第四章 电力系统有功功率和频率调整,第一节 有功平衡与频率调整 第二节 电力系统的频率特性 第三节 电力系统的频率调整 第四节 各发电厂有功负荷合理分配 第五节 电力系统有功功率的最优分配,频率变化对电力系统的影响 用户侧 异步电动机的转速与频率有关，频率变化将影响产品质量，如造纸，纺织将出残次品 恒转矩负荷的电动机，如机床，频率低则功率降低，影响出力 电子设备的计时，雷达，计算机等 供电侧 电厂锅炉与水泵、风机出力降低，严重后果 汽轮机的额定转速与共振，降低寿命 变压器的励磁电流增加，无功损耗增大，电压降低第一节 有功平衡与频率调整,MT×角速度：原动机的机械功率 ME ×角速度：发电机的电磁功率,,,,,,,,,MT,ME,允许的频率偏差范围 |Δf|0.5Hz,负荷的频率特性 电力系统有功功率负荷（以下简称负荷）时刻都在作不规则变化，如右图所示对系统实际负荷变化曲线的分析表明，系统负荷可以看作是由三种具有不同变化规律的变动负荷所组成：第一种是变化幅度很小，变化周期短，负荷变动有很大的偶然性；第二种是变化幅度大，变化周期较长；第三种是变化缓慢的持续变动负荷有功功率平衡和备用容量 为保证可靠供电和良好的电能质量，在系统最大负荷情况下还应留有余量，系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用容量。
系统备用容量一般分负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等 （1）负荷备用：是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用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％一5％. (2）事故备用：是使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事故备用容量的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、系统的可靠性指标等确定，—般约为最大负荷的5％一10 ％，但不得小于系统中最大机组的容量3）检修备用：为保证系统的发电设备进行定期检修时，不致影响供电而在系统中留有的备用容量所以发电设备运行一段时间以后，都必须进行检修检修分大修和小修一般大修时分批分期安排在一年中最小负荷季节进行小修则利用节假日进行，以尽量减少因检修停机所需的备用容量 （4）国民经济备用：是考虑到工农业用户的超计划生产，新用户的出现等而设置的备用容量，其值根据国民经济的增长情况而确定，一般约为系统最大负荷的3%—5% 负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用归纳起来以热备用和冷备用的形式存在于系统中而不难想见，热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用,电力系统中，在任何时候，所有发电厂发出的有功功率的总和应等于全系统的最大负荷加上全系统的有功损耗以及全系统总有功功率备用容量。
第二节 电力系统的频率特性,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处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的有功功率-频率静态特性 电力系统中的负荷各种各样，有些负荷取用的功率与系统的频率无关，如电热器，有些负荷一系统的频率成正比，如切削机床，有些则与频率的二次方或更高次方成正比，如风机、水泵等电力系统综合负荷的有功功率与频率的关系用数学式表示为,式中， 为电力系统频率为 时，整个系统的有功负荷， 为电力系统频率为额定值 时，整个系统的有功负荷， 为上述有功负荷占 的百分数由于系统在正常运行时频率与额定频率之差通常很小， 加上与频率高次方成比例的负荷所占比重很小，我们 可以近似地认为负荷的变化与频率的变化成正比，称 为负荷调节效应，并用负荷频率调节系数KL表示,右图曲线2为负荷功率与频率 实际关系，曲线1是近似表示 后的关系，曲线1为曲线2在额 定频率点的切线，斜率即为,(4-1)是频率与负荷消耗的功率之间的准确的关系，但是， 由于负荷的组成不断变化，在不同时间段，投入使用的 负荷也在动态变化，因此，实际上无法用（4-1）来 精确计算负荷功率。
引入负荷调节效应后，实际上是使负 荷功率随着频率而变化的计算更加简便式（4-1）变为：,当然，KL的值还是根据系统的负荷情况通过（4-1）计算出来的有时也可通过实验获得，一般情况下KL*=1~3例4-1） 某电力系统中，总有功功率为2000MW，若KL*=1.5，求KL,解:,（例4-2）已知总负荷中各类负荷所占比重a0,a1,a2,a3分别为0.3,0.4,0.1和0.2，求系统频率由50Hz降低到49Hz时，负荷吸收的有功功率的变化和负荷调节效应系数KL*,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,蒸汽,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,O,B,D,E,调速系统的工作原理： 初始B点平衡，活塞堵住两个油孔发电机机组有功功率-频率静态特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,蒸汽,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,O,B,D,,,,,,,,E,负荷增加时，系统频率降低，发动机转速降低，B点下降’,油动机尚 未动作，A点不动，o点下降，杠杆DEF的D点固定，因此F点下降，活塞向下打开，压力油进入油动机活塞的下部，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,蒸汽,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,O,B,D,,E,油动机活塞上移，汽门加大，发电机功率增加，转速提高， 系统频率升高。
在自动调速系统的作用下，发电机组输出的有功功率与频率之间的稳态关系称为机组的有功功率静态频率特性，原动机的功率的增大对应于机组转速的降低，且机组的转速与系统的频率成正比，因此可以近似地认为机组的频率特性为一条直线其斜率为KG ,称为发电机单位调节功率其大小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号是因为KG习惯上取正此时，稳态下发电机发出的有功功率与频率间的相互关系为：,每台机组的调速系统的调差系数，通常可以单独整定，对于 离心飞摆式调速系统，其整定值通过调频器来设定若系统 中有多台发电机组且他们的调差系数不相等的情况下，需要 根据各台机组的额定出力和调差系数进行计算，得出全系统 的综合调差系数和相应的单位调节功率的标幺值一般调节系统常用调差系数百分数来反映其静态特性， 他与单位调节功率标幺值之间的关系为：,当系统总负荷突然增加时，发电机组功率不能及时变动而 使机组减速，进而使系统频率下降，负荷所取用功率因调 节效应而减少，发电机组发出功率由于调速器的一次调整 作用而增大，负荷取用功率的实际增量应与等值发电机组 的有功功率增量相等，进而达到新的平衡如下图所示：,1、频率的一次调整,1为发动机频率-功率曲线， 2为初始负荷时的调解效应， 3为负荷增加时的频率效应,第三节 电力系统的频率调整,将以上平衡式写成另外一种形式，用来分析初始的 负荷增加被负荷的调节效应和发电机组的一次调频 所分担的情况：,将发电机单位调节功率和负荷频率调节系数进行组 合，称为系统的单位调节功率，可以直接表示整个 系统随初始负荷的变化而产生的最终频率变化。
当在上式两端同时除以 时，可以得到系统的 单位调节功率的标幺值形式：,（例4-4）在下图所示的系统中，负荷为800MW时，频率是 50HZ当负荷突然增大50MW后，在下列两种运行方式中， 系统的频率，两机的出力各是多少？,,,,,,,A B,,,（1）初始时两机组各承担一半的负荷 （2）初始时机组A承担560MW,B机组 承担240MW,解：,2、频率的二、三次调整,频率的一次调整靠机组的自动调速系统来完成，而且连续不断地进行着，但仅靠一次调频作用不能使频率完全回到额定值如果频率的的变化不能保持在允许范围内，这时需要籍调速系统中的调频器动作，直接改变发电机的有功功率这就叫做频率的二次调整频率的二次调整不能改变KG,但是使发电机组的功频特性平行移动频率调整图,由几个地区系统互联为一个大系统的情况，对某一个地区系统而言，负荷变化（增加） 时，可能伴随着与其他系统交换功率的变化 ，这种通过与其他系统进行功率交换而进行调频的方式称为三次调频若设A、B两系统互联，两系统负荷变化（增加）分别为 ，引起互联系统的频率变化（降低） ，及联络线交换功率的变化 ，如下图：,系统A： 系统B： 在负荷增加 的影响下，由以上两式可以推出两系统的频率和交换功率的变化量为：,（例4-5）A、B两系统组成联合系统，容量，各自的单位调 节功率（分别以各自系统容量为基准的标幺值）如图所示。
正常运行时联络线上没有交换功率流通现若A系统负荷增 加100MW，计算下列各种情况下系统频率的变化及联络线 上的交换功率的变化 （1）A、B两系统都只参加一次调整 （2） A、B两系统都参加一次调整，A系统有调频机组 进行二次调整，增发60MW. （3）A、B两系统都参加一、二次调整，各增发50WMA B,电力系统中的发电厂主要有以下三类 水力发电厂 火力发电厂 原子能发电厂（核电厂） 各类发电厂由于其设备容量、机械特性、使用的动力资源等不同，而有着不同的技术经济特性必须结合它们的特点，合理地组织这些发电厂的运行方式，恰当安排它们在电力系统日负荷曲线和年负荷曲线中的位置，以提高电力系统运行的经济性第四节 各发电厂有功负荷合理分配,1、火力发电厂的主要特点 （1）要支付燃料及运输费用，不受自然条件的影响 （2）有功出力调节范围较小，启停时间长且启停费用高 （3）效率与蒸汽参数有关，高温高压设备效率最高，低温低压设备效率最低 （4）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率一）各类发电厂的特点,2、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量－－强迫功率。
（2）出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简单 （3）不需燃料费，但一次投资大，抽水蓄能，水电厂的运行依水库调节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响3、原子能发电厂的特点 （1）一次投资大，运行费用小 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高原则（1）充分利用水源 （2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用 （3）尽量降低火力发电成本 根据上述原则，在夏季丰水期和冬季枯水期各类电厂在日负荷曲线中的安排示意图二）各类发电厂的合理组合,各类发电厂组合顺序示意图 （a）枯水季节 （b）丰水季节,夏季丰水期，水量充足，水电厂应带基本负荷以避免 弃水、节约燃煤在此期间，可抓紧时间进行火电厂设 备的检修 冬季枯水期，来水较少，应由凝汽式火电厂承担基本 负荷，水电厂则承担尖峰负荷第五节 电力系统有功功率的最优分配,电力系统中，发电厂形式可能不同，火，水，原子能等；同一类发电厂中，锅炉汽轮机的形式和蒸汽参数，燃料来源不同；水轮机的形式和水头高低等不同，使它们的经济性各不相同因此，系统的有功功率（包括网络损耗）在电厂和机组间的不同分配，将影响到整个系统运行的经济性 使全系统运行最为经济是优化问题的目标。
使设备不过载是一个约束条件 保证供给全部负荷所需的有功功率和无功功率是优化问题的另外一个约束条件火力发电机组在单位时间内所消耗的燃料与发电机发出的 有功功率之间的关系称为机组的燃料消耗特性，简称耗量 特性，常用曲线表示，横坐标为功率，纵坐标为燃料消耗,比耗量 发电厂的效率 耗量微增率,一、火力发电厂之间的有功功率经济分配,目标函数,等耗量微增率准则,两台机组间的功率分配,等微增率准则的物理意义:,G1减少出力P 减少燃料,G2增加出力P 增加燃料,节约燃料,,多个发电厂间的负荷经济分配,1．不计网损的有功最优分配,拉格朗。