電力系統(tǒng)有功功率平衡(電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析陳珩)

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整

電能相對(duì)于其他一、二次能源具有易于輸送的特點(diǎn)，特別電能在遠(yuǎn)距離輸送時(shí)，

無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、安全性及損耗等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，這使其成為現(xiàn)代社會(huì)最重要的

能源類型之一。保證以及提高電能質(zhì)量是世界所有電力企業(yè)的共同目標(biāo)。電能質(zhì)量的

好壞普通山一系列電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)來(lái)衡量，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)有頻率質(zhì)量、電壓

質(zhì)量和波形質(zhì)量，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。可見，電網(wǎng)頻率質(zhì)量

是電能質(zhì)量中最重要的指標(biāo)之一。電網(wǎng)中絕大多數(shù)發(fā)電及用電設(shè)備均按照電網(wǎng)額定頻

率生產(chǎn)創(chuàng)造，普通只能夠在較小的頻率偏差下正常使用。當(dāng)頻率偏差較大時(shí)，電氣設(shè)

備可能會(huì)浮現(xiàn)低效乃至損壞等問題，從而造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人身安全事故。

電網(wǎng)頻率與電網(wǎng)整體有功功率的平衡直接相關(guān)。若電網(wǎng)中的總發(fā)電功率大于總負(fù)

荷吸收功率，則電網(wǎng)頻率上升；反之則電網(wǎng)頻率下降。因此，保證電網(wǎng)頻率質(zhì)量的問

題，可轉(zhuǎn)化為保證電網(wǎng)整體有功功率平衡控制質(zhì)量的問題。由于在目前的技術(shù)條件下，

電能尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模直接存儲(chǔ)，因此有功功率平衡質(zhì)量的保證只能依賴于電能在發(fā)、

輸、配、用各環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功率平衡.在有功功率平衡控制問題的研丸中，普通將輸

配電過程中的功率損耗看做等效負(fù)荷，因此，電網(wǎng)有功功率平衡控制問題主要是發(fā)電

與用電的平衡控制.

表面上看，電網(wǎng)的有功功率平衡控制問題似乎是十分簡(jiǎn)單及清晰的，即電網(wǎng)中的

發(fā)電功率與用電功率需要實(shí)時(shí)平衡。然而，在實(shí)際操作層面，即電網(wǎng)如何具體且高質(zhì)

量地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的有功功率平衡卻較為復(fù)雜。有功功率平衡控制及其性能評(píng)價(jià)作為互聯(lián)

電網(wǎng)有功功率平衡控制問題中的一個(gè)環(huán)節(jié)，與其他環(huán)節(jié)間相互影響、相互制約，因此，

必須首先對(duì)所究問題的背景及相關(guān)概念加以分析和梳理。1有功功率平衡和平率調(diào)節(jié)

相關(guān)基本概念

1.1頻率

頻率是電力系統(tǒng)中同步發(fā)機(jī)電產(chǎn)生的交流正弦電壓的頻率。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，

所有發(fā)機(jī)電同步運(yùn)行，整個(gè)電力系統(tǒng)的頻率是相等的。并聯(lián)運(yùn)行的每一臺(tái)發(fā)機(jī)電組的

轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率的關(guān)系為

pn

■前

(lo1)

式中/'為發(fā)機(jī)電頻率，Hz;

〃為發(fā)機(jī)電轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù);

”為機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min0

系統(tǒng)頻率的變化是由于負(fù)荷功率與原動(dòng)機(jī)輸入功率之間失去平衡所致。山于機(jī)械

慣性的作用，原動(dòng)機(jī)輸入功率變化較緩慢，負(fù)荷的變化使系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動(dòng)。假如分

離的區(qū)域沒有參預(yù)速度調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)備用，則有三種因素會(huì)導(dǎo)致分離區(qū)域的系統(tǒng)頻率下

降：

⑴過負(fù)荷的量(即發(fā)電出力的缺額)：

(2)作用于區(qū)域負(fù)荷的負(fù)荷阻尼系數(shù)；

(3)代表區(qū)域內(nèi)所有發(fā)機(jī)電總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的慣性常數(shù)。由上式可知，要控制發(fā)機(jī)電頻率

就得控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。

1.2頻率質(zhì)量

電網(wǎng)運(yùn)行中使用“頻率”這一物理量來(lái)衡量電網(wǎng)中發(fā)機(jī)電、電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的快

慢。凡是連接到同一電網(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備及用電設(shè)備均是按照像同的同步轉(zhuǎn)速所設(shè)計(jì)和

創(chuàng)造，即惟獨(dú)在電網(wǎng)額定頻率下，電氣設(shè)備才干達(dá)到最高的使用效率和最長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽

命。當(dāng)電網(wǎng)頻率高于或者低于額定頻率超過一定限度時(shí)，電氣設(shè)備的效率會(huì)開始下降；

若頻率進(jìn)一步偏移，還有可能直接傷害電氣設(shè)備。因此，電網(wǎng)的頻率質(zhì)量是電能質(zhì)量

中最重要的指標(biāo)之一。

頻率偏差有一定的允許范圍，我國(guó)國(guó)標(biāo)規(guī)定的頻率偏差范圍在土0.2HZ,而在現(xiàn)

代大型互聯(lián)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行頻率偏差的控制目標(biāo)普通在土以內(nèi).以我國(guó)的額定頻率

為基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，土的控制偏差僅相當(dāng)于士的百分比偏差.可見，頻率偏差的允許波

動(dòng)范圍非常狹窄，因此，對(duì)電網(wǎng)頻率控制的要求相對(duì)較高。

電力系統(tǒng)運(yùn)行的特殊性在于，電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用等環(huán)節(jié)瞬間完成，

即，發(fā)電設(shè)備在任意時(shí)刻所生產(chǎn)的電能總和，與該時(shí)刻用電設(shè)備在系統(tǒng)中取用的電能

和輸配過程中電能損耗之和相等.此外，在目前的技術(shù)條件下，發(fā)機(jī)電輸出功率的調(diào)整

還不能做到隨調(diào)隨到，而高效率的大規(guī)模能量存儲(chǔ)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，運(yùn)行中的頻率

偏差控制問題復(fù)雜而難解.根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)發(fā)電功率大于負(fù)荷吸收功率時(shí)，所多

余的功率將轉(zhuǎn)變?yōu)樗问降哪芰?，除小部份轉(zhuǎn)化為熱能等，最大的部份是轉(zhuǎn)化為與電

網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。此處的旋轉(zhuǎn)設(shè)備不僅包括發(fā)機(jī)電、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部份，

還包括了與轉(zhuǎn)子物理連接的所有慣性元件。根據(jù)理論力學(xué)中旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的相關(guān)理論,旋轉(zhuǎn)

動(dòng)能的數(shù)量與旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，而電網(wǎng)運(yùn)行中，同步旋轉(zhuǎn)角速度與電網(wǎng)運(yùn)行

頻率呈線性比例.因此，保證電網(wǎng)頻率質(zhì)量就是保證電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電功率與負(fù)荷吸收功率互

相平衡的控制質(zhì)量。

應(yīng)該明確的是，電網(wǎng)頻率與有功功率平衡的關(guān)系是整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)層面上的關(guān)系，

因此，單獨(dú)某一地區(qū)的有功功率的不平衡并不意味著電網(wǎng)頻率一定會(huì)變差。實(shí)際上，

只要保證整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)整體的發(fā)電與負(fù)荷功率平衡，電網(wǎng)的頻率質(zhì)量就可以保證.這一

特性也是可以形成互聯(lián)電網(wǎng)電力市場(chǎng)的理論基礎(chǔ)之一：電能多的地區(qū)可以多發(fā)電向其

他地區(qū)售賣；電源性能好的地區(qū)可以向其他地區(qū)提供有償?shù)妮o助調(diào)節(jié)服務(wù)，從而形成

資源互補(bǔ)，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì).

lo3有功功率平衡及其控制

如上節(jié)所述，電網(wǎng)頻率與電網(wǎng)整體有功功率平衡相關(guān)，因此，嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)，電

網(wǎng)頻率質(zhì)量與電網(wǎng)運(yùn)行中所有涉及有功功率的環(huán)節(jié)有關(guān).按照時(shí)間尺度，可大致劃分為

以下三個(gè)主要環(huán)節(jié)：

(1)電網(wǎng)規(guī)劃.主要指電廠規(guī)劃、選址以及建設(shè)等，電氣上對(duì)應(yīng)電源的電氣位置和發(fā)

電容量，其時(shí)間尺度以年為單位.

(2)發(fā)電計(jì)劃。包括電量計(jì)劃、功率計(jì)劃、檢修計(jì)劃等，電氣上對(duì)應(yīng)于電源的接入

或者退出，及其輸出功率的數(shù)量，依照時(shí)間尺度，從日前計(jì)劃到年度計(jì)劃。

(3)實(shí)時(shí)頻率調(diào)節(jié)。包括頻率的一次、二次以及三次調(diào)節(jié)，電氣上對(duì)應(yīng)于電源輸出功

率數(shù)量上的調(diào)整，時(shí)間尺度是在有功功率不平衡事件發(fā)生后數(shù)秒至數(shù)I分鐘。

有功功率平衡控制這一概念，通常不包含事前的計(jì)劃部份，而僅指實(shí)時(shí)頻率調(diào)節(jié)，

在獨(dú)立電網(wǎng)與互聯(lián)電網(wǎng)中，這一-概念的含義又略有不同。在獨(dú)立電網(wǎng)中有功功率平衡

控制包含了所有的頻率調(diào)節(jié)手段，主耍是頻率的一次、二次以及三次調(diào)節(jié)；在互聯(lián)電

網(wǎng)中，有功功率平衡控制的主體為控制區(qū)域，區(qū)域的一次、二次以及三次調(diào)節(jié)在功能

上與獨(dú)立電網(wǎng)相比均有所變化，此時(shí)，互聯(lián)電網(wǎng)中的有功功率平衡控制更多地是專指

控制區(qū)域二次隔節(jié)中的自動(dòng)發(fā)電控制(AutomaticGenerationControl稱AGOo

現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)控制的一個(gè)重要方法是自動(dòng)發(fā)電控制，它是一種在允許的調(diào)節(jié)偏差

閾值下對(duì)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，從而及時(shí)調(diào)整發(fā)機(jī)電組的轉(zhuǎn)速和輸出功率。隨著電力系

統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，自動(dòng)發(fā)電控制(AutomaticGenerationControl,AGO

已成為現(xiàn)代電網(wǎng)控制的一項(xiàng)重要手段，是在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化能量管理系統(tǒng)與發(fā)機(jī)電組

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)間閉環(huán)控制的一種先進(jìn)的技術(shù)手段。英國(guó)、挪威和美國(guó)已對(duì)電力庫(kù)模式

和雙邊合同模式下頻率控征服務(wù)，特別是AGC的供應(yīng)以及其市場(chǎng)運(yùn)作有了一定的實(shí)踐

經(jīng)驗(yàn),但大多數(shù)國(guó)家仍處在理論探討與局部試點(diǎn)Z+o目前我國(guó)電力市場(chǎng)對(duì)這個(gè)課題的

研究還未深入進(jìn)行，還需要在該領(lǐng)域作進(jìn)一步的探索研究，以滿足我國(guó)電力工業(yè)市場(chǎng)

化改革對(duì)頻率控制市場(chǎng)化的要求。

2o頻率調(diào)節(jié)的必要性

衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)是頻率和電壓的偏移，頻率偏移以赫茲表示，我國(guó)規(guī)定電力

系統(tǒng)額定頻率為50Hz,允許的波動(dòng)范圍為±0。2-0.5Hz.允許頻率偏移的大小反映了

一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平，這與電力系統(tǒng)管理與運(yùn)行水平有關(guān)。電壓偏移以百分?jǐn)?shù)表示，

允許的波動(dòng)范圍為±5%。電力系統(tǒng)的頻率變動(dòng)對(duì)用戶、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身都會(huì)產(chǎn)

生不利影響，所以必須保持頻率在額定值50Hz上下.且偏移不超過一定范圍。

電力系統(tǒng)頻率變動(dòng)時(shí)，對(duì)用戶的影響有：

用戶使用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān)。頻率變化將引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，

從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。例如，紡織工業(yè)、造紙工業(yè)等都將因頻率變化而浮現(xiàn)殘次品。近代

工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)都已廣泛使用電子設(shè)備，系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定將會(huì)影響電子設(shè)備

的工作。雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)等重要設(shè)施將因頻率過低而無(wú)法運(yùn)行.

頻率變動(dòng)對(duì)發(fā)電廠和系統(tǒng)本身也有影響：

火力發(fā)電廠的主要廠用機(jī)械一風(fēng)帆和泵，在頻率降低時(shí)，所能供應(yīng)的風(fēng)量和水量

將迅速減少,影響鍋爐的正常運(yùn)行.

低頻率運(yùn)行還將增加汽輪機(jī)葉片所受的應(yīng)力，引起葉片的共振，縮短葉片的壽命，

甚至使葉片斷裂。

低頻率運(yùn)行時(shí)，發(fā)機(jī)電的通風(fēng)量將減少，而為了維持正常電壓，又要求增加用磁電

流，以導(dǎo)致發(fā)機(jī)電定子和轉(zhuǎn)子的溫升都將增加。為了不超越溫升限額，不得不降低發(fā)

機(jī)電所發(fā)功率。

低頻率運(yùn)行時(shí)，由于磁通密度的增大，變壓器的鐵芯損耗和勵(lì)磁電流都將增大°

也為了不超越溫升限額，不得不降低變壓器的負(fù)荷。

頻率降低時(shí)、系統(tǒng)中的無(wú)功功率負(fù)荷將增加，而無(wú)功功率負(fù)荷的增大又將促使系

統(tǒng)電壓水平的下降.

總之。由于所有設(shè)備都是按系統(tǒng)額定頻率設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)頻率質(zhì)量的下降將影響各

行各業(yè)。而頻率過低時(shí)，甚至?xí)拐麄€(gè)系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。

由于負(fù)荷變化將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的偏移，頻率變化超出允許范圍時(shí)，對(duì)用電設(shè)備的

正常工作和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，都會(huì)產(chǎn)生影響，甚至造成事故。因此應(yīng)對(duì)發(fā)電功率

做相應(yīng)的調(diào)整，以使系統(tǒng)在要求的頻率水平達(dá)到新的平衡，電力系統(tǒng)的有功功率和頻

率調(diào)整大體上也可分為一次、二次、三次調(diào)整三種，如圖1所示。對(duì)第一種負(fù)荷變動(dòng)

引起的頻率偏移，由發(fā)機(jī)電組調(diào)速器進(jìn)行調(diào)整，稱為頻率的一次調(diào)整；第二種奐荷變

動(dòng)引起的頻率偏移，由發(fā)機(jī)電組的調(diào)頻器進(jìn)行調(diào)整，稱為頻率的二次調(diào)整：對(duì)第三種

負(fù)荷變化，必須根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)荷曲線，按優(yōu)化原則在各廠（機(jī)組）間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配，

也稱為三次調(diào)整。近年來(lái)，由于普遍缺電，在我國(guó)浮現(xiàn)了與上述一次、二次、三次調(diào)整

迥然不同的另一種調(diào)整手段,稱負(fù)荷控制.所謂負(fù)荷控制是指?jìng)€(gè)別負(fù)荷大量或者長(zhǎng)期超

計(jì)劃用電以致影響系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量時(shí)，山系統(tǒng)運(yùn)行管理部門在遠(yuǎn)方將其部份或者全部切

除的控制方式。這顯然是一種不得已而采用的控制方式，鑒于這種控制方式目前在技

術(shù)上還不夠成熟。

3。自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)特性

調(diào)整系統(tǒng)頻率的主要手段是發(fā)機(jī)電組原動(dòng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，或者簡(jiǎn)稱自動(dòng)

調(diào)速系統(tǒng)，特殊是其中的調(diào)速器和調(diào)頻器（又稱同步器）.以卜，就從自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的

作用開始，討論頻率調(diào)整。自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的種類不少，以下介紹的是一種相

圖2-1調(diào)頻任務(wù)的分配

當(dāng)原始的機(jī)械調(diào)速系統(tǒng)一離心飛擺式。這種調(diào)速系統(tǒng)比較直觀，但它的調(diào)節(jié)機(jī)理又和

新型調(diào)速系統(tǒng)（如電液式調(diào)速系統(tǒng)）沒有很大差別。

圖2一2離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速器的飛擺由套筒帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，套簡(jiǎn)則為原動(dòng)機(jī)的主鈾所帶動(dòng)。單機(jī)運(yùn)行時(shí)，因機(jī)

組負(fù)荷的增大，轉(zhuǎn)速下降，飛擺山于離心力的減小，在彈簧的作用下向轉(zhuǎn)軸靠攏，使A

點(diǎn)向下挪移到A''。但因油動(dòng)機(jī)活塞兩邊油壓相等，B點(diǎn)不動(dòng)，結(jié)果使杠桿AB繞B點(diǎn)

逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到A''B.在調(diào)頻器不動(dòng)作的情況下，D點(diǎn)也不動(dòng)，于是在A點(diǎn)下降到A''

時(shí)，杠桿DE繞D點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到DE\E點(diǎn)向下挪移到E'。錯(cuò)油門活塞向下挪移，使油

管a、b的小孔開啟，壓力油經(jīng)油管b進(jìn)入油動(dòng)機(jī)活塞下部，而活塞上部的油則經(jīng)油管

a經(jīng)錯(cuò)油門上部小孔溢出。在油壓作用下，油動(dòng)機(jī)活塞向上挪移，使汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽門

或者水輪機(jī)的導(dǎo)向葉片開度增大，增加進(jìn)汽量或者進(jìn)水量.

與油動(dòng)機(jī)活塞上升的同時(shí)，杠桿AB繞A點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將連結(jié)點(diǎn)C從而錯(cuò)油門

活塞提升，使油管a、b的小孔重新堵住。油動(dòng)機(jī)活塞又處于上下相等的油壓下，住手

挪移。由于進(jìn)汽或者進(jìn)水量的增加，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，A點(diǎn)從A''回升到A'。調(diào)節(jié)過程結(jié)

束.這時(shí)杠桿AB的位置為A'CB'。分析杠析AB的位置可見，杠桿上C點(diǎn)的位置卻原來(lái)

相同，因機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后錯(cuò)油門活塞的位置應(yīng)恢復(fù)原狀；B'位置較B高，A'的位置較

A略低；相應(yīng)的進(jìn)汽或者進(jìn)水量較原來(lái)多，機(jī)組轉(zhuǎn)速較原來(lái)略低.這就是頻率的“一次

調(diào)整”作用。對(duì)應(yīng)負(fù)荷的增大，發(fā)機(jī)電輸出功率增加，頻率略低于原來(lái)值：如果負(fù)荷降

低，調(diào)速器調(diào)整作用將使輸出功率減小，頻率略高于原來(lái)值.這就是頻率的一次調(diào)整，

頻率的一次調(diào)整由調(diào)速器自動(dòng)完成的。調(diào)整的結(jié)果，頻率不能回到原來(lái)值，因此一次

調(diào)整為有差調(diào)節(jié)。

為使負(fù)荷增加后機(jī)組轉(zhuǎn)速仍能維持原始轉(zhuǎn)速，要求有“二次調(diào)整”.“二次調(diào)整”

是借調(diào)頻器完成的。調(diào)步頁(yè)器轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪、蝸桿，將D點(diǎn)抬高。D點(diǎn)上升時(shí)，杠桿DE繞F

點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，錯(cuò)油門再次向下挪移，開啟小孔。在油壓作用下，油動(dòng)機(jī)活塞再次向上

挪移，進(jìn)一步增加進(jìn)汽或者進(jìn)水量。機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，離心飛擺使A點(diǎn)由A'向上升.而在

油動(dòng)機(jī)活塞向上挪移時(shí)，杠桿AB又繞A逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)C、F、E點(diǎn)向上挪移，再次

阻塞錯(cuò)油門小孔，再次結(jié)束調(diào)節(jié)過程.如D點(diǎn)的位移選擇得恰當(dāng)，A點(diǎn)就有可能回到原

來(lái)位置。這就是頻率的“二次調(diào)整”作用.由于調(diào)整的結(jié)果，頻率能回到原來(lái)值，因此

二次調(diào)整為無(wú)差調(diào)節(jié)。

4..電源有功功率的靜態(tài)頻率特性

電源有功功率靜態(tài)頻率特性通?？梢岳斫鉃榫褪前l(fā)機(jī)電中原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率的靜態(tài)

頻率特性原動(dòng)機(jī)未配置自動(dòng)調(diào)速時(shí).?其機(jī)械功率與角速度或者頻率的關(guān)系

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=-Qf

式中各變量都是標(biāo)幺值1、匚為常數(shù)，而且通常X】，

可作如下理解：機(jī)組轉(zhuǎn)速很小時(shí)，即使蒸汽或者水在它葉輪上施加很大轉(zhuǎn)矩，它的功

率輸出仍很小，因功率為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積：機(jī)組轉(zhuǎn)速很大時(shí)，由于進(jìn)汽或者進(jìn)水速

度很難跟上葉輪速度，它們?cè)谌~輪上施加的轉(zhuǎn)矩很小，功率輸出仍然很小；惟獨(dú)在額

定條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都適中，它們的乘積最大，功率輸出最大。

調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)頻器的二次調(diào)整作用在于：原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷改變時(shí)，手動(dòng)或者自動(dòng)地

操作調(diào)頻器，使有一次調(diào)整的靜態(tài)頻率特性曲線平行挪移，有調(diào)頻器的二次調(diào)整后，

原動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)就從一根僅有一次調(diào)整的靜態(tài)頻率特性曲線過渡到另一根曲線。

5o頻率的一次調(diào)整

負(fù)荷及發(fā)機(jī)電組的有功功率一頻率靜態(tài)特性已知時(shí)，分析頻率的一次調(diào)整并不艱

難。為此，可先設(shè)系統(tǒng)中僅有一臺(tái)發(fā)機(jī)電組和一個(gè)綜合負(fù)荷，他們的靜態(tài)頻率特性分別

如圖2-3(a)(b)。這些特性曲線都己近似以直線替代.

(a)發(fā)機(jī)電組原動(dòng)機(jī)(b)綜合負(fù)荷

圖2—3靜態(tài)頻率特性

這些代表頻率特性的直線有各自的斜率。發(fā)機(jī)電組原動(dòng)機(jī)或者電源頻率特性的斜

率為

W-APG/M

稱為發(fā)機(jī)電的單位調(diào)干功率，以MW/HZ或者M(jìn)W/(O。1Hz)為單位。它的標(biāo)幺值則是

發(fā)機(jī)電的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)志了隨頻率的升降發(fā)機(jī)電組發(fā)出功率較少或者增加的多少。

這個(gè)單位調(diào)節(jié)功率和機(jī)組的調(diào)差系數(shù)互為倒數(shù)。因機(jī)組的調(diào)差系數(shù)為

AP&P&NPGN

以百分?jǐn)?shù)表示則為

MG拓tN

a%=—qfx100=一；—x100

從而有

或者調(diào)差系數(shù)或者與之對(duì)應(yīng)的發(fā)機(jī)電的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的，普通整定為：

汽輪機(jī)組

水輪機(jī)組

而電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整問題主要與這個(gè)調(diào)差系數(shù)或者與之對(duì)應(yīng)的發(fā)機(jī)電的單位調(diào)

節(jié)功率有關(guān)。

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或者M(jìn)W/((NHz)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)荷消耗功率增加或者較少的多少.

它的標(biāo)幺值在數(shù)值上就筆于額定條件下負(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105

0

發(fā)機(jī)電組原動(dòng)機(jī)的頻率特性和負(fù)荷頻率特性的交點(diǎn)就是系統(tǒng)的原始運(yùn)行點(diǎn)。設(shè)負(fù)

荷暮地增加，則由于負(fù)荷突增時(shí)發(fā)機(jī)電功率不能即使隨之變動(dòng),機(jī)組將減速，系統(tǒng)頻率

將下降。而在系統(tǒng)頻率下降的同時(shí)，發(fā)機(jī)電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(dòng)機(jī)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(gè)衰減的振蕩過程抵達(dá)一個(gè)新的平衡點(diǎn)。

或者

稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，也以MW/HZ或者M(jìn)W/(0o1Hz)為單位。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功

率也可以用標(biāo)幺值來(lái)表示。以標(biāo)幺值表示時(shí)的基準(zhǔn)功率通常就取系統(tǒng)原始運(yùn)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)荷增加或者減少時(shí)，在原動(dòng)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)頻率下降或者上升的多少。因此，從這個(gè)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(gè)方面，即發(fā)機(jī)電的單位調(diào)節(jié)功率和負(fù)荷的

單位調(diào)節(jié)功率。因?yàn)樨?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)機(jī)電的單位調(diào)節(jié)功率或者調(diào)速器的調(diào)差系統(tǒng)入手。

看來(lái)主要將調(diào)差系數(shù)整定得小些或者發(fā)機(jī)電的單位調(diào)節(jié)功率整定得大些就可以

保證頻率質(zhì)量。但從實(shí)際上，系統(tǒng)中不止一臺(tái)發(fā)機(jī)電組，調(diào)差系統(tǒng)不能整定得過小。如

某臺(tái)機(jī)組已經(jīng)滿載，可認(rèn)為該機(jī)組已不能參加調(diào)整，它的調(diào)差系數(shù)無(wú)窮

大。

系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功密不可能很大，所以依靠調(diào)速器進(jìn)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(dòng)引起的頻率偏移。負(fù)荷變動(dòng)周期更長(zhǎng)、幅度更大的調(diào)頻任

務(wù)自然落到了二次調(diào)整匕

6.頻率的二次調(diào)整

頻率的二次調(diào)整就是手動(dòng)或者自動(dòng)地操作調(diào)頻器使發(fā)機(jī)電的頻率特性平行地上下

挪移，從而使負(fù)荷變動(dòng)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(jìn)

行二次調(diào)整就是在負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率下降越出允許范圍時(shí)，操作調(diào)頻器，增加發(fā)機(jī)

電組發(fā)出的功率，使頻率特性向上挪移。

只進(jìn)行一次調(diào)整時(shí)，負(fù)荷的增量可分解為兩部份：一部份是因調(diào)速器的調(diào)整作用

而增大的發(fā)機(jī)電組功率，另一部份是因負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率。

不僅進(jìn)行一次調(diào)整而且進(jìn)行二次調(diào)整時(shí)，這個(gè)負(fù)荷增量可分解為三個(gè)部份：一部份

是山于進(jìn)行了二次調(diào)整，發(fā)機(jī)電組增發(fā)的功率；另一部份仍是山于調(diào)速器的調(diào)整而增

發(fā)的發(fā)機(jī)電功率；第三部份仍是由于負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率。則：

如，即發(fā)機(jī)電組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量，則，亦即實(shí)現(xiàn)了所謂的無(wú)差調(diào)

節(jié).

進(jìn)行二次調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)中負(fù)荷的增減基木上要靠調(diào)頻機(jī)組或者調(diào)頻廠承擔(dān)。雖可適

當(dāng)增加其他機(jī)組或者電廠的單位調(diào)節(jié)功率以減少調(diào)頻機(jī)組或者調(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(dòng)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)其他部份聯(lián)系的聯(lián)絡(luò)線上流通的功率超出允許值。這

樣，就浮現(xiàn)了在調(diào)整頻率的同時(shí)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。

聯(lián)合前，對(duì)A系統(tǒng)

對(duì)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(duì)A來(lái)說(shuō)，可以看做一個(gè)負(fù)荷

對(duì)B來(lái)說(shuō)，這交換功率看做一個(gè)電源

聯(lián)合后，系統(tǒng)頻率一致，可得，

或者

代入上式，

令：

分別為兩系統(tǒng)的功率缺額，貝IJ：

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(gè)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)的功率缺額徹底由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)的功率缺額或者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(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)的情況。

例2—1

兩系統(tǒng)由聯(lián)絡(luò)線聯(lián)結(jié)為一聯(lián)合系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)線上沒有交換功率流通.兩

系統(tǒng)的容量分別為1500MW和1000MW;各自的單位調(diào)節(jié)功率（分別以兩系統(tǒng)容量為基準(zhǔn)

的標(biāo)么值）示于下圖，設(shè)A系統(tǒng)負(fù)荷增加100MW,試計(jì)算下列情況下的頻率變量和聯(lián)

絡(luò)線上流過的交換功率：（1）A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)?次調(diào)頻；

（2）A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都不參預(yù)一次調(diào)頻；（3）B系統(tǒng)機(jī)組不參預(yù)一次調(diào)頻；［4）

A系統(tǒng)機(jī)組不參預(yù)一次調(diào)頻；（5）A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)一、二次調(diào)頻，A、B兩

系統(tǒng)都增發(fā)50MW;(6)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)一次調(diào)頻，A系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)二次調(diào)頻

并增發(fā)60MTV;⑺2B兩系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)一次調(diào)頻，B系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)二次調(diào)頻并增發(fā)

60MW;(8)A系統(tǒng)所有機(jī)組都參預(yù)一次調(diào)頻，并有部冷機(jī)組參預(yù)二次調(diào)頻，增發(fā)60MW,

B系統(tǒng)一半機(jī)組參預(yù)一次調(diào)頻，另一半機(jī)組為負(fù)荷限制器所限制，不參預(yù)調(diào)頻。

1000MW

踞?=20

PAB

X小二L3

圖2-4兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合

解：將以標(biāo)么值表示的單位調(diào)節(jié)功率折算為有名值

1500

50=750(MW/Hz)

膈加~

1000

K

GB=III=400(MW/Hz)

KLA*「GAN1500

KLA==45(MW/Hz)

KLB*P&BN1000

KLH=.i5C=26<MW/Hz)

(1)兩系統(tǒng)都參加?次調(diào)頻時(shí)

Kg=KGSKLB=426MW'/"AP.=100M\APg=0

△七十3田100

心一尸得二一祈林52血)

￡APB〃世」-426x100

-rr-rrtT7一

這種情況正常，頻率下降不多，通過聯(lián)絡(luò)線由B向A輸送的功率也不大。⑵A、B

兩系統(tǒng)機(jī)組都不參預(yù)一次調(diào)頻時(shí)

APGA=APGB=APLB—°;#偵二100\M；《GM=八G8=

KA=KIA=K,=KIR=26MW/HZ.APULJ=100MV7.APg=0

△P/%100

M=■

“B-WA-26XDO

=「5T—C

這種情況最嚴(yán)重，發(fā)生在A、B兩系統(tǒng)的機(jī)組都已滿載，調(diào)速器受負(fù)荷限制器的限

制已無(wú)法調(diào)整，只能依靠負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)。這時(shí)，系統(tǒng)頻率質(zhì)量已無(wú)法保證.

(3)B系統(tǒng)機(jī)組不參預(yù)一次調(diào)頻時(shí)

八PQA="=九=0.APM=100MIV.e=750TV/HZ

鼠=0;K—KCAKLA=79SM147K"七二26MiV/Hz

△P~-1OOMO.AP-0

陽(yáng)+100

心一^^朽b°5)

吳P「K舟A-26X100

F__

這種情況說(shuō)明，由于B系統(tǒng)機(jī)組不參加調(diào)頻，A系統(tǒng)的功率缺額主要由該系統(tǒng)本

身機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行一次調(diào)頻加以補(bǔ)充.B系統(tǒng)所能供應(yīng)的，實(shí)際上只是由于聯(lián)合系

統(tǒng)頻率略有下降，它的負(fù)荷略有減少,使該系統(tǒng)略有富裕的3.17MWo

(4)A系統(tǒng)機(jī)組不參預(yù)一次調(diào)頻時(shí)

=

△%』W_4睡=0.AP偵-100MIV.KGA=0.K

▲400MI47H&

KA=KLA=45MW/*H7<?KB=KGB+KL&=426MW/HZ.=XOOM

-426x100

AP=

nb~45+426

這種情況說(shuō)明，由于A系統(tǒng)機(jī)組不參加調(diào)頻,A系統(tǒng)的功率缺額主要由B系統(tǒng)供

應(yīng)，以致聯(lián)絡(luò)線上要流過可能會(huì)超過限額的大量交換功率。

(5)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)一、二次調(diào)頻，A、B兩系統(tǒng)都增發(fā)50MW時(shí)

r

KA=KGA+KLA=795MW/Hz.Klt=KGR+府=426Mli/Hz.

AP4=100-50=50MTV.=-50MW

APq+APS50-50

△'二一七十蝴h795+426=0?

KA%?K8MA795X(-50)426X50

=-50(MW)

795+426

3?口

這種情況說(shuō)明，由于進(jìn)行了二次調(diào)頻，發(fā)機(jī)電增發(fā)的總和與負(fù)荷增量平衡，系統(tǒng)

頻率無(wú)偏移,B系統(tǒng)增發(fā)的功率全部通過聯(lián)絡(luò)線輸往A系統(tǒng)。

(6)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)一次調(diào)頻，A系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)二次調(diào)頻并增發(fā)60MW時(shí)

A%,=60MW,=°-APM=1°OMM弱崩=0.

795M147開?長(zhǎng)=K=426MW/

K,\=KGA+"=+K,s

刑.

=100-60=4DMIV.電二0

AP〃APR40

「不〉冠Ki商8(

匕酰一七白七-426X40

APh=-—―14(MW)

曲KA+KR795+426

這種情況說(shuō)較理想，頻率偏移很小，通過聯(lián)絡(luò)線由B系統(tǒng)輸往A系統(tǒng)的交換功率

也較小。

(7)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)一次調(diào)頻，B系統(tǒng)機(jī)組都參預(yù)二次調(diào)頻并增發(fā)60MW時(shí)

—AP公配100MIV.=0.

K\=KGA+K=795MW/HZ.h=降+426MW/取.

IA

AP.=10DAW.HF60/W

100-60

所

K二一°〃8W)

M仔%

Pg7州5-%%60)426X100

4+e

這種情況與上一種情況相比，頻率偏移相同，因聯(lián)合系統(tǒng)的功率缺額都是40MW。

聯(lián)絡(luò)線上流過的交換功率中增加了B系統(tǒng)由于有部份機(jī)組進(jìn)行二次調(diào)頻而增發(fā)的

60MWo聯(lián)絡(luò)線上傳輸大量交換功率是不希冀發(fā)生的。

(8)A系統(tǒng)所有機(jī)組都參預(yù)一次調(diào)頻，并有部份機(jī)組參預(yù)二次調(diào)頻，增發(fā)60MW,B系

統(tǒng)一半機(jī)組參預(yù)一次調(diào)頻時(shí)

好&且=60MW.女子IIIL_100MIV.,力夕嗣：二0?

同叫二

=795M147壓KD—*弓匚

K\=KGA+KIA

+K狀=226MW/HZ.

=100-60=40MIV.磯二。

△P/AP