电力系统频率调整

任务三电力系统的频率调整、有功功率平衡及各类发电厂负荷的合理分配项目六电力系统的有功功率平衡和频率调整

电力系统的频率调整、有功功率平衡及各类发电厂负荷的合理分配1.频率的一次调整

称为发电机的单位调节功率，以MW/Hz或MW/（0.1Hz）为单位。它的标幺值则是发电机的单位调节功率标志了随频率的升降发电机组发出功率较少或增加的多少。这个单位调节功率和机组的调差系数互为倒数。或调差系数或与之对应的发电机的单位调节功率是可以整定的，一般整定为：汽轮机组水轮机组

综合负荷的静态频率特性称为负荷的单位调节功率，也以MW/Hz或MW/（0.1Hz）为单位。它的标幺值则是负荷的单位调节功率标志了随频率的升降负荷消耗功率增加或较少的多少。它的标幺值在数值上就等于额定条件下负荷的频率调节效应。所谓负荷的频率调节效应系数系指一定频率下负荷随频率变化的变化率显然，负荷的单位调节功率不能整定。电力系统综合负荷的单位调节功率大致为1.5。

发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点。设负荷突然增加，则由于负荷突增时发电机功率不能即使随之变动，机组将减速，系统频率将下降。而在系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将因本身的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向上增加，后者沿负荷的频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程抵达一个新的平衡点。或(6-14)

称为系统的单位调节功率，也以MW/Hz或MW/(0.1Hz)为单位。系统的单位调节功率也可以用标幺值来表示。以标幺值表示时的基准功率通常就取系统原始运行状态下的总负荷。系统的单位调节功率标志了系统负荷增加或减少时，在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。因此，从这个系统的单位调节功率可求取在允许的频率偏移范围内系统能承受多少负荷增减。

可见，系统的单位调节功率取决于两个方面，即发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功率。因为负荷的单位调节功率不可调，要控制、调节系统的单位调节功率只能从控制、调节发电机的单位调节功率或调速器的调差系统入手。看来主要将调差系数整定得小些或发电机的单位调节功率整定得大些就可以保证频率质量。但从实际上，系统中不止一台发电机组，调差系统不能整定得过小。如某台机组已经满载，可认为该机组已不能参加调整，它的调差系数无穷大。

系统的单位调节功率不可能很大，所以依靠调速器进行的一次调整只能限制周期较短、幅度较小的负荷变动引起的频率偏移。负荷变动周期更长、幅度更大的调频任务自然落到了二次调整上。2.频率的二次调整

频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机的频率特性平行地上下移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。在一次调整的基础上进行二次调整就是在负荷变动引起的频率下降越出允许范围时，操作调频器，增加发电机组发出的功率，使频率特性向上移动。只进行一次调整时，负荷的增量可分解为两部分：一部分是因调速器的调整作用而增大的发电机组功率，另一部分是因负荷本身的调节效应而减少的负荷功率。

不仅进行一次调整而且进行二次调整时，这个负荷增量可分解为三个部分：一部分是由于进行了二次调整，发电机组增发的功率；另一部分仍是由于调速器的调整而增发的发电机功率；第三部分仍是由于负荷本身的调节效应而减少的负荷功率。则：(6-15)

如，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量，则，亦即实现了所谓的无差调节。进行二次调整时，系统中负荷的增减基本上要靠调频机组或调频厂承担。虽可适当增加其他机组或电厂的单位调节功率以减少调频机组或调频厂的负担，但数值毕竟有限。这就使调频厂的功率变动幅度远大于其他电厂。如调频厂不位于负荷中心，则这种情况可能使调频厂与系统其他部分联系的联络线上流通的功率超出允许值。这样，就出现了在调整频率的同时控制联络线上流通功率的问题。

图中分别为联合前A、B两系统的单位调节功率。设A、B两系统中都设有二次调整的电厂，它们的功率变量分别为；A、B两系统的负荷变量则分别为。设联合线上的交换功率，由A流向B为正值。图6-7频率的二次调整

联合前，对A系统对B系统联合后，通过联络线A流向B的交流功率，对A来说，可以看做一个负荷对B来说，这交换功率看做一个电源联合后，系统频率一致，可得，或（6-16）

代入上式，令：分别为两系统的功率缺额，则：（6-17）

可见，联合系统频率的变化取决于这系统总的功率缺额和总的系统单位调节功率。这理应如此，因两系统联合后，应看做一个系统。且如A系统没有功率缺额，即，则联络线由A流向B的功率要增大；而如果B系统的功率缺额完全由A系统增发的功率所抵偿，即，则，。这种情况下，虽可保持系统频率不变，B系统的功率缺额或A系统增发的功率却要如数通过联络线由A流向B传输。这就是调频厂设在远离负荷中心而且要实现无差调节的情况。3.互联系统的频率调整

大型电力系统电源和负荷的分布情况比较复杂，在进行频率调整时，会引起网络中潮流的重新分布。若把整个电力系统看做时有若干个分系统通过联络线连接而成的互联系统，那么在频率调整时还需要注意联络线功率的交换及控制问题。

以两系统为例进行讨论，假设KA、KB分别为两系统的单位调节功率，、分别为两系统二次调频的发电功率变量，、分别为两系统的负荷变化量，为联络线上的交换功率变化量，正方向为由A流向B。这样，对系统A相当于负荷增量，对系统B相当于发电功率增量。

图6-8互联系统的频率调整

对A系统，对B系统：两个联合运行的系统频率是相等的，即可得：可见，若联合系统二次调频的发电功率增量等于全系统负荷增量时，可实现无差调节，即由式可得：（6-19）（6-18）

可见，当A、B两系统都进行二次调整，且两系统的功率缺额与其单位调节功率成比例时，即联络线上的交换功率增量为零。令分别为A、B两系统的功率缺额，则式变为：可见，联合系统频率的变化取决于这个系统总的功率缺额和总的系统单位调节功率。其实，两系统联合后，本应看作是一个系统。（6-20）（6-23）

可见，如A系统没有功率缺额，即，联络线上由A流向B的功率增大；反之，如B系统没有功率缺额，即，联络线上由A流向B的功率减少。若B系统没有调频厂，即，其负荷变化量将由A系统的二次调整来承担。若要保持，这时联络线上功率变化，即B系统的功率缺额全部通过联络线由A输送到B，这时联络线的功率增量最大。这也是调频厂远离负荷中心而且要实现无差调节的情况。

这种调频厂必须满足一定的要求，如调整容量应足够大，调整速度应足够快，调整范围内的经济性好，调整时不至引起系统内部或系统间联络线工作的困难，等。调整速度也是一个重要的问题。一个容量为5000MW的系统中，负荷上升的速度可达15-20MW/min。但急剧的负荷变动将使火电厂的锅炉、汽轮机受损伤或因燃烧不稳定而熄火。一般，高温高压锅炉从70%-80%额定负荷上升至满负荷约1-5min；中温中压锅炉从50%额定负荷上升至满负荷仅需1min，比较快；汽轮机很慢，在50%-100%额定负荷范围内，每分钟仅达2%-5%。因此，火电厂中限制调整速度的主要是汽轮机。水电厂水轮机负荷变动的速度要高得多，每分钟可达50%-400%。当然，过分急剧的负荷变动也会损坏水电厂的设备。4.主调频厂的选择

从调整容量和调整速度这两个对调频厂的基本要求出发，系统中有水电厂时，一般应选择水电厂作为调频厂；没有水电厂或水电厂不宜承担调频任务时，例如洪水季节，则选择中温中压火电厂作调频厂。一般，由调速器完成的一次调频响应时间为2-20s，按ACE进行的二次调频响应时间约为1min，三次调频或经济调度的周期长达5min以上。5.有功功率平衡

电力系统的根本任务是在保证电能质量符合标准的前提下，能够持续的为用户供给所需的电能，并使系统可靠、稳定和经济地运行。衡量经济性运行的指标是比耗量和线损率。比耗量指生产单位电能所需消耗的一次能源，例如火电厂以克/千瓦·小时表示的煤耗率。线损率或网损率如前所述，就整个系统而言，是指系统中损耗的电能占电源发出电能的百分数。这些技术经济指标的优劣与系统中有功、无功功率的分配以及频率、电压的调整有关。

电力系统中的功率平衡是指在一定频率下的平衡，有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机，电源发出的有功功率必须大于系统负荷的有功功率。系统电源容量大于发电负荷的部分称为系统的备用容量。从备用容量所处的状态可划分为热备用和冷备用。热备用是运行中的发电设备可能发出的最大功率与系统发电负荷之差，亦称旋转备用。冷备用则指未运行的设备可能发出的最大功率。负荷备用必须取热备用形式，事故备用中的部分容量取热备用形式，部分容量取冷备用形式。（1）有功功率平衡与备用容量

有功功率平衡是指运行中，所有发电厂发出的有功功率的总和，在任何时候都等于该系统的总负荷。包括所有用户的有功功率负荷，网络的总有功功率损耗，即在一般情况下，网络总损耗约为系统负荷的6-10%，对于厂用电，水电厂的厂用电相当小，仅为电厂最大负荷的0.1-1%，火电厂稍大，约为5-8%。为了保证系统的安全、优质、经济地运行，系统还应具有一定的备用容量，只在具备系统备用容量的情况下，才有可能进行系统的频率调整与厂间负荷的最优分配。

为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用容量，即备用容量＝系统可用电源容量－发电负荷系统备用容量按存在形式可分：(1)热备用，指运转中的发电设备可能发的最大功率与系统发电负荷之差，因而也称运转备用或旋转备用。(2)冷备用，指未运转的发电设备可能发的最大功率。检修中的发电设备不属于冷备用，它们不能听命于随时调用。

从保证供电可靠性及电能质量角度，热备用愈多愈好。因发电设备从“冷备用”至投入系统、只发出额定功率所需的时间短则几分钟（水电厂）长则十余小时（火电厂）。而就保证重要负荷供电而言，时间应尽量缩短，但从保证系统经济性的角度，热备用又不宜过多。系统备用容量按作用可分：

(1)负荷备用：指调整系统中短时负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用，满足负荷波动、计划外的负荷增量。负荷备用容量的大小应根据系统负荷的大小、运行经验并考虑系统中各类用电的比重确定。一般为最大负荷的2-5%，大系统采用较小数值，小系统采用较大数值。(2)事故备用：指电力用户在发电设备发生偶然性事故时不受严重影响，维持系统正常供电所需的备用。是保证发电机因故退出运行能顶上的容量，大小应根据系统容量、发电机台数、单位机组容量、机组的事故概率、系统的可靠性指标确定，一般约为最大负荷的5-10%，但不得低于系统中最大机组的容量。

(3)检修备用：是指系统中的发电设备能定期检修而设置的备用，它和系统负荷大小关系不密切，只和负荷性质、发电机台数、检修时间的长短、设备的新旧程度等有关。发电机运转一段时间后必须进行检修，检修分大修和小修，大修一般安排在系统负荷的季节性低落期间，小修一般安排在节假日进行。在这期间内，如不能完全安排所有机组的大小修时，才设置所需的检修备用容量。(4)国民经济备用：是为了满足工农业超计划增长而设置的备用。综上所述，负荷备用、事故备用、检修备用、国名经济备用归纳起来仍是以热备用和冷备用形式存在于系统中，热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用，而将部分事故备用处于停机状态，一般检修备用、国民经济备用及部分事故备用采用冷备用状态。6.火电厂的主要特点

火力发电厂是电力系统有功功率电源的一个重要组成部分，在世界上大部分国家，包括我国在内，火力发电厂装机容量占总装机容量的一半以上，因而在系统中具有重要地位。火力发电厂还可以进一步分类。按其燃料，可分为燃油火力发电厂、燃气（天然气）火力发电厂、燃煤火力发电厂；按蒸汽参数，可分为低温低压（蒸汽温度450°C，压力35大气压），中温中压（500-520°C，100大气压），高温高压（550°C，180大气压），以及超临界机组（575°C，200大气压）。一般来讲，运行效率与蒸汽参数有关，高温高压热电厂运行效率大于中温中压热电厂。

火力发电厂的运行特点：火电厂运行时要消耗大量的燃料，需要支付燃料费用，但运行不受自然条件影响。火电厂的锅炉和汽轮机都受最小技术负荷的限制，可调范围小。(2)火电厂机组的投入、退出或承担急剧变动的负荷时，既额外耗费能量，又花费时间，且易损坏设备。(3)带有热负荷的火电厂称为热电厂，如图3-28所示，热负荷输出功率是强迫功率，通过热力网向附近工业区和居民住宅供热，它采用抽汽供热，其总效率要高于一般的凝汽式火电厂。

图6-9热电厂承担热负荷7.水电厂的主要特点

水力发电厂是电力系统中又一中重要的有功功率电源，我国是水力资源十分丰富的国家，有效地开发和合理利用水资源对我国经济建设具有重要意义。建国60年来，我国一直十分重视水电发展。1949年全国水电装机只有16.3万千瓦，2008年全国水电装机容量达到1.73亿千瓦，年发电量已达5655.5亿千瓦时。根据水力资源的不同，水力发电厂可分为多年调节库容水力发电厂、日调节库容水力发电厂、径流式水力发电厂、抽水蓄能水力发电厂等。

水电厂的运行特点：(1)水厂不需要支付燃料费用，且水能是可以再生的资源。(2)受水库容量限制，水电厂的水轮机没有严格的最小技术负荷要求，发电机出力的调整范围较宽。(3)水力枢纽往往兼有防洪、发电、航运、灌溉、养殖、供水和旅游等多方面的效益。

(4)可调范围大。水电厂机组的投入、退出或承担急剧变动的负荷时，所需时间短，不增加能耗，操作简单，无需额外的耗费。有强迫功率，视不同水电厂而定，一般可充当调峰机组，如图4-2所示，由图可见，抽水蓄能发电厂减小了系统符合的峰谷差。图6-10抽水蓄能水电厂承担的调峰作用8.核能发电厂的特点、风力发电厂的特点

核能发电厂利用原子能裂变反应所释放的能量进行发电。虽然核能发电厂的一次性投资大，但一旦建成投产，其运行费用要较火电厂低得多，因而在系统日常运行中应可能利用它的容量。核电站的运行特点：(1)核电厂一次性投资大，运行费用低。(2)核电厂的反应堆和汽轮机投入、退出或承担急剧变动负荷时，需耗费能量，花费时间，且设备易损坏。

(3)一般承担基荷。目前，由于可再生能源的大力发展，在世界上已分布了十大可再生能源工程，分别在美国、中国、英国和法国等地，主要包括水电站、风电场、潮汐能电站、太阳能热电厂、生物能电厂、波浪能电厂等。在我国很多地区开始建设风力发电场，风力发电场是将风能转换为机械能，再将机械能转换为电能的发电方式。风力发电利用的是自然能源。风力发电不可视为备用电源，但是却可