電力系統(tǒng)頻率調(diào)整

任務(wù)三電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整、有功功率平衡及各類發(fā)電廠負(fù)荷的合理分配項目六電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調(diào)整

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整、有功功率平衡及各類發(fā)電廠負(fù)荷的合理分配1.頻率的一次調(diào)整

稱為發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率，以MW/Hz或MW/（0.1Hz）為單位。它的標(biāo)幺值則是發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)志了隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出功率較少或增加的多少。這個單位調(diào)節(jié)功率和機組的調(diào)差系數(shù)互為倒數(shù)?；蛘{(diào)差系數(shù)或與之對應(yīng)的發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的，一般整定為：汽輪機組水輪機組

綜合負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性稱為負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率，也以MW/Hz或MW/（0.1Hz）為單位。它的標(biāo)幺值則是負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)志了隨頻率的升降負(fù)荷消耗功率增加或較少的多少。它的標(biāo)幺值在數(shù)值上就等于額定條件下負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。所謂負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)系指一定頻率下負(fù)荷隨頻率變化的變化率顯然，負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率不能整定。電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率大致為1.5。

發(fā)電機組原動機的頻率特性和負(fù)荷頻率特性的交點就是系統(tǒng)的原始運行點。設(shè)負(fù)荷突然增加，則由于負(fù)荷突增時發(fā)電機功率不能即使隨之變動，機組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。而在系統(tǒng)頻率下降的同時，發(fā)電機組的功率將因它的調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷的功率將因本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少。前者沿原動機的頻率特性向上增加，后者沿負(fù)荷的頻率特性向下減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程抵達一個新的平衡點?；?6-14)

稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，也以MW/Hz或MW/(0.1Hz)為單位。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率也可以用標(biāo)幺值來表示。以標(biāo)幺值表示時的基準(zhǔn)功率通常就取系統(tǒng)原始運行狀態(tài)下的總負(fù)荷。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)志了系統(tǒng)負(fù)荷增加或減少時，在原動機調(diào)速器和負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。因此，從這個系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率可求取在允許的頻率偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)能承受多少負(fù)荷增減。

可見，系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率取決于兩個方面，即發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率和負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率。因為負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率不可調(diào)，要控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率只能從控制、調(diào)節(jié)發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率或調(diào)速器的調(diào)差系統(tǒng)入手?？磥碇饕獙⒄{(diào)差系數(shù)整定得小些或發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率整定得大些就可以保證頻率質(zhì)量。但從實際上，系統(tǒng)中不止一臺發(fā)電機組，調(diào)差系統(tǒng)不能整定得過小。如某臺機組已經(jīng)滿載，可認(rèn)為該機組已不能參加調(diào)整，它的調(diào)差系數(shù)無窮大。

系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率不可能很大，所以依靠調(diào)速器進行的一次調(diào)整只能限制周期較短、幅度較小的負(fù)荷變動引起的頻率偏移。負(fù)荷變動周期更長、幅度更大的調(diào)頻任務(wù)自然落到了二次調(diào)整上。2.頻率的二次調(diào)整

頻率的二次調(diào)整就是手動或自動地操作調(diào)頻器使發(fā)電機的頻率特性平行地上下移動，從而使負(fù)荷變動引起的頻率偏移可保持在允許范圍內(nèi)。在一次調(diào)整的基礎(chǔ)上進行二次調(diào)整就是在負(fù)荷變動引起的頻率下降越出允許范圍時，操作調(diào)頻器，增加發(fā)電機組發(fā)出的功率，使頻率特性向上移動。只進行一次調(diào)整時，負(fù)荷的增量可分解為兩部分：一部分是因調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機組功率，另一部分是因負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率。

不僅進行一次調(diào)整而且進行二次調(diào)整時，這個負(fù)荷增量可分解為三個部分：一部分是由于進行了二次調(diào)整，發(fā)電機組增發(fā)的功率；另一部分仍是由于調(diào)速器的調(diào)整而增發(fā)的發(fā)電機功率；第三部分仍是由于負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率。則：(6-15)

如，即發(fā)電機組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量，則，亦即實現(xiàn)了所謂的無差調(diào)節(jié)。進行二次調(diào)整時，系統(tǒng)中負(fù)荷的增減基本上要靠調(diào)頻機組或調(diào)頻廠承擔(dān)。雖可適當(dāng)增加其他機組或電廠的單位調(diào)節(jié)功率以減少調(diào)頻機組或調(diào)頻廠的負(fù)擔(dān)，但數(shù)值畢竟有限。這就使調(diào)頻廠的功率變動幅度遠(yuǎn)大于其他電廠。如調(diào)頻廠不位于負(fù)荷中心，則這種情況可能使調(diào)頻廠與系統(tǒng)其他部分聯(lián)系的聯(lián)絡(luò)線上流通的功率超出允許值。這樣，就出現(xiàn)了在調(diào)整頻率的同時控制聯(lián)絡(luò)線上流通功率的問題。

圖中分別為聯(lián)合前A、B兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。設(shè)A、B兩系統(tǒng)中都設(shè)有二次調(diào)整的電廠，它們的功率變量分別為；A、B兩系統(tǒng)的負(fù)荷變量則分別為。設(shè)聯(lián)合線上的交換功率，由A流向B為正值。圖6-7頻率的二次調(diào)整

聯(lián)合前，對A系統(tǒng)對B系統(tǒng)聯(lián)合后，通過聯(lián)絡(luò)線A流向B的交流功率，對A來說，可以看做一個負(fù)荷對B來說，這交換功率看做一個電源聯(lián)合后，系統(tǒng)頻率一致，可得，或（6-16）

代入上式，令：分別為兩系統(tǒng)的功率缺額，則：（6-17）

可見，聯(lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決于這系統(tǒng)總的功率缺額和總的系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率。這理應(yīng)如此，因兩系統(tǒng)聯(lián)合后，應(yīng)看做一個系統(tǒng)。且如A系統(tǒng)沒有功率缺額，即，則聯(lián)絡(luò)線由A流向B的功率要增大；而如果B系統(tǒng)的功率缺額完全由A系統(tǒng)增發(fā)的功率所抵償，即，則，。這種情況下，雖可保持系統(tǒng)頻率不變，B系統(tǒng)的功率缺額或A系統(tǒng)增發(fā)的功率卻要如數(shù)通過聯(lián)絡(luò)線由A流向B傳輸。這就是調(diào)頻廠設(shè)在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心而且要實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)的情況。3.互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整

大型電力系統(tǒng)電源和負(fù)荷的分布情況比較復(fù)雜，在進行頻率調(diào)整時，會引起網(wǎng)絡(luò)中潮流的重新分布。若把整個電力系統(tǒng)看做時有若干個分系統(tǒng)通過聯(lián)絡(luò)線連接而成的互聯(lián)系統(tǒng)，那么在頻率調(diào)整時還需要注意聯(lián)絡(luò)線功率的交換及控制問題。

以兩系統(tǒng)為例進行討論，假設(shè)KA、KB分別為兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，、分別為兩系統(tǒng)二次調(diào)頻的發(fā)電功率變量，、分別為兩系統(tǒng)的負(fù)荷變化量，為聯(lián)絡(luò)線上的交換功率變化量，正方向為由A流向B。這樣，對系統(tǒng)A相當(dāng)于負(fù)荷增量，對系統(tǒng)B相當(dāng)于發(fā)電功率增量。

圖6-8互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整

對A系統(tǒng)，對B系統(tǒng)：兩個聯(lián)合運行的系統(tǒng)頻率是相等的，即可得：可見，若聯(lián)合系統(tǒng)二次調(diào)頻的發(fā)電功率增量等于全系統(tǒng)負(fù)荷增量時，可實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，即由式可得：（6-19）（6-18）

可見，當(dāng)A、B兩系統(tǒng)都進行二次調(diào)整，且兩系統(tǒng)的功率缺額與其單位調(diào)節(jié)功率成比例時，即聯(lián)絡(luò)線上的交換功率增量為零。令分別為A、B兩系統(tǒng)的功率缺額，則式變?yōu)椋嚎梢姡?lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決于這個系統(tǒng)總的功率缺額和總的系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率。其實，兩系統(tǒng)聯(lián)合后，本應(yīng)看作是一個系統(tǒng)。（6-20）（6-23）

可見，如A系統(tǒng)沒有功率缺額，即，聯(lián)絡(luò)線上由A流向B的功率增大；反之，如B系統(tǒng)沒有功率缺額，即，聯(lián)絡(luò)線上由A流向B的功率減少。若B系統(tǒng)沒有調(diào)頻廠，即，其負(fù)荷變化量將由A系統(tǒng)的二次調(diào)整來承擔(dān)。若要保持，這時聯(lián)絡(luò)線上功率變化，即B系統(tǒng)的功率缺額全部通過聯(lián)絡(luò)線由A輸送到B，這時聯(lián)絡(luò)線的功率增量最大。這也是調(diào)頻廠遠(yuǎn)離負(fù)荷中心而且要實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)的情況。

這種調(diào)頻廠必須滿足一定的要求，如調(diào)整容量應(yīng)足夠大，調(diào)整速度應(yīng)足夠快，調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟性好，調(diào)整時不至引起系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線工作的困難，等。調(diào)整速度也是一個重要的問題。一個容量為5000MW的系統(tǒng)中，負(fù)荷上升的速度可達15-20MW/min。但急劇的負(fù)荷變動將使火電廠的鍋爐、汽輪機受損傷或因燃燒不穩(wěn)定而熄火。一般，高溫高壓鍋爐從70%-80%額定負(fù)荷上升至滿負(fù)荷約1-5min；中溫中壓鍋爐從50%額定負(fù)荷上升至滿負(fù)荷僅需1min，比較快；汽輪機很慢，在50%-100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)，每分鐘僅達2%-5%。因此，火電廠中限制調(diào)整速度的主要是汽輪機。水電廠水輪機負(fù)荷變動的速度要高得多，每分鐘可達50%-400%。當(dāng)然，過分急劇的負(fù)荷變動也會損壞水電廠的設(shè)備。4.主調(diào)頻廠的選擇

從調(diào)整容量和調(diào)整速度這兩個對調(diào)頻廠的基本要求出發(fā)，系統(tǒng)中有水電廠時，一般應(yīng)選擇水電廠作為調(diào)頻廠；沒有水電廠或水電廠不宜承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)時，例如洪水季節(jié)，則選擇中溫中壓火電廠作調(diào)頻廠。一般，由調(diào)速器完成的一次調(diào)頻響應(yīng)時間為2-20s，按ACE進行的二次調(diào)頻響應(yīng)時間約為1min，三次調(diào)頻或經(jīng)濟調(diào)度的周期長達5min以上。5.有功功率平衡

電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是在保證電能質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，能夠持續(xù)的為用戶供給所需的電能，并使系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟地運行。衡量經(jīng)濟性運行的指標(biāo)是比耗量和線損率。比耗量指生產(chǎn)單位電能所需消耗的一次能源，例如火電廠以克/千瓦·小時表示的煤耗率。線損率或網(wǎng)損率如前所述，就整個系統(tǒng)而言，是指系統(tǒng)中損耗的電能占電源發(fā)出電能的百分?jǐn)?shù)。這些技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的優(yōu)劣與系統(tǒng)中有功、無功功率的分配以及頻率、電壓的調(diào)整有關(guān)。

電力系統(tǒng)中的功率平衡是指在一定頻率下的平衡，有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機，電源發(fā)出的有功功率必須大于系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率。系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分稱為系統(tǒng)的備用容量。從備用容量所處的狀態(tài)可劃分為熱備用和冷備用。熱備用是運行中的發(fā)電設(shè)備可能發(fā)出的最大功率與系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷之差，亦稱旋轉(zhuǎn)備用。冷備用則指未運行的設(shè)備可能發(fā)出的最大功率。負(fù)荷備用必須取熱備用形式，事故備用中的部分容量取熱備用形式，部分容量取冷備用形式。（1）有功功率平衡與備用容量

有功功率平衡是指運行中，所有發(fā)電廠發(fā)出的有功功率的總和，在任何時候都等于該系統(tǒng)的總負(fù)荷。包括所有用戶的有功功率負(fù)荷，網(wǎng)絡(luò)的總有功功率損耗，即在一般情況下，網(wǎng)絡(luò)總損耗約為系統(tǒng)負(fù)荷的6-10%，對于廠用電，水電廠的廠用電相當(dāng)小，僅為電廠最大負(fù)荷的0.1-1%，火電廠稍大，約為5-8%。為了保證系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟地運行，系統(tǒng)還應(yīng)具有一定的備用容量，只在具備系統(tǒng)備用容量的情況下，才有可能進行系統(tǒng)的頻率調(diào)整與廠間負(fù)荷的最優(yōu)分配。

為了保證供電可靠性及電能質(zhì)量合格，系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分稱系統(tǒng)的備用容量，即備用容量＝系統(tǒng)可用電源容量－發(fā)電負(fù)荷系統(tǒng)備用容量按存在形式可分：(1)熱備用，指運轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率與系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷之差，因而也稱運轉(zhuǎn)備用或旋轉(zhuǎn)備用。(2)冷備用，指未運轉(zhuǎn)的發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率。檢修中的發(fā)電設(shè)備不屬于冷備用，它們不能聽命于隨時調(diào)用。

從保證供電可靠性及電能質(zhì)量角度，熱備用愈多愈好。因發(fā)電設(shè)備從“冷備用”至投入系統(tǒng)、只發(fā)出額定功率所需的時間短則幾分鐘（水電廠）長則十余小時（火電廠）。而就保證重要負(fù)荷供電而言，時間應(yīng)盡量縮短，但從保證系統(tǒng)經(jīng)濟性的角度，熱備用又不宜過多。系統(tǒng)備用容量按作用可分：

(1)負(fù)荷備用：指調(diào)整系統(tǒng)中短時負(fù)荷波動并擔(dān)負(fù)計劃外的負(fù)荷增加而設(shè)置的備用，滿足負(fù)荷波動、計劃外的負(fù)荷增量。負(fù)荷備用容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小、運行經(jīng)驗并考慮系統(tǒng)中各類用電的比重確定。一般為最大負(fù)荷的2-5%，大系統(tǒng)采用較小數(shù)值，小系統(tǒng)采用較大數(shù)值。(2)事故備用：指電力用戶在發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然性事故時不受嚴(yán)重影響，維持系統(tǒng)正常供電所需的備用。是保證發(fā)電機因故退出運行能頂上的容量，大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)容量、發(fā)電機臺數(shù)、單位機組容量、機組的事故概率、系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)確定，一般約為最大負(fù)荷的5-10%，但不得低于系統(tǒng)中最大機組的容量。

(3)檢修備用：是指系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備能定期檢修而設(shè)置的備用，它和系統(tǒng)負(fù)荷大小關(guān)系不密切，只和負(fù)荷性質(zhì)、發(fā)電機臺數(shù)、檢修時間的長短、設(shè)備的新舊程度等有關(guān)。發(fā)電機運轉(zhuǎn)一段時間后必須進行檢修，檢修分大修和小修，大修一般安排在系統(tǒng)負(fù)荷的季節(jié)性低落期間，小修一般安排在節(jié)假日進行。在這期間內(nèi)，如不能完全安排所有機組的大小修時，才設(shè)置所需的檢修備用容量。(4)國民經(jīng)濟備用：是為了滿足工農(nóng)業(yè)超計劃增長而設(shè)置的備用。綜上所述，負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用、國名經(jīng)濟備用歸納起來仍是以熱備用和冷備用形式存在于系統(tǒng)中，熱備用中至少應(yīng)包括全部負(fù)荷備用和一部分事故備用，而將部分事故備用處于停機狀態(tài)，一般檢修備用、國民經(jīng)濟備用及部分事故備用采用冷備用狀態(tài)。6.火電廠的主要特點

火力發(fā)電廠是電力系統(tǒng)有功功率電源的一個重要組成部分，在世界上大部分國家，包括我國在內(nèi)，火力發(fā)電廠裝機容量占總裝機容量的一半以上，因而在系統(tǒng)中具有重要地位。火力發(fā)電廠還可以進一步分類。按其燃料，可分為燃油火力發(fā)電廠、燃?xì)猓ㄌ烊粴猓┗鹆Πl(fā)電廠、燃煤火力發(fā)電廠；按蒸汽參數(shù)，可分為低溫低壓（蒸汽溫度450°C，壓力35大氣壓），中溫中壓（500-520°C，100大氣壓），高溫高壓（550°C，180大氣壓），以及超臨界機組（575°C，200大氣壓）。一般來講，運行效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)，高溫高壓熱電廠運行效率大于中溫中壓熱電廠。

火力發(fā)電廠的運行特點：火電廠運行時要消耗大量的燃料，需要支付燃料費用，但運行不受自然條件影響。火電廠的鍋爐和汽輪機都受最小技術(shù)負(fù)荷的限制，可調(diào)范圍小。(2)火電廠機組的投入、退出或承擔(dān)急劇變動的負(fù)荷時，既額外耗費能量，又花費時間，且易損壞設(shè)備。(3)帶有熱負(fù)荷的火電廠稱為熱電廠，如圖3-28所示，熱負(fù)荷輸出功率是強迫功率，通過熱力網(wǎng)向附近工業(yè)區(qū)和居民住宅供熱，它采用抽汽供熱，其總效率要高于一般的凝汽式火電廠。

圖6-9熱電廠承擔(dān)熱負(fù)荷7.水電廠的主要特點

水力發(fā)電廠是電力系統(tǒng)中又一中重要的有功功率電源，我國是水力資源十分豐富的國家，有效地開發(fā)和合理利用水資源對我國經(jīng)濟建設(shè)具有重要意義。建國60年來，我國一直十分重視水電發(fā)展。1949年全國水電裝機只有16.3萬千瓦，2008年全國水電裝機容量達到1.73億千瓦，年發(fā)電量已達5655.5億千瓦時。根據(jù)水力資源的不同，水力發(fā)電廠可分為多年調(diào)節(jié)庫容水力發(fā)電廠、日調(diào)節(jié)庫容水力發(fā)電廠、徑流式水力發(fā)電廠、抽水蓄能水力發(fā)電廠等。

水電廠的運行特點：(1)水廠不需要支付燃料費用，且水能是可以再生的資源。(2)受水庫容量限制，水電廠的水輪機沒有嚴(yán)格的最小技術(shù)負(fù)荷要求，發(fā)電機出力的調(diào)整范圍較寬。(3)水力樞紐往往兼有防洪、發(fā)電、航運、灌溉、養(yǎng)殖、供水和旅游等多方面的效益。

(4)可調(diào)范圍大。水電廠機組的投入、退出或承擔(dān)急劇變動的負(fù)荷時，所需時間短，不增加能耗，操作簡單，無需額外的耗費。有強迫功率，視不同水電廠而定，一般可充當(dāng)調(diào)峰機組，如圖4-2所示，由圖可見，抽水蓄能發(fā)電廠減小了系統(tǒng)符合的峰谷差。圖6-10抽水蓄能水電廠承擔(dān)的調(diào)峰作用8.核能發(fā)電廠的特點、風(fēng)力發(fā)電廠的特點

核能發(fā)電廠利用原子能裂變反應(yīng)所釋放的能量進行發(fā)電。雖然核能發(fā)電廠的一次性投資大，但一旦建成投產(chǎn)，其運行費用要較火電廠低得多，因而在系統(tǒng)日常運行中應(yīng)可能利用它的容量。核電站的運行特點：(1)核電廠一次性投資大，運行費用低。(2)核電廠的反應(yīng)堆和汽輪機投入、退出或承擔(dān)急劇變動負(fù)荷時，需耗費能量，花費時間，且設(shè)備易損壞。

(3)一般承擔(dān)基荷。目前，由于可再生能源的大力發(fā)展，在世界上已分布了十大可再生能源工程，分別在美國、中國、英國和法國等地，主要包括水電站、風(fēng)電場、潮汐能電站、太陽能熱電廠、生物能電廠、波浪能電廠等。在我國很多地區(qū)開始建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場，風(fēng)力發(fā)電場是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源。風(fēng)力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可