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1、第13章 电力系统的有功功率与频率调整频率是衡量电能质量的另一项重要指标，保证频率合乎标准也是系统运行调整的一项基本任务。为了完成这项任务，最基本的一点就是要做到有功功率平衡，即电力系统内所有电源输出的有功功率必须与系统内所有的用电设备消耗的有功功率加上输配电网中所有元件损耗的有功功率相等。有功功率怎么和频率有关系呢？又有什么样的关系呢？出现问题后如何协调呢？按照以下顺序我们将对上述问题一一解答。有谁有关系？么什为有什么关系？频 率怎样调整？图13-1 第13章结构图13-1 频率调整的必要性一 频率偏移的影响频率是电力系统运行的一个重要质量指标。所有用电传动的旋转设备，其最高效率都是在电力系
2、统频率为额定频率时，因此，任何频率偏移，都会造成效率的降低；其次，频率的过高或过低，还会给运行中的电气设备带来各种不同的危害。1 对用户的影响现代工业的许多产品质量与电力系统频率有关。例如纺织工业、造纸工业等。这些工业使用的大多数电动机为异步电动机，频率的降低会造成异步电动机转速下降，使异步电动机所传动的生产设备生产出次品，乃至废品，如纺织品、纸张等将发生毛疵和厚薄不匀的质量问题。一般工业由电动机传动的生产设备也会因频率下降而使生长率降低。电力系统频率波动过大时，会使某些电子设备(如雷达)、电力电子设备等工作不正常。2 对发电厂的影响频率变化时，对发电厂本身的影响比对用户的影响更大，其影响有：
3、(1) 汽轮机叶片谐振 电力系统低频率运行时，汽轮机低压级叶片会产生谐振，振动疲劳的积累会导致叶片出现裂纹，缩短叶片寿命，严重时会使叶片断裂，造成事故停机的严重后果。(2) 辅机功能下降 火力发电厂、核能发电厂的一些主要厂用机械，例如，给水泵、循环水泵、引风机、送风机等的出力与转速的一次或高次方成正比，当频率下降时，会降低这些辅机的出力，严重影响发电机的运行。例如，即使频率下降得不多，给水泵的出力也会大大降低，从而破坏发电厂的正常工作，甚至完全停止向锅炉供水；频率下降，会导致压水反应堆核能发电厂的一次冷却泵功能下降，影响反应堆的冷却功能，带来不良影响。3 对系统运行的影响(1) 互联电力系统解
4、列 频率下降时，为了保证正常运行，互联的大电网有可能断开系统之间的联络线；(2) 发电机解列 频率下降到一定程度时，为保证发电厂设备的安全，发电厂有可能与系统解列。可见，要想保证电力系统的正常运行，必须使频率控制在所规定的允许范围内。这就要求对频率不断进行调整。4 规定我国电力系统的额定频率fN为50Hz，频率偏差范围为(0.20.5)Hz。用百分数表示为(0.41)%。二 有功功率负荷的变动电力系统频率的变化是由于有功负荷变化引起的，而系统的负荷时刻在发生变化，分析负荷变动规律可见，这种不规则负荷变动可以分解为几种有规律可循的负荷变动。一般分为三种如下。见P111。简而言之，电力系统中负荷变
5、动的幅度越大、周期也越长。负荷的变化将引起频率的偏移，因此应对发电功率作相应的调整，以使系统在要求的频率水平上达到新的平衡。对应的电力系统有功功率和频率调整大体上也可分为一次、二次、三次三种调整，如表13-1所示。表13-1 有功功率负荷的三种调节方式类型特 征原 因调节方式I变化幅度很小、变化周期短（10s）随机小负荷的变化一次调整（调速）II变化幅度较大、变化周期长（10st 3min）电弧炉、电力机车二次调整（调频）III变化幅度最大、变化缓慢的持续变动负荷生产、生活规律、气象三次调整（按最优化准则分配负荷）13-2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性是电力系统中频率调整的依据。这里所
6、谓频率特性，是指有功功率-频率静态特性，常常称为功频静特性，包括系统负荷的频率特性与发电机组的频率特性。一 负荷的功频静特性 当频率变化时，系统中有功功率负荷也将发生变化。1概念系统处于运行稳态时，系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的静态频率特性。2特性曲线根据负荷需要的有功功率与频率的关系可以将负荷分为五类：（1）与频率变化无关的负荷，如照明、电阻炉、整流负荷等；（2）与频率一次方成正比的负荷，压缩机、切削机床等；（3）与频率二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗；（4）与频率的三次方成正比的负荷，如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等；（5）与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很
7、大的给水泵。因此整个系统的负荷功率与频率的关系可以写成：(13-1)其中，PD为频率等于f时整个系统的有功负荷；PDN为频率等于额定值fN时整个系统的有功负荷，为与频率的i次方成正比的负荷在PDN中所占的份额。显然， (13-2)可见负荷静态频率特性曲线整体上呈现非线性关系。但实际上，当频率偏离额定值不大时，负荷静态频率特性常用一条直线近似表示如图13-2。PDPDNffN图13-2 负荷的功频静特性也就是说，在额定频率附近，系统负荷与频率呈线性关系。系统频率下降时负荷成比例减小；系统频率上升时负荷成比例增大。由此直线，我们引出一个定义。3频率调节效应系数负荷功频静特性中，直线的斜率 (13-
8、3)或者用标幺值表示： (13-4)KD、KD*称为负荷的频率调节效应系数，或者简称为负荷的频率调节效应。关于KD*，有以下说明。（1）负荷的频率调节效应说明，当系统中有功功率失去平衡而引起频率变化时，系统负荷也参与对频率的调节，这种特性有助于系统中有功功率在新的频率值下重新获得平衡。（2）KD*会变化，其数值取决于全系统各类负荷的比重，不同系统或同一系统不同时刻KD*值都可能不同。（3）通常取值。在实际系统中，KD*=13，它表示频率变化1%，负荷有功功率相应变化(13)%。（4）具体求解。KD*的具体数据通常由试验或计算得到。（5）意义。KD*是调度部门必须掌握的一个数据，因为它是考虑按频
9、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 发电机组的功频静特性1 概念当系统有功功率平衡遭到破坏，引起频率变化时，原动机的调速系统将自动改变原动机的进汽量，相应增加或减少发电机的出力。当调速器的调节过程结束，建立新的稳态时，发电机的有功出力同频率之间的关系称为发电机组的功频静态特性。为了说明这种静态特性，必须对调速系统的作用原理作简要介绍。2 调速系统的工作原理原动机调速系统有很多种，根据测量环节的工作原理，可以分为机械液压调速系统和电气液压调速系统两大类。我们以离心式机械液压调速系统为例进行说明。1飞摆 2错油门 3油动机 4同步器调速器调频器心式机械液压调速系统由四
10、个部分组成如图13-3和图13-4，分别是： 图13-3 调速系统 离心飞摆直接与原动机转轴相联接，直接反映原动机转速的变化。当原动机转速恒定时，飞摆上的离心力、重力处于某一位置达到平衡。错油门的活塞将两个油孔堵塞，油动机活塞上、下两侧的油压相等，所以活塞不移动，从而使进汽阀门的开度不变。当负荷增加时，发电机的有功功率输出也随之增加，原动机的转速降低，因而飞摆的离心力减小。在重力和弹簧力的作用下，飞摆靠拢到新的位置上达到各力的平衡。于是套筒从B点下移到B点。此时油动机还未动作，AOBBODEFFE23BA图13-4 调速系统工作原理所以杠杆AOB的A点仍在原处不动。整个杠杆便以A点为支点转动，
11、使O点下降到O点。杠杆DEF的D点使固定的，于是F点下移，错油门2的活塞随之向下移动，打开了通向油动机3的油孔，压力油便进入油动机活塞的下部，将活塞向上推，增大调节汽门的开度，增加进汽量，使原动机的输入功率增加，结果机组的转速便开始回升。随着转速的上升，套筒从B点开始回升，与此同时油动机活塞上移，使杠杆AOB的A端也跟着上升，于是整个杠杆AOB便向上移动，并带动杠杆DEF以D点为支点向上转动。当点O以及DEF恢复到原来的位置时，错油门重新堵住两个油孔，油动机活塞的上、下两侧油压又互相平衡，它就在一个新的位置上稳定下来，调整过程结束。这时杠杆AOB的A端由于汽门已开大而略有上升，到达A点的位置，
12、而O点仍保持原来位置，相应地B端将略有下降，到达B位置，与这个位置相对应的转速，将略低于原来的数值。由此可见，对应着增大的负荷，发电机组输出功率增加，频率低于初始值；反之，如果负荷减小，则调速器调节的结果使机组输出功率减小，频率高于初始值。这种调整就是频率的一次调整，由调速系统中的3个元件1、2、3自动执行。3 发电机组的频率特性反映调整过程结束后发电机输出功率和频率关系的曲线，就是发电机组的功频静特性曲线，可以近似表示为一条向下倾斜的直线，如图13-5所示。PGPGNffN12f1图13-5 发电机组的频率特性4 特性参数（1）静态调差系数 任取两点，定义机组的静态调差系数 (13-5)以额
13、定参数为基准的标幺值表示为 (13-6)式中的负号是由于习惯上调差系数取正值，而频率变化量的符号又恰与功率变化量的符号相反。它可以定量表明某台机组负荷改变时相应的频率偏移。例如，当，则负荷改变1%，频率将偏移0.05%；如负荷改变20%，则频率将偏移1%(0.5Hz)取点2为额定运行点，即P2=PGN，f2=fN；取点1为空载运行点，即P1=0，f1=f0。使得 (13-7)用标幺值表示为 (13-8)用百分数表示为 (13-9)因此，也把调差系数叫做调差率。（2）功频静特性系数（机组的单位调节功率） 调差系数的倒数定义为发电机组的功频静特性系数，也称为机组的单位调节功率。 (13-10)标幺
14、值表示为： (13-11)关于和KG，有以下说明。（1）KG的数值表示频率下降或上升1Hz时发电机组增加或减少的输出功率，负号表示频率下降时发电机组有功出力增加。（2）与负荷的频率调节效应系数KD不同，发电机的调差系数或对应的单位调节功率KG是可以整定的。从公式(13-7)中可以看出，调差系数的大小对频率偏移的影响很大，对相同的功率变化，调差系数越小，KG越大，则频率偏移也越小。不过受机组调速机构的限制，调差系数的调整范围是有限的，典型调节系数如表13-2所示。 表13-2 发电机组的典型静态调差系数*KG*汽轮机组0.030.0533.320水轮机组0.020.045025三 电力系统的功频静特性电力系统的功频静特性曲线同时考虑负荷及发电机组的调节效应，由负荷的功频静特性曲线PD(f)与发电机组的功频静特性曲线PG(f)相交得到，如图13-6所示，反映了电力系统负荷变化引起的频率波动。交点a确定了系统的频率为f1和发电机组输出的有功功率为P1。也就是说，在频率为f1时达到了发电机组有功输出与系统的有功需求之间的平衡。PP1ff1aPD(f)PG(f)图13-6 电力系统的功
