第五章電力系統(tǒng)的頻率調整詳解

第五章電力系統(tǒng)的頻率調整當前1頁，總共58頁。概述電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一。如何保證正常、穩(wěn)態(tài)運行時的電能質量和經濟性問題，是我們考慮的重點問題之一。衡量電能質量的指標包括：頻率質量、電壓質量和波形質量，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。頻率：50Hz，允許有±0.2~±0.5Hz的偏移電壓：設備應運行在額定電壓的±5%z之間波形：考核系統(tǒng)的諧波電壓含有率要求(識記)：當前2頁，總共58頁。衡量運行經濟性的主要指標為：比耗量(煤耗率)和線損率（網損率）有功功率的最優(yōu)分布包括：有功功率負荷預計、有功功率電源的最優(yōu)組合、有功功率負荷在運行機組間的最優(yōu)分配等。當前3頁，總共58頁。第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡一、電力系統(tǒng)的有功功率平衡該方程在任何時刻都成立！當前4頁，總共58頁。發(fā)電機組的有功平衡發(fā)電機組的有功平衡：發(fā)電機的電磁功率PGi與原動機的機械功率PTi之間的平衡。發(fā)電機組的有功平衡與頻率的關系發(fā)電機組原動機＋發(fā)電機原動機慣性大，有功調節(jié)慢，無法時刻保持與瞬變負荷及發(fā)電機功率的平衡，而只能保證動態(tài)平衡，相應頻率也只能保持動態(tài)穩(wěn)定。當前5頁，總共58頁。如剛才講到，因為電能是不能儲存的，所以上述有功功率平衡方程在任何時刻t都是成立的（即保持平衡），但系統(tǒng)中負荷時無時無刻不在變化的，所以上述平衡方程很容易被打破，導致上述有功功率不平衡，這種不平衡只是短暫的，我們可以根據(jù)負荷的變化情況來調節(jié)發(fā)電機發(fā)出的總功率，用來調節(jié)整個系統(tǒng)的平衡，使得上述方程重新回到平衡狀態(tài)。若不加以調節(jié)，則有功功率的不平衡將對頻率造成影響。當前6頁，總共58頁。系統(tǒng)有功功率不平衡對頻率的影響：由電機學知識：n=60f/p頻率與發(fā)電機轉速有關轉速又決定于發(fā)電機的電磁轉矩（隨負荷變化）和原動機的拖動轉矩（由原動機的功率決定）。原動機拖動功率-電磁功率=發(fā)電機的總功率。請問發(fā)電機的電磁轉矩與轉速的方向是相同還是相反？具體情況：1、負荷增加，使電磁轉矩增加，若原動機的拖動轉矩不變，則轉速n下降，導致頻率降低。2、負荷減少，使電磁轉矩減小，若原動機的拖動轉矩不變，則轉速n上升，導致頻率升高。通過上面的分析得出：有功功率的變化(負荷的變化)與頻率的變化是直接相關的，因此可以通過調節(jié)頻率來調節(jié)有功功率的平衡。當前7頁，總共58頁。二、有功功率負荷的變動和調整控制P1（幅度小，周期短，一次調頻）P2（幅度較大，周期較長，沖擊性負荷，二次調頻）P3（幅度最大，周期最長，由生活、氣象等引起，三次調頻）變化不規(guī)律當前8頁，總共58頁。不同的周期的負荷有不同的變化規(guī)律：第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負荷變動有很大的偶然性；第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種負荷的主要有：電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負荷變動；第三種變動基本上可以預計，其變動幅度最大，周期也最長，是由于生產、生活、氣象等變化引起的負荷變動。當前9頁，總共58頁。剛才講到，當負荷變動時（即有功功率變化時），若發(fā)電機總功率不加以調節(jié)，則頻率會發(fā)生偏移。

因此，根據(jù)負荷變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調整大體上也可分為：一次調頻：由發(fā)電機調速器進行；針對第一種負荷變動引起的頻率偏移的調整。二次調頻：由發(fā)電機調頻器進行；針對第二種符合變動引起的頻率偏移的調整。三次調頻：優(yōu)化準則，即由調度部門根據(jù)負荷曲線進行最優(yōu)分配，責成各發(fā)電廠按事先給定的負荷發(fā)電。除平衡節(jié)點（調頻）外均屬此類。（有功功率日負荷曲線），針對第三種負荷變動，人工完成。前兩種是事后的，第三種是事前的。 另外，還有一種調整叫做負荷控制，是指個別負荷大量或長時間超計劃用電以致影響系統(tǒng)運行質量時，由系統(tǒng)運行管理部門在遠方將其部分或者全部切除的控制方式。當前10頁，總共58頁。三、系統(tǒng)有功功率（電源容量）和備用容量系統(tǒng)中可供調度的系統(tǒng)電源容量可能小于總裝機容量定期停機檢修水電廠的發(fā)電機因水頭極度降低不能按額定容量發(fā)電各發(fā)電廠預計可投入運行的發(fā)電機組的可發(fā)功率之和為可供調度的系統(tǒng)電源容量。為了保證可靠供電和良好的電能質量，系統(tǒng)可供調度的電源容量必須大于發(fā)電負荷。系統(tǒng)電源容量=系統(tǒng)中可運行機組的可發(fā)容量之和當前11頁，總共58頁。三、系統(tǒng)有功功率和備用容量為了保證可靠供電和良好的電能質量，系統(tǒng)中的發(fā)電設備容量應大于系統(tǒng)負荷，我們把系統(tǒng)電源容量大于負荷的部分稱為備用容量，它是指可用發(fā)電出力的后備補充力量，能夠隨時調整投入運行。備用容量：可供調度的系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分。當前12頁，總共58頁。作用：在系統(tǒng)出現(xiàn)第一類、第二類負荷的波動、負荷的超計劃增長、事故導致的發(fā)電機退出運行和設備檢修導致的設備退出運行情況下，保證電力系統(tǒng)在要求頻率水平下的功率平衡，以保證供電可靠性和電能質量。當前13頁，總共58頁。備用容量按照形式分為：熱備用，冷備用。熱備用處于運行狀態(tài)的備用，亦稱旋轉備用。如，負荷備用和部分事故備用。只要電網需要時（出力不夠或者出現(xiàn)故障時），隨時可動用的備用出力，這部分備用容量已經滿足運行的條件，處在運行當中，只要電網需要，立即啟動，所以系統(tǒng)不會出現(xiàn)停電故障冷備用（和熱備用相反理解）處于停機待用狀態(tài)的備用，亦稱停機備用。如，檢修備用、國民經濟備用及部分事故備用。檢修中的發(fā)電設備不屬冷備用。熱備用越多，越有利于保證電能質量和供電可靠性，但經濟性不好。當前14頁，總共58頁。按用途分為：負荷備用，事故備用，檢修備用，國民經濟備用。

負荷備用—針對一類、二類負荷波動和預測外負荷設置（2%~5%）。事故備用—針對事故導致發(fā)電設備退出設置（5%~10%，且不小于系統(tǒng)最大一臺機組的額定容量）。檢修備用—針對發(fā)電設備檢修退出運行設置（視情況）。國民經濟備用—針對國民經濟的超計劃增長設置（3%~5%）

當前15頁，總共58頁。發(fā)電負荷（熱備用）負荷備用（熱備用）事故備用（熱備用）檢修備用（冷備用）國名經濟備用（冷備用）各種類型的備用仍只以兩種形式存在。當前16頁，總共58頁。第二節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配有功功率最優(yōu)分配包括兩個主要內容：即有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負荷的最優(yōu)分配。有功功率電源的最優(yōu)組合指系統(tǒng)中發(fā)電設備或發(fā)電廠的合理組合，即機組的合理開停。◆機組的最優(yōu)組合順序◆機組的最優(yōu)組合數(shù)量◆機組的最優(yōu)開停機時間與冷備用容量的合理分布有關。當前17頁，總共58頁。第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調整一、頻率調整的必要性頻率是電力系統(tǒng)運行的一個重要的質量指標，直接影響著負荷的正常運行。負荷要求頻率的偏差一般應控制在（±0.2~±0.5）Hz的范圍內。要維持頻率在正常的范圍內，其必要的條件是系統(tǒng)必須具有充裕的可調有功電源。頻率變動的影響：1、對用戶的影響頻率變化超出允許范圍將使用戶遭受損失。由于頻率變化引起異步電動機轉速變化，將會影響用戶產品質量。例如：紡織及造紙行業(yè)可能產生殘次品。當前18頁，總共58頁。2、對電子設備的影響頻率不穩(wěn)定將影響電子設備的工作，如雷達、計算機等將因頻率過低而無法工作。3、對發(fā)電廠的影響（1）影響鍋爐的正常運行（2）當頻率下降時，會增加汽輪機葉片所受的力，引起葉片的共振，縮短葉片的使用壽命，嚴重時刻使葉片斷裂。（3）頻率降低時，導致拖動設備出力下降，造成水壓風力不足，因此發(fā)電機發(fā)電能力下降，所以為了維持正常電壓，就要增加勵磁電流，致發(fā)電機定子和轉子溫升增加。（4）頻率降低時，因為為了維持正常電壓而增加了勵磁電流，導致磁通密度的增大，因此變壓器的鐵耗和勵磁電流都要增大。當前19頁，總共58頁。4、對系統(tǒng)的影響（1）由第二章知識，當頻率下降時，系統(tǒng)無功損耗將會增大（原因：勵磁電流的增大），這必將導致整個系統(tǒng)的電壓水平下降。（2）頻率過低，可使整個電力系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。二、自動調速系統(tǒng)及其調節(jié)特性由上述分析知、頻率的變動將會產生多方面的影響，因此有必要對系統(tǒng)頻率進行調整，使其變化范圍控制在正負。而要調節(jié)頻率，實質上就是調節(jié)原動機的轉速，即汽輪機的轉速調節(jié)，要調節(jié)汽輪機的轉速，實質上就是要調節(jié)汽輪機閥門開度的大小，即調節(jié)進氣量。下面介紹一種自動調速系統(tǒng)-離心飛擺式調速系統(tǒng)。原理圖如下頁所示：當前20頁，總共58頁。離心飛擺式調速系統(tǒng)示意圖當前21頁，總共58頁。調速器：進行頻率的一次調整，在圖中D點不動。調頻器：進行頻率的二次調整，使得D點上升。一次調頻、二次調頻原理簡介，見教材P203.三、電力系統(tǒng)的頻率特性1、電力系統(tǒng)負荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性當頻率變化時，電力系統(tǒng)中的有功功率負荷也將發(fā)生變化。當電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)中的有功負荷隨頻率變化的特性稱為負荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性（額定頻率附近）。當前22頁，總共58頁。有功功率-頻率靜態(tài)特性KL也叫做負荷的單位調節(jié)功率，單位：Mw/Hz當前23頁，總共58頁。用標幺值表示：KL*的值受用戶的影響，其值不能整定，大概在1.5左右。當前24頁，總共58頁。負荷的頻率調節(jié)效應：指在一定的頻率下負荷隨頻率變化的變化率。2、發(fā)電機組的有功功率-頻率靜態(tài)特性當系統(tǒng)頻率變化時，汽輪機調速系統(tǒng)將自動的改變進氣量，以相應的增加或減少發(fā)電機輸出功率，調整結束后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。這種反映由頻率變化而引起的汽輪機輸出功率變化的關系，稱為發(fā)電機組有功功率-頻率靜態(tài)特性。當前25頁，總共58頁。（）當前26頁，總共58頁。（2）配置自動調速系統(tǒng)的原動機機械功率的靜態(tài)頻率特性

一次調整（依靠調速器的作用）當前27頁，總共58頁。當前28頁，總共58頁。二次調整有調頻器的二次調整后，原動機的運行點不斷地從僅有一次調整時的靜態(tài)頻率特性曲線，平行的移動到另一根曲線上，連接不同直線上的點，得到有二次調整時靜態(tài)頻率特性曲線，可實現(xiàn)誤差調節(jié)和有差調節(jié)。當前29頁，總共58頁。其含義標志著隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出功率減少或增加的多寡。發(fā)電機組的單位調節(jié)功率：即發(fā)電機組功頻靜態(tài)特性的斜率，其斜率為負值。負號表示發(fā)電機輸出功率的變化和頻率變化的方向相反。當前30頁，總共58頁。發(fā)電機組的調差系數(shù)：即發(fā)電機單位調節(jié)功率的倒數(shù)。用百分數(shù)表示：所以二者關系如下：KG和調差系數(shù)是可以整定的。當前31頁，總共58頁。當前32頁，總共58頁。四、一次調頻為了便于分析，現(xiàn)假設系統(tǒng)中只有一臺發(fā)電機組和一個負荷。頻率的一次調整過程：（1）系統(tǒng)正常運行時，穩(wěn)定運行于O點，此時發(fā)電機發(fā)出的功率等于負荷消耗的功率，處于平衡狀態(tài)，即：當前33頁，總共58頁。（2）當穩(wěn)定運行于O點時，負荷突然增加△PL0，由O點跳至A點。（3）因機組功率不能及時變動，機組將減速，頻率將下降。（4）隨著頻率的下降，負荷消耗的功率減少，負荷的功頻特性將沿著新的特性曲線PL’下降，由A點向O‘點移動。由于這種特性是由負荷本身決定的，因此PL和PL’斜率相同。以上都是針對負荷來分析，下面針對發(fā)電機組來分析。（5）另一方面，根據(jù)離心飛擺式調速系統(tǒng)原理可知，當負荷增加，頻率下降時，汽輪機進氣量增加、原動機功率增加，即發(fā)電機組的功率因調速器的作用也隨之增加（一次調頻），所以，隨著頻率的下降，發(fā)電機組的功頻特性將沿著曲線PG向上移動。（6）兩者分別沿著圖中箭頭方向移動，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運行于新的平衡點O’。這就是一次調頻的整個過程。當前34頁，總共58頁。下面來分析負荷功率的增加量是由哪幾部分組成的，由圖可知：其中，OB是由于頻率下降后發(fā)電機組的增加量，BA表示負荷因頻率下降而減少的量。因此：整個系統(tǒng)的負荷功率的增大量=發(fā)電機組功率的增大量-負荷功率減少量取功率和頻率的上升為正當前35頁，總共58頁。KS：稱為系統(tǒng)的單位調節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動機調速器和負荷本身的調節(jié)效應共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。即系統(tǒng)的負荷增加或減少，對應頻率的下降或增加。所以，可以通過該系統(tǒng)單位調節(jié)功率，可以求解在已知的允許的頻率偏移范圍內，整個系統(tǒng)能夠承受多大的負荷增減。由上可知，系統(tǒng)的單位調節(jié)功率取決于兩個方面，即發(fā)電機的單位調節(jié)功率和負荷的單位調節(jié)功率。注意：取功率的增大或頻率的上升為正；KG，KL，Ks本身為正；為保證調速系統(tǒng)本身運行的穩(wěn)定，不能采用過大或過小的單位調節(jié)功率；（原因？無法根據(jù)頻率變化確定機組功率增量。）當前36頁，總共58頁。實際的電力系統(tǒng)中，不可能僅僅只有一臺發(fā)電機組和一個負荷，而是有好多。假設系統(tǒng)中有n臺發(fā)電機組時，并且假設這n臺機組全部參與調整，則：當前37頁，總共58頁。此時：另外系統(tǒng)中的n臺發(fā)電機組很有可能存在有些機組已經滿載的情況，以致它們的調速器受負荷限制器的限制不能再參加調整，這就使得系統(tǒng)中總的發(fā)電機單位調節(jié)功率下降。結論：對于滿載機組，不再參加調整。即：當前38頁，總共58頁。n臺發(fā)電機組中，僅有m臺發(fā)電機組（m<n）參與調整，其他的n-m臺發(fā)電機組不參與調整，發(fā)電機組的單位調節(jié)功率KGM顯然，KGN>KGM即系統(tǒng)中由于某些機組因滿載不能參加調整，致使整個發(fā)電機組系統(tǒng)的等值單位調節(jié)功率減小，等值調差系數(shù)加大。當前39頁，總共58頁。最后，整個系統(tǒng)的單位調節(jié)功率為：充分理解機組不能參加調頻的含義：機組滿載（空載）不能增加（減少）功率。因此，當負荷增加（減少），滿載（空載）機組時不能參加調頻，相應其單位調節(jié)功率為0，調差系數(shù)為無窮大。由于系統(tǒng)中有些機組滿載或空載不能參與調整，使得Ks不可能很大，因此，用調速器進行的一次調頻只適用于周期較短、幅度較小的負荷變動引起的頻率偏移。對于符合變動周期較長，幅度較大的調頻，則落到了二次調頻的頭上。當前40頁，總共58頁。五、二次調頻當電力系統(tǒng)由于負荷變化引起的頻率偏移較大，采取一次調頻尚不能使其保持在允許的范圍內時，這時通過二次調頻才能解決。頻率的二次調整就是以手動或自動方式調節(jié)調頻器平行地移動發(fā)電機組有功功率-頻率靜態(tài)特性，來改變發(fā)電機組輸出的有功功率，使系統(tǒng)的頻率保持在負荷增長前的水平或使頻率的偏差在允許的范圍之內。當前41頁，總共58頁。頻率的二次調整過程：（1）假設進行完一次調頻后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行于O‘點，此時頻率下降至fo’，功率增至Po’。（2）若此時的△f’超過系統(tǒng)允許的范圍，則操作發(fā)電機組調頻器，起動二次調頻，再次增加發(fā)電機組輸出的有功功率△PGo，使發(fā)電機組有功功頻特性曲線向右平行移動（按照給定的增發(fā)功率△PGo

來移動）。（3）這時由于增發(fā)功率，導致系統(tǒng)頻率的增加，那么由于負荷本身的調節(jié)效應，負荷吸收的頻率也要增加，相應地運行點將從O’點轉移到O’’點，對應的頻率為fo’’，對應的功率為Po’’。（4）由圖可清晰的看出，進行二次調頻后，頻率的偏移將由△f’減小為△f’’，發(fā)電機供給負荷的有功功率從Po’增至Po’’，顯然系統(tǒng)運行質量有了提高。當前42頁，總共58頁。由上述分析可見，當一次調頻和二次調頻同時進行時，系統(tǒng)的負荷增量△PLo是由三部分調節(jié)功率組成的：（1）（3）一次調整后，即（2）所以：其值為：其值為：當前43頁，總共58頁。由此可知，當△f’’=0時，即時，即實現(xiàn)了無差調節(jié)。另外，由上面分析可知，在同樣的負荷變化情況下，若Ks越大，那么對應的頻率偏移范圍將越小，所以我們總是希望具有較大的單位調節(jié)功率Ks。而Ks=KG+KL，其中，KL又是不能整定的，所以要想調整Ks，實際上是調整發(fā)電機的單位調節(jié)功率KG（或調差系數(shù)，要較小的）。因此發(fā)現(xiàn)，在進行二次調頻時，系統(tǒng)負荷的增減變化實際是由發(fā)電機組來承擔，稱之為調頻機組或調頻廠。當