f e f ep p
水轮机调速器和电网一次调频
3. 水轮机调节系统一次调频静态特性 2). 水轮机调节系统闭环静特性
机组输入功率(Δp- ΔpL)与机组频率偏差(Δf)的静态关系为：
f e f ep p
式中： ΔpL—负荷扰动相对值； Δp—在负荷扰动下的机组功率变化值； Δf ——在负荷扰动ΔpL 下的机组频率变化值； ef—频率死区相对值； ep—（功率）调差系数（速度变动率）；en— 机组、负荷频率特性系 数（自调节系数）；
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3. 水轮机调节系统一次调频静态特性
2). 水轮机调节系统闭环静特性 所谓水轮机调节系统的闭环静特性，是指：机组带孤立负荷 (孤立运行 isolated operation-电网中只有一台或相当于一 台机组供电的运行方式)，水轮机调节系统闭环时，机组 频率对负荷扰动的静态特性。 基本方程： 机组在稳定工况（静态）工作时，水轮机调节系统PID控制 器的积分调节输入端，必需为零，即必需满足下式：
3.505(1/ KIep )(s) 3.505(bT t d / ep )( s) 3.505(Tx / ep )( s)
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4.水轮发电机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的动态特 性特性 (3). 积分调节(KI)得到的功率增量ΔpKI的稳定值(也是最后的 稳定值Δp)为(参见式(5))：
fc
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性
为了进行电网负荷频率控制（LFC），使电网的功率差值得以弥补，从 而使电网频率得以恢复，则必须采用电网的二次调频。其主要作用是： 控制参加电网负荷频率控制的机组的目标功率值Pc；根据电网功率差值 和频率偏差，计算出机组的新的目标功率值，送至水轮机调节系统系统 的“目标功率输入”端口，使水轮机调节系统系统实现对新目标功率值 的调 节。当二次调频作用使电网实现了新的功率平衡、电网频率恢复到正常 值时，水轮发电机组实际上是在新的目标功率值Pc确定的静态工作点运 行。水轮机调节系统一次/二次调频功能框图见图1。
输入时，功率增量Δp的响应为：
pKI (t ) (1/ e p )f (1 e (1/ e p )f (1 e (1/ e p )f (1 e
ep bt Td t ep Tx t
)
) )
K I e pt
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
pKI (t )
曲线是一个指数变化规律， Δp(t)达到0.97 pKI 的时间约为
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性 调速器传递函数方块图
fg 机组 频率 1 – + F 比例(P) KP 微分(D) 频率 给定 KDS 1 + + bp yc 开度 给定 G 1 + – 1+T1vS 积分(I) KI S 3-2(3-1) 位移转换 1 + + + Y PID 数模 转换 1 放大器 比例伺服阀 引导阀、主配压阀 主接力器 u + A2 – 1 TyS y
2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性
图2以静态特性的形式表示了水轮机调节系统的一次和二次调频特性。 （图中未考虑电网负荷频率特性（负荷频率自调节系数））：
f1
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC） 特性 1). 机组原始工况 静特性曲线pc1①上A点：机组目标功率： pc1；机组实际功率：p1；机组频率：f1； 速度变动率ep（(功率)永态差值系 数）：；电网发生功率缺额，折算到讨 论的机组：功率缺额：p3-p1； 2). 一次调频作用 电网功率缺额，引起电网频率降低，如 果不进行调节，则按静特性曲线① pc1 ，频 率应降至 f1 ，各机组根据频率偏差进行一 次调频， 讨论的机组增发了功率p2-p1，电 网频率为f2（静特性曲线①上B点）。即讨 论的机组与电网其它机组一起进行了一次 调频，但电网频率为，不可能恢复到扰动 前的f1。
p f e f / e p
(4). 若要满足” 在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏 差的平均值应在其额定功率的3%内”的要求，仅仅依靠 积分作用，则要求3.505倍的时间常数小于 45s( )。 3.505(1/ K e ) 45(s)
I p
在微机调节器的比例调节(KP)作用下 在电网频率偏差 Δ f，依靠比例增益 KP 得到的机组功率增量为常数： pKP KP f
KI S
+
–
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性
电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率（50HZ）的频率偏差，按 永态转差系数（调差系数）对机组进行功率控制。它是将电网（机组） 频率（转速）信号送入调速器的“频率（转速）输入”端口，频率（转 速） 给定值与其比较形成频率（转速）偏差，水轮机调速器根据这个偏差信 号而进行调节实现的，它将频差变换为与成反比的机组频差调节功率。 由于水轮机调节系统都有设定的速度变动率(功率永态差值系数)，它 决定了这是一个有差调节，因而由各机组调节系统共同完成的一次调 频，不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频率恢复到 额定频率（50Hz）附近的一个允许范围内。
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3. 水轮机调节系统一次调频静态特性
1). 水轮机调节系统开环静特性 机组并入电网运行(并联运行 parallel operation-几台机组同时向电网供电的运行方式)。分 析一次调频特性时，认为二次调频不起作用，即取功率给定恒定。 水轮机调节系统开环静特性（机组功率对机组频率偏差的特性）用相对值表示为： p [(50 Fn ) E f ]/(e p 50) 1 f n e f / e p f e f / e p
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性 综上所述，电网在负荷扰动后，电网频率产生相 对于频率（转速）给定的偏差，各机组的调速系统 根据频率偏差Δf和（功率）调差系数ep进行一次调 频，在较快的时间（8″~15″）内弥补了系统部分 功率差值pc；在一次调频的基础上，电网自动发电 控制（AGC，二次调频），修正相关机组的目标功 率值，通过调速系统的PID调节（静态主要依靠积分 调节），最终可实现电网功率平衡和频率的恢复。
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性
频率(转速)－ 信号Fg + 频率死区 频率(转速) 设定值fc
1 ep
F
F
Pf
频率(转速) 功率 NT
P
PID调节
机 组
机组目标功率+ Pc
－
Pc
PT
机组实际功率
图1 水轮机调节系统一次/二次调频
水轮机调速器和电网一次调频
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1.水轮机调节系统
水轮机调节系统的结构如图所示。 其工作过程为：测量元件把机组转 速n（频率f）、功率Pg、水头H、流量 Q等参量测量出来，与给定信号和反 馈信号综合后，经放大校正元件控制 执行机构，执行机构操纵水轮机导水 机构和桨叶机构，同时经反馈元件送 回反馈信号至信号综合点。
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制 （LFC）特性 3). 二次调频作用 若电网二次调频将讨论的机组的目 标功率由pc1修正为pc2，则机组调速系 统静特性由特性曲线①pc1变为特性曲 线②pc2。最后的调节结果为特性曲线 ②上C点：机组目标功率：pc2；机组 实 际功率：p3；机组频率：f1；速度变动 率（(功率)永态差值系数）：ep；电网 的功率缺额得以补偿，系统频率也恢 复到扰动前的数值f1。
用绝对值表示，则有：
P Pr 50 Fn E f /e p 50




式中： Δp—对应于频率偏差（相对量）的机组功率增量（相对量）； Fn—电网频率 [Hz]；fn—电网频率相对值，；Ef—水轮机控制系统频率（转速）死区（绝对量， Hz），（50-Fn）为+，为+；（50-Fn）为负，Ef为-；—水轮机控制系统频率（转速） 死区（相对量），； ep—水轮机调节系统（功率）调差系数（速度变动率）； ΔP—对应于频率偏差Δf （）[Hz]的机组功率增量[MW] ；P—机组额定功率[MW]。 式中的负号，表示频率偏差与功率偏差方向相反。
p L p f en
p
pL en e f 1 en e p
f
p L e p e f 1 en e p
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4.水轮发电机组功率增量Δp与电网 频率偏差Δf之间的动态特性特 性
fg 机组 频率 1 – + F 比例(P) KP 微分(D) 频率 给定 KDS 1 + + bp yc 开度 给定 G 1 + – 1+T1vS 积分(I) KI S 3-2(3-1) 位移转换 1 + + + Y PID 数模 转换 1 放大器 比例伺服阀 引导阀、主配压阀 主接力器 u + A2 – 1 TyS y
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2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性 电网一次调频对水轮机调节系统的主要技术要求 1). 并网发电机组均应参与电网一次调频； 2).（功率）永态转差系数（火电机组调速系统称速度变动率） ep=4%~5%(DL/T 1040-2007 电网运行准则(The Grid Operation code)规定：ep≤3%)； 3). 频率（转速）死区Ef=±0.033Hz(DL/T 1040-2007 电网运行准则 (The Grid Operation code)规定：在0.05Hz以内)； 4). 响应特性：电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15秒内 响应机组目标功率，在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的 平均值应在其额定功率的3%内；稳定时间应小于1min； 5). 负荷变化幅度限制：水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加限 制。一次调频功能为必备功能，不得由运行人员切除；不得在开度限 制工况下运行。