電力系統(tǒng)調(diào)頻綜述（頻率穩(wěn)定論）

...wd......wd......wd...電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定論摘要:電力系統(tǒng)頻率調(diào)整是電力系統(tǒng)中維持有功功率供需平衡的主要措施，其基本目的是保證電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。電力系統(tǒng)頻率調(diào)整的主要方法是調(diào)整發(fā)電功率和進(jìn)展負(fù)荷管理。一次調(diào)頻是指當(dāng)電力系統(tǒng)頻率偏離目標(biāo)頻率時，發(fā)電機(jī)組通過調(diào)速系統(tǒng)的自動反響，調(diào)整有功出力以維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。二次調(diào)頻也稱為自動發(fā)電控制，是指發(fā)電機(jī)組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實(shí)時跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。三次調(diào)頻就是協(xié)調(diào)各發(fā)電廠之間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配，從而到達(dá)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng),一次調(diào)頻,二次調(diào)頻,三次調(diào)頻,綜述引言“頻率〞概念源于針對周期性變化的事物的經(jīng)典物理學(xué)定義，由于電力系統(tǒng)中許多物理變量具有(準(zhǔn))周期性特征,故這一概念在電業(yè)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。電力系統(tǒng)頻率一方面作為衡量電能質(zhì)量的指標(biāo),需加以動態(tài)監(jiān)測;另一方面作為實(shí)施安全穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反響量,要求能實(shí)時重構(gòu)。因此,電力系統(tǒng)頻率控制是電力系統(tǒng)運(yùn)行的一項(xiàng)重要內(nèi)容，系統(tǒng)頻率的變化對用戶、發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)本身都有著重大影響，當(dāng)今電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的目標(biāo)之一便是將頻率變化控制在較小的范圍內(nèi)。一次調(diào)頻是指當(dāng)電力系統(tǒng)頻率偏離目標(biāo)頻率時，發(fā)電機(jī)組通過調(diào)速系統(tǒng)的自動反響，調(diào)整有功出力以維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。一次調(diào)頻的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，但是只能做到有差控制。二次調(diào)頻也稱為自動發(fā)電控制〔AGC〕，是指發(fā)電機(jī)組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實(shí)時跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。二次調(diào)頻可以做到頻率的無差調(diào)節(jié)，且能夠?qū)β?lián)絡(luò)線功率進(jìn)展監(jiān)視和調(diào)整。三次調(diào)頻就是協(xié)調(diào)各發(fā)電廠之間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配，從而到達(dá)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。其實(shí)質(zhì)是完成在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度，其目的是在滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和系統(tǒng)安全的前提下合理利用能源和設(shè)備，以最低的發(fā)電成本或費(fèi)用獲得更多的、優(yōu)質(zhì)的電能。本文在平時課堂上的認(rèn)真學(xué)習(xí)和課下的資料查閱下詳細(xì)介紹了電力系統(tǒng)的各次調(diào)頻概念以及相關(guān)實(shí)際應(yīng)用，側(cè)重于一次和二次調(diào)頻以供參考研究學(xué)習(xí)。1.一次調(diào)頻1.1概念一次調(diào)頻是指由發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性而增減發(fā)電機(jī)的出力所起到的調(diào)頻作用。機(jī)組一次調(diào)頻的投入是穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，對于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)電自動調(diào)度、提高電能質(zhì)量、維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能夠起到重要作用。一次調(diào)頻即利用系統(tǒng)固有的負(fù)荷頻率特性以及發(fā)電機(jī)調(diào)速器的作用，阻止系統(tǒng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨即發(fā)生變化，如轉(zhuǎn)速的變化超出發(fā)電機(jī)組規(guī)定的不靈敏區(qū)，該發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器就會動作，改變其原動機(jī)的閥門位置，調(diào)整原動機(jī)的功率，力求改善原動機(jī)功率或負(fù)荷功率的不平衡狀態(tài)。一次調(diào)頻功能是維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的重要手段。1.2調(diào)頻過程由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率不能及時變動而使機(jī)組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時，發(fā)電機(jī)組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，到達(dá)新的平衡。數(shù)學(xué)表達(dá)式：KS：稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動機(jī)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。注意：〔1〕取功率的增大或頻率的上升為正；〔2〕為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過大的單位調(diào)節(jié)功率；〔3〕對于滿載機(jī)組，不再參加調(diào)整。對于系統(tǒng)有假設(shè)干臺機(jī)參加一次調(diào)頻：具有一次調(diào)頻的各機(jī)組間負(fù)荷的分配，按其調(diào)差系數(shù)即下降特性自然分配。1.3特性分析由于電網(wǎng)周波是隨時間動態(tài)變化的隨機(jī)變量，含有不同的頻率成分，因此電網(wǎng)的一次調(diào)頻是一個隨機(jī)過程。整個系統(tǒng)負(fù)荷可看作由如下3種具有不同變化規(guī)律的變動負(fù)荷所組成：(1)變化幅度較小，變化周期較短，一般為10s以內(nèi)的隨機(jī)負(fù)荷分量；(2)變化幅度較大，變化周期較長，一般為10s到3min的負(fù)荷分量,屬于這類負(fù)荷的主要有電爐、軋鋼機(jī)械等；(3)變化緩慢的持續(xù)變動負(fù)荷,引起負(fù)荷變化的主要原因是工廠的作息制度，人們的生活規(guī)律等。一次調(diào)頻所調(diào)節(jié)的正是疊加在長周期變化分量上的隨機(jī)分量,這就決定了電網(wǎng)一次調(diào)頻的隨機(jī)性。通常所采用的一次調(diào)頻對策是建設(shè)在靜態(tài)范疇內(nèi)的，所謂靜態(tài)范疇的一次調(diào)頻特性是把電網(wǎng)中的各臺機(jī)組負(fù)荷分配規(guī)律簡單的歸結(jié)成不等率的反比例關(guān)系，在系統(tǒng)規(guī)模不大時，電力系統(tǒng)的調(diào)峰和調(diào)頻問題的研究可以從靜態(tài)的角度來考慮。從20世紀(jì)80年代開場，一直都把電廠的負(fù)荷靜態(tài)經(jīng)濟(jì)分配、安全調(diào)度、靜態(tài)潮流作為考慮的重點(diǎn)，而對時間方向上的各類動態(tài)信息關(guān)心不夠。隨著系統(tǒng)規(guī)模和負(fù)荷的迅速開展,電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)頻出現(xiàn)了許多新的問題，靜態(tài)的分析方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，比方在考察汽輪發(fā)電機(jī)組對周波變化的一次調(diào)頻響應(yīng)時，不僅要看周波的變化幅度，還要看周波的變化速度，這些都涉及到不同機(jī)組對不同頻率的負(fù)荷擾動適應(yīng)能力的差異(如再熱機(jī)組與非再熱機(jī)組)，而這一點(diǎn)用靜態(tài)特性的概念是無法描述的。另外，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)對周波變化的各頻率分量的響應(yīng)也是不同的(如設(shè)計(jì)有高壓調(diào)節(jié)閥動態(tài)過開能力與沒有此能力的再熱機(jī)組)。因此，這都需要從動態(tài)的角度重新考慮一次調(diào)頻策略的問題。1.4控制策略分析一次調(diào)頻的功能是將電網(wǎng)頻差因子轉(zhuǎn)換成負(fù)荷增量信號后，一方面將其疊加于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥控制指令，以改變調(diào)節(jié)閥開度，并利用鍋爐蓄熱快速增減機(jī)組負(fù)荷，以滿足電網(wǎng)頻率要求；另一方面改變鍋爐負(fù)荷指令，將主蒸汽壓力維持在安全范圍內(nèi)。一次調(diào)頻包含汽輪機(jī)側(cè)的數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)一次調(diào)頻和機(jī)組協(xié)調(diào)控制(UCC)一次調(diào)頻。DEH一次調(diào)頻具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但因是有差調(diào)節(jié)，調(diào)頻目標(biāo)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷存在一定偏差。UCC一次調(diào)頻能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組能量平衡，但不能快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。因此，UCC和DEH的聯(lián)合一次調(diào)頻是滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求的最正確方式。DEH通常包括轉(zhuǎn)速／功率回路、調(diào)節(jié)級壓力回路和閥門管理程序。DEH一次調(diào)頻的頻差因子通常疊加在功率信號上，如果DEH功率回路和調(diào)節(jié)級壓力回路未投人運(yùn)行，則一次調(diào)頻的頻差因子直接疊加到閥門管理程序中，以便迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槠啓C(jī)調(diào)節(jié)閥開度。圖1所示為DEH一次調(diào)頻系統(tǒng)。圖1DEH一次調(diào)頻控制系統(tǒng)UCC包括鍋爐主控和汽輪機(jī)主控，UCC一次調(diào)頻的頻差因子可以疊加在鍋爐主控和汽輪機(jī)主控回路中。由于汽輪機(jī)主控通過DEH控制汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥，這樣會出現(xiàn)DEH和汽輪機(jī)主控一次調(diào)頻的頻差因子重復(fù)疊加的現(xiàn)象，因此通常采取鍋爐主控疊加一次調(diào)頻的頻差因子而汽輪機(jī)主控保持不變的控制方式，或采用切換開關(guān)以防止DEH或汽輪機(jī)主控一次調(diào)頻的頻差因子重復(fù)疊加。圖2所示為UCC一次調(diào)頻系統(tǒng)。圖2UCC一次調(diào)頻控制系統(tǒng)1.5優(yōu)化控制策略1.5.1負(fù)荷速率限制因素為確保機(jī)組參與一次調(diào)頻時，將頻率變化引起的負(fù)荷變化控制在機(jī)組安全運(yùn)行允許范圍內(nèi)，機(jī)組在高負(fù)荷工況下，系統(tǒng)頻率降低時，響應(yīng)后的機(jī)組負(fù)荷不應(yīng)高于機(jī)組正常運(yùn)行的最大出力；機(jī)組在低負(fù)荷工況下，系統(tǒng)頻率升高時，響應(yīng)后的機(jī)組負(fù)荷不應(yīng)低于機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷，以防止：(1)機(jī)組在高負(fù)荷下運(yùn)行(一般已到達(dá)額定參數(shù))時出現(xiàn)電網(wǎng)頻率下降，因一次調(diào)頻導(dǎo)致機(jī)組過負(fù)荷；(2)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時出現(xiàn)電網(wǎng)頻率上升，因一次調(diào)頻導(dǎo)致機(jī)組低于穩(wěn)燃負(fù)荷運(yùn)行、燃燒不穩(wěn)定等危及機(jī)組及電網(wǎng)安全運(yùn)行的事故發(fā)生。為了保證主蒸汽壓力在一定范圍之內(nèi)，一次調(diào)頻負(fù)荷增量的變化應(yīng)受到速率限制。1.5.2策略優(yōu)化首先是單閥控制的優(yōu)化。機(jī)組在單閥控制方式下進(jìn)展一次調(diào)頻時，DEH處于開環(huán)控制狀態(tài)，調(diào)頻效果取決于調(diào)節(jié)閥流量特性。投產(chǎn)初期，由于汽輪機(jī)組普遍存在蒸汽流量與調(diào)節(jié)閥開度不完全對應(yīng)的現(xiàn)象，因此需通過外部修正保證一次調(diào)頻效果。在不影響UCC一次調(diào)頻根基上，對DEH一次調(diào)頻的頻差因子按調(diào)頻實(shí)際效果進(jìn)展系數(shù)修正：先選取幾個具有代表性的額定工況，將調(diào)頻幅度與設(shè)定值的比值作為修正系數(shù)，再確定整條一次調(diào)頻修正曲線，得到最終的一次調(diào)頻的頻差因子。其次是順序閥控制的優(yōu)化。機(jī)組在順序閥控制方式下，根據(jù)流量指令逐個或多個開啟調(diào)節(jié)閥，在不影響UCC一次調(diào)頻根基上，可以選取幾個具有代表性的額定流量工況和多閥流量切換點(diǎn)，將調(diào)頻幅度與設(shè)定值的比值作為修正系數(shù)，得到最終的調(diào)頻因子，再確定DEH側(cè)一次調(diào)頻修正曲線。2二次調(diào)頻2.1概念二次調(diào)頻是指當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷或發(fā)電出力發(fā)生較大變化時，一次調(diào)頻不能恢復(fù)頻率至規(guī)定范圍時采用的調(diào)頻方式。二次調(diào)頻也稱為自動發(fā)電控制〔AGC〕，是指發(fā)電機(jī)組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實(shí)時跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。2.1.1實(shí)現(xiàn)方法二次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)方法有以下兩種：〔1〕電網(wǎng)調(diào)頻由中心調(diào)度所調(diào)度員根據(jù)負(fù)荷潮流及電網(wǎng)頻率，給各廠下達(dá)負(fù)荷調(diào)整命令，由各發(fā)電單位進(jìn)展調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的二次調(diào)頻?！?〕采用自動控制系統(tǒng)〔AGC〕，由計(jì)算機(jī)〔電腦調(diào)度員〕對各廠機(jī)組進(jìn)展遙控，來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻全過程，參與該系統(tǒng)的各機(jī)組必須具有幾路協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。2.1.2調(diào)頻分類二次調(diào)頻分為手動調(diào)頻及自動調(diào)頻:〔1〕手動調(diào)頻:在調(diào)頻廠,由運(yùn)行人員根據(jù)系統(tǒng)頻率的變動來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的出力,使頻率保持在規(guī)定范圍內(nèi),手動調(diào)頻的特點(diǎn)是反映速度慢,在調(diào)整幅度較大時,往往不能滿足頻率質(zhì)量的要求,同時值班人員操作頻繁,勞動強(qiáng)度大。

〔2〕自動調(diào)頻:這是現(xiàn)代電力系統(tǒng)采用的調(diào)頻方式,自動調(diào)頻是通過裝在發(fā)電廠和調(diào)度中心的自動裝置隨系統(tǒng)頻率的變化自動增減發(fā)電機(jī)的發(fā)電出力,保持系統(tǒng)頻率在較小的范圍內(nèi)波動,自動調(diào)頻是電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的組成局部,它具有完成調(diào)頻、系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線交換功率控制、和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等綜合功能。2.1.3調(diào)頻特點(diǎn)二次調(diào)頻是由發(fā)電機(jī)的同步器來實(shí)現(xiàn)的。和自發(fā)的有調(diào)速器參與的一次調(diào)頻不同的是二次調(diào)頻是在人工或自動裝置的控制下利用同步器平行移動機(jī)組的頻率調(diào)整靜態(tài)特性也就是就是改變表達(dá)式P=a+bf中的a的大小來實(shí)現(xiàn)分配機(jī)組有功功率的任務(wù),這就是我們所通常說的“頻率調(diào)整〞。二次調(diào)頻不能改變系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù),但是二次調(diào)頻增加了系統(tǒng)有功出力的變動范圍,在同樣的頻率變動下,讓系統(tǒng)的負(fù)荷總變化量加大了。反過來在有功變化量一樣的時候,通過平移特性曲線，使得系統(tǒng)的頻率變化范圍變小。另外二次調(diào)頻如果調(diào)整的有功增減量完全能抵擋負(fù)荷的增減量,這時候可以實(shí)現(xiàn)頻率變化量等于零,這就是無差調(diào)節(jié)的概念。而這種情況一次調(diào)頻是沒法完成的。在并聯(lián)運(yùn)行的電力系統(tǒng)中,參與頻率調(diào)整的發(fā)電機(jī)組特別多,但是只有少數(shù)機(jī)組參與二次調(diào)頻,而所有的裝有調(diào)速器的機(jī)組都會參與一次調(diào)頻。復(fù)雜電力系統(tǒng)中二次調(diào)頻都是由調(diào)度規(guī)定的主調(diào)頻廠來進(jìn)展的,這些電廠一般都投入了電網(wǎng)自動發(fā)電控制系統(tǒng)AGC,按照“等微增率準(zhǔn)則〞來合理分配有功功率。2.2調(diào)頻過程當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時，如不進(jìn)展二次調(diào)整，二次調(diào)頻后：圖3頻率的二次調(diào)整由圖3可知，系統(tǒng)負(fù)荷增量由三局部組成：由于調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機(jī)組功率：〔一次調(diào)頻〕由于調(diào)頻器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機(jī)組功率：〔二次調(diào)頻〕由于負(fù)荷負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)作用而減少的負(fù)荷功率：〔△f為負(fù)值〕當(dāng)時，即二次調(diào)頻增發(fā)的功率與系統(tǒng)的負(fù)荷增量相等時，則，頻率將始終不變，亦即實(shí)現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)。假設(shè)系統(tǒng)中有n臺機(jī)組．且由第n臺機(jī)組擔(dān)負(fù)二次調(diào)整任務(wù)，即只有一臺機(jī)組進(jìn)展二次調(diào)整、n臺機(jī)組進(jìn)展一次調(diào)整，則有：經(jīng)對比可見，由于n臺機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率KGN遠(yuǎn)大于一臺機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率KG，因此，在同樣的功率盈虧下，系統(tǒng)的頻率變化要比僅有一臺機(jī)組時小得多。需要指出的是電力系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)均裝有調(diào)速器，因此每臺機(jī)組都參與一次調(diào)頻〔除機(jī)組滿載〕；而二次調(diào)頻只有極少數(shù)的發(fā)電廠〔調(diào)頻廠〕參與。調(diào)頻廠應(yīng)滿足的條件：〔1〕調(diào)整的速度應(yīng)足夠快；〔2〕調(diào)整的容量應(yīng)足夠大；〔3〕調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能應(yīng)該好；同時要注意系統(tǒng)內(nèi)及互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。調(diào)頻廠的選擇原則：〔1〕系統(tǒng)中有水電廠時，選擇水電廠做調(diào)頻廠；〔2〕當(dāng)水電廠不能做調(diào)頻廠時，選擇中溫中壓火電廠做調(diào)頻廠。3三次調(diào)頻三次調(diào)頻就是協(xié)調(diào)各發(fā)電廠之間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配，從而到達(dá)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行！其實(shí)質(zhì)是完成在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度，其目的是在滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和系統(tǒng)安全的前提下合理利用能源和設(shè)備，以最低的發(fā)電成本或費(fèi)用獲得更多的、優(yōu)質(zhì)的電能。4結(jié)語文中所述的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻都是為了保證電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。一次調(diào)頻通常是自發(fā)的，當(dāng)系統(tǒng)輸出有功小于負(fù)荷需求有功時，系統(tǒng)頻率會降低，因?yàn)橄到y(tǒng)中有大量的電動機(jī)負(fù)荷，這類負(fù)荷會隨著頻率的降低而降低負(fù)荷消耗，當(dāng)頻率降到一定程度后，負(fù)荷需求下降到等于系統(tǒng)輸出有功的值，系統(tǒng)供需平衡，頻率穩(wěn)定在一個值，但已經(jīng)偏離50Hz了。所以一次調(diào)頻是系統(tǒng)特性的自發(fā)動作，現(xiàn)在也有發(fā)電廠的調(diào)速器參與到一次調(diào)頻，當(dāng)頻率較大