电力系统有功功率与频率调整

郑州电力职业技术学院毕业生论文题目：＿浅谈电力系统有功功率与频率调整系别＿＿＿电力工程系＿＿＿＿专业＿继电保护及自动化班级＿＿＿15继电3班＿＿＿＿学号＿＿15401020341姓名＿＿＿＿张高原＿＿＿＿论文成绩答辩成绩综合成绩指导教师主答辩教师答辩委员会主任浅谈电力系统有功功率与频率调整摘要本文首先介绍了电力系统有功功率与频率调整的基本知识，有功功率的应用、意义及；频率调整的必要性，电压频率特性，频率的一二次调整，以及互联系统中的频率的一二次调整，调频与调压的关系，以及电力系统频率调整在个类电厂中得作用。

关键词：有功功率频率调整互联系统目录1电力系统有功功率与频率调整的意义 (1)2频率调整的必要性 (1)2.1频率变化的危害 (1)2.2电力系统负荷变动规律 (1)3电力系统的频率特性 (2)3.1负荷的有功功率－频率静态特性3.2电源的有功功率－频率静态特性3.2.1同步发电机组的调试系统 (2) (4) (4)3.2.2调速系统框图 (4)3.2.3同步发电机组的有功功率-频率静态特性 (4)4电力系统的频率调整 (6)4.1频率的一次调整 (6)4.1.1基本原理 (6)4.1.2基本关系 (6)4.1.3多机系统的一次调频 (7)4.2频率的二次调整 (9)4.2.1基本原理 (9)4.2.2基本关系： (10)4.2.3基本理论： (10)4.3互联系统的（二次）频率调整 (10)4.3.1基本关系 (10)4.3.2注意要点： (10)4.4调频与调压的关系 (11)4.4.1频率变化对电压的影响4.4.2电压变化会频率的影响 (11) (11)4.4.3注意 (11)5电力系统的有功平衡与备用容量 (12)5.1有功平衡关系 (12)5.2备用容量 (12)6电力系统负荷在各类发电厂的合理分配 (12)6.1火力发电厂的主要特点6.2水力发电厂的主要特点 (12) (13)6.3抽水蓄能水电厂的主要特点 (13)6.4核能发电厂的主要特点 (13)总结 (14)致谢 (15)参考书籍 (16)1电力系统有功功率与频率调整的意义发电机的输出电压和输出电流是有限制的，发电机的负荷是以伏安计算的（即电流有效值乘以电压有效值，视在功率），当负载的功率因数为全部转换成有功功率输出。

当负载的功率因数很低时，比如1时，发电机负荷可以0.5，这时，即使发电机满负荷运行（输出电流达到其额定值），实际只能输出一般的功率，发电机效率很低。

另一方面，功率因数很低时，电能不断地在负载和发电机之间交换，电流在线路上产生损耗。

发电机必须在一定频率下稳定运行，如果不对频率进行控制，会造成发电机运行失速，造成电网频率崩溃。

2频率调整的必要性2.1频率变化的危害(1)对用户：①IM出力，受f影响→影响生产（产量、质量、安全）②电子通信设备受f影响→可靠性、准确性和精度(2)对系统：①机组及辅机出力、效率受f影响——f↓→PG↓、η↓→PG↓↓→f↓↓②f↓↑→机组应力、受命↓；③f↓→变压器、IM的Xm↓→I0↑→I02Xm ↑↑→系统无功缺额↑→V↓；网损↑(3)频率要求：50 Hz±(0.2～0.5)Hz——△f =±(0.4~1.0)%2.2电力系统负荷变动规律运行中综合用电负荷PD变动特点：规律性+随机性任何负荷功率的变化→f变化→f变化特点：规律性+随机性三种负荷变动：第一种负荷变动P1：小幅随机波动，周期短（<10s）→f微小随机波动；一次P 3 P 2a 0 + a 1 f + a 2f * + a 3f * +调频→机组调速器实现。

第二种负荷变动 P2：幅度较大，周期较长（ 10s ～3min ）→ f 偏移，二次调频， 调频机组调频器——随机性←由大容量冲击负荷。

第三种负荷变动P3：幅度大，周期长，变化缓慢→电厂按给定发电计划曲线发 电，三次调频——有规律←气候（季节性） 、作息制度、生活规律。

负 荷变 动 三次 幅 调频 度二次调频P 1一次调频负荷变动频率图 2-2 电力系统负荷规律变动图3 电力系统的频率特性3.1 负荷的有功功率－频率静态特性(1) 定义：稳态运行时的 PD( f ) →有功－频率静态特性 (2) 描述：P D**2 3a 0 + a 1f *P D* = P D / P DN& f*= f/fN关于 f 各次方负荷：① 零次方类负荷：照明、电弧炉、电阻炉、整流设备② 一次方类负荷：机械转矩恒定的电动机——球磨机、切削机床、往复式DD* * D D水泵③二次方类负荷：变压器涡流损耗④三次方类负荷：通风机、循环水泵⑤高次方类负荷：静水头阻力很大的给水泵-所占比例很小，忽略(3)负荷的频率调节效应（频率调节系数、频率特性系数）⑷K D的物理意义：K D = tgβΔＰΔｆfNK D* = ΔＰΔｆf*=1.0=ΔＰ/P DNΔf/f N=ΔＰf NΔｆP DN=K Df NP DN（a）K D反映P D对f变化的自动调节能力：K D↑→调节能力↑——负荷的“频率调节效应”或“单位频率调节功率”（b）（c）K D取决于负荷本身的固有频率特性，有实验确定。

一般如果P D与无功功率，K D=0←负荷不具有频率调节能力P DP DNβP D△ff N-86fK D=1~3 图3-1频率静态特性曲线图3.2电源的有功功率－频率静态特性3.2.1同步发电机组的调试系统作用：反映机组转速(系统频率)变化→调整QF汽门或SF导水叶开度μ→原动机进汽（水）量→原动机Mm (Pm)→机组出力PG→系统f (ω)或nG概念：单机运行调nG ( f )，并列(网)运行调PG构成：调速器：f↓→自动响应→Pm↑→PG↑→f↑→△f↓→△f≠0←一次调整调频器：一次调整后，若△f过大→人为介入→Pm→→PG f≠0←二次调整3.2.2调速系统框图二次调频信号+∑+∑+ ω0-ωK 1T 1s△μ原动机转速ωP m K 2T 2s+K 3传感器T 2 s+1图3-2-⑵调速系统框图3.2.3同步发电机组的有功功率-频率静态特性①特性曲线PG( f )：图3-2-⑶频率静态特性曲线示意图/ >D / >G ② 静态调差系数定义：δ 的物理意义分析：（a ） △f 、△ PG 变化方向相反→ δ﹥ 0（b ） Δ 反映机组的频率调节能力—— δ ↓→频率调节能力↑ （c ） Δ 反映机组每增发单位出力引起的转速变化（d ） 若机组出力达到极限： δ=∞→机组已经不具有频率调节能力 ③ 静态有功频率特性系数——单位频率调节功率： 定义：意义：（a ）K G 反映机组的频率调节能力： K G ↑→调节能力↑——“单位频率调节 功率”（b ）K G 是机组本身的固有频率特性，可由实验确定（c ）若机组出力达到极限： K G =0→机组已经不具有频率调节能力 ④ P G ( f ) 与 P D （ f ）之比较：K D = ΔＰΔｆ0K G = - ΔＰ Δｆ0（a ） K D 不可调整， K G 可调整（b ） K D 、K G 均为 f 每变化一个单位所引起的P D 或 P G 的变化量（c ） F ↓ ( △ f ＜ 0) ——△ P D ＜0→P ↓；D P G ＞O →P G ↑→二者综合作用，减小功率缺额→有利于频率稳定4电力系统的频率调整4.1频率的一次调整4.1.1基本原理初始条件：A点——P G（f）＆P D( f )交点：f 1、P G(A) =P D(A) =P1负荷扰动：△P D0——P D`（f）、B点——P D=P D(A) +P D0＞P G=P G(A)4.1.2基本关系△PG=-K G f .△P D=K D f△P D0 = P G-△P D=-(K G+K D)△f =-K S fK S=K G+K D=-△P D0/△f △f =-△P D0/K S注意：①一次调整时机组与负荷共同作用、自动完成②一次调频能减小△f，但△f≠0③K S——系统单位频率调节功率反映了系统的频率调节能力④机组具备有功备用才能参与一次调频，当如图4-1所示K G=0时，△P→更大的D0f，P PG( f )CP2 BF △P D△P G△P D 0P1P D( f ) △fA0 f2 f1f(ω)图4-1频率一次调整示意图⑤KS的标幺值：K S=K G+K D=K G.P GN/F n+K D.P DN/F n=-△P D0/△fK G.P GN/P DN+K D=-△P D0/△f←K SK S=K D+K X K G←K X=P GN/P DN=1+P X/P DNP r :G的有功备用容量K r：备用系数要求：K r＞1.0频率调节系数的基准：K D→P DN；K G→P GN；K S→P GN4.1.3多机系统的一次调频①运行状态分析基本条件：机组数n，均有一次调频能力；含网损△P∑的总负荷：PD∑0 初始状态：PG∑0＝PD∑0、f＝f 0负荷扰动：△PD∑0→PD∑0↑→PD∑＝PD∑0＋△PD∑0频率变化：→PD∑( f 0 ) > PG∑( f 0 )＝PG∑0→f↓→f＝f 0＋△f；△f <0机组响应：→△PG i＝－KG i△f；△PG i > 0 ( i =1,2, ,, n) PGi (f) ＝PG i 0＋△PG i出力总增量：△∑＝∑PG PG i＝－∑(KG i△f )＝－(∑KG i )△f系统总出力：PG∑(f)＝PG∑0＋△PG∑负荷响应：△P D∑＝KD△f < 0系统总负荷：PD∑(f)＝PD∑0＋△PD∑0＋△P D∑频率f时的系统功率平衡方程：PD∑(f)＝PG∑(f) →PD∑0 +△PD∑0＋△P D∑＝PG∑0＋△PG∑→△PD∑＝0 ∑－PG P D∑△PD∑0＝－(∑KG i)△f－KD△f＝－(∑KG i＋KD )△f△PD∑0＝－KS△f②等值机组的单位频率调节功率和调差系数G * G i Gi*G* *(a)KG∑：KG∑＝∑KG i (MW / Hz)(b)KG∑*：Let PGN.∑＝∑PGN. iKGΣ＊-ΔＰΣ＊Δｆ= -ΣΔＰP GN.ΣΔf/f N=-ΣΔＰP GN.ΣΔｆ=-ΣΔＰiP GN iP GN.ΣP GN iΔｆ=Σ-ΔＰGi*ΔｆP GN.ΣP GN iK GΣ＊= Σ(K G i*P GN.P GN i )Σf NP GN.ΣΣＫG i注意基准功率：K Gi——P GN.i(C)调差系数K G——P GN③系统的等值单位频率调节功率KS：＝－KS PD∑0 /△f＝KG∑＋KD(MW / Hz) KS*＝－△PD∑0* /△f* ←功率基准：PDNK S*＝(K GΣ＋K D )f NP DN＝KGΣf NP DN＋KDf NP DN＝KGΣf NP DN＋KD*K GΣ＊=K GΣ(f N /P GN.Σ) KGΣf NP DN＝（KGΣ＊P GN.f NΣ) f NP DN＝KGΣ＊P GN.ΣP DN＝KrKGΣ＊K r＝P GN.P DNΣ＝P DN＋P Gr.ΣP DN＝1＋ΣＰGr . iP DNP Dr∑=∑P Gr.t——系统总有功备用容量Kr：系统备用系数——K r＞1.0注意功率基准：K G∑→P GN∑；K D→P DN；K S→P DN④多机系统一次调频应当注意的基本问题(i) 一次调频计算的基本内容KG i、(δi )、KD、△PD∑0→△f、△P G i：KG∑＝∑KG i KS＝KG∑＋KD△f＝－△PD∑0 / KS;△P G i＝－KG i△f＝－△f / δi Note：△f /δi＝P GN i (△f* / δi* )KG i、(δi )、KD、△f→△PD∑、0P G i：△PD∑0＝－KS△f＝－(KG∑＋KD)△f△P G i＝－KG i△f(ii) 一次调频的基本特点(a)系统必须具有足够的热备用容量，保证Kr >1(b)if PG i＝PGNi then P Gr. i＝0 ; KG i＝0(c)机组应有合理的δi——δ过大→KG∑小；δ过小→KG∑小；各机组间功率分配不稳定(d)系统机组多、装机容量大→负荷扰动引起的△f小；(e)一次调频有差，只能减小△f、但不能使△f＝0——对小幅度、变动频繁的负荷变化引起的频率偏移进行调整4.2频率的二次调整4.2.1基本原理：如图4-2-1所示K D△f 0 PP2P1K G△f0 P D ( f )＝K D△f＝K G△f(调频器）f 2 f 1 f(ω)图4-2-1频率的二次调整基本原理图＝ DA DB GA GB D G4.2.2 基本关系：△P D0 = P G +P G `- △P D `△P D0- △ P G =-(K G +K D ) △f =-K S f △f=f 2`-f 1=-( △P D0- △P G )/K 4.2.3 基本理论：S①二次调频缩小了频率偏移：△f →0f实质强制 G 增加出力，减小了功率缺额：△P D0↓→ (P D0- △P G ) ②二次调频可以实现无差调节：if(PD0= P G ) → then △f =0③系统中只有部分 G 参与二次调频——调频机组4.3 互联系统的（二次）频率调整4.3.1 基本关系SystemA:△P DA +P AB - △P GA =-K A F A SystemB:△P DB - △P AB - △P GA =-K B F B△ Fa=△Fb=△ fΔｆ－(ΔＰ + ΔＰ ) - ( ΔＰ + ΔＰ ) K A + K B＝－ΔＰ－ ΔＰ KΔＰAB ＝K A( ΔＰDB － ΔＰGB ) - KK A + KB B( ΔＰDA - ΔＰGA )4.3.2 注意要点：②K A、K B影响交换功率——△PAB=0的条件：（△P DA-△P GA）/K A=(△P DB-△BP GB)/K③△P AB最大的条件：如果△P GB=0则△P AB =P DB与此相对应△P GA =P DA + P→DB P AB =P DB-(△P D-△P GA)K B/(K A+K B)或者如果△P GA=0则△P AB=-△P DA与此相对应△P GB =P DA + P→DB P AB=-△P DA+(△P D-△P GB)K A/(K A+K B)4.4调频与调压的关系4.4.1频率变化对电压的影响2 2①当f降低时，Q G降低，Q m(IM) (≈V /X m)升高、（I X）升高、（Ωcv）降低2Q T.Y升高；系统无功缺额升高导致电压降低2 2②当f升高时，Q G升高，Q m(IM) (≈V /X m)降低、（I X）降低、（Ωcv）升高2Q T.Y降低；系统无功缺额降低导致电压升高4.4.2电压变化会频率的影响电压升高，无功功率升高，功率变化量下降使得系统有功需求升高从而使得频率降低，相反电压降低时，频率升高4.4.3注意①频率（有功平衡）——全局的：调压（无功平衡）——可以是局部的有功电源的分布不影响频率调整：无功电源的分布会电压调整影响很大②系统P G、Q G均不足，使得，V、f均偏低，导致首先应解决有功平衡，最后有5电力系统的有功平衡与备用容量5.1有功平衡关系0 (要求：= f N)P G∑＝P LD∑＋△P∑＋△P Plant＝P D∑→f =fP G∑> P D∑→f↑；P G∑< P D∑→f↓5.2备用容量①基本要求：P GN.∑> P D∑→P GN.∑－P D∑＝P r②备用容量分类：备用方式：热备用(旋转备用)、冷备用备用功能：a负荷备用：适应负荷短时波动，一二次调频所必须,要求（2~5）%P D∑Nb事故备用：保证运行中机组事故退出后的连续供电并维持，要求：（5~10）%P D ∑N＆不小于运行中最大单机容量c检修备用：保证机组计划检修时的连续供电并维持，要求：不小于系统中最大单机容量d国民经济备用：满足国民经济和社会发展的负荷增长需求6电力系统负荷在各类发电厂的合理分配6.1火力发电厂的主要特点①运行成本高(燃料、厂用电)；维护复杂；运行条件不受自然条件影响锅炉——中温中压：PG.min≥25%PGN；高温高压：PG.min≥70%PGN汽机——PG.min≥(10~15)% PGN③负荷增、减速度慢：PG? (0.5~1.0) PGN →爬坡速度(2~5)%PGN /min④投入、退出运行：费时长、耗能多、设备易损坏⑤效率与蒸汽参数有关→高温高压：最高；低温低压：最低⑥热电厂因供热强迫功率(PG.min)大，出力调整范围更小；但效率较高注意：蒸汽参数↑→技术、经济综合指标↑→效率↑、出力调节范围↓、负荷增减速度↓→高温高压火电厂不宜带急剧变动负荷6.2水力发电厂的主要特点①运行成本低；运行条件受自然条件影响→水库调节周期越长，影响越小②最小技术负荷主要受下要求游供水量限制，出力调整范围大：≥50%PGN③负荷增、减速度快：PG=0↑→PGN，≤1min④投入、退出运行：费时短、无需额外耗费；运行操作简便安全⑤水利枢纽综合效益好6.3抽水蓄能水电厂的主要特点特殊水电厂：上、下两级水库，作用：调峰——削锋填谷、调节峰谷差运行方式：日负荷低谷：作为负荷运行，从电网吸收有功；日负荷高峰：电源，向系统发出有功6.4核能发电厂的主要特点与常规火电厂比较，主要不同：一次能源转换(→蒸汽)系统；技术特点与火电厂相同；容量大，经济、技术指标好；一次投资大，运行费用小，机组启、停：费时长、耗能多；不宜带急剧变动负荷。