第五章 电力系统自动调频
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中国电力出版社
本章内容
1 2 3 4
频率调节概述
电力系统负荷变化与调频措施
电力系统的频率特性 调速器原理
中国电力出版社
第一节 频率调节概述
一、系统频率变动过大的不利影响 二、影响系统频率变化的因素
pn f 60
系统频率的变化是由于发电机的负荷与原动 机输入功率之间失去平衡所致。
中国电力出版社
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(五)调速器的工作 频差放大器输出电压正比于， 为
f
mf
f
发电机输出功率与功率给定之差的电压值为 mp△P （V）
上述二信号之和给PID调节，控制电液转换器调节汽 阀开度，稳态时输入PID的电压信号应为零
mf
f
令功率和频率为标么值，mp和mf取相同值，这时调 速器的特性为 f P 0 f P
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(四)电液转换及液压系统
电液转换 器把调节量 由电量转换 成非电量油 压。液压系 统由继动器、 错油门和油 动机组成
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(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．发电机组未并网时
• 功率测值及功率给定值信号均为零。运行人员操作增速 或减速按钮，控制电动机正转或反转，使它驱动转速给 定电位器，改变转速给定值nREF电压。频率—电压变送 器输出电压与机组运行转速n相对应。可见这两个电压的 差值与(nREF－n)成正比，即 mn(nREF－n) • 经PID调节，功率放大器等环节，由电液转换器去控制调 节汽阀的开度，改变机组的转速，使mn(nREF－n)＝ mn△n的值趋于零，转速n趋于给定转速nREF为止，即 达到调速目的。
第三节 电力系统的频率特性
二、发电机组的静态调节特性
• 定义发电机组的调差系数为
f PG
• 发电机组的调差系数也可用标 么值
f / f n f * * PG / PGn PG*
• 发电机组的静态调节方程
f* *PG* 0
中国电力出版社
第三节 电力系统的频率特性
中国电力出版社
第二节 电力系统负荷变化与调频措施
二、关于调频电厂的选择
从系统运行的经济角 度出发，将运行电厂 规划为调频电厂和非 调频电厂。
中国电力出版社
第二节 电力系统负荷变化与调频措施
三、电力系统的集中式联合调频
主要过程是：将系统中各发电机组的实发功率、 系统各线路潮流、各节点电压等由各厂站端的 远动装置送到调度中心，形成实时数据库，调 度中心计算机的相关软件按预定的数学模型和 调节准则确定各调频电厂或调频机组的调节量， 并通过远动通道把调节指令发送到各厂站调频 机组的控制器，使各调频机组按指令执行有功 功率的调节。
m p P 0
*
*
G*
0
中国电力出版社
第四节 调速器原理
四、数字式电液调速器
中国电力出版社
第四节 调速器原理
• 作用是将水 轮机接力器 的行程Y(表 征导水叶的 开度)变成与 其成正比的 0~5v直流电 压信号。
位移传百度文库器
中国电力出版社
与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗，这类 负荷在系统中所占比例较小；
4
5
与频率的三次方成正比的负荷，如通风机、静水头阻力不大的 循环水泵等；
与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵 等。 中国电力出版社
第三节 电力系统的频率特性
综合负荷消耗的有功功率与频率的关系
f f f PL a0 PLn a1 PLn a2 PLn an PLn f f f n n n
2 n
a
i 0
n
i
1
PL* a0 a1 f* a2 f* an f*
2
中国电力出版社
n
第三节 电力系统的频率特性
负荷的频率调节效应系数为
K L*
dPL* f n* df *
中国电力出版社
第三节 电力系统的频率特性
K L* fn PL* PLb PL.n f* fb f n PL.n
第一节 频率调节概述
三、系统频率的调节方式
调速器：反应机组转速和给定值之间的 偏差，并以此来改变调节阀门的开度以 增加或减少原动机的出力，使机组转速 维持在一定范围
调频器（或称同步器）：反应系统频率 与给定值之间的偏差，从而改变阀门的 开度。
中国电力出版社
第二节 电力系统负荷变化与调频措施 一、系统负荷的特点与调频的关系
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(一)转速测量 频率—变压变送器的工作电压波形图
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(一)转速测量
滤波后输出电压Un的特性
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(二)功率测量
将发电机的有功功率转换成与之成
正比的直流电压，即有功功率变送器。
功率测量通常用磁性乘法器和霍尔效应 原理等。
中国电力出版社
第四节 调速器原理
功率—频率电液调速系统原理图
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第四节 调速器原理
(一)转速测量 转速测量由磁阻发送器和频率—电压变送器完成。
1．磁阻发送器 磁阻发送器的作用是 将转速转换为相应频 率的电压信号
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(一)转速测量
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 脉冲信号转换成与转速成正比的输出电压值Un
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第四节 调速器原理
(二)功率测量
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。如果把一片半导体材 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。
负荷的频率调节效应系数也 可表示为有名值
PL KL f
有名值与标么值间的换算关系
K L*
fn KL PLn
中国电力出版社
第三节 电力系统的频率特性
例5-1
某电力系统中，与频率无关的负荷占30％，与频率一次 方成正比的负荷占40％，与频率二次方成正比的负荷占 10％，与频率三次方成正比的负荷占20％。求系统频率 由50HZ下降到47HZ时，负荷功率变化的百分数及负荷调 节效应系数KL* 。
三、电力系统的频率特性
中国电力出版社
第四节 调速器原理
一、概述
按类型分
机械液压调速器 电气液压调速器 (简称电液调速器)
调速器
比例积分（PI）调 速器
比例积分（PI）调 速器
按其控制规律分
中国电力出版社
二、机械液压调速器
中国电力出版社
第四节 调速器原理
二、机械液压调速器
同步器或调频器
• 控制电动机可由运行人 员或自动装置控制正转 或反转，从而可以使D 点位置作上下移动 • 机组并网运行时，由于 电网频率基本不变，即 A点位置基本不变，调 节结束时，调节汽阀增 大开度，使机组输出有 功功率增大 ，调整的结 果是使发电机组的功 率—频率特性曲线的平 移，即实现二次调频。
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(三)转速和功率给定环节 转速和功率给定环节可用高精度稳压电源供电的 精密多转电位器构成。 其输出电压值即可表示为给定转速或功率，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。 图5-9中的放大器和PID调节，由运算放大器组成， 由于PID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。
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第四节 调速器原理
(五)调速器的工作
2．机组在并网情况下运行时
• 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。同样理由，如果改变功 率设定值PREF电压，功率测值P的电压与 PREF电压之差值信号为 mp(PREF－P) (V) • 通过PID等环节的调节作用，将使(PREF－P) 差值电压为零。即发电机功率P与给定值 PREF相等。达到调节发电机组输出功率目 的。
第一种负荷变化引起的频率偏移较小，可 由频率的一次调整完成。
第二种负荷变化引起的频率偏移较大，仅 靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制 在容许范围之内，这时必须由调频器参与 调整，即只有借助于频率的二次调整才能 完成。
第三种负荷变化可用负荷预测的方法预先 估计得到，调度部门预先编制的系统日负 荷曲线基本上就反映了这部分负荷的大小， 这部分负荷要求在满足系统有功功率平衡 的条件下，按照经济运行的目标在各发电 厂间进行分配。
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(二)功率测量
霍尔元件
ic K1uG K1U M sin t B K 2iG K 2 I M sint
EH K3ic B K1 K 2 K3U M sin tI M sint
UM IM cos cos 2t EH K 2
中国电力出版社
第四节 调速器原理
三、模拟电气液压调速器
(1)灵敏度高，调节速度快，调节精度高，机组甩 负荷时转速的过调量小。
优 点 主 要
(2)容易实现各种信号的综合调节，有利于综合自 动控制。 (3)参数整定灵活方便，可在运行中改变参数，并 便于增添改善动态性能指标的校正控制部件。 (4)体积小，检修维护方便。
频率降为47Hz时，f*＝47／50＝0.94， 系统负荷为 PL* ＝ 0.3+0.4×0.94+0.1×0.942+0.2×0.943 ＝ 0.930 △PL* ＝ （1-0.930）＝0.07
K L*
fn PL PL* 7 1.17 f PLn 中国电力出版社 47 / 50 f * 50
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第三节 电力系统的频率特性
一、电力系统负荷的静态频率特性
当频率变化时，系统负荷消耗 的有功功率也将随着改变。这种 有功负荷随频率而变化的特性称 为负荷的静态频率特性。
中国电力出版社
第三节 电力系统的频率特性
１
2 3
与频率变化基本无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉和整流 负荷等；
与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压 缩机和卷扬机等，这类负荷的特点是阻力矩为常数。
霍尔功率变送器
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(二)功率测量
霍尔电动势
RH 8 EH ic B cos 10 d
• • • • • 式中 RH —— 霍尔系数，与材料性质有关(cm3／c)； d —— 薄片厚度(cm)； ic —— 控制电流（A）； B —— 磁感应强度（T）； θ—— 磁感应强度B与半导体薄片平面法线的夹角
本章内容
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频率调节概述
电力系统负荷变化与调频措施
电力系统的频率特性 调速器原理
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第一节 频率调节概述
一、系统频率变动过大的不利影响 二、影响系统频率变化的因素
pn f 60
系统频率的变化是由于发电机的负荷与原动 机输入功率之间失去平衡所致。
中国电力出版社
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第四节 调速器原理
(五)调速器的工作 频差放大器输出电压正比于， 为
f
mf
f
发电机输出功率与功率给定之差的电压值为 mp△P （V）
上述二信号之和给PID调节，控制电液转换器调节汽 阀开度，稳态时输入PID的电压信号应为零
mf
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令功率和频率为标么值，mp和mf取相同值，这时调 速器的特性为 f P 0 f P
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第四节 调速器原理
(四)电液转换及液压系统
电液转换 器把调节量 由电量转换 成非电量油 压。液压系 统由继动器、 错油门和油 动机组成
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第四节 调速器原理
(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．发电机组未并网时
• 功率测值及功率给定值信号均为零。运行人员操作增速 或减速按钮，控制电动机正转或反转，使它驱动转速给 定电位器，改变转速给定值nREF电压。频率—电压变送 器输出电压与机组运行转速n相对应。可见这两个电压的 差值与(nREF－n)成正比，即 mn(nREF－n) • 经PID调节，功率放大器等环节，由电液转换器去控制调 节汽阀的开度，改变机组的转速，使mn(nREF－n)＝ mn△n的值趋于零，转速n趋于给定转速nREF为止，即 达到调速目的。
第三节 电力系统的频率特性
二、发电机组的静态调节特性
• 定义发电机组的调差系数为
f PG
• 发电机组的调差系数也可用标 么值
f / f n f * * PG / PGn PG*
• 发电机组的静态调节方程
f* *PG* 0
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第三节 电力系统的频率特性
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第二节 电力系统负荷变化与调频措施
二、关于调频电厂的选择
从系统运行的经济角 度出发，将运行电厂 规划为调频电厂和非 调频电厂。
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第二节 电力系统负荷变化与调频措施
三、电力系统的集中式联合调频
主要过程是：将系统中各发电机组的实发功率、 系统各线路潮流、各节点电压等由各厂站端的 远动装置送到调度中心，形成实时数据库，调 度中心计算机的相关软件按预定的数学模型和 调节准则确定各调频电厂或调频机组的调节量， 并通过远动通道把调节指令发送到各厂站调频 机组的控制器，使各调频机组按指令执行有功 功率的调节。
m p P 0
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中国电力出版社
第四节 调速器原理
四、数字式电液调速器
中国电力出版社
第四节 调速器原理
• 作用是将水 轮机接力器 的行程Y(表 征导水叶的 开度)变成与 其成正比的 0~5v直流电 压信号。
位移传百度文库器
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与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗，这类 负荷在系统中所占比例较小；
4
5
与频率的三次方成正比的负荷，如通风机、静水头阻力不大的 循环水泵等；
与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵 等。 中国电力出版社
第三节 电力系统的频率特性
综合负荷消耗的有功功率与频率的关系
f f f PL a0 PLn a1 PLn a2 PLn an PLn f f f n n n
2 n
a
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PL* a0 a1 f* a2 f* an f*
2
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第三节 电力系统的频率特性
负荷的频率调节效应系数为
K L*
dPL* f n* df *
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第三节 电力系统的频率特性
K L* fn PL* PLb PL.n f* fb f n PL.n
第一节 频率调节概述
三、系统频率的调节方式
调速器：反应机组转速和给定值之间的 偏差，并以此来改变调节阀门的开度以 增加或减少原动机的出力，使机组转速 维持在一定范围
调频器（或称同步器）：反应系统频率 与给定值之间的偏差，从而改变阀门的 开度。
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第二节 电力系统负荷变化与调频措施 一、系统负荷的特点与调频的关系
中国电力出版社
第四节 调速器原理
(一)转速测量 频率—变压变送器的工作电压波形图
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第四节 调速器原理
(一)转速测量
滤波后输出电压Un的特性
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第四节 调速器原理
(二)功率测量
将发电机的有功功率转换成与之成
正比的直流电压，即有功功率变送器。
功率测量通常用磁性乘法器和霍尔效应 原理等。
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第四节 调速器原理
功率—频率电液调速系统原理图
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第四节 调速器原理
(一)转速测量 转速测量由磁阻发送器和频率—电压变送器完成。
1．磁阻发送器 磁阻发送器的作用是 将转速转换为相应频 率的电压信号
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第四节 调速器原理
(一)转速测量
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 脉冲信号转换成与转速成正比的输出电压值Un
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第四节 调速器原理
(二)功率测量
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。如果把一片半导体材 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。
负荷的频率调节效应系数也 可表示为有名值
PL KL f
有名值与标么值间的换算关系
K L*
fn KL PLn
中国电力出版社
第三节 电力系统的频率特性
例5-1
某电力系统中，与频率无关的负荷占30％，与频率一次 方成正比的负荷占40％，与频率二次方成正比的负荷占 10％，与频率三次方成正比的负荷占20％。求系统频率 由50HZ下降到47HZ时，负荷功率变化的百分数及负荷调 节效应系数KL* 。
三、电力系统的频率特性
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第四节 调速器原理
一、概述
按类型分
机械液压调速器 电气液压调速器 (简称电液调速器)
调速器
比例积分（PI）调 速器
比例积分（PI）调 速器
按其控制规律分
中国电力出版社
二、机械液压调速器
中国电力出版社
第四节 调速器原理
二、机械液压调速器
同步器或调频器
• 控制电动机可由运行人 员或自动装置控制正转 或反转，从而可以使D 点位置作上下移动 • 机组并网运行时，由于 电网频率基本不变，即 A点位置基本不变，调 节结束时，调节汽阀增 大开度，使机组输出有 功功率增大 ，调整的结 果是使发电机组的功 率—频率特性曲线的平 移，即实现二次调频。
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第四节 调速器原理
(三)转速和功率给定环节 转速和功率给定环节可用高精度稳压电源供电的 精密多转电位器构成。 其输出电压值即可表示为给定转速或功率，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。 图5-9中的放大器和PID调节，由运算放大器组成， 由于PID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。
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第四节 调速器原理
(五)调速器的工作
2．机组在并网情况下运行时
• 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。同样理由，如果改变功 率设定值PREF电压，功率测值P的电压与 PREF电压之差值信号为 mp(PREF－P) (V) • 通过PID等环节的调节作用，将使(PREF－P) 差值电压为零。即发电机功率P与给定值 PREF相等。达到调节发电机组输出功率目 的。
第一种负荷变化引起的频率偏移较小，可 由频率的一次调整完成。
第二种负荷变化引起的频率偏移较大，仅 靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制 在容许范围之内，这时必须由调频器参与 调整，即只有借助于频率的二次调整才能 完成。
第三种负荷变化可用负荷预测的方法预先 估计得到，调度部门预先编制的系统日负 荷曲线基本上就反映了这部分负荷的大小， 这部分负荷要求在满足系统有功功率平衡 的条件下，按照经济运行的目标在各发电 厂间进行分配。
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第四节 调速器原理
(二)功率测量
霍尔元件
ic K1uG K1U M sin t B K 2iG K 2 I M sint
EH K3ic B K1 K 2 K3U M sin tI M sint
UM IM cos cos 2t EH K 2
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第四节 调速器原理
三、模拟电气液压调速器
(1)灵敏度高，调节速度快，调节精度高，机组甩 负荷时转速的过调量小。
优 点 主 要
(2)容易实现各种信号的综合调节，有利于综合自 动控制。 (3)参数整定灵活方便，可在运行中改变参数，并 便于增添改善动态性能指标的校正控制部件。 (4)体积小，检修维护方便。
频率降为47Hz时，f*＝47／50＝0.94， 系统负荷为 PL* ＝ 0.3+0.4×0.94+0.1×0.942+0.2×0.943 ＝ 0.930 △PL* ＝ （1-0.930）＝0.07
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fn PL PL* 7 1.17 f PLn 中国电力出版社 47 / 50 f * 50
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第三节 电力系统的频率特性
一、电力系统负荷的静态频率特性
当频率变化时，系统负荷消耗 的有功功率也将随着改变。这种 有功负荷随频率而变化的特性称 为负荷的静态频率特性。
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第三节 电力系统的频率特性
１
2 3
与频率变化基本无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉和整流 负荷等；
与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压 缩机和卷扬机等，这类负荷的特点是阻力矩为常数。
霍尔功率变送器
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第四节 调速器原理
(二)功率测量
霍尔电动势
RH 8 EH ic B cos 10 d
• • • • • 式中 RH —— 霍尔系数，与材料性质有关(cm3／c)； d —— 薄片厚度(cm)； ic —— 控制电流（A）； B —— 磁感应强度（T）； θ—— 磁感应强度B与半导体薄片平面法线的夹角