电力系统的有功功率平衡与频率调整

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1、本章提示4.1 概述4.2 自动调速系统4.3 电力系统的频率特性4.4 电力系统的频率调整4.5 电力系统中有功功率的平衡小 结第4章电力系统的有功功率平衡与频率调整l调频的意义及电力系统频率的允许波动范围；l频率一次调整的概念、原理及结果；l频率二次调整的概念、原理及结果；l电力系统的有功功率平衡及备用容量的概念。本章提示4.1.1 频率调整的必要性4.1.2 频率调整的方法4.1概述 我国规定电力系统额定频率为50Hz，允许的波动范围为0.20.5Hz。 允许频率偏移的大小反映了一个国家工业发展水平，这与电力系统管理与运行水平有关 。 频率变化超出允许范围时，对用电设备的正常工作和电力系

2、统的稳定运行，都会产生影响，甚至造成事故。4.1.1频率调整的必要性 电电力力系系统统频频率率的的变变化化是是由由有有功负荷变化引起的。功负荷变化引起的。1.第一种负荷分量2.第二种负荷分量3.第三种负荷分量4.实际的负荷变化曲线 图4.1 有功负荷的变化 系统实际的负荷可以看作由三种具有不同变化规律的变动负荷组成第一种负荷分量变动幅度小（0.1%0.5%），变化周期短（一般10s以内）； 第二种负荷分量变动幅度较大（0.5%1.5%），变化周期较长（一般10s3min）； 第三种负荷分量是持续变动负荷。4.1.2频率调整的方法 第一种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调速器进行，称为频率的一

3、次调整。 1.第一种负荷分量2.第二种负荷分量3.第三种负荷分量4.实际的负荷变化曲线 图4.1 有功负荷的变化 第二种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调频器进行，称为频率的二次调整。 第三种负荷的变化是可预测的，调度部门按经济调度的的原则事先给各发电厂分配发电任务，各发电厂按给定的任务及时地满足系统负荷的需求，就可以维持频率的稳定。 4.1.2频率调整的方法4.2.1 调速器的工作原理实现频率的 一次调整 4.2.2 调频器的工作原理实现频率的二次调整4.2自动调速系统图4.2离心飞摆式调速系统示意图转速测量元件 放大元件 执行机构 转速控制机构 4.2自动调速系统图4.2离心飞摆式调速系

4、统示意图pTpEwPEPTw w0PE=PTw= w0w w0PEPT4.2自动调速系统图4.2离心飞摆式调速系统示意图pTpEwPEPTw w0图4.2离心飞摆式调速系统示意图pTpEwPEPTw w0 对应负荷的增大，发电机输出功率增加，频率略低于原来值；如果负荷降低，调速器调整作用将使输出功率减小，频率略高于原来值。这就是频率的一次调整， 频率的一次调整由调速器自动完成的。 调整的结果，频率不能回到原来值，因此一次调整为有差调节。 4.2.1调速器的工作原理-实现频率的一次调整由调频器来完成的调节，称为频率的二次调整。由于调整的结果，频率能回到原来值，因此二次调整为无差调节。 4.2.2

5、调频器的工作原理-实现频率的二次调整 4.3.1 发电机组的有功功率频率静态特性 4.3.2 系统负荷的有功功率频率静态特性4.3电力系统的频率特性 将上述调节过程中发电机组的有功功率与频率关系用发电机组的功频静特性或频率特性表示。 图中直线的斜率称为发电机的单位调节功率（或发电机组功频静特性系数）， 图4.3发电机组的功频静特性 其数值表示为频率发生单位变化时，发电机输出功率的变化量， 负号表示二者变化方向相反，即发电机输出功率增加，频率是降低的。用标幺值表示为 (4.1)(4.2)4.3.1发电机组的有功功率-频率静态特性 发电机组的调差系数是指机组由空载到满载时，转速（频率）变化与发电机

6、输出功率变化之比，即汽轮发电机组：水轮发电机组：(4.3)用标幺值表示为：(4.4)fNf0PGN4.3.1发电机组的有功功率-频率静态特性 若机组负荷升高使转速下降，可以通过伺服电动机来提高转速，调整的结果使原来的功频静特性2平行右移为特性1。图4.4功频静态特性的平移 若机组负荷降低使转速升高高，则可通过伺服电动机来降低机组转速，调整的结果使原来的功频静特性2平行左移为特性3.4.3.1发电机组的有功功率-频率静态特性 根据所需的有功功率与频率的关系可将负荷分成以下几类：图4.5有功负荷的频率静态特 根据统计资料，系统负荷以第二类占多数，因此负荷的静态频率特性可近似表示为一条直线，如图所示

7、。v不受频率影响的负荷v与频率成正比的负荷v与频率的二次方成比例的负荷，v与频率的高次方成比例的负荷4.3.2系统负荷的有功功率-频率静态特性 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。图4.5有功负荷的频率静态特 所谓联结容量，是指频率、电压等于额定值时，接在电网上的用电设备的实际容量。 如果联结容量改变，静态特性曲线将上下移动。 4.3.2系统负荷的有功功率-频率静态特性图中直线的斜率为：图中直线的斜率为：图4.5有功负荷的频率静态特 、 称为负荷的频率调节效应系数或简称为负荷的频率调节效应 它反映了系统负荷对频率的自动调整作用。(4.6) 用标幺值表示为：

8、 (4.7)4.3.2系统负荷的有功功率-频率静态特性 例4.1 某电力系统中，与频率无关的负荷占35，与频率一次方成正比的负荷占45，与频率二次方成正比的负荷占10，与频率三次方成正比的负荷占10。求系统频率由50赫降到47赫时，相应的负荷变化百分值。4.3.2系统负荷的有功功率-频率静态特性4.4.1 频率的一次调整4.4.2 频率的二次调整4.4.3 主调频厂的选择4.4.4 互联系统的频率调整4.4电力系统的频率调整 系统负荷增加时，在发电机组功频特性和负荷本身的调节效应共同作用下实现了新的功率平衡。 负荷的功频特性 与发电机组功频静特性 的交点a是系统的原始运行点，系统频率为f1图4

9、.6频率的一次调整 假定系统只有一台机组 若系统负荷增加 ，其特性曲线变为 。此时频率为 。4.4.1频率的一次调整由图4.6可见，对应b点，发电机功率输出的增量为: 负荷的频率调节效应所产生的负荷功率变化量为式（4.9）中 K 称为系统的单位调节功率，或系统的功率频率静特性系数。图4.6频率的一次调整一次调整方程式为 (4.9) 4.4.1频率的一次调整 电力系统负荷变化引起的频率变化，仅依靠一次调整作用已不能保持在允许范围内时，就需要通过频率的二次调整才能解决。图4.7频率的二次调整 二次调整是以手动或自动方式调节发电机组的调频器，使发电机组的功频特性平行移动来改变发电机的有功功率，以保持

10、系统的频率不变或使频率变化在允许范围内。 4.4.2频率的二次调整由于进行了二次调整发电机组增发的功率 ；由于调速器的调整作用而增加的发电机组功率（图中 ）由于负荷本身的调节效应而减小的负荷功率（图中 ）图4.7频率的二次调整 负荷增量 可分解为三部分：4.4.2频率的二次调整相似于式（4.9）可得 如果二次调整发电机组增发的功率能完全抵偿负荷的初始增量，则实现了无差调节，如图4.7中虚线所示。 或：图4.7频率的二次调整（4.10）（4.11）4.4.2频率的二次调整 按照是否承担二次调整可将所有电厂分为： 按照频率调整的要求，主调频厂应具备以下条件：主调频厂（一般12个电厂）负责全系统的频

11、率调整（即二次调整）;辅助调频厂是在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参与频率调整，一般只有几个电厂;非调频厂（也叫基载厂）则按预先给定的负荷曲线发电。 机组要有足够的调整容量及范围;调频机组具有能适应负荷变化需要的调整速度;调整输出功率时符合安全及经济原则。 此外，调整频率时，还要考虑引起的联络线上功率的波动和某些中枢点的电压波动是否超出允许范围。4.4.3主调频厂的选择假设 、 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图4.8互联系统的频率调整 对系统A相当于负荷增量，对系统B相当

12、于发电功率增量。4.4.4互联系统的频率调整 对A系统：（4.10a）对B系统：（4.10b） 两个联合运行的系统频率相等，可得：（4.11）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4.4.4互联系统的频率调整（4.12）由4-10式可得：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。4.4.4互联系统的频率调整则式（4.11）、式（4.12）变为：（4.13）（4.14） 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

13、。 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。（4.13）（4.14） （4.12）4.4.4 互联系统的频率调整例4.2 A、B两系统由联络线相联， A系统： B系统： 求在下列情况下频率的变化量 和联络线功率的变化量 （1）当二系统机组都参加一次调频； （2）当A系统机组参加一次调

14、频，B系统机组不参加一次调频 （3）两系统机组都不参加一次调频时。4.4.4互联系统的频率调整4.5.1 4.5.1 有功功率平衡及备用有功功率平衡及备用4.5.2 4.5.2 电力系统中各类发电厂的合理组合电力系统中各类发电厂的合理组合4.5电力系统中有功功率的平衡 电电力力系系统统有有功功功功率率平平衡衡是是指指运运行行中中，所所有有发发电电厂厂发发出出的的有有功功功功率率的的总总和和 ，在在任任何何时时刻刻都都等等于于该该系统的总负荷系统的总负荷 。 包括所有用户的有功负荷 、网络的有功损耗以及厂用电有功负荷 ，即在一般情况下，电力网中的有功功率损耗约占发电厂输出功率的78；火电厂厂用电

15、约占发电厂出力的510%，水电厂一般只占1左右。（4.15） 4.5.1有功功率平衡及备用 为保证系统安全、优质、经济地运行，系统应具有一定的备用容量， 系统备用容量按存在形式可分为热备用和冷备用。热备用也叫旋转备用，是指运转中的发电设备可发最大功率与系统发电负荷之差。冷备用则是指未运转但能随时启用的发电设备可发的最大功率。4.5.1有功功率平衡及备用系统备用容量按其作用可分为：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。一般取最大负荷的35。事故备用：系统的事故备用，是为了在电力系统中当发电设备发生偶然事故时，保证系统正常供电所需的备用。一般取最大负荷的510，

16、但不能少于系统中一台最大机组容量。检修备用：系统的检修备用，是使系统中的发电设备能定期检修而设置的备用。发电设备运转一段时间后必须进行检修，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。国民经济备用：系统的国民经济备用，是指满足工农业生产的超计划增长对电力的需求而设置的备用。4.5.1有功功率平衡及备用电力系统中的发电厂主要有火力发电厂，水力发电厂和核能发电厂三类。 图中：A水电厂的不可调功率；B水电厂的可调功率；C热电厂；D核电厂；E高温高压凝气式火电厂；F中温中压凝气式火电厂图4.9各类发电厂组合顺序示意图4.5.2电力系统中各类发电厂的合理组合火力发电厂的特点有

17、：火力发电厂的特点有： 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。 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。 带有热负荷的火电厂称为热电厂，它采用抽汽供热，其总效率要高于一般的凝汽式火电厂。4.5.2电力系统中各类发电厂的合理组合 水力发电厂的特点有：水力发电厂的特点有： 水厂不需要支付燃料费用，且水能是可以再生的资源。 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，操作简单，无需额外的耗费。 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

18、的效益。 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。 4.5.2电力系统中各类发电厂的合理组合 核能发电厂的特点有：核能发电厂的特点有： 核电厂一次性投资大，运行费用低。 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。 4.5.2电力系统中各类发电厂的合理组合频频率率是是衡衡量量电电能能质质量量的的重重要要指指标标，保保证证频频率率质质量量要要求求系系统统必必须须保保持持有有功功功功率率平平衡衡，并并具具备一定的有功备用容量。备一定的有功备用容量。系系统统中中的的负负荷荷不不断断发发生生变变化化，负负荷荷的的变变化化将将引引起起频频率率偏偏移移，系系统统中中凡凡装装有有调调速速器器且且具具有有可可调调容容量量的的发发电电机机组组，都都自自动动参参与与频频率率的的一一次次调调整整，一一次次调调整整为为有有差差调调节节；频频率率的的二二次次调调整整只只由由系系统统中中的的调调频频机机组组承承担担，通通过过调调频频器完成，二次调整为无差调节。器完成，二次调整为无差调节。电力系统负荷对频率也有调整作用。电力系统负荷对频率也有调整作用。小结