1、2022-6-21第十三章第十三章 电力系统的有功功率和频率调整电力系统的有功功率和频率调整 13-1 13-1 频率调整必要性频率调整必要性 13-2 13-2 电力系统频率特性电力系统频率特性 13-3 13-3 电力系统频率调整电力系统频率调整2022-6-2213-1 频率调整必要性 A 频率对电力用户的影响 (1)电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化, 出现次品和废品。 （2）电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能,频率过低时有些设备甚至无法工作。 （3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低,导致其所带动机械的转速和出力降低,影响电力用户设备的正
2、常运行。次品、T:12maxffTTst1、电力系统频率控制的必要性工作重载，电动机无法正常T:12ffTst2022-6-23 B 频率对电力系统的影响 电力系统的频率由同步发电机的转速决定。原动机输入功率发电机输出功率转速维持在固定值附近频率下降时,汽轮机叶片的振动会变大。频率下降到47-48Hz时,火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机）的出力随之下降,从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。不能及时制止,出现频率雪崩会造成大面积停电,甚至使整个系统瓦解。f=pn/60Pn2ff2022-6-24电力系统频率下降时,异步电动机和变压器的励磁电流增加,使无功消耗增加,引起系统电压下降。电压崩
3、溃不变:=VQIVffEVmm2022-6-25 A 维持电力系统频率在允许范围之内 电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变化的,从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内，就是要及时调节系统内并联运行机组有功功率。 2、电力系统有功功率控制的必要性2022-6-26 当系统频率在额定值附近时，虽然频率满足要求，但没有说明哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应该发多少有功功率。电力系统有功功率控制的任务之一就是要解决这个问题。这就是电力系统经济调度问题。 B
4、提高电力系统运行的经济性 2022-6-27 电力系统的规模在不断地扩大,已经出现了将几个区域电力系统联在一起组成的联合电力系统，有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。 C 保证联合电力系统的协调运行2022-6-28 为什么P和f联系起来 有功功率平衡 调频原理 调频方法和措施3、本章的主要内容2022-6-29事故分析19721972年年7 7月月2020日，浙江电网因常湖线输送功率日，浙江电网因常湖线输送功率过大，导致发热弛度增大，而对低压线放电，过大，导致发
5、热弛度增大，而对低压线放电，继电保护动作跳闸造成系统稳定破坏，频率急继电保护动作跳闸造成系统稳定破坏，频率急剧下降，结果造成浙江电网全面瓦解，全省约剧下降，结果造成浙江电网全面瓦解，全省约71.571.5的用户停电的用户停电 19721972年年7 7月月2727日，湖北电网因继电保护误动作，日，湖北电网因继电保护误动作，武汉电网频率急剧下降，迫使青山、黄石两个武汉电网频率急剧下降，迫使青山、黄石两个电厂全停。电厂全停。 瑞典南部系统，于瑞典南部系统，于19831983年年1212月月2727日因斯德哥尔日因斯德哥尔摩西北部的海尔迈变电所进行倒闸操作时设备摩西北部的海尔迈变电所进行倒闸操作时设
6、备损坏造成单相接地故障，使几条线路切除造成损坏造成单相接地故障，使几条线路切除造成电压大幅度降低。后来甚至发展到南北电网解电压大幅度降低。后来甚至发展到南北电网解列，频率和电压急剧下降，南部电网完全崩溃列，频率和电压急剧下降，南部电网完全崩溃而大面积停电，事故损失达而大面积停电，事故损失达50005000万美元万美元 2022-6-21013-2 电力系统频率特性 一、电力系统综合负荷的静态频率特性二、发电机组和电力系统等效发电机组的 功率频率静态特性三、电力系统的频率特性2022-6-211系统负荷组成系统负荷组成图图13-1 13-1 有功功率负荷的变化有功功率负荷的变化1 1第一种负荷分
7、量；第一种负荷分量；2 2第二种负荷分量第二种负荷分量3 3第三种负荷分量第三种负荷分量4 4实际的负荷变化曲线实际的负荷变化曲线1.1. 变化幅度很小，变化周期较短（一变化幅度很小，变化周期较短（一般为般为10s10s以内）的负荷分量；以内）的负荷分量；2.2. 变化幅度较大，变化周期较长（一变化幅度较大，变化周期较长（一般为般为10s10s3min3min）的负荷分量，属）的负荷分量，属于这类负荷的主要有电炉，延压机于这类负荷的主要有电炉，延压机械，电气机车等；械，电气机车等；3.3. 变化缓慢的持续变动负荷，引起负变化缓慢的持续变动负荷，引起负荷变化的原因主要是工厂的作息制荷变化的原因主
8、要是工厂的作息制度，人民的生活规律，气象条件的度，人民的生活规律，气象条件的变化等。变化等。2022-6-212频率的调整n负荷的变化将引起频率的相应变化。第一种变化负荷引起的频率偏移将由发电机组的调速器进行调整。这种调整通常称为频率的一次调整。n第二种变化负荷引起的频率变动仅靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制在容许的范围之内，这时必须有调频器参与频率调整，这种调整通常称为频率的二次调整。2022-6-2131、负荷分类（有功功率与频率的关系）1.与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉和整流负荷等。2.与频率的一次方成正比的负荷，负荷的阻力矩等于常数的属于此类，如球磨机、切削机床、往复
9、式水泵、压缩机和卷扬机等。3.与频率的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，如静水头阻力很大的给水泵。一、电力系统综合负荷的静态频率特性2022-6-214n负荷静特性：一组描述负荷功率随节点电压和频率变化的代数方程式。PPa Ub UcdfQQa Ub UcdfHHpHpHppHHqHqHqq020211()()()()u式中式中a a、b b、c c分别描述了负荷中恒定阻抗、恒定电流和恒分别描述了负荷中恒定阻抗、恒定电流和恒定功率等成分所占的百分比，定功率等成分所占的百分比，d d为
10、负荷的频率调节效应系数为负荷的频率调节效应系数。u各参数可以根据实验得到的负荷静态特性曲线获得，也各参数可以根据实验得到的负荷静态特性曲线获得，也可由对各种典型负荷静特性的综合得到。可由对各种典型负荷静特性的综合得到。 2、系统的负荷功率与频率的关系：2022-6-215电力系统负荷与频率的关系：2210)()(NDNNDNDNDffPaffPaPaP1210naaaa 电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负荷吸取的有功功率有的与频率无关，有的与频率的一次荷吸取的有功功率有的与频率无关，有的与频率的一次方成正比，有的与频率的二次方成正比，有的与
11、频率的方成正比，有的与频率的二次方成正比，有的与频率的更高次方成正比。但有：更高次方成正比。但有：2022-6-216用标么值表示为（PDN、fN）NDNDDnnDfffPPPfafafaaP*2*2*102022-6-2173、负荷有功频率的静态频率特性 在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线 负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调节效应系数调节效应系数K KD D。P PD DO Of fP PDNDNf fN NDNNDNDNDDDDDPfKffPPfPKfPtgK/*2022-6-218n实际系统中KD*13u频率变化1，负荷有功功
12、率相应变化（13）n调度部门必须掌握的一个数据，考虑按频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。u低频减载是电力系统抑制频率下降、维持系统频率稳定的有效低频减载是电力系统抑制频率下降、维持系统频率稳定的有效方法，控制电力系统一般故障及大面积复杂故障重要而有效的方法，控制电力系统一般故障及大面积复杂故障重要而有效的手段。合理而快速地切除负荷或解列，可以使整个电网在最短手段。合理而快速地切除负荷或解列，可以使整个电网在最短的时间内恢复至稳定运行状态。的时间内恢复至稳定运行状态。 不同电力系统或同一电力系统不同时刻的KD、KD*都可能不同，是不能控制的。DNNDNDND*DDP
13、fKf /fP/PfPK2022-6-219二、发电机组的功率频率静态特性n 发电机的频率是由原动机的调速系统来实现的。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(水)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，发电机的有功功率与频率之间的关系，称为发电机组的有功功率频率静态特性。2022-6-2201.1.测转速元件测转速元件离心飞摆及其附件；离心飞摆及其附件；2.2.放大元件一错油门；放大元件一错油门；3.3.执行机构一油动机；执行机构一油动机；4.4.转速控制机构或称同步器转速控制机构或称同步器图图 原动机调速系统示意图
14、原动机调速系统示意图1.自动调速系统原理简介自动调速系统原理简介2022-6-221 xC E D C B A PC、xA 调频器 齿轮组 原动机轴 油动 机主 活塞 油缸 错油门 高压油 汽门 蒸汽 飞球 1.自动调速系统原理简介自动调速系统原理简介2022-6-222n频率一次调整：变化幅度很小，变化周期比较短的负荷分量，它所引起的频率偏移可以由发电机组调速器调整。n当频率一次调整结束后，所得发电机的输出功率与频率关系机组有功功率与频率静特性。2022-6-223图 发电机组的功率-频率静态特性o oP PG GP PGNGNf ff f0 0f fN N1 12 22.发电机组静态调差系
15、数2022-6-224 由此可见，发电机组和等效发电机组的功率频率静态特性都是向下倾斜的，其程度用调差系数表示： NGNNNfPPPffPfPPff/1212n*表征机组负荷变化后相应转速（f）偏移的程度。调差系数也叫调差率。n*0.05，如负荷改变1，频率将偏移0.05；如负荷改变20，则频率偏移1。2022-6-225n调差系数的倒数就是机组的单位调节功率nKG*机组单位调节功率表征频率发生单位变化后，机组输出功率的变化量。n*、KG*可控的（可整定的）GNNGGNN*GGGGPfKPf11fPKfP1K负号表示频率下降时，发电机组的有功出力增加。负号表示频率下降时，发电机组的有功出力增加
16、。2022-6-226n电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。n把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力系统是由两个环节组成的闭环系统。发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性的交点就是电力系统的频率的稳定运行点。三、电力系统的频率特性2022-6-227负荷的频率调节效负荷的频率调节效应产生的负荷功率应产生的负荷功率变化：变化：OPPG(f)P1ff2f1abP2PD(f)PD(f)cPD0PGPDn原始运行状态PD(f)，和发电机组静特性交点a。n负荷增加PD0，特性曲线变为PD(f)，新的运行点b。012ffffKPGGfKPDD发电机组的功率输发电机组的功率输出的增量：出的增量：
17、频率变化：频率变化：2022-6-228OPPG(f)P1ff2f1abP2PD(f)PD(f)cPD0PGPDfKPPPDDD0D0频率下降时频率下降时GD0PPPD负荷功率的实际增量：负荷功率的实际增量：一台机组的单位调节功率。一台机组的单位调节功率。l在输出功率变动值在输出功率变动值PG相同的条件下，多台机组并列运行时相同的条件下，多台机组并列运行时的频率变化比一台机组运行时的要小得多。的频率变化比一台机组运行时的要小得多。)n,.2 , 1i (fKPGiGi当系统频率变动f时，第i台机组的输出功率增量：fKfKPPGn1iGin1iGiGn1iNGiNGin1iGiGfPKKK202
18、2-6-234 求出了n台机组的等值调差系数和等值单位调节功率后，就可像一台机和等值单位调节功率组时一样来分析频率的一次调整。算出负荷功率初始变化量PD0引起的频率偏差。而各台机组所承担的功率增量则为由上式可见，调差系数越小的机组增加的有功出力（相对于本身的额定值）就越多。iGiNGiNGiNiiGiGifPPorfPff1fKP2022-6-2352022-6-2362022-6-2372022-6-2382022-6-2392022-6-2402022-6-241频率一次调整小节1. 整定过小，KG*整定过大，设0，KG*：负荷的变动不会引起频率的变动，从而保证频率恒定。但负荷变化量在各发
19、电机组的分配无法固定，使得各机组的调速系统无法稳定工作。因此，为了调速系统的稳定性，不能采用过小的调差系数或者过大的单位调节功率KG*。2. 整定过大，KG*整定过小，设，KG*0：无法保证频率质量。 K*=KD*。 KD*很小，发电机又不可能增加输出，所以当负荷增加，频率下降很严重。3. 增加备用容量，可增加kr，kr=PGN/PDN, krk*,从而提高系统的单位调节容量。备用容量是有限的，备用容量过大时发电机设备得不到充分利用。n变化幅度较大、变化周期长的负荷，仅靠调速器的作用，往往不能降频率限制到容许的范围内，必须有调频器（同步器）参与调频电力系统频率的二次调整。2022-6-242二
20、、电力系统频率二次调整n为什么要进行频率的二次调整？DGKKK*DGrKKkK 所以系统的功频特性为基础的频率一次调整的作用是有限的，只适用于负荷变化幅度很小、变换周期较短的变化负荷。因此，必须进行频率的二次调整，以实现频率的无差调节。无差调节：负荷变动时，原动机转速或者频率保持不变。2022-6-243同步器二次调频1.1.测转速元件测转速元件离心飞摆及其附件；离心飞摆及其附件；2.2.放大元件一错油门；放大元件一错油门；3.3.执行机构一油动机；执行机构一油动机；4.4.转速控制机构或称同步器转速控制机构或称同步器2022-6-244u频率的频率的“二次调整二次调整”，也就是通常所说的，也
21、就是通常所说的“频率调频率调整整”。手动控制同步器的称为手动控制同步器的称为“人工人工”调频调频自动调频装置控制的称为自动调频。自动调频装置控制的称为自动调频。u转速下降调整的结果：功转速下降调整的结果：功频静特性平行右移频静特性平行右移1 1。u反之，若负荷降低，反之，若负荷降低，n n升升高：功频静特性平行左移高：功频静特性平行左移3 32022-6-245n图13-8 频率的二次调整12ffffKfKPPDGG0DfKf)KK(PPDGG0Df)PP(fG0DF2022-6-246 当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到
22、规定范围内的频率调统的设定值使系统频率恢复到规定范围内的频率调整称为频率的二次调整。整称为频率的二次调整。 电力系统频率的二次调整任务是由调频发电厂电力系统频率的二次调整任务是由调频发电厂中的发电机组承担的。中的发电机组承担的。2022-6-247一次调频和二次调频的特点和区别：n电力系统的一次调频是由于负荷引起的偏移，由发电机组的调速器进行调整，它是一种有差调节，不能恢复到原有的；而二次调频是必须有调频器参与频率调整，可以实现的无差调节。2022-6-248三、互联系统的频率调整n联结前A、B为两个独立电力系统 ,互联前 PDAPGA KAPDBPGBKBP PABAB图图13-9 13-9
23、 互联电力系统的功率交换互联电力系统的功率交换 AAGADAfKPPBBGBDBfKPPn设交换功率PAB由A向B流动时为正值2022-6-249n联合后 P PDADAP PGAGAK KA AP PDBDBP PGBGBK KB BP PABABAAGAABDAfKPPPBBGBABDBfKPPP联合后，两系统的频率应相等，即有联合后，两系统的频率应相等，即有fffBAKPPKKPPPPfGDBAGBGADBDA)()(2022-6-250分别为A、B两系统的功率缺额 AGADAPPPBGBDBPPPKPPKKPPPPfGDBAGBGADBDA)()(0fPPGDBABABAGBDBGAD
24、AKKPPKKPPPPf)()(2022-6-2511. 当A、B都进行二次调频，且两部分功率缺额同其单位调节功率成正比。BAABBABAGADABGBDBAABKKPKPKKKPPKPPKP)()(BGBDBAGADAKPPKPP0ABP若无功功率缺额0AP0BP0f两个推论2022-6-2522. 有一个系统不参加二次调频 0PGBBAABDBABAGADABDBAABKKPKPKKKPPKPKP)(若整个系统满足功率平衡DGADBDAGAPPPPPDBABPPB系统的PDB由系统A的二次调频来承担。即B负荷增量全由联络线的功率增量来平衡，联络线上功率增量最大。2022-6-253K KDADA* *=1.5=1.5K KGAGA* *=25=25K KDBDB* *=1.3=1.3K KGBGB* *=20=202022-6-2542022-6-2552022-6-2562022-6-257作业n136
