第四章电⼒系统频率和有功功率⾃动控制
第⼀节电⼒系统频率和有功功率控制的必要性
⼀、电⼒系统频率控制的必要性
（⼀）频率对电⼒⽤户的影响
（1）f变化，引起异步电机转速变化，影响产品的质量。 （2）f波动影响某些测量和控制⽤的电⼦设备的准确性和性能。（3）f下降将使电动机的转速和出⼒降低，影响⽤户设备的正常运⾏。
（⼆）频率对电⼒系统的影响
（1）f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。
（2）当f下降到47-48HZ时，⽕电⼚⼚⽤机械的出⼒下降，使锅炉和汽机出⼒下降，从⽽使⽕电⼚发电机发出的有功功率下降，可能出现频率崩溃。
（3）f降到⼀定数值时，核电⼚的反应堆冷却介质泵⾃动跳开，反应堆停⽌运⾏。
（4）f下降使异步机和变压器激磁电流增⼤――⽆功消耗增⼤。励磁机出⼒下降，导致电压⽔平降低。f 低到⼀定值，电压下降速度加快，⽆法恢复――电压崩溃，⼤⾯积停电，系统⽡解。
⼆、电⼒系统有功功率控制的必要性（⼀）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。 电⼒系统负荷是时刻变化，故有功功率控制要及时调节系统内并联运⾏机组原动机的输⼊功率，维持平衡关系，保证频率在允许范围之内。 （⼆）提⾼电⼒系统运⾏的经济性
决定开启哪些机组并⼊电⼒系统运⾏；确定已并⽹运⾏的机组各发多少有功功率，⽤最少的⼀次能源消耗获得最多的可⽤电能。（三）保证联合电⼒系统的协调运⾏
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。
第⼆节发电机组调速控制的基本原理⼀、发电机组单机运⾏时调速控制的基本原理 60
pn
f
―――――――(4－1) f ：发电机频率，Hz ； p ：发电机转⼦的极对数； n ：机组转速，r/min ;
(⼀)同步发电机组转⼦运动⽅程
G T M M dt
d J Ja -=Ω
=――――――（4－2）
J ：机组转⼦的转动惯量，m kg ? a ：机组转⼦的机械⾓加速度，2/s rad Ω ：机组转⼦的机械⾓速度，s rad /
T M ：原动机（汽轮机或⽔轮机）产⽣的机械转矩,m N ? G M ：发电机电磁转矩，m N ?
机组以额定转速e Ω运⾏，转⼦中储存的动能为：
2
2
1e ke J W Ω= 故 22e ke W J Ω= 代⼊（4－2）得：
G T e ke M M dt
d W -=Ω
Ω2
2 ――――――（4－3）取发电机的额定有功功率e P 为功率的基准值，额定转速e Ω为转速基准值，则转矩基准值为e
e
B P M Ω=
将式（4－3）两边同除以B M ，则：
maxplus2下载B G
B T e
e e ke
M M M M dt d P W -=Ω?ΩΩ22
**2G T e e ke M M dt
试用目录d P W -=Ω
Ω?――――――（4－4）发电机机械⾓速度Ω，电⾓速度w 和转⼦极对数p 之间存在以下关系：
p w
=
Ω,p
w e e =Ω代⼊式（4－4）有：
***2G T J e e ke M M dt
dw
T dt dw w P W -=?=?? e
ke
J P W T 2=
e
w w
w =* ――――――（4－5）
J T ：发电机组的惯性时间常数，s; *w ：发电机电⾓速度的标⼳值。
从式（4－5）知：研究机组的调速控制问题，必须研究转矩T M 和G M 。
（⼆）原动机的机械转矩T M
⽔轮机的机械转矩T M ⼤⼩决定于：⽔头H ，导⽔叶开度α和机械转速n 等。同⼀台⽔轮机在同⼀⽔头，不同导叶开度时转矩是不⼀样的。⽔轮机的机械转矩同转速关系是⼀个曲线族。
O
a n
b n c
n a
b
c 1
T M 2
T M 3
T M 1G M 2
G M M
n
⽔轮发电机组的转矩特性
11G T M M =时，转速a n ，若1G M →2G M ,n ↑→c n ；应减⼩开度，使 1T M →3T M ，使转速恢复到
a n 。
（三）发电机电磁转矩G M
发电机电磁转矩是发电机定⼦对转⼦的作⽤⼒矩，⽅向与转⼦转动的⽅向相反，是阻⼒矩。
发电机电磁转矩与电磁功率成正⽐，电磁功率等于发电机所带负荷的有功功率。
发电机负荷功率与频率的关系：
n Le n Le Le Le L f P a f P a f P a P a P **2**2**1*0*......+++?+= ――――――（4－6） *L P ：负荷有功功率的标⼳值，基准值为发电机的额定功率e P ；
*Le P ：频率为额定功率e f 时，负荷有功功率Le P 的标⼳值，基准值为e P ；
*f ：频率标⼳值，基准值为e f ；
0a ：与频率⽆关的负荷功率所发的⽐例系数；
n a a -1：分别为与频率的1次⽅，2次⽅和n 次⽅成正⽐的负荷功率
所占的⽐例系数
<210=++++n a a a a
考虑机组转速标⼳值和频率标⼳值相等有：
n Le n Le Le Le L n P a n P a n P a P a P **2**2**1*0*......+++?+=――――――（4－7）
*n ：机组转速标⼳值，基准为e n 。
转矩和功率⽤标⼳值表⽰时，分别为：
e e e e
B p M p M
M M M Ω=
Ω==* ――――――（4－8） e
e p M p p P Ω==* ――――――（4－9）
⼀般机组转速不会偏离e Ω太多，认为e Ω≈Ω，故有**P M =，所以：
n
Le n Le Le Le G n P a n P a n P a P a M *
*2**2**1*0*......+++?+= 即：机组转速偏离额定值不太多时，可认为发电机电磁转矩和电磁功率的标⼳值相等。
（四）发电机组调速系统的调节原理⽤⽔轮发电机组的转矩特性说明：
设a 为原运⾏点，11G T M M =,0*=dt dw ，稳定运⾏。
若负荷减⼩时，调速器不调节，21G G M M →，机组在新的平衡点c 运⾏，具有⾃平衡能⼒。
若调速器参与调节，将减少原动机的动⼒元素，21T T M M →，机组运⾏于b 点。若再进⼀步调节到曲线3T M ，则可使转速恢复到a n ，保持不变。
⼆、机组并⽹运⾏的转速调节（1）单机并⼊⽆穷⼤系统
系统频率不会因这台机组的有功功率变化⽽变化，机组调速器失去调节机组转速的作⽤，⽽只能调节机组的有功出⼒。如下图所⽰：
M G
P ,P
Ga
P 1
T M 2
T M 1f n
f b
a
调速器调节使M 从21T T M M →，这时有：P 从Gb Ga P P →，但f 不变。（2）当机组容量与系统容量相⽐有⾜够⼤的份额（⼀般⼤于系统总容量的8%-10%）时，机组有功出⼒变化可能改变系统内有功功率平衡状态，使系统频率发⽣变化。
第三节机械液压调速器的基本原理
调速器是实现电⼒系统频率和有功功率⾃动控制的基础⾃动化设备。
机械液压调速器→电⽓液压调速器（模拟—>微机）⼀、机械液压调速器的基本结构（见书P73）
黑龙江畜牧兽医（⼀）测速机构
测速机构由汽轮机主轴带动的齿轮传动机构和离⼼飞摆组成。套筒A的位臵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。
当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。
当调节时：
E点上移→油动机凸肩下移→关⼩调节汽阀
E点下移→油动机凸肩上移→开⼤调节汽阀开心见性
调节结束；错油门凸肩回到中间位臵。
作⽤：（1）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；（2）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度变化的作⽤⼒。（三）转速给定装臵
同步器为转速给定装臵。由电动机和齿轮、蜗杆组成，改变D 点位臵，可使调速系统的静态特性上下移动。（1）空载时调节机组的转速（频率）
设D 点上移。A 、B 、C 、F 不会动（机组转速和油动机活塞的位臵尚未来得及变化）。故以F 点为轴。E 点下移→油动机凸肩上移，B 上升，汽阀开度变⼤→转速上升→A 点上升→C 、F 点上移→E 点上移，凸肩回到中间位臵。
因A 点上移，故转速上升了。如下图⽰：
A
B
C
D E
F '
C 'B
B 与'B ⼏乎重合，D 上移引起A 点上移，即转速↑（2）机组并⽹运⾏时调节机组的有功出⼒
D 点上移，f 不变故A 点不动→开始时B 点不变则
E 点下移→B 点上移，开度增⼤→E 点上移，凸肩回到中间位臵，结果输出有功增⼤。
A
B
蒙特利尔公约C D
占领运动
E
F
'D '
B
并⽹时，A 不变，D 上移，引起B 上移，汽门开⼤，有功多输出。（三）调差机构
f
G
P O
1G P 2G P G
