第13章电力系统的有功功率平衡及频率调整

1、第13章 电力系统的有功功率平衡及频率调整,主要内容： 频率调整的概念； 电力系统频率特性及调整。,13.1 频率调整的必要性,1、电力系统频率控制的必要性 频率对电力用户的影响 (1)系统频率变化引起异步电动机转速变化，使得加工机械的转速发生变化，影响产品质量； (2)系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能； (3)系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和出力降低，影响电用户设备的正常运行。,频率对电力系统的影响 (1)频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹； (2)频率下降到47-48Hz时，火电厂由异步电动机

2、驱动的辅机（如送风机）的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。如果不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度导致频率雪崩。出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解； (3)在核电厂中，反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。当频率降到一定数值时,冷却介质泵即自动跳开,使反应堆停止运行。,(4)电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使无功消耗增加，引起系统电压下降，频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时，可能出现所谓电压雪崩现象，出现电压雪崩也会造成大

3、面积停电，甚至使系统瓦解。,2、电力系统有功功率控制的必要性 A.维持电力系统频率在允许范围之内 系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变化的，从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内 ，就是要及时调节系统内并联运行机组有功功率。,B.提高电力系统运行的经济性 当系统频率在额定值附近时，虽频率满足要求，但没有说明哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应该发多少有功功率。电力系统有功功率控制的任务之一就是要解决这个问题。这就是电力系统经济调度问题。 C.保证联合电力系

4、统的协调运行 电力系统的规模在不断地扩大，已经出现了将几个区域电力系统联在一起组成的联合电力系统，有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。,3、有功功率和频率 基本概念 电力系统的频率由发电机的转速决定，相联系统只有一个频率，是一个全局问题，与电压不同； 频率的一次调整：由发电机组的调速器进行调整负荷变化引起的频率偏移； 频率的二次调整：由调频器进行调整负荷变化引起的频率偏移； 频率 额定频率：50Hz； 频率偏移：系统运行频率与额定频率之差； 频率偏差范围： 。,电

5、力系统的频率水平由有功功率平衡决定，如果有功电源充足，能保证用户需要，且具有及时进行调整的能力，则能保证频率在合理的范围之内。反之，则将出现较大的频率偏移。,频率一次调整负荷分量,频率二次调整负荷分量,实际负荷曲线,按最优化原则在各发电厂 进行分配的负荷分量,13.2 电力系统的频率特性,一、系统负荷的有功功率频率静态特性 系统处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率的变化特性。 1.负荷的分类： 与频率无关：照明、电炉、整流； 与频率一次方成正比：球磨机、切削机床，卷扬机； 与频率二次方成正比：铁损(涡流)； 与频率三次方成正比：通风机、静水头阻力不大的循环水泵； 与频率四次方成正比：阻力很大的

6、水泵； 注：主要成份为前二种，在额定值附近为一直线。,2.负荷功率与频率的关系：,标么值：,当 时，,3.有功负荷的频率静态特性 负荷的频率调节效应系数： 标么值形式： 取值范围： 物理意义：频率变化1时，负荷有功功率相应变化(13)；,作用：是调度部门考虑按频率减负荷方案和低频率事故时用一次切除负荷来恢复频率的计算依据。,二、发电机组的有功功率静态频率特性 1.调速系统（四个部分） 检测部件(离心飞摆)：转速位移 放大部件(错 油 门)：位移油压(信号放大) 执行部件(油 动 机)：油压 启闭阀门 (功率放大) 反馈位置信号 转速控制部件：速度基准控制 调速器：前三者组成，完成频率一次调整；

7、 调频器：加入转速控制部件，完成频率二次调整。,2.自动调速系统,3.调速器工作原理,稳定在,发电机组的静态调差系数,标么值形式：,物理意义：表明某台机组负荷改变时相应的转速(频率)偏移； 发电机组功频特性系数：调差系数的倒数。 物理意义：表示发生单位变化时，发电机组输出功率的变化量； 负号的含义：表示频率下降时，发电机组的有功出力是增加的； 注意：调差系数愈小(即单位调节功率愈大)，频率偏移愈小； 取值范围：,汽轮发电机： 水轮发电机：,调速器为有差调节，不可能使频率(转速)保持不变； 负荷功率增加太多时，f大大下降，超出允许范围； 当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。,3.电力

8、系统的有功功率频率静态特性,电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。如果把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力系统是由两个环节组成的闭环系统。发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性的交点就是电力系统的频率的稳定运行点。,如图，当等效发电机运行在特性PG(f)，综合负荷特性为PD(f)时，系统运行在A点，系统频率为f1。,当系统负荷增加，综合负荷特性为PD(f)时，如果不改变发电机调速系统的设定值，等效发电机特性仍然为PG(f), 系统运行在B点，系统频率为f2。,负荷初始增量：PD0 系统频率变化：f =f2-f10； 负荷调节效应：PD=KDf0； 负荷实际增量：PD0+PD =PD

9、0+KDf； 发电机功率增量：PG=-KGf=P2-P1； PD0+ KDf =-KGf PD0 =-(KD+KG)f= -Kf；,K=KG+KD= -PD0 /f：电力系统功频静特性系数(或系统单位调节功率)； 系统负荷增加，f，在发电机增加输出的同时，负荷由其本身调节效应，减少功率消耗，达到新的平衡态P2、f2(而不是P1+PD0)。,标么值形式：,K*大，PD0*引起的f*变化小； 增大K*的措施：加大KG* (*变小)；加大Kr； K*的增加受限制，PD0太大时，仅靠一次调整不能使f在一定范围内； 当发电机满载时，负荷功率增大，则 相当于为0，但当负荷功率减小时， ，所以仍可以参加调频

10、。,备用系数,发电机组满载时的功频静态特性,13.3 电力系统的频率调整,一、频率的一次调整 当系统负荷增加，综合负荷特性为PD(f)时，发电机调速系统的设定值不变，等效发电机特性仍然为PG(f), 系统运行在B点，系统频率为f2。这种由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。,频率一次调整的结果： 发电机有功功率增加了P2-P1，负荷调节效应使负荷少吸收有功功率为P3-P2，系统频率降低到f2。,当系统负荷减少时，频率的一次调整过程与上述相反。即系统频率升高，发电机有功功率减少，负荷调节效应使负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率有所增加

11、。,n台有调速器的机组并联运行，系统频率变化f，则 第i台机组的功率增量：,n台机组的等值 单位调节功率,标么值形式：,结论： 1.若某台机组已经没有调节容量，则取i*=, KGi0； 2.调差系数越小的机组增加的有功出力(相对于本身的额定值)就越多； 3.系统的单位调节功愈大，频率就愈稳定。,二、频率的二次调整 当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到规定范围内的频率调整称为频率的二次调整。,当系统负荷变化较大，频率的一次调整结果，系统频率过高或过低时，需要改变发电机调速系统的设定值，使系统频率恢复到规定范围内。对于右图，等效发电机特性变为 ，系统频率回到 。,电力

12、系统频率的二次调整任务是由调频发电厂中的发电机组承担的； n台机组：第n台参加二次调频 ，n台全部参加一次调频,无差调频：若 ， 即发电机如数增发了负荷功率的原始增量，亦即实现了所谓的无差调节。,三、多机系统的频率调整 1.多机系统在负荷变化时，带调速器的机组，只要有可调容量，都参加一次调整； 2.二次调整由主调频机组(厂)承担，负荷增量主要由它们承担，可依次分为第一、第二、调频机(厂)； 3.主调频厂一般在负荷中心，要求： (1)有足够可调容量； (2)有一定调整速度； (3)调整时能符合安全、经济的要求； (4)一般选水电厂、中温中压火电厂； (5)主调频厂起全系统功率平衡的作用，可作平衡

13、节点。,四、互联系统的频率调整,1.联合前：A、B系统均为独立电力系统,2.互联后：,3.联合后：两系统的频率应相等，即有,4.分析： 频率变化取决于两系统的功率缺额和单位调节功率； 当 时，联络线上由A流向B的功率要增加； 当 时，联络线上由A流向B的功率要减少； 当 时， ， 可保持频率不变， 但功率缺额需通过联络线传输。,其中： 、 分别为A、B系统的功率缺额。,五、调频厂的选择 1.调频厂须满足的条件： 调整的容量应足够大；调整的速度应足够快； 调整范围内的经济性能应该好； 注意系统内及互联系统的协调问题。,2.通过分析各种电厂的特点，调频厂的选择原则为： 系统中有水电厂时，选择水电厂

14、做调频厂； 当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂。,六、频率调整和电压调整的关系 1.频率下降，系统无功需求增加，若系统无功不足，系统电压下降；频率增高，系统无功需求减少，若系统无功平衡，系统电压上升； 2.电压降低，系统有功需求减少，若系统有功平衡，系统频率升高；电压提高，系统有功需求增加，若系统有功不足，系统频率下降； 3.系统的频率和电压都偏低时，应先解决有功功率平衡，有助于减少无功功率的缺额。,13.4 有功功率平衡和系统负荷在各类发电厂间的合理分配,1、有功电源 发电厂是目前电力系统唯一的有功功率电源。 (1)火力发电厂：总容量一半以上。 燃油火力发电厂 燃汽火力发电厂

15、 燃烧火力发电厂效率高容量大 低温低压（450，35大气压） 中温中压（520，100大气压） 高温高压（550，180大气压） 超临界机组 (575，200以上),(2)热力发电厂：发电+供热 强迫出力：为保证供热而必须发出的有功功率。 (3)水力发电厂 多年调节库容水力发电厂 日调节库容水力发电厂 径流式库容水力发电厂 抽水蓄能库容水力发电厂 (4)核能发电厂,2、有功功率负荷 (1)有功功率负荷随天气、季节、每天的时间、天气,人们的生活工作习惯等变化，以各种负荷曲线来反映，是电力调度部门的重要依据。,抽水蓄能水电厂的调峰作用,(2)基荷：日负荷曲线最低点以下部分； 峰荷：基荷与最大负荷之

16、间的部分。,(3)实际负荷变化的特点 实际负荷变化由三种成分构成： 变化幅度很小，变化周期最短（一般为10S以内），一般由中小型用电设备的投入切除引起，带有很大的随机性。 变化幅度较大，变化周期较短（10S-3m），一般为轧钢机等的较大的间断性负荷； 变化缓慢的持续变化部分，由人们的作息制度、生活习惯、天气等决定。,3、两并联机组的有功功率分配,基本原则： 基荷由具有强迫功率，不可调功率或高效率的热力发电厂，热力发电厂，核能发电厂，迳流式水力发电厂，泄洪灌溉等水力发电厂等承担。 峰荷由有调节水库的水力发电厂，燃气轮机发电厂和中温中压火力发电厂等承担。,并联运行机组所调节的有功功率与频率变化和机组额定容量成正比，与机组调差系数成反比。,4、有功功率电源的备用 为满足预计外的负