1、第二篇 电力系统的电能质量及经济性能分析,第二篇 电力系统的电能质量及经济性能分析,第 8 章 电力系统的频率调整 电能质量关系用户的正常运转，经济效益，维系着电力系统运行的安全性，衡量电能质量主要指标是频率和电压的偏移。 8.1 电力系统中有功功率的平衡 电力系统的频率是衡量电能质量的重要指标，调整频率尽量使之保持为额定值，这是电力系统运行工作必不可少的任务。,第 8 章 电力系统的频率调整,8.1.1 电力系统调整频率的必要性 同步发电机的感应电势的频率和同步发电机的转速之间存在如下关系,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,当负荷功率变化-引起同步发电机电磁功率
2、 变化时，原动机功率因惯性不能突变，将引起 发电机转速的变化。 在正常稳态运行时，电力系统中并列运行的所有同步发电机均保持同步运行，这时整个电力系统的频率是一固定值。,第 8 章 电力系统的频率调整,电力系统中的负荷是时刻变化-负荷增大反映到同步发电机上是其输出的电磁功率增大。 同步发电机的输入功率因惯性不能立刻变化，发电机输出的电磁功率便大于发电机的输入功率，使同步发电机的转速减小，同步发电机感应电势的频率随之减小，即系统的频率减小。反之则增大。,第 8 章 电力系统的频率调整,调整原动机的输出功率使之追踪负荷的变化，保持原动机输出功率与同步发电机输出电磁功率之间的平衡。,第 8 章 电力系
3、统的频率调整,频率变化对电能用户有以下的影响： (1)电力用户使用的电气设备中绝大多数是异步电动机，其转速与系统频率有关。频率变化将引起电动机转速变化，从而影响产品的质量。 如纺织、造纸等工业将因频率变化而出现残次品。 (2)电动机的有功功率与系统频率有关。系统频率的降低，就会使电动机的有功功率降低，将影响所传动机械的出力降低生产率。 如机械工业中大量的机床设备。,第 8 章 电力系统的频率调整,(3)近代工业、国防和科学研究部门广泛使用电子设备系统频率的不稳定会影响电子设备的工作特性，降低准确度，造成误差。 频率过低，雷达、电子计算机等重要设施将无法运行。,第 8 章 电力系统的频率调整,系
4、统频率的变化，对发电厂及系统本身也有影响 (1)火力发电厂的主要厂用设备是水泵和风机它们由异步电动机带动。 系统频率降低，电动机输出功率减少，所供应的水量和风量就会迅速减少，影响锅炉和发电机的正常运行。若系统频率降低过多，电动机将停止运转。 高压水泵停止运转，迫使锅炉停炉，汽轮机的离心式主油泵油压下降自动关闭主汽门，造成停机；,第 8 章 电力系统的频率调整,发电机通风量减少，要维持正常电压，就需增大励磁电流，发电机定于和转子的温升将增高，为了不超越温升限额，将迫使降低发电机所发功率。 倘若发电厂出力减少，系统频率会进一步下降，形成恶性循环，导致频率崩溃系统瓦解。,第 8 章 电力系统的频率调
5、整,(2)系统频率较低，容易引起汽轮机叶片共振，缩短叶片寿命，严重时会使叶片断裂。 (3)系统处于低频状态下远行时，异步电动机和变压器主磁通量的增加励磁电流随之增大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平的降低，给系统电压调整带来困难。 频率偏移必须保证在允许的范围内。,第 8 章 电力系统的频率调整,电力系统频率发生变化是由有功负荷变化所引起。然而系统中的负荷又随时都在发生变化， 对电力系统频率进行调整，调整系统频率就必须随着系统中有功负荷的变化情况，系统都具备可供调整的电源有功功率。 保证系统频率质量，首先是系统中要有充足的有功电源容量，使任何时到系统的有功功率在“供”与“求”之间保持
6、平衡。,第 8 章 电力系统的频率调整,8.2 电力系统中有功功率的平衡 负荷随时间负荷变动规律分解为三种。 第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动有很大的偶然性。 第二种变动幅度较大，周期也较长，属于这种的主要有电炉、压榨机械、电气机车等帮有冲击性的负荷变动 第三种负荷变动幅度最大，周期也是长，这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。第三种变动基本上可以预计，因此，简言之，电力系统中负荷变动的幅度愈大，周期就愈长。负荷变动的幅度和周期大致有图中曲线所示的关系。,第 8 章 电力系统的频率调整,电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分一次、二次、三次调整三种。,一次调整或频率的
7、一次调整指由发电机组的调速器进行的、对第第一种负荷变动引起的频率偏移的调整。 二次调整或频率的二次调整指由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变引引起的频率偏移的调整。 三次调整的名词不常用，它其实就是指按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先结定的发电负荷曲线发电。,第 8 章 电力系统的频率调整,二、有功功率负荷曲线的预计,进行有功功率和频率的三次调整时引以为据的多半是有功功率日负荷曲线。 预计有功功率日负荷曲线的方法不止一种，但都要运用累积的运行记录。 连续曲线，则往往还需对它们加工。加工的原则是：加工前后两种曲线上最大、最小负荷等待征点应一致；两种曲线下阴影面积，即负
8、荷消费的电能应一致。加工方法示于图,编制预计系统有功功率日负荷曲线的要点：,根据各大用电量用户申报的未来若干天的预计负荷 参照长期累积的实测数据 汇总、调整用户的用电，并加以网络损耗 系统中各发电厂预计可投入的发电设备和发电容量 气象条件的变化 科学的统计分析方法：其中有所谓“回归分析”、“时间序列分析”,三、有功功率电源和备用容量,三、有功功率电源和备用容量,三、有功功率电源和备用容量,有功功率电源 备用容量： 1、定义：系统电源容量大于发电负荷的部分 2、分类：备用的形式：热备用和冷备用或 备用的目的：负荷备用、事故备用、检修备用 和国民经济备用. 热备用指运转中的发电设备可能发的最大功率
9、与系统发电负荷之差，因而也称运转备用或旋转备用 冷备用则指未运转的发电设备可能发的最大功率。检修中的发电设备不属于冷备用 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，大系统采用较小数值，小系统采用较大数值,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。 检修备用是
10、使系统中的发电设备能定期检修而设置的备用只有在系统负荷季节性低落期间和节假日安排不厂所有设备的大小修时，才需设置专门的检修各电容量。 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,备用容量的相互关系,具备了备用容量，才可能在系统中各发电设备和发电厂之间的最优分配以及系统的频率调整问题。,第二节 电力系统中有功功率的最优分配,有功功率的最优分配有两个主要内容，即有功功率电源的最优组台和有功功率负荷的最优分配。 有功功率电源的最优组合指的是系统中发电设备或发电厂的合理组合，也就是通常所谓机组的合理开
11、停。它大体上包括三个部分：机组的最优组合顺序、机组的最优组合数量和机组的最优开停时间。 有功功率负荷的最优分配指的是系统的有功功率负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配。通常所谓负荷的经济分配则是指这一方面。最常用的则是按所谓等耗量微增率准则的分配。,一、各类发电厂的运行特点和合理组合,1各类发电厂的运行特点,一、各类发电厂的运行特点和合理组合,1各类发电厂的运行特点,水力发电厂的特点是： (1)水电厂水轮机的最小技术负荷决定于水轮机运行时的“气蚀现象”。气蚀会使设备遭受机械破坏，形成强烈噪音，严重时可引起整个机组振动，甚至使水轮机不能运行。 随着技术发展可从设计、制造工艺及安装等
12、方面采取措施，使气蚀的破坏作用得以减轻或解决。所以，现在水轮机没有严格的最小技术负荷要求，从而水电厂发电机功率的调整范围极宽。,(2)水轮机组的投入、退出所需时间短，操作简单，不需多耗能量及额外费用。可以承担急剧负荷的变化。 (3)水电厂水头过低时，发电机组的可发功率要降低，达不到额定容量的出力。 (4)水电厂运行费用低且水能可以梯级开发连续使用。抽水蓄能的机组在系统负荷处于低谷时，可作为系统负荷当作抽水机使用提水入库，将电能转化为水库中水的位能，起存储能量作用。,(5)水电厂依水库调节性能不同而在不同程度上受到自然条件的影响。水库按调节方式可分为有调节水库和无调节水库。 有调节水库按调节周期
13、又可分为日调节、季调节、年调节和多年调节等几种。 调节周期越长，水电厂受自然条件的影响越小。无调节水库水电厂的出力取决于水流的天然流量，一日内基本变化不大。有调节水库水电厂出力主要取决于调度部门结定的耗水量，在洪水季节为避免弃水常常满负荷运行，在枯水季节，结定耗水量较小，为尽可能有效利用这部分水量，节约火电厂的燃料消耗，往往承担急剧变动的负荷。,(6)为综合利用水能，保证河流下游的灌溉、航运、以及下游电站的发电，必须规定水电厂向下游释放一定水量，对应这部分水量发出的功率是强迫功率。,2各类发电厂的合理组合,火电厂以承担基本不变的负荷为宜，可避免频繁开停设备或增减负荷，高温高压电厂因效率最高，应
14、优先投入，由于它们可灵活调节的范围较窄，在负荷曲线的更基底部分运行更恰当，承担基荷。 其次是中温中压电厂。 低温低压电厂设备陈旧、效率很低，应及早淘汰。而在淘汰之前只能在高峰负荷期间用以发必要的功率。 。,2各类发电厂的合理组合,原子能电厂的可调容量虽大，原则上应持续承担额定容量负荷，在负荷曲线的更基底部分运行。 无调节水库水电广的全部功率和有调节水库水电厂的强迫功率都不可调，应首先投入。有调节水电厂的可调功率，在洪水季节，为防止弃水，往往也优先投入；在枯水季节则恰相反，应承担高峰负荷。枯水季节将水电厂的可调功率移在后面投入，不仅可使火电厂的负荷更平稳，从而减少因开停设备或增减负荷而额外消耗的
15、燃料，而且可使系统中的功率分配更合理，从而节约总的燃料消耗。,抽水蓄能电厂在低谷负荷时，其水轮发电机组作电动机水泵方式运行，因而应作负荷考虑；在高峰负荷时发电，与常规水电厂无异。,综上所述，可将各类发电厂承担负荷的顺序大致排列如下 枯水季节： (1)无调节水电厂； (2)有调节水电厂的强迫功率； (3)热电厂的强迫功率； (4)原子能电厂； (5)燃烧劣质、当地燃料的火电厂；,6)热电厂的可调功率； 7)高温高压火电厂， 8)中温中压火电厂； 9)低温低压火电厂(不一定投入） 10)有调节水电厂的可调功率。 11)抽水蓄能水电厂 洪水季节： 和枯水季节的不同在于这时有调节水电厂的可调功率往往也
16、归入强迫功率成为不可调功率。,各类发电厂组合顺序示意图：,负荷曲线的最高部位往往是兼负调整系统频率任务的发电厂的工作位置。系统中的负荷备用就设置在这种调频厂内。,8.3 电力系统频率特性 （一） 负荷的频率静态特性 电力系统的用电设备从系统中取用的有功功率的多少，与用户的生产状况有关，与接入点的系统电压有关，还与系统的频率有关。设前两种因素不变，仅考虑有功功率负荷随频率变化静态特性关系，称为负荷的频率静态特性。,（二）用电设备的有功功率负荷分类 (1)与频率无关的负荷，如照明、电弧炉、整流器负荷等。 (2)与频率一次方成正比的负荷，如球磨机、切割机床、压缩机、卷扬机、往复式水泵等。 (3)与频
17、率二次方成正比的负荷，如变压器的涡流损耗。 (4)与频率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)与频率的高次方成正比的负荷，如静水阻力很大的给水泵。,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,该特性可用曲线表示由于实际系统中允许频率变化的范围很小，而在负荷的组成市一次方关系的负荷比例较大所以负荷的功频静特性可近似为一直线实际系统实测的结果也表明在额定频率附近系统负荷的有功功率与频率变化近似成线性关系，如图所示。图中直线斜率为,第 8 章 电力系统的频率调整,（三）发电机的功频静态特性 当系统的有功功率平衡遭到破坏而引起频率变化时，原动机的调速系统
18、将自动地调整原动机的进汽量，相应地增加或减少发电机的出力。 当调速器的调节过程结束，建立起新的稳定状态时，发电机的有功出力同频率之间的关系称为发电机组调速器的功率频率静态特性（简称为功频静态特性）。,第 8 章 电力系统的频率调整,调速系统由四部分组成：测量部件飞摆、弹簧等；放大部件错油门(管制器)； 执行部件一油动机(接力器)；转速控制部件伺服马达及蜗轮、蜗杆传动机构。 、 、 组成调速器，实现频率的一次调整； 、 、 组成调频器、实现频率的二次调整。它的工作原理如下。,1调速器的工作原理 调速系统调整的结果是： 对应着负荷增大时，发电机的输出功率增加，其频率低于初始值；反之，如果负荷减少，
19、调速系统调整的结果是使输出功率减少，其频率略高于初始值。这就是频率的一次调整，它是由调速器自动完成的。由于调整的结果是频率不能恢复原值，故一次调整是有差的调整。,2发电机组的频率特性,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,3调频器的工作原理 由上述分析可知，仅依靠调速器实行频率的一次调整不能维持发电机转速不变，即不能维持系统频率不变。如果负荷功率的变化(增加或减小)幅度较大时，频率偏移(下降或上升)也较大，有可能超出允许的范围。因此，为了维持频率不变或限制频率偏移在允许范围内，都需要对频率进行二次调整，这由调速系统中的调频器来完成。下面
20、仍以负荷增加的情况说明其动作原理。,第 8 章 电力系统的频率调整,这一调整过程(即。的上、下移动)的结果，反映在机组的功频静特性上是特性线向上或向下的平行移动，如图所示。 表示发电机输出功率为P1时频率达到额定值； 表示发电机的功频静特性由于调频器动作而上移，在发电机满载时达到额定频率： 表示在调频器作用下使发电组的功频静特性下移，在空载时达到额定频率。 这就是调频器的动作原理，此调节过程称二次调整 或调频，其动作是手动或自动操纵伺服马达来控制。,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,4. 电力系统等值机的频率特性 对于多机系统，电源的功频静特性应是系统机组的等值功
21、频静特性，或称等值机的频率特性，图示。当系统中有多台装有调速器的发电机组时，研究其等值频率特性就须计算全系统机组的平均单位调节功率KG。,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,8.3 电力系统的频率调整 8.3.1 频率的一次调整,第 8 章 电力系统的频率调整,KS愈大就愈能保证频率质量。换言之，保证频率质量的前提是系统必须具备充足的有功电源容量。 否则为满足负荷需求，必然会使一些机组满载运行，相应地使系统KS减小，在负荷增加时，就不能保证频率质量。,第 8 章 电力系统的频率调整,8.3.2 频率的二次调鳖 当电力系统由于负荷变化引
22、起的频率变化，依靠一次调整作用已不能保持在允许范围内 时，就须手动或自动地操作发电机组的调频器，使发电机组的功频特性平行地上下移动来改变发电机的有功功率，以保持系统的频率不变或使频率变化在允许范围内。,第 8 章 电力系统的频率调整,第 8 章 电力系统的频率调整,8.3.3 互联系统的频率调整 大型电力系统都有几个负荷中心，通常将这样的系统分成几个相互联系的子系统，各子系统之间的输电线作为联络线用以交换功率。 当主调频厂未设在负荷中心(如水电厂为调频厂)时，可将主调频厂向负荷中心输送功率的输电线作为联络线处理。因此，提出了在调整系统频率的同时控制联络线上交换或输送功率的问题。,(1)系统频率
23、的变化取决于联合系统总的功率缺额及 总的单位调节功率。 (2)如A系统没有功率缺额，即PA0，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PB0 ，联络线上由A流向B的功率减小。 (3)如B系统没有调频厂，即PG B0 ，B系统的功 率缺额全部由A系统增发的功率来补偿，若要保持 f=0(PA PB) ，这时联络线上功率变化Pab =- PA =PB，即B系统的功率缺额PB 全部通 过联络线由A输送到B。这就是调频厂远离负荷中心 而且要实现无差调节的情况。,五、电力系统的频率调整原则 在电力系统中，各发电机组所带负荷的多少，是由系统调度员按系统的经济运行方案事先编制好的发电计
24、划所决定的。当系统的频率因系统负荷的变化而变化时，一般情况下，发电厂值长未经调度员允许是不得随意采用增减负荷的方法来调频的。因为这样做不仅不能使系统迅速平稳地恢复到额定频率，反而会引起系统的紊乱和破坏经济运行。因此，调整频率就是发电厂之间或各发电厂中的各机组之间的有功功率按合理的、经济的预定方案进行分配的问题。,在大型电力系统中，调频过程很复杂。为了避免在调频过程中出现过调或频率较长时间不能稳定的现象，调频工作必须进行分工和分级调整。全系统由具有调频能力的发电机组都参加进行一次调频，然后由1-2个电厂承担二次调频，称其为主调频电厂，以负责全系统的二次调频工作。另外再选少数几个电厂作为辅助调频厂，它们只在电力系统频率偏移超过某一规定的范围时才参加调频。而非调频电厂在电力系统正常运行情况下，则按预定的日发电计划发电。,
