第五章电力系统的频率调整详解

第五章电力系统的频率调整当前第1页\共有58页\编于星期六\16点概述电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题，是我们考虑的重点问题之一。衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。频率：50Hz，允许有±0.2~±0.5Hz的偏移电压：设备应运行在额定电压的±5%z之间波形：考核系统的谐波电压含有率要求(识记)：当前第2页\共有58页\编于星期六\16点衡量运行经济性的主要指标为：比耗量(煤耗率)和线损率（网损率）有功功率的最优分布包括：有功功率负荷预计、有功功率电源的最优组合、有功功率负荷在运行机组间的最优分配等。当前第3页\共有58页\编于星期六\16点第一节电力系统中有功功率的平衡一、电力系统的有功功率平衡该方程在任何时刻都成立！当前第4页\共有58页\编于星期六\16点发电机组的有功平衡发电机组的有功平衡：发电机的电磁功率PGi与原动机的机械功率PTi之间的平衡。发电机组的有功平衡与频率的关系发电机组原动机＋发电机原动机惯性大，有功调节慢，无法时刻保持与瞬变负荷及发电机功率的平衡，而只能保证动态平衡，相应频率也只能保持动态稳定。当前第5页\共有58页\编于星期六\16点如刚才讲到，因为电能是不能储存的，所以上述有功功率平衡方程在任何时刻t都是成立的（即保持平衡），但系统中负荷时无时无刻不在变化的，所以上述平衡方程很容易被打破，导致上述有功功率不平衡，这种不平衡只是短暂的，我们可以根据负荷的变化情况来调节发电机发出的总功率，用来调节整个系统的平衡，使得上述方程重新回到平衡状态。若不加以调节，则有功功率的不平衡将对频率造成影响。当前第6页\共有58页\编于星期六\16点系统有功功率不平衡对频率的影响：由电机学知识：n=60f/p频率与发电机转速有关转速又决定于发电机的电磁转矩（随负荷变化）和原动机的拖动转矩（由原动机的功率决定）。原动机拖动功率-电磁功率=发电机的总功率。请问发电机的电磁转矩与转速的方向是相同还是相反？具体情况：1、负荷增加，使电磁转矩增加，若原动机的拖动转矩不变，则转速n下降，导致频率降低。2、负荷减少，使电磁转矩减小，若原动机的拖动转矩不变，则转速n上升，导致频率升高。通过上面的分析得出：有功功率的变化(负荷的变化)与频率的变化是直接相关的，因此可以通过调节频率来调节有功功率的平衡。当前第7页\共有58页\编于星期六\16点二、有功功率负荷的变动和调整控制P1（幅度小，周期短，一次调频）P2（幅度较大，周期较长，冲击性负荷，二次调频）P3（幅度最大，周期最长，由生活、气象等引起，三次调频）变化不规律当前第8页\共有58页\编于星期六\16点不同的周期的负荷有不同的变化规律：第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动有很大的偶然性；第二种变动幅度较大，周期也较长，属于这种负荷的主要有：电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷变动；第三种变动基本上可以预计，其变动幅度最大，周期也最长，是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。当前第9页\共有58页\编于星期六\16点刚才讲到，当负荷变动时（即有功功率变化时），若发电机总功率不加以调节，则频率会发生偏移。

因此，根据负荷变化，电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分为：一次调频：由发电机调速器进行；针对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整。二次调频：由发电机调频器进行；针对第二种符合变动引起的频率偏移的调整。三次调频：优化准则，即由调度部门根据负荷曲线进行最优分配，责成各发电厂按事先给定的负荷发电。除平衡节点（调频）外均属此类。（有功功率日负荷曲线），针对第三种负荷变动，人工完成。前两种是事后的，第三种是事前的。 另外，还有一种调整叫做负荷控制，是指个别负荷大量或长时间超计划用电以致影响系统运行质量时，由系统运行管理部门在远方将其部分或者全部切除的控制方式。当前第10页\共有58页\编于星期六\16点三、系统有功功率（电源容量）和备用容量系统中可供调度的系统电源容量可能小于总装机容量定期停机检修水电厂的发电机因水头极度降低不能按额定容量发电各发电厂预计可投入运行的发电机组的可发功率之和为可供调度的系统电源容量。为了保证可靠供电和良好的电能质量，系统可供调度的电源容量必须大于发电负荷。系统电源容量=系统中可运行机组的可发容量之和当前第11页\共有58页\编于星期六\16点三、系统有功功率和备用容量为了保证可靠供电和良好的电能质量，系统中的发电设备容量应大于系统负荷，我们把系统电源容量大于负荷的部分称为备用容量，它是指可用发电出力的后备补充力量，能够随时调整投入运行。备用容量：可供调度的系统电源容量大于发电负荷的部分。当前第12页\共有58页\编于星期六\16点作用：在系统出现第一类、第二类负荷的波动、负荷的超计划增长、事故导致的发电机退出运行和设备检修导致的设备退出运行情况下，保证电力系统在要求频率水平下的功率平衡，以保证供电可靠性和电能质量。当前第13页\共有58页\编于星期六\16点备用容量按照形式分为：热备用，冷备用。热备用处于运行状态的备用，亦称旋转备用。如，负荷备用和部分事故备用。只要电网需要时（出力不够或者出现故障时），随时可动用的备用出力，这部分备用容量已经满足运行的条件，处在运行当中，只要电网需要，立即启动，所以系统不会出现停电故障冷备用（和热备用相反理解）处于停机待用状态的备用，亦称停机备用。如，检修备用、国民经济备用及部分事故备用。检修中的发电设备不属冷备用。热备用越多，越有利于保证电能质量和供电可靠性，但经济性不好。当前第14页\共有58页\编于星期六\16点按用途分为：负荷备用，事故备用，检修备用，国民经济备用。

负荷备用—针对一类、二类负荷波动和预测外负荷设置（2%~5%）。事故备用—针对事故导致发电设备退出设置（5%~10%，且不小于系统最大一台机组的额定容量）。检修备用—针对发电设备检修退出运行设置（视情况）。国民经济备用—针对国民经济的超计划增长设置（3%~5%）

当前第15页\共有58页\编于星期六\16点发电负荷（热备用）负荷备用（热备用）事故备用（热备用）检修备用（冷备用）国名经济备用（冷备用）各种类型的备用仍只以两种形式存在。当前第16页\共有58页\编于星期六\16点第二节电力系统中有功功率的最优分配有功功率最优分配包括两个主要内容：即有功功率电源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。有功功率电源的最优组合指系统中发电设备或发电厂的合理组合，即机组的合理开停。◆机组的最优组合顺序◆机组的最优组合数量◆机组的最优开停机时间与冷备用容量的合理分布有关。当前第17页\共有58页\编于星期六\16点第三节电力系统的频率调整一、频率调整的必要性频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行。负荷要求频率的偏差一般应控制在（±0.2~±0.5）Hz的范围内。要维持频率在正常的范围内，其必要的条件是系统必须具有充裕的可调有功电源。频率变动的影响：1、对用户的影响频率变化超出允许范围将使用户遭受损失。由于频率变化引起异步电动机转速变化，将会影响用户产品质量。例如：纺织及造纸行业可能产生残次品。当前第18页\共有58页\编于星期六\16点2、对电子设备的影响频率不稳定将影响电子设备的工作，如雷达、计算机等将因频率过低而无法工作。3、对发电厂的影响（1）影响锅炉的正常运行（2）当频率下降时，会增加汽轮机叶片所受的力，引起叶片的共振，缩短叶片的使用寿命，严重时刻使叶片断裂。（3）频率降低时，导致拖动设备出力下降，造成水压风力不足，因此发电机发电能力下降，所以为了维持正常电压，就要增加励磁电流，致发电机定子和转子温升增加。（4）频率降低时，因为为了维持正常电压而增加了励磁电流，导致磁通密度的增大，因此变压器的铁耗和励磁电流都要增大。当前第19页\共有58页\编于星期六\16点4、对系统的影响（1）由第二章知识，当频率下降时，系统无功损耗将会增大（原因：励磁电流的增大），这必将导致整个系统的电压水平下降。（2）频率过低，可使整个电力系统瓦解，造成大面积停电。二、自动调速系统及其调节特性由上述分析知、频率的变动将会产生多方面的影响，因此有必要对系统频率进行调整，使其变化范围控制在正负。而要调节频率，实质上就是调节原动机的转速，即汽轮机的转速调节，要调节汽轮机的转速，实质上就是要调节汽轮机阀门开度的大小，即调节进气量。下面介绍一种自动调速系统-离心飞摆式调速系统。原理图如下页所示：当前第20页\共有58页\编于星期六\16点离心飞摆式调速系统示意图当前第21页\共有58页\编于星期六\16点调速器：进行频率的一次调整，在图中D点不动。调频器：进行频率的二次调整，使得D点上升。一次调频、二次调频原理简介，见教材P203.三、电力系统的频率特性1、电力系统负荷的有功功率-频率静态特性当频率变化时，电力系统中的有功功率负荷也将发生变化。当电力系统稳态运行时，系统中的有功负荷随频率变化的特性称为负荷的有功功率-频率静态特性（额定频率附近）。当前第22页\共有58页\编于星期六\16点有功功率-频率静态特性KL也叫做负荷的单位调节功率，单位：Mw/Hz当前第23页\共有58页\编于星期六\16点用标幺值表示：KL*的值受用户的影响，其值不能整定，大概在1.5左右。当前第24页\共有58页\编于星期六\16点负荷的频率调节效应：指在一定的频率下负荷随频率变化的变化率。2、发电机组的有功功率-频率静态特性当系统频率变化时，汽轮机调速系统将自动的改变进气量，以相应的增加或减少发电机输出功率，调整结束后达到新的稳定状态。这种反映由频率变化而引起的汽轮机输出功率变化的关系，称为发电机组有功功率-频率静态特性。当前第25页\共有58页\编于星期六\16点（）当前第26页\共有58页\编于星期六\16点（2）配置自动调速系统的原动机机械功率的静态频率特性

一次调整（依靠调速器的作用）当前第27页\共有58页\编于星期六\16点当前第28页\共有58页\编于星期六\16点二次调整有调频器的二次调整后，原动机的运行点不断地从仅有一次调整时的静态频率特性曲线，平行的移动到另一根曲线上，连接不同直线上的点，得到有二次调整时静态频率特性曲线，可实现误差调节和有差调节。当前第29页\共有58页\编于星期六\16点其含义标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡。发电机组的单位调节功率：即发电机组功频静态特性的斜率，其斜率为负值。负号表示发电机输出功率的变化和频率变化的方向相反。当前第30页\共有58页\编于星期六\16点发电机组的调差系数：即发电机单位调节功率的倒数。用百分数表示：所以二者关系如下：KG和调差系数是可以整定的。当前第31页\共有58页\编于星期六\16点当前第32页\共有58页\编于星期六\16点四、一次调频为了便于分析，现假设系统中只有一台发电机组和一个负荷。频率的一次调整过程：（1）系统正常运行时，稳定运行于O点，此时发电机发出的功率等于负荷消耗的功率，处于平衡状态，即：当前第33页\共有58页\编于星期六\16点（2）当稳定运行于O点时，负荷突然增加△PL0，由O点跳至A点。（3）因机组功率不能及时变动，机组将减速，频率将下降。（4）随着频率的下降，负荷消耗的功率减少，负荷的功频特性将沿着新的特性曲线PL’下降，由A点向O‘点移动。由于这种特性是由负荷本身决定的，因此PL和PL’斜率相同。以上都是针对负荷来分析，下面针对发电机组来分析。（5）另一方面，根据离心飞摆式调速系统原理可知，当负荷增加，频率下降时，汽轮机进气量增加、原动机功率增加，即发电机组的功率因调速器的作用也随之增加（一次调频），所以，随着频率的下降，发电机组的功频特性将沿着曲线PG向上移动。（6）两者分别沿着图中箭头方向移动，最终系统稳定运行于新的平衡点O’。这就是一次调频的整个过程。当前第34页\共有58页\编于星期六\16点下面来分析负荷功率的增加量是由哪几部分组成的，由图可知：其中，OB是由于频率下降后发电机组的增加量，BA表示负荷因频率下降而减少的量。因此：整个系统的负荷功率的增大量=发电机组功率的增大量-负荷功率减少量取功率和频率的上升为正当前第35页\共有58页\编于星期六\16点KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示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。即系统的负荷增加或减少，对应频率的下降或增加。所以，可以通过该系统单位调节功率，可以求解在已知的允许的频率偏移范围内，整个系统能够承受多大的负荷增减。由上可知，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。注意：取功率的增大或频率的上升为正；KG，KL，Ks本身为正；为保证调速系统本身运行的稳定，不能采用过大或过小的单位调节功率；（原因？无法根据频率变化确定机组功率增量。）当前第36页\共有58页\编于星期六\16点实际的电力系统中，不可能仅仅只有一台发电机组和一个负荷，而是有好多。假设系统中有n台发电机组时，并且假设这n台机组全部参与调整，则：当前第37页\共有58页\编于星期六\16点此时：另外系统中的n台发电机组很有可能存在有些机组已经满载的情况，以致它们的调速器受负荷限制器的限制不能再参加调整，这就使得系统中总的发电机单位调节功率下降。结论：对于满载机组，不再参加调整。即：当前第38页\共有58页\编于星期六\16点n台发电机组中，仅有m台发电机组（m<n）参与调整，其他的n-m台发电机组不参与调整，发电机组的单位调节功率KGM显然，KGN>KGM即系统中由于某些机组因满载不能参加调整，致使整个发电机组系统的等值单位调节功率减小，等值调差系数加大。当前第39页\共有58页\编于星期六\16点最后，整个系统的单位调节功率为：充分理解机组不能参加调频的含义：机组满载（空载）不能增加（减少）功率。因此，当负荷增加（减少），满载（空载）机组时不能参加调频，相应其单位调节功率为0，调差系数为无穷大。由于系统中有些机组满载或空载不能参与调整，使得Ks不可能很大，因此，用调速器进行的一次调频只适用于周期较短、幅度较小的负荷变动引起的频率偏移。对于符合变动周期较长，幅度较大的调频，则落到了二次调频的头上。当前第40页\共有58页\编于星期六\16点五、二次调频当电力系统由于负荷变化引起的频率偏移较大，采取一次调频尚不能使其保持在允许的范围内时，这时通过二次调频才能解决。频率的二次调整就是以手动或自动方式调节调频器平行地移动发电机组有功功率-频率静态特性，来改变发电机组输出的有功功率，使系统的频率保持在负荷增长前的水平或使频率的偏差在允许的范围之内。当前第41页\共有58页\编于星期六\16点频率的二次调整过程：（1）假设进行完一次调频后，系统稳定运行于O‘点，此时频率下降至fo’，功率增至Po’。（2）若此时的△f’超过系统允许的范围，则操作发电机组调频器，起动二次调频，再次增加发电机组输出的有功功率△PGo，使发电机组有功功频特性曲线向右平行移动（按照给定的增发功率△PGo

来移动）。（3）这时由于增发功率，导致系统频率的增加，那么由于负荷本身的调节效应，负荷吸收的频率也要增加，相应地运行点将从O’点转移到O’’点，对应的频率为fo’’，对应的功率为Po’’。（4）由图可清晰的看出，进行二次调频后，频率的偏移将由△f’减小为△f’’，发电机供给负荷的有功功率从Po’增至Po’’，显然系统运行质量有了提高。当前第42页\共有58页\编于星期六\16点由上述分析可见，当一次调频和二次调频同时进行时，系统的负荷增量△PLo是由三部分调节功率组成的：（1）（3）一次调整后，即（2）所以：其值为：其值为：当前第43页\共有58页\编于星期六\16点由此可知，当△f’’=0时，即时，即实现了无差调节。另外，由上面分析可知，在同样的负荷变化情况下，若Ks越大，那么对应的频率偏移范围将越小，所以我们总是希望具有较大的单位调节功率Ks。而Ks=KG+KL，其中，KL又是不能整定的，所以要想调整Ks，实际上是调整发电机的单位调节功率KG（或调差系数，要较小的）。因此发现，在进行二次调频时，系统负荷的增减变化实际是由发电机组来承担，称之为调频机组或调频厂。当前第44页\共有58页\编于星期六\16点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。当前第45