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；D_Dd________ _ ^_ _ ^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围，我国国标规定的频率偏差围在土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。

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，频率偏差的允波动围非常狭窄，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，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法是自动发电控制，它是一种在允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。

随着电力系统远动技术的成熟和广泛应用，自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)已成为现代电网控制的一项重要手段，是在电网调度自动化能量管理系统与发电机组协调控制系统间闭环控制的一种先进的技术手段。

英国、挪威和美国已对电力库模式和双边合同模式下频率控制服务，尤其是AGC 的供应以及其市场运作有了一定的实践经验，但大多数仍处在理论探讨与局部试点之中。

目前我国电力市场对这个课题的研究还未深入进行，还需要在该领域作进一步的探索研究，以满足我国电力工业市场化改革对频率控制市场化的要求。

2.频率调节的必要性衡量电能质量的指标是频率和电压的偏移，频率偏移以赫兹表示，我国规定电力系统额定频率为50Hz，允的波动围为±0.2～0.5Hz。

允频率偏移的大小反映了一个工业发展水平，这与电力系统管理与运行水平有关。

电压偏移以百分数表示，允的波动围为±5%。

电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响，所以必须保持频率在额定值50Hz上下，且偏移不超过一定围。

电力系统频率变动时，对用户的影响有：用户使用的电动机的转速与系统频率有关。

频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品质量。

例如，纺织工业、造纸工业等都将因频率变化而出现残次品。

近代工业、国防和科学技术都已广泛使用电子设备，系统频率的不稳定将会影响电子设备的工作。

雷达、电子计算机等重要设施将因频率过低而无法运行。

频率变动对发电厂和系统本身也有影响：火力发电厂的主要厂用机械—风帆和泵，在频率降低时，所能供应的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。

低频率运行还将增加汽轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。

低频率运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正常电压，又要求增加励磁电流，以致使发电机定子和转子的温升都将增加。

为了不超越温升限额，不得不降低发电机所发功率。

低频率运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损耗和励磁电流都将增大。

也为了不超越温升限额，不得不降低变压器的负荷。

频率降低时，系统中的无功功率负荷将增加，而无功功率负荷的增大又将促使系统电压水平的下降。

总之。

由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业。

而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。

由于负荷变化将导致系统频率的偏移，频率变化超出允围时，对用电设备的正常工作和电力系统的稳定运行，都会产生影响，甚至造成事故。

因此应对发电功率做相应的调整，以使系统在要求的频率水平达到新的平衡，电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分为一次、二次、三次调整三种，如图1所示。

对第一种负荷变动引起的频率偏移，由发电机组调速器进行调整，称为频率的一次调整；第二种负荷变动引起的频率偏移，由发电机组的调频器进行调整，称为频率的二次调整；对第三种负荷变化，必须根据预测的负荷曲线，按优化原则在各厂（机组）间进行经济负荷分配，也称为三次调整。

近年来，由于普遍缺电，在我国出现了与上述一次、二次、三次调整迥然不同的另一种调整手段，称负荷控制。

所谓负荷控制是指个别负荷大量或长时间超计划用电以致影响系统运行质量时，由系统运行管理部门在远将其部分或全部切除的控制式。

这显然是一种不得已而采用的控制式，鉴于这种控制式目前在技术上还不够成熟。

3.自动调速系统及其调节特性调整系统频率的主要手段是发电机组原动机的自动调节转速系统，或简称自动调速系统，特别是其中的调速器和调频器(又称同步器)。

以下，就从自动调速系统的作用开始，讨论频率调整。

自动调速系统的种类很多，以下介绍的是一种相当原始的机械调速系统—离心飞摆式。

这种调速系统比较直观，但它的调节机理又和新型调速系统(如电液式调速系统)没有很大差别。

图2-2 离心飞摆式调速系统调速器的飞摆由套筒带动转动，套简则为原动机的主铀所带动。

单机运行时，因机组负荷的增大，转速下降，飞摆由于离心力的减小，在弹簧的作用下向转轴靠拢，使A点向下移动到A``。

但因油动机活塞两边油压相等，B点不动，结果使杠杆AB绕B点逆时针转动到A``B。

在调频器不动作的情况下，D点也不动，因而在A点下降到A``时，杠杆DE绕D点顺时针转动到DE`，E点向下移动到E`。

错油门活塞向下移动，使油管a、b的小开启，压力油经油管b进入油动机活塞下部，而活塞上部的油则经油管a经错油门上部小溢出。

在油压作用下，油动机活塞向上移动，使汽轮机的调节汽门或水轮机的导向叶片开度增大，增加进汽量或进水量。