电力系统有功功率平衡 电力系统稳态分析陈珩

电力系统的频率调整

电能相对于其他一、二次能源具有易于输送的特点，尤其电能在远距离输送时，无论在经济性、安全性及损耗等方面都具有显著优势，这使其成为现代社会最重要的能源类型之一。保证以及提高电能质量是世界所有电力企业的共同目标。电能质量的好坏一般由一系列电网运行状态参数来衡量，衡量电能质量的指标有频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。可见，电网频率质量是电能质量中最重要的指标之一。电网中绝大多数发电及用电设备均按照电网额定频率生产制造，一般只能够在较小的频率偏差下正常使用。当频率偏差较大时，电气设备可能会出现低效乃至损坏等问题，从而造成经济损失甚至人身安全事故。

电网频率与电网整体有功功率的平衡直接相关。若电网中的总发电功率大于总负荷吸收功率，则电网频率上升；反之则电网频率下降。因此，保证电网频率质量的问题，可转化为保证电网整体有功功率平衡控制质量的问题。由于在目前的技术条件下，电能尚无法实现大规模直接存储，因此有功功率平衡质量的保证只能依赖于电能在发、输、配、用各环节中实现实时功率平衡。在有功功率平衡控制问题的研宄中，一般将输配电过程中的功率损耗看作等效负荷，因此，电网有功功率平衡控制问题主要是发电与用电的平衡控制。

表面上看，电网的有功功率平衡控制问题似乎是十分简单及清晰的，即电网中的发电功率与用电功率需要实时平衡。然而，在实际操作层面，即电网如何具体且高质量地实现实时的有功功率平衡却较为复杂。有功功率平衡控制及其性能评价作为互联电网有功功率平衡控制问题中的一个环节，与其他环节间相互影响、相互制约，因此，必须首先对所究问题的背景及相关概念加以分析和梳理。

1有功功率平衡和平率调节相关基本概念

1.1频率

频率是电力系统中同步发电机产生的交流正弦电压的频率。在稳态运行条件下，所有发电机同步运行，整个电力系统的频率是相等的。并联运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为

(1.1)

式中为发电机频率，Hz；

为发电机转子的极对数；

为机组转速，r/min。

系统频率的变化是由于负荷功率与原动机输入功率之间失去平衡所致。由于

机械惯性的作用，原动机输入功率变化较缓慢，负荷的变化使系统频率产生波动。

假如分离的区域没有参与速度调节的旋转备用，则有三种因素会导致分离区域的

系统频率下降：

(1)过负荷的量(即发电出力的缺额)；

(2)作用于区域负荷的负荷阻尼系数；

(3)代表区域内所有发电机总转动惯量的惯性常数。

由上式可知，要控制发电机频率就得控制机组转速。

1.2频率质量

电网运行中使用“频率”这一物理量来衡量电网中发电机、电动机同步转速的快慢。凡是连接到同一电网上的发电设备及用电设备均是按照相同的同步转速所设计和制造，即只有在电网额定频率下，电气设备才能达到最高的使用效率和最长的设计寿命。当电网频率高于或低于额定频率超过一定限度时，电气设备的效率会开始下降；若频率进一步偏移，还有可能直接损害电气设备。因此，电网的频率质量是电能质量中最重要的指标之一。

频率偏差有一定的允许范围，我国国标规定的频率偏差范围在土0.2HZ，而在现代大型互联电网的实际运行中，频率偏差的控制目标一般在土以内。以我国的额定频率为基准值进行计算，土的控制偏差仅相当于±的百分比偏差。可见，频率偏差的允许波动范围非常狭窄，因此，对电网频率控制的要求相对较高。

电力系统运行的特殊性在于，电能的生产、输送、分配和使用等环节瞬间完成，即，发电设备在任意时刻所生产的电能总和，与该时刻用电设备在系统中取用的电能和输配过程中旳电能损耗之和相等。另外，在目前的技术条件下，发电机输出功率的调整还不能做到随调随到，而高效率的大规模能量存储还无法实现，因此，运行中的频率偏差控制问题复杂而难解。根据能量守恒定律，当发电功率大于负荷吸收功率时，所多余的功率将转变为他形式的能量，除小部分转化为热能等，最大的部分是转化为

与电网同步旋转设备的旋转动能。此处的旋转设备不仅包括发电机、电动机的转子部分，还包括了与转子物理连接的所有惯性元件。根据理论力学中旋转动能的相关理论，旋转动能的数量与旋转角速度的平方成正比，而电网运行中，同步旋转角速度与电网运行频率呈线性比例。因此，保证电网频率质量就是保证电网内发电功率与负荷吸收功率互相平衡的控制质量。

应该明确的是，电网频率与有功功率平衡的关系是整个互联电网层面上的关系，因此，单独某一地区的有功功率的不平衡并不意味着电网频率一定会变差。实际上，只要保证整个互联电网整体的发电与负荷功率平衡，电网的频率质量就可以保证。这一特性也是可以形成互联电网电力市场的理论基础之一：电能多的地区可以多发电向其他地区售卖；电源性能好的地区可以向其他地区提供有偿的辅助调节服务，从而形成资源互补，提高电力系统运行品质。

1.3有功功率平衡及其控制

如上节所述，电网频率与电网整体有功功率平衡相关，因此，严格意义来说，电网频率质量与电网运行中所有涉及有功功率的环节有关。按照时间尺度，可大致划分为以下三个主要环节：

（1）电网规划。主要指电厂规划、选址以及建设等，电气上对应电源的电气位置和发电容量，其时间尺度以年为单位。

（2）发电计划。包括电量计划、功率计划、检修计划等，电气上对应于电源的接入或退出，及其输出功率的数量，依照时间尺度，从日前计划到年度计划。

（3）实时频率调节。包括频率的一次、二次以及三次调节，电气上对应于电源输出功率数量上的调整，时间尺度是在有功功率不平衡事件发生后数秒至数十分钟。

有功功率平衡控制这一概念，通常不包含事前的计划部分，而仅指实时频率调节，在独立电网与互联电网中，这一概念的含义又略有不同。在独立电网中有功功率平衡控制包含了所有的频率调节手段，主要是频率的一次、二次以及三次调节；在互联电网中，有功功率平衡控制的主体为控制区域，区域的一次、二次以及三次调节在功能上与独立电网相比均有所变化，此时，互联电网中的有功功率平衡控制更多地是专指控制区域二次调节中的自动发电控制(Automatic Generation Control 简称AGC)。

现代电力网络控制的一个重要方法是自动发电控制，它是一种在允许的调节偏差阈值下对频率进行实时追踪，从而及时调整发电机组的转速和输出功率。随着电力系