1、第第3章章电力系统频率及有功功率的自动调节电力系统频率及有功功率的自动调节3.1 电力系统的频率特性电力系统的频率特性 有功功率不平衡时有功功率不平衡时,系统频率就要发系统频率就要发生变化生变化,而系统的负荷是经常发生变化的而系统的负荷是经常发生变化的,所以必须对系统频率和有功功率进行监所以必须对系统频率和有功功率进行监视和调节。视和调节。 目的要求：目的要求： 了解电力系统调频的实质和重要性；了解负荷的静态频率特性及负荷调节效应；了解调速器的工作原理及其静态调节特性、配有调速器的发电机组的功率频率特性.重点：重点： 负荷的静态频率特性及负荷调节效应难点：难点： 电力系统的功率-频率特性分析
2、一一 . 电力系统频率和有功功率自动调节的主要任务：电力系统频率和有功功率自动调节的主要任务： 及时地调整发电机的出力及时地调整发电机的出力,使系统的有功功率保持平衡使系统的有功功率保持平衡,维持系统频率在允许的范围内维持系统频率在允许的范围内,并使系统负荷在同步发电机并使系统负荷在同步发电机之间实现最优经济分配。之间实现最优经济分配。 1.1.电力系统中负荷的功率频率特性（负荷的静态频率特性）电力系统中负荷的功率频率特性（负荷的静态频率特性）当系统频率变化时当系统频率变化时, ,整个系统的负荷功率整个系统的负荷功率P PL L 也要随之改变也要随之改变, ,即即 PL= F(f)标幺值形式标
3、幺值形式PL*=a0+a1f*+a2f*2+anf*n一般特性曲线一般特性曲线 在较小的频率变化范围内在较小的频率变化范围内2. 负荷调节效应：负荷调节效应： 系统频率变化时系统频率变化时,总负荷吸收的有功功率也随之变化；总负荷吸收的有功功率也随之变化；即即当频率下降时当频率下降时, 总负荷吸收的有功功率随之下降总负荷吸收的有功功率随之下降,如果系统频如果系统频率升高率升高, 总负荷吸收的有功功率随之增大总负荷吸收的有功功率随之增大.3. 负荷频率应系数负荷频率应系数 KL* : 衡量调节效应的大小衡量调节效应的大小 KL*=dPL*df*=a1+2a2f*+ 3a3f*2 +nanf*n-1
4、KL*=tg=PL*f*负荷的组成不同负荷的组成不同, KL*值也不相同值也不相同,一般在一般在13之间之间. 例例4-1 某电力系统中某电力系统中,与频率无关的负荷占与频率无关的负荷占30,与频率一次方成与频率一次方成 比例的负荷占比例的负荷占40,与频率二次方成比例的负荷占与频率二次方成比例的负荷占10,与与 频率三次方成比例的负荷占频率三次方成比例的负荷占20.试求当系统频率由试求当系统频率由50HZ 下降到下降到47HZ时时,负荷功率变化的百分数及其相应的负荷功率变化的百分数及其相应的KL*的大小的大小. 解:由公式可以求出频率下降到47HZ时系统的负荷为: PL*=a0+a1f*+a
5、2f*2+a3f*3=0.3+0.40.94+0.10.942+0.2 0.943=0.93则 PL%=(1-0.93) 100%=7% f%=(1-47 / 50) 100%=6%于是 KL*=PL*% / f*%= 7 / 6 =1.17例例4-2 某电力系统总有功负荷为某电力系统总有功负荷为3200MW(包括电网的有功包括电网的有功 损耗损耗),系统的频率为系统的频率为50HZ,若若KL*=1.5,试求试求KL .解 由式(4-8)可得KL = KL* ( PLN / fN ) = 1.5 ( 3200 / 50 ) = 96 ( MW / HZ ) 若系统的KLKL* *不变不变，负荷
6、的增长到3650MW时,则有KL = 1.5 ( 3650 / 50 ) = 109.5 ( MW / HZ ) * 由此可知由此可知, KL的数值与系统的负荷大小有关的数值与系统的负荷大小有关. 二、发电机组的功率频率特性（频率调节特性）二、发电机组的功率频率特性（频率调节特性）-当系统因负荷变化导致频率改变时当系统因负荷变化导致频率改变时, ,发电机组的调发电机组的调速系统动作速系统动作, ,改变原动机的进汽量改变原动机的进汽量( (或进水量或进水量),),调节发电调节发电机的输入功率以适应系统负荷的需要机的输入功率以适应系统负荷的需要. .（一（一 ）调速器：测量）调速器：测量, ,放大
7、放大, ,执行等组成执行等组成, ,控制汽门控制汽门( (或导水叶或导水叶) )的开的开 度度, ,以控制进入原动机的动力元素以控制进入原动机的动力元素. .调速系统示意图（二）调速系统静态特性（二）调速系统静态特性(有差调节特性有差调节特性)在稳态下，配有调速器的发电机组转速在稳态下，配有调速器的发电机组转速n与所带有功功率与所带有功功率P的关系的关系.PGnNnPNPffnonP P若发电机组原在（PN，nN）点，当有功变化为P时，调速器调节后，机组运行在（P，n）,n nN因此又称为有差调节特性。1.速度变动率速度变动率R（调速系统静态特性的斜率）：（调速系统静态特性的斜率）： 当发电机
8、有功功率从当发电机有功功率从0增加到增加到PN时，转速从时，转速从n0 变到变到nN,R = -no-nNnN100%2.发电机组的频率调节方程发电机组的频率调节方程 : f* + R* Pf* = 0PP(三)调节特性的失灵区（迟缓率） 1定义：由于测量元件的不灵敏性定义：由于测量元件的不灵敏性, 调速系统对于微小的转速调速系统对于微小的转速 变化不能反应变化不能反应,调节特性实际上是一条具有一定宽度调节特性实际上是一条具有一定宽度 不灵敏的带子不灵敏的带子, 称为失灵区。称为失灵区。 f1f2fNffPN0fP调速器不灵敏区调速器不灵敏区=ffN2 2调速器的失灵区对频率调整有何影响调速器
9、的失灵区对频率调整有何影响? ? 将导致并联运行的发电机组之间有功功率分配产生误差将导致并联运行的发电机组之间有功功率分配产生误差或频率误差或频率误差.最大误差功率最大误差功率 f与与R 调差系数存在如下关系调差系数存在如下关系 fP= tg= R用标幺值表示为用标幺值表示为f*P*= R *=P*有功功率分配的最大误差有功功率分配的最大误差 f*与失灵度与失灵度成正比成正比,而与调差系数而与调差系数R *成反比成反比 但如果不灵敏区太小或完全没有但如果不灵敏区太小或完全没有,那么当系统频率发生微那么当系统频率发生微小波动时小波动时,调速器就要进行调节调速器就要进行调节,造成阀门调节过于频繁造
10、成阀门调节过于频繁 三、三、 电力系统的功率频率特性电力系统的功率频率特性 发电机组的功率特性发电机组的功率特性PG G(f)与负荷的功率频率特与负荷的功率频率特性性PLF(f)两曲线的交点两曲线的交点,就是电力系统频率及功率的稳就是电力系统频率及功率的稳定运行定运行a点。点。 如负荷增加如负荷增加PL,总负荷变为总负荷变为PL1,特性变为特性变为PL1F(f).（1）机组均无调速器）机组均无调速器 输入功率恒定频率下降输入功率恒定频率下降,负荷取用的有功功率也负荷取用的有功功率也 逐渐减小。靠负荷调节效应逐渐减小。靠负荷调节效应,系统达到新的平衡系统达到新的平衡,运行点移到运行点移到b点点,
11、 频率为频率为,系统负荷取用的有功仍为系统负荷取用的有功仍为PL。f是相当大的。是相当大的。 （2）频率一次调整：频率一次调整：通过发电机调速系统实现，反映机组转速变化而通过发电机调速系统实现，反映机组转速变化而 相应调整原动力阀门开度，完成调节系统频率。有调速器的作用相应调整原动力阀门开度，完成调节系统频率。有调速器的作用, 增加机组的输入功率增加机组的输入功率.调节结束时调节结束时,稳定在稳定在PL1F(f)和和 PG G(f) 两曲线的交点两曲线的交点c点点.频率为频率为f2,负荷取用的功率为负荷取用的功率为PL2,f较小较小,但仍但仍 然有差。然有差。（3）频率二次调整：频率二次调整：
12、通过发电机调频装置实现，反映频率变化而相应通过发电机调频装置实现，反映频率变化而相应 调整原动力阀门开度，完成调节系统频率。调频装置操作调速器调整原动力阀门开度，完成调节系统频率。调频装置操作调速器 的整定机构，使发电机的频率调节特性向上移为的整定机构，使发电机的频率调节特性向上移为PG1G(f)时时,则则 频率上升频率上升,负荷取用的功率增加负荷取用的功率增加,系统运行点为系统运行点为PL1F(f)和和 PG1G(f) 的交点的交点d点点,于是系统中各机组的输入功率与负荷所需的功率于是系统中各机组的输入功率与负荷所需的功率PL1又又 相平衡相平衡,系统频率可恢复为系统频率可恢复为fN.PL=
13、F(f)PL1=F(f)PG=G(f)PG=G(f)fNf2f3abcdfLfL2fL1PLP2P1f0P电力系统的功率频率特性电力系统的功率频率特性小结小结 负荷吸收的有功功率随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特性，负荷吸收的有功功率随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特性，也称为负荷的静态频率特性，这是负荷本身固有的调节效应。也称为负荷的静态频率特性，这是负荷本身固有的调节效应。 调速系统动作的起因是系统内负荷变化，发电机阻力转矩变化，造调速系统动作的起因是系统内负荷变化，发电机阻力转矩变化，造成与发电机的原动转矩（汽轮机输出转矩）不平衡；调速系统动作的目的成与发电机的原动转矩（汽轮机输
14、出转矩）不平衡；调速系统动作的目的是达到新的转矩平衡，即功率平衡。是达到新的转矩平衡，即功率平衡。 频率的一次调整通过汽轮发电机组调速系统反应机组转速变化，调节频率的一次调整通过汽轮发电机组调速系统反应机组转速变化，调节原动力阀门开度调节转速，其表现在某一条调节特性上运行点的变化，当原动力阀门开度调节转速，其表现在某一条调节特性上运行点的变化，当负荷变化较大时，调整结束时频率与额定值偏差较大负荷变化较大时，调整结束时频率与额定值偏差较大调节结果有差；调节结果有差； 频率的二次调整通过调频器反应系统频率变化，调节原动力阀门开度频率的二次调整通过调频器反应系统频率变化，调节原动力阀门开度调节转速，
15、表现为一条调节特性上、下平移，可以保证调整结束时频率与调节转速，表现为一条调节特性上、下平移，可以保证调整结束时频率与额定值偏差很小或趋于零额定值偏差很小或趋于零调节结果是无差的；调节结果是无差的； 复习思考复习思考 1.1.频率和有功功率调节的主要任务是什么频率和有功功率调节的主要任务是什么? ?2.2.在电力系统中在电力系统中, ,有了调速器对频率的一次调节有了调速器对频率的一次调节, , 为什么还要引入调频器为什么还要引入调频器, ,进行二次调节进行二次调节? ?3 3.调速器的失灵区对频率调整有何影响调速器的失灵区对频率调整有何影响? ? 3.2调频与调频方程式调频与调频方程式 目的要
16、求：了解发电机组的频率调节特性与机组间有功功率分配的关系.掌握电力系统的调频方式和调频准则,建立起经济调度与自动调频的基本概念. 重点：联合自动调频一、一、 调频定义：调频定义： 借助调频器对频率进行二次调整借助调频器对频率进行二次调整, ,此时此时 机组上装有有差特性的调速器机组上装有有差特性的调速器, ,调频器调频器 的输出作用于调速器的输出作用于调速器, ,将发电机频率调将发电机频率调 节特性适当移动节特性适当移动, ,以保持系统频率在额以保持系统频率在额 定值。定值。二、调频方法二、调频方法1主导发电机法（虚有差法）：调节过程中有差（主导发电机法（虚有差法）：调节过程中有差（f0 ）、
17、）、 调节结束时无差（调节结束时无差（f0） 一台机组上装设有调频器准则为一台机组上装设有调频器准则为: f0 其它机组上的功率随主导机组的功率按比例地变化其它机组上的功率随主导机组的功率按比例地变化,协助主协助主导发电机的调频工作。调整准则是导发电机的调频工作。调整准则是: Pi=aiP1 (i=1,2,3, n)实质：实质：当负荷变动引起频率变化当负荷变动引起频率变化,主导机组的功率首先改变，主导机组的功率首先改变， 各协助调频的其它机组作相应的功率调整各协助调频的其它机组作相应的功率调整,只有在系只有在系 统频率恢复到额定值统频率恢复到额定值,主导机组和协助调频的其它机主导机组和协助调频
18、的其它机 组间功率符合比例时为止。组间功率符合比例时为止。 应用：应用：速度较慢速度较慢 ,只适用于中小型电力系统。只适用于中小型电力系统。 2同步时间法（频率积差调节法）：频率差对时间同步时间法（频率积差调节法）：频率差对时间 的积分值的积分值-积差，控制调频器对机组功率来进积差，控制调频器对机组功率来进 行调节。行调节。调节准则：调节准则： f + Ri ( Pi - aik, f dt ) = 0 i=(1,2,m)式中式中 Ri 第第i 台机组的调差系数台机组的调差系数; ai 第第i台机组的功率分配系数台机组的功率分配系数; k, 功率与频率积差的换算系数功率与频率积差的换算系数.可
19、以体会可以体会k, f dt 是系统的计划外负荷值是系统的计划外负荷值. 实质：实质：系统中出现计划外负荷时系统中出现计划外负荷时, ,就会引起频率变化就会引起频率变化, ,产生产生f f， 各调频机组承担计划外负荷的比例由功率分配系数决定，各调频机组承担计划外负荷的比例由功率分配系数决定， 在调节过程结束时在调节过程结束时, , f f0 0 。应用：应用：采用多个调频电厂调频时，可以采用分散的调频方案。难采用多个调频电厂调频时，可以采用分散的调频方案。难 综合考虑。无法使系统中的潮统分布符合经济和安全等原综合考虑。无法使系统中的潮统分布符合经济和安全等原 则。而且在实现有功调节时，由于调频
20、机组的功率改变滞则。而且在实现有功调节时，由于调频机组的功率改变滞 后于频率偏差，造成调频过程缓慢。后于频率偏差，造成调频过程缓慢。 3联合自动调频：调度中心的自动调频装置联合自动调频：调度中心的自动调频装置,其负荷分配器其负荷分配器 可根据测得的发电机实际功率和频率偏可根据测得的发电机实际功率和频率偏 差信号差信号,按一定的准则将系统负荷分配给按一定的准则将系统负荷分配给 各机组各机组. l两种观点：两种观点：1）把联合电力系统看成是一个统一电力系统）把联合电力系统看成是一个统一电力系统 ;2）把联合电力系统看成是若干个区域电力系统）把联合电力系统看成是若干个区域电力系统. l调频方式调频方
21、式: :按系统的频差要求进行调节按系统的频差要求进行调节; 按频差要求进行调节时按频差要求进行调节时,最终维持的最终维持的 是系统频率是系统频率,而对联络线上的交换功率不加控制。而对联络线上的交换功率不加控制。按系统内联络线上交换功率的偏差要求进行调节按系统内联络线上交换功率的偏差要求进行调节; 按联络线上交按联络线上交 换功率的偏差进行调节时换功率的偏差进行调节时,最终是交换功率维持恒定最终是交换功率维持恒定,而对系统的而对系统的 频率并不控制。频率并不控制。 既按频差要求又按联络线交换功率的偏差要求进行调节既按频差要求又按联络线交换功率的偏差要求进行调节.（分散调频）（分散调频） 既按频差
22、又按联络线交换功率调节时既按频差又按联络线交换功率调节时,维持的是各区域电维持的是各区域电 网功率就地平衡。网功率就地平衡。AB联合电力系统联合电力系统频率频率交换功率特性交换功率特性PABf0A系统系统B系统系统PAB 正常运行是正常运行是A系统向系统向B系统输送有功功率系统输送有功功率PAB，要实现分区，要实现分区调频，当调频，当A负荷增加负荷增加,B负荷不变负荷不变, B系统机组出力增加系统机组出力增加,使得联络使得联络线上输送的功率线上输送的功率PAB减小减小,即即PAB0,f0. A负荷减小负荷减小,B负荷负荷不变不变 ,有有PAB0和和 f0 当当A负荷不变而负荷不变而B负荷变化时
23、负荷变化时,A系统系统的频的频-交换功率特性交换功率特性,它位于二、四象限。它位于二、四象限。 频率频率-交换功率特性的方程交换功率特性的方程 A系统系统: f+KAPAB=0 B系统系统: f -KBPAB=0 优点：实现按优点：实现按f f和和PABPAB的调节方式的调节方式. .当当A A系统内机组增加的系统内机组增加的 出力等于负荷的增量时出力等于负荷的增量时, ,系统频率恢复到额定值系统频率恢复到额定值, ,联络联络 线上输送的功率也恢复到原值线上输送的功率也恢复到原值, ,这时这时f=0,f=0,PAB=0PAB=0。分区调频方程组分区调频方程组: :A系统系统: (f+KAPAB
24、)dt+PA=0B系统系统: (f -KAPAB)dt+PAB=0维持额定频率和联络线交换功率不变维持额定频率和联络线交换功率不变. 3.3 电力系统的经济调度与自动调频电力系统的经济调度与自动调频（一）经济调度（一）经济调度 在保证频率质量的前提下在保证频率质量的前提下, 使电力系统负荷在各使电力系统负荷在各 机组间获得最佳分配机组间获得最佳分配, 使所需的运行总费用为最小使所需的运行总费用为最小 。 （二）等微增率分配负荷的基本概念（二）等微增率分配负荷的基本概念1.微增率：输入微增量与输出微增量的比值微增率：输入微增量与输出微增量的比值.b = dF / dP dF -输入消耗费用微增量
25、输入消耗费用微增量; dP -输出功率微增量输出功率微增量.机组负荷变化时消耗费用的变化机组负荷变化时消耗费用的变化b1b2:1号机组的功率减少号机组的功率减少 P,其功率变为其功率变为P1, ,相应的微增率减小相应的微增率减小至至b1, ;2号机组增加相同的号机组增加相同的P,其功率变为其功率变为P2, 相应的微增率增大相应的微增率增大至至b2, 2.等微增率法则：运行的发电机组按微增率相等的原等微增率法则：运行的发电机组按微增率相等的原 则来分配负荷。则来分配负荷。b1b2:1号机组的功率减少号机组的功率减少 P,其功率变为其功率变为P1, ,相应的微增率减相应的微增率减小至小至b1, ;
26、2号机组增加相同的号机组增加相同的P,其功率变为其功率变为P2, 相应的微增率增相应的微增率增大至大至b2, 1号机组减少的燃料消耗费用大于号机组减少的燃料消耗费用大于2号机组增加的消耗费用号机组增加的消耗费用,负荷转移可使消耗费用减少负荷转移可使消耗费用减少,当当b1等于等于b2时时,总的燃料消耗费用为总的燃料消耗费用为最小即最经济最小即最经济. 系统中并联运行的发电机组经济调度的准则是系统中并联运行的发电机组经济调度的准则是: 各机组的微增率相等各机组的微增率相等 （三）发电厂内各机组间负荷的经济分配（三）发电厂内各机组间负荷的经济分配 1.发电厂内各机组间负荷的经济分配原则等微增率准则（
27、分析）经济调度及系统调频示意图分析分析: 负荷增加负荷增加,产生产生f,经积分环节经积分环节 k1/s后得到后得到-fdt,各机组各机组调频器动作调频器动作,按同步时间法调频按同步时间法调频,使发电机组输出功率分别增加使发电机组输出功率分别增加PG1,PG2。由于各发电机组的微增率特性不一致。由于各发电机组的微增率特性不一致,上述调频过上述调频过程不会同时自然地符合等微增率准则程不会同时自然地符合等微增率准则,以致发电机组将在不符合以致发电机组将在不符合微增率相等的原则下运行微增率相等的原则下运行,各机组功率分配不经济各机组功率分配不经济.实发功率实发功率P PGiGi和和按等微增率准则要求发
28、出的功率按等微增率准则要求发出的功率P PGidGid之间存在着差值之间存在着差值, ,称之为称之为”经经济误差济误差”. . 经济调度单元的作用经济调度单元的作用: 求得这个求得这个”经济误差经济误差”,发出命令发出命令,使各机组按这一命令进行调节使各机组按这一命令进行调节,重新达到按等微增率的准则运行重新达到按等微增率的准则运行,实现负荷经济分配实现负荷经济分配. 1 - 12. 2. 发电厂之间负荷的经济分配发电厂之间负荷的经济分配 当系统微增率当系统微增率增加时增加时,各电厂的微增率各电厂的微增率bi也相应增加也相应增加,各各电厂发出的功率也将相应增大电厂发出的功率也将相应增大,直至系
29、统功率平衡直至系统功率平衡,频率回升到频率回升到额定值为止。额定值为止。最经济的分配方案：最经济的分配方案： 系统中调频电厂按系统中调频电厂按 b11 - 1b21 - 2b1=运行运行-系统微增率系统微增率 bi-各电厂电厂微增率各电厂电厂微增率 i-各电厂的线损微增率各电厂的线损微增率,即即 i=P1 / Pi小结小结 频率的二次调整方法有频率的二次调整方法有: : （1 1）主导发电机法；）主导发电机法； （2 2）同步时间法；）同步时间法； （3 3）联合电力系统调频。）联合电力系统调频。 在集中调频方式时在集中调频方式时, ,负荷的经济分配一般由调度所间隔一定时负荷的经济分配一般由调
30、度所间隔一定时间计算一次间计算一次b bi i值值, ,再由微增率曲线求得各电厂的经济功率再由微增率曲线求得各电厂的经济功率, ,然后与实然后与实发功率相比较。发功率相比较。 电力系统中无功功率是就地平衡的电力系统中无功功率是就地平衡的, ,调压可以分散进行。电力调压可以分散进行。电力系统内的有功功率必须统一调度，调频必须统筹考虑。系统内的有功功率必须统一调度，调频必须统筹考虑。 复习思考复习思考1.试对电力系统调频的三基本方法的工作特点进行比较。试对电力系统调频的三基本方法的工作特点进行比较。2.对联合电力系统进行分散调频有何优点对联合电力系统进行分散调频有何优点?3.何谓等微增率准则何谓等微增率准则,为何它能使电力系统运行最经济为何它能使电力系统运行最经济?
