5-2 电力系统的有功功率平衡和频率调整(2018)

我国电力系统的额定频率：50Hz 频率的允许偏差范围：±0.2Hz
德国物理学家 海因里希·鲁道夫·赫兹
Heinrich Rudolf Hertz
二、频率偏移有何影响？
电力设备在额定频率下具有最好的技术经济性能， 频率是电能质量的一个重要指标。
用户观点：要求提供频率合格的优质电能商品。
①异步电动机：f变化，转速变化，影响产品质量；
电力系统的频率水平取决于什么？
M T M E PT Pe PG PLD
电力系统的频率水平取决于系统有功功率平衡 关系,且必须使电力系统的有功功率在额定频率 或其允许偏移范围内保持平衡。
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M T M E PT Pe PG PLD
造成电力系统频率下降主要原因是发电机有功出力 不足。
机参与调频
说明：以上调频指的是二次调频
特指二次调频
5）如何选择调频机组（厂）？
(3)主调频厂的选择条件
①具有足够的调节容量和范围 ②具有较快的调节速度 ③具有安全性与经济性 ④ 机组调整功率时，在联络线上引起的功率变
动及指定中枢点的电压波动应在允许范围内。
(4)水火电厂并存系统中的主调频厂选择
冷备用（停机备用）：未运转的，但能随时启 动的发电设备可以发的最大功率（不含检修中 的设备）。
冷热备用须有合理比例。
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按用途分：
负荷备用 检修备用 事故备用 国民经济备用
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总结梳理
ks kG kLD
PG ( f )
一次调频
备用容量 二次调频
f 变化？
f np 60 n变化
PLD ( f )
MT ME
MP
PT PE
PG PLD
本章小结
1.频率为什么会变化？我国允许频率偏移量？ 2.为什么进行频率调整？频率偏移有何影响？ 3.现代电力系统如何实现频率调整？
频率调整的方式 一次调频、二次调频的原理和特点 频率控制的原则 电力系统有功功率平衡关系方程式 备用容量的分类和作用
转距、电磁转距、摩擦转距
机械转距是推动转距，使发电机转速增加 电磁转距是制动转距，使发电机转速降低
Me
nN 恒定
MT Me
频率偏移可以避免吗？
MT
PT
M T M E PT Pe
PG
50.0Hz
50.2
49.8
发电
Me
Pe
用电
PLD
结论：频率偏移不可避免。 负荷变化是造成频率偏移的直接因素。
B
加一个量，即对
PLD
PN
N
PLD
f
f
0
f1 f2 fN
PG PG PG
f
于同样的频率偏 移，允许的负荷 变化加大了（对 于同样的负荷变 化，系统的频率 偏移将减小。）
3）二次调频的 原理和特点
可以实现频率的无差调节。 依靠发电机组的调频器 （同步器）来调节 由一个或数个发电厂（主调频厂）来承担。
电压 。
同步发电机产生的正弦基波电动势的频率
三、系统频率为什么会变化？
ea Em sin 2ft eb Em sin(2ft 120) ec Em sin(2ft 120)
系统频率与发电机
转速的关系
转子转速
f np 60
转子极对数
fN 恒定
nN 恒定
三、系统频率为什么会变化？
MT
发电机转轴上有三个转距作用：机械
六、电力系统有功功率平衡及备 用容量
⑴系统有功功率平衡方程式
厂用电功率
PG PLD P Pp
电力系统的频率水平取决于系统有功功率平衡 关系,且必须使电力系统的有功功率在额定频率 或其允许偏移范围内保持平衡。
⑵备用容量的分类及形式
按投入时间分类
按用途分类
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按投入时间分类
热备用（旋转备用）：运转中的发电设备可能 发出的最大功率与实际发电功率之差。
六、电力系统有功功率平衡及 备用容量
kS
kG
kLD
P f
电力系统的单
kG*
PGN fN
k LD*
PLDN fN
P f
位调节功率
kG*
PGN PLDN
k LD*
P / PLDN f / fN
P* f*
kS*
备用系数
kS* kG*kT kLD*
在有备用容量的情况下，将增大系统的单位调节功率。
P1：一次调频/ 调速器
P2：二次调频/调频器
P3：在有功功率平衡的基础上， 依据负荷曲线，经济合理地在各发 电厂间进行分配（电力系统经济运 行）。
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2）一次调频的原理和特点
电力系统的单 位调节功率
P
A
ks kG kLD
1
P1
PLD
PN
B P
N
m
kG＝ kGi
i 1
kS＝kG＋kLD
0
f1
fN
f
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五、现代大电力系统的频率如 何控制？
1）电力系统负荷变化与频率调整方式
电力负荷变化的3种分量
P1：变化幅度小，变化周期较短 （一般为10s以内）；随机性大；
P2：变化幅度较大、变化周期较 长（一般为10s～3min）；
P3：变化缓慢的持续变动负荷， 由负荷曲线反映。
3种调整方式
辅助调频厂:协助主调频厂调频，一般由少数电厂承 担；
非调频厂：一般按负荷曲线发电，不参与调频。
说明：以上调频指的是二次调频
(2)电厂的调频职责
调度规程规定：
频率偏移不超过±0.2Hz，由主调频厂调频 频率偏移超过±0.2Hz时，辅助调频厂参加调频 频率偏移超过±0.5Hz时，系统内所有未满负荷发电
结论：实现有功在额定频率下的平衡是保证频率质量 的基本条件。要求：发电机有功出力充足。
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四、电力系统的频率变化如何分析？
MT
PT
P G
F(f 1
)
(发电机组 的功频静态
PG
特性)
50.0Hz
50.2
49.8
发电
supply
用电 load
PLD
ME
Pe
(负荷的静态频率特性) PLD F2 ( f )
PLD
f
0
f1
fN
系统的单位调节
PG
功率越大，频率越
f 稳定。
2）一次调频的原理和特点
只能实现频率的有 差调节；
依靠调速器自动调 节;
除满负荷运行的机 组外，系统的所有发 电机组都自动参与。
3）二次调频的原理和特点 进行二次调频时
P
系统的单位调节
A
功率并未改变。
P2 P1
P
2
1
D
P
二次调频使发电 机的输出功率增
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一、二次调频作用比较
ຫໍສະໝຸດ Baidu比较内容
调整类型
作用时间
作用对象 作用效果
一次调整
10s
原动机的阀门位置
二次调整 0.5~2min 调频电厂的发电机组的燃烧系统
负荷发生变化引起频率时：首先由一次调整进行快速调节， 二次调整发挥作用的时间更长。
一、二次调频作用比较
（1）一、二次调整频发挥作用从时间、效果上不同，二 者缺一不可，同时保证系统的安全性和稳定性。
负荷调节效应系数
P kLD f
单位：MW/Hz
kLD*
P f
PLDN fN
P* f*
kLD*
P f
PLDN fN
P* f*
① kLD*的大小取决于全系统各类负荷的比重，不同 系统或同一系统不同时刻值都有可能不同，不能人为 调节。
② kLD*的值通常由试验或计算求得，实际系统 kLD* ＝1~3 。
②电子设备：对f敏感，要求更高，现代投资环境。
二、频率偏移有何影响？
电力系统观点：频率偏移威胁电力系统自身的正 常运行
①火电厂主要设备：水泵、风机、磨煤机都是异步电动 机，f ，转速 ，输出 ，发电有功功率 ，f进一步 ；
②汽轮机叶片：f 变化，共振，缩短寿命，严重时断裂； ③电机和变压器励磁：f ，消耗无功 ，无功不足时，
kG*
PG f
PGN PG*
fN
f*
kG*
PG f
PGN PG*
fN
f*
① kG的大小与机组类型、调速机构有关。 汽轮发电机组kG* ＝16.7 ~25 水轮发电机组kG* ＝25~ 50
② kG可人为调节整定，由调速器控制。
2）发电机组的静态功频特性（调频器的作用）
P
调频器的调节 特性反映在发电 机组静态功频特 性曲线上，就是 PG 将该曲线向上 PG （或向下）平移。
系统中有水电厂时，一般选水电厂作调频厂； 若水电厂调整容量不够或没有水电厂，可选中温中压的火 电厂作为调频厂。
枯水季节：水电厂为主调频厂； 丰水季节：选择装有中温中压机组的火电厂作为主调 频厂。
六、电力系统有功功率平衡及 备用容量
系统中有功功率电源的出力 不仅应满足在额定频率下系统 对有功功率的需求，且为了适 应负荷的增长，还应该有一定 的备用容量。
*一次调频的作用一直存在 *二次调频保证系统的安全和频率质量
（2）一次调频快，但要调用备用容量，使系统稳定性下 降，所以作用时间短；
（3）二次调频的作用是把一次调节容量置换出来，保证 系统具有充足的秒级调节容量，从而保证系统稳定性。
5）如何选择调频机组（厂）？
(1)根据调频职责，电厂的分类
主调频厂:负责全系统的频率调整工作，一般由1个 发电厂担任；
第3篇 网络分析与运行控制
第五章 电力系统稳态分析 --稳态运行与控制
2
§5.2 电力系统的有功功率平 衡和频率调整
3
课程纲要
（1）电力系统的频率为什么变化？ （2）电力系统的频率变化如何分析？
2个静态频率特性 （3）一次调频和二次调频的特点
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一、电力系统的频率如何定义？
定义：电力系统中的同步发电机产生的正弦基波电 动势的频率。单位：Hz
（1）负荷的静态频率特性
1)负荷与频率的关系
①不受频率影响的负荷 （白炽灯、电阻器、电热器）
PC
PLD F2 ( f )
②与频率变化成正比的负荷(磨粉机等异步电动机)
异步电动机 的力矩
P M 2f
p
异步电动机 的极对数
③与频率高次方成正比的负荷
P M 2f （M是频率f 的高次方函数）
p
系统总负荷：以PLDN , fN为基准值
P P P ( f ) P ( f )2 P ( f )3
LD
0 LDN
f 1 LDN
f 2 LDN
f 3 LDN
N
N
N
P f f 2 f 3
LD*
0
1*
2*
3*
前两种负荷占主要成分，在fN附近近似直线。
2）负荷静态频率特性
4）频率控制原则
控制原则一：带调速器的机组，只要有可调容 量，都参加一次调频。
控制原则二： 二次调频由部分电厂（主调频机 组（厂））承担，负荷增量主要由它们承担 （AGC：Automatic Generator Control）
还应注意以下两点：①电源联络线上的交换功率； ②调频引起的电压波动是否在允许偏移范围之内。
（2）发电机组的静态功频特性
①发电机组频率调整的主要手段是原动机自动调速系 统，主要包括调速器和调频器。
调速器、调频器的工作原理
②发电机组的静态功频特性取决于调速系统的静特性。
1）发电机组的静态功频特性（调速器的作用）
单位调节功率
kG
PG f
静态调差系数 （调差率）
1 - f
kG PG