,再通过机械机构推动D点向上或向下移动,使 机组升速或减速。 转速给定装置的作用有二。,A,当转速给定装置推动D点向上移动时,ACB点不会动.就以F点为轴推动E点向下移动，引起以下自动调节过程： 调节过程结束时(蓝色)，发电机组的转速升高了(A)。 当机组空载运行时，开大调节汽阀的开度增加机组转速只需克服由于机组转速增加而增加的摩擦阻力和风阻力。这相对于汽轮机额定功率是很小的。 即机组空载运行时，调节汽阀开度只要有一个很小的增加(B点一个很小的上移)，就会使机组转

34、速有一个很大的增加 (A点上移较大)。,(1)机组空载运行时调节机组转速(频率),上述说明，转速给定装置使D点向上移动，调节过程结束会使A点向上移动。 即，通过调节转速给定装置使机组的转速增加了。 同理，空载运行中，通过转速给定装置推动D点向下移动时，调速器调节的结果会使机组转速下降。,(2)机组并网运行时调节机组的有功出力,机组并网运行时，转速给定装置推动D点向上移动时，调速器的动作和空载运行时是一样的，但调节的结果却不相同。 机组并网运行时，由于机组容量相对于系统容量来说一般都比较小，机组输出的有功功率多或少，并不会引起系统频率明显的变化。 即机组并网运行时，机组有功功率变化并不会引起A点

35、位置有明显变化。,由于A点基本不动, 使D点上移推动E点下降后,E点重新上升到使错油门凸肩堵住油动机上、下腔油路,主要是靠B点向上移动所带动的。 B点向上移动就标志着调节汽阀开度增加。 即，机组并网运行时,转速给定装置只能调节机组有功出力,而对机组转速基本上没有调节。,图,(四)调差机构,为保证并联运行的机组能够 在某一确定的有功功率运行 并合理分配有功功率， 要求发电机组调速系统 有图示的静态特性。,PG,f1,f2,f,f,0,PG,PG1,PG2,发电机组调速系统的静态特性,图说明，机组调速系统对发电机频率调节的结果，并没有保证发电机频率恒定不变，而是“有差调节”所以其特性也称为调差特性

36、。,调速器中形成调差特性的结构称为调差机构,调节杠杆AC、CB比例关系,可以改变机组调速系统的调差特性。,图,PG,f1,f2,f,f,0,PG,PG1,PG2,发电机组调速系统的静态特性,若机组稳定在点PG=PG1,f=f1 机组负荷增加时,调速系统调节的结果是机组输出的有功功率增加了,频率却降低了, 如稳定在图点(PG=PGe，f=f2)运行。,1调差特性的形成,返,1调差特性的形成,假定机组稳定在点(PG=PG1,f=f1)运行。 当负荷突然增加，机组转速下降（ A点下移），D不动C、F、E下移凸肩下移压力油进入下腔使活塞上移B上移，汽阀开度增加机组转速上升A点上移。 A点和B点向上移动

37、会带动C、F、E向上移动。 当E点重新回到原位且错油门的凸肩重新将油动机活塞上腔和下腔的油路堵死时，调节汽阀开度和发电机的频率就不会变化了。调节过程结束。,调节结束后,A点稳定在何处? 频率是否回到了f1呢? 因为调节结束时，E、F、C必须回到原位，而B点上升了，A点就只有稳定在低于原位置了。 即，机组负荷增加时，调速系统调节的结果是机组输出的有功功率增加了，频率却降低了，如稳定在图中的点(PG=PGe，f=f2)运行。 根据调速器的工作原理，当机组负荷减小时，调速系统调节的结果，PG会减小，而f会增加。这样就形成了图调差特性。,2调差特性的数学描述,式中 、*用有名值和标幺值表示的调差系数;

38、 f*、PG*用标幺值表示的机组频率和有功功率增量；PGe发电机的额定有功功率。 第3式称为发电机组的静态调节方程式。,机组调差特性用调差系数表示。调差系数定义为,69/45,2020/8/6,1、机械液压调速器,(1)B、D点不动,(2)A、D点不动,E点的位移正比于A、B两点的位移之和，具有加法性质。,D,F,E,B,A,C,=A点上升 E点上升,=B点下降 E点下降,D,E,B,A,C,F,70/45,2020/8/6,1、机械液压调速器,在C点不动的情况下: B点上升 A点下降； B点下降A点上升;,B点具有反馈作用,D,F,E,B,A,C,3、C点不动:,71/45,2020/8/6

39、,1、机械液压调速器,1、在B、D点不动的情况下，A点上升- E点上升,2、在A、D点不动的情况下，B点下降- E点下降,E点的位移正比于A、B两点的位移之和，具有加法性质。,3、在C点不动的情况下， B点上升 A点下降； B点下降A点上升,B点具有反馈作用,72/45,2020/8/6,1、机械液压调速器,负荷突然减少,转速升高,A增大,E点减小,减小开度,开度反馈,B减少,达到新的平衡点,73/45,2020/8/6,1、机械液压调速器,a)未并网:A点可动,(2)并网:A点不动,对应的机组静特性平移。,D,F,E,B,A,C,D,E,B,A,C,F,(4)D点上移,初始运行特性,机组并网

40、运行的转速调节：,机组并网时其容量与系统相比很小(如单机并入无限大系统),那么系统频率不会因这台机的有功功率而变化. 设机组运行a点，f1，PGa。 当调速器调节增加动力元素时，MT由MT1上升到MT2。 MT2与交于b点,由 PGa增加到PGb而机组频率却保持在f1不变.即 机组并入无限大系统时, 机组调速器将失去调节机组转速的作用，而只能调节机组的有功出力。,o,f1,f,n,MT,PG,PGa,PGb,a,b,MT2,MT1,机组并入无穷大电力系统时机组调速系统的调节作用,PG,75/45,2020/8/6,机械液压调速器,调频器启动,D点增大,E点增大,开度增大,B点增大,开度反馈,达

41、到新平衡点,第四节 模拟电气液压调速器,11.2.1,灵敏度高，调节速度快、精度高，机组甩负荷时转速超调量小； 易于综合多种信号(功率反馈）参与调速控制，这不仅可提高调速系统的调节品质,而且为电厂经济运行和提高自动化水平提供了有利条件; 易于实现高级控制，ID控制,可以比较方便地改变控制系统的参数； 安装、调试和检修方便。,一、模拟电气液压调速器的优点,二、功率频率电液调速系统的基本原理,经过简化的功率一频率电液调速系统原理图如图3-6所示，它由 转速测量、转速给定、 功率测量、功率给定、 电量放大器、PID调节、 电液转换器及机械液压随动系统等部分组成。,图3-6 功率频率电液调速系统原理图

42、,(一)转速测量,1磁阻发送器 磁阻发送器作用是将转速转换为相应频率的电压信号 由齿轮和测速磁头组成 齿轮与机组主轴联在一起。 测速磁头由永久磁钢和线圈组成,且与齿轮相距一定间隙.,由磁阻发送器和频率一电压变送器完成转速测量。,图3-7磁阻发送器,当汽轮机转动时带动齿轮一起旋转。 测速磁头面对齿顶及齿槽交替地变化， 引起磁阻的变化， 进而引起通过测速磁头磁通的相应变化, 于是在线圈中感应出微弱的脉动信号。 该信号的频率与机组转速成正比。,2.频率电压变送器,频率电压变送器的作用是将磁阻发送器输出的脉动信号转换成与转速成正比的输出电压Un,电路框图如图3-8所示。,图3-8频率电压变送器原理框图

43、,磁阻发送器输出的脉动信号经限幅、放大后得到近似于梯形的脉冲波。如图3-9所示。 整形电路是一个施密特触发器,于是把梯形波转换为方波。 微分电路在方波上升时获得正向尖峰脉冲，去触发一个单稳态触发器。 单稳电路翻转后，输出一个幅度为U、宽度为的正向方波脉冲。 可见在单位时间内，单稳态触发器输出正脉冲所占时间与磁阻变送器输出信号的频率成正比，即与汽轮机的转速n成正比。,滤波后输出电压Un与发电机转速n的关系如图3-10所示。,01000 2000 3000 n（r/min）,Un(V),10 5,图3-10频率电压变送器的输出特性,(二)功率测量,功率测量的作用是将发电机的有功功率转换成与之成正比

44、的直流电压。 功率测量常用磁性乘法器和霍尔效应原理实现。 霍尔效应是物理学家E.H.Hall于1879年发现的半导体基本电磁效应之一。,把一片半导体材料的薄片放在磁场中,并使磁场磁力线与薄片平面垂直,当在薄片的1、2端通以电流I时,则在垂直于磁场方向和电流方向的3、4端就会有电动势EH产生。 这一物理现象称为霍尔效应。EH称为霍尔电动势。,图3-11霍尔效应,根据实验及经典统计得知，霍尔电动势可表示为,RH霍尔系数，vm(AT）； d薄片厚度，cm； ic控制电流，A; B磁感应强度，T； 磁感应强度B与半导体薄片平面法线的夹角(),(3-17),图3-12为单相霍尔功率变送器电路原理图。,u

45、G加在带气隙变压器TB的一次侧，其二次侧通过微调电阻接到霍尔片的控制端上,产生控制电流ic，电流互感器二次侧的电流iG接到电磁体TA的绕阻上，在气隙内产生磁场强度H,霍尔片置于气隙内.,则有ic=K2uG=K2UGsint (3-18) 磁感应强度 B=K3iG=K3IGsin(t+) (3-19) 因此，将式(3-18)和(3-19)代入式(3-17)，得 =K1K2K3UGsintIGsin(t+) =(KUGIG/2)coscos(2t+) K=K1K2K3,=(KUGIG/2)coscos(2t+) K=K1K2K3 第一项即为正比于所测有功功率的直流分量; 第二项为有功功率的二倍频率

46、的交流分量； cos为功率因数；K1、K2、K3为系数。 霍尔电动势的平均值正比于有功功率, 这就是霍尔元件测量单相有功功率的基本原理。,（三）转速和功率给定环节,转速和功率给定环节用高精度稳压电源供电的精密多转电位器构成,输出电压值即可表示给定转速或功率。多转电位器由控制电机带动,以适应当地或远方控制的需要。 差频放大器和PID调节由运算放大器组成。 由于PID调节电路输出功率很小，不能驱动电液转换器，因此加入一个功率放大环节。,(四)电液转换及机液随动系统,电液转换器把调节量由电量转换成非电量油压变化。 机液随动系统由继动器、错油门和油动机组成,见图3-13,油压P,电液转换器线圈将功率放

47、大器输出的电量变化转换为调节油阀开度的变化。 当调节油阀关小时, 油压P上升,进入继动器上腔的油压升高,将活塞压下,带动继动器蝶阀向下移动。 错油门内腔 “王”字形滑阀中间有一个油孔和底部排油箱相通。,油压P,当蝶阀下移时,其上腔油压升高,推动滑阀向下移动, 使油动机上腔与排油接通,下腔与压力油接通, 因而在压力油的推动下开大调节汽阀, 增加汽轮机的输入功率。,油压P,B,油动机活塞向上移动时B点上移,带动A点也上移。 继动器活塞是差动式的,下边面积大于上边面积,因此A点向上移动时,在油压的推动下继动器蝶阀将向上移动,使错油门内滑阀中间排油孔的排油量增加,压力减小。 在错油门底部弹簧作用下,

48、“王”字滑阀向上移动。 当又回到图3-13所示位置时,即进入新的平衡状态,调节汽阀也稳定在一个新的开度,调节随即结束。 调节汽阀开度的变化与功率放大器输出的电量变化成正比。,(五)调速器的工作,按发电机组是否并入电网两种情况来讨论调速器的工作。 1发电机组未并网运行时 图中的功率测量及功率给定输出均为零。 运行人员发出增速或减速信号,控制转速控制电动机正转或反转,驱动转速给定电位器,改变转速给定输出的电压Ungd。,转速测量的输出电压Un与机组运行转速相对应。这两个电压的差值与(UngdUn)成正比，即 Un=mn(UngdUn)把它送入频差放大器， 经PID调节、功率放大器等环节， 由电液转

49、换器继动器错油门油动机控制调节汽阀的开度，改变机组的转速， 使mn(UngdUn)=Un的值趋于零，转速趋于给定转速为止，即达到了调速目的。,2机组并网运行时,假设电网频率恒定且为额定值，频差放大器输出的f信号为零。 如果改变功率给定输出的电压Upgd， 功率测量输出的电压Up与Upgd电压之差 Up=mp(UpgdUp)通过PID等环节的调节作用， 将使(UpgdUp)差值电压为零， 即发电机功率与给定值相等，达到了调节发电机组输出功率目的。,现设电网频率波动、机组在并网运行、转速给定值Ungd和功率给定值Upgd为某一定值，则调速器随输入PID的两个信号之和调节汽阀开度，改变机组的输出功率。 上述二信号之和输入PID调节，控制电液转换器调节油阀，继动器错油门油动机调节汽阀开度，稳态时输入PID的电压信号应为零。,由于Up和机组输出的有功功率误差P成正比，