电力系统有功功率和频率控制概述
有功功率与频率关系综述.doc
有功功率与频率关系综述.有功功率和频率的关系考虑到电力系统中有功功率和频率的关系，我开始从两个方面学习。
首先，我分别理解了有功功率和频率的概念，然后讨论了两者之间的关系和相互影响。
然而，其中涉及的知识点不仅包括这两个方面，还包括功角和转矩。
这是我的一些总结。
1.有功功率电力系统中的发电机产生有功功率，该有功功率可以相当于电源。
任何电源都有电动势e和内阻r。
发电机的电动势等于空载电压，空载电压直接受转速影响。
转速越快，电动势(e=ce φ n)越高，发电机的实际端电压U=E-1.有功功率电力系统中的发电机产生有功功率，该有功功率可以相当于电源。
任何电源都有电动势e和内阻r。
发电机的电动势等于空载电压，空载电压直接受转速影响。
转速越快，电动势越高(e=ce φ n)，发电机的实际端电压U=E:当有功负荷和输出不平衡时，转速会发生变化。
对于并网发电机来说，这个问题并不存在，因为转速将很快达到新的同步速度。
这一点将在下文中分析——省略部分——定子绕组的电磁转矩。
根据发电机的电枢反射，定子电流越大(负载越大)，对转子的阻力越大，因此频率是恒定的，增加转子转矩可以增加有功功率。
3.电力系统频率电力系统频率是指电力系统的相同运行参数。
首先，明确频率是一个系统概念，单个发生器和频率之间没有直接对应关系。
电网系统的频率与负载无关，只与电机速度有关。
因为电网频率是一个恒定值，所以当发电机连接到电网并且孤立的电厂运行时，调节的内容是不同的。
当电网接通时，我们称之为有功功率调节，而当孤立的电站运行时，它是调节频率，这两种调节的本质是相同的，即改变汽轮机入口阀的开度。
4.有功功率和频率之间的关系可以从1的描述中看出。
当电网简化时，电磁功率由单功率角θ决定。
那么为什么我们通常说电网中的有功功率与频率有关呢？显然，频率对有功功率的影响是通过功角θ作为中间环节来实现的。
如何将二者联系起来是我的理解。
电力系统频率仅与电机转速有关，但电力负荷本身具有负荷频率效应，如下图所示，即当系统频率降低时，负荷也会相应降低，但这并不意味着负荷量决定频率值，负荷对频率的影响直接由发电机转速决定。
电力系统的有功功率和频率调整ppt课件
国民经济备用：计及负荷的超计划增长而设置的备用。
16
5.1.3 有功功率电源和备用容量* ——各种备用容量的关系
负荷备用——热备用 事故备用——至少包括一部份热备用（可含冷备用） 检修备用（通过检查年最大负荷曲线来确定） 国民经济备用 具备了备用容量，才可能谈及备用用量在各发电设备
11
5.1.2 有功功率负荷曲线的预计
——负荷曲线的加工
实测曲线 加工后的曲线
加工原则：
实测曲线加
工前后，最
大和最小负
荷特征及曲
线下的面积
12
图5-3 负荷曲线加工
应一致。
5.1.3 有功功率电源和备用容量
有功功率电源 有功功率备用容量
备用容量、热备用与冷备用 负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用 各种备用容量的关系
3 有功备用容量的概念 各类机组的有功调节特性
5.1 电力系统中有功功率的平衡 ——基本概念
负荷变动的类型及其特点？ 频率调整的方法及其特点？ 负荷变动与频率调整的关系？ 什么是可供调度的系统电源容量、备用容量、
热备用和冷备用、负荷备用（事故备用、检修 备用、国民经济备用）？ 两类备用容量的关系？
图5-1 有功功率负荷的变动曲线
频率调整方法及其特点
频率的一次调整：用发电机组的调速器(第一种负荷 变动)。
频率的二次调整：用发电机组的调频器(第二种负荷 的变动)。 ——调频厂，对应潮流计算中的平衡节点
频率的三次调整：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给定的发电负荷曲 线发电。
电力系统有功功率和频率调整
电力系统有功功率和频率调整1. 引言在电力系统中，有功功率和频率是两个关键的电能参数。
有功功率是指电力系统中实际提供给负载的电能，而频率则表示电力系统中电压和电流的周期性变化。
准确地调整有功功率和频率可以保证电力系统的稳定运行，提高能源利用率，保障用电的安全和可靠性。
2. 电力系统有功功率调整电力系统的有功功率调整主要通过控制发电机输出功率来实现。
有功功率调整的目标是使电力系统的供需平衡，以满足用户的用电需求。
有功功率调整可以通过控制发电机的机械输入来实现，也可以通过调整发电机的励磁电流来实现。
2.1 机械输入调整机械输入调整是通过控制发电机的机械输入来调整有功功率。
机械输入调整的方式包括调速和负载调整两种。
2.1.1 调速调整调速是通过调整发电机的键合阻抗或者转子的绕组来改变发电机的转速，从而改变机械输入功率。
调速调整的原理是根据负荷需求，通过调整发电机的转速来保持有功功率的平衡。
2.1.2 负载调整负载调整是通过调整发电机的输出负载来改变发电机的有功功率。
负载调整的方式包括直接调整负载阻抗、调整发电机馈线阻抗、调整发电机并联等。
2.2 励磁调整励磁调整是通过调整发电机的励磁电流来改变发电机的有功功率。
励磁调整的原理是控制发电机的磁场强度，从而改变发电机的输出电压和电流。
励磁调整可以通过调整励磁电流的大小、相位和波形等来实现。
3. 电力系统频率调整电力系统的频率调整主要通过控制发电机输出的机械输入来实现。
频率调整的目标是使电力系统的供电频率保持在额定值附近，以满足用户的用电需求。
3.1 负荷频率特性负荷频率特性是指负载的电流和供电频率之间的关系。
负荷频率特性可以分为正负荷频率特性和正负荷功率频率特性两种。
正负荷频率特性描述了负载对供电频率变化时的功率响应。
3.2 机械输入调整机械输入调整是通过调整发电机的机械转速来调整电力系统的频率。
机械输入调整的方式包括调速和负载调整两种。
3.2.1 调速调整调速调整是通过改变发电机的转速来调整电力系统的频率。
电力系统频率和有功功率控制
第四章 电力系统频率和有功功率控制第一节 电力系统频率和有功功率调整的必要性一、 电力系统频率与有功功率的关系 频率、电压是电网电能质量的二大指标。
频率变化原因：负荷变动导致有功功率的不平衡。
变化过程：负荷变化→发电机转速变化→频率变化→负荷的调节效应→新频率下达到平衡。
消除偏移：原动机输入功率大小随负荷变动而改变。
结论：① 电网仅一个频率；② 电网可在偏离额定频率下稳定运行；（0.2Hz ） ③ 频率调整依靠有功进行调整；④ 维持电网频率，调速器调整原动机输入，跟踪负荷变化。
⑤ 转速与频率关系：60pn f二、 电网频率对电能用户及电力系统的影响 对用户影响：① 异步机：转速变化影响产品质量；电机输出功率变化影响输出功率大小。
② 电子测量设备：影响测量精度。
③照明、电热负荷：影响小。
对电网影响：①汽轮机叶片：振动、裂纹，影响寿命。
②火电厂：低于48Hz→辅助电机（送风、给水、循环、磨煤等）出力下降→锅炉、汽轮机出力下降→有功出力下降→频率进一步下降→恶性循环（频率雪崩）。
③电网电压：频率下降→异步机、变压器励磁电流增大，无功损耗增大。
发电机励磁电压下降→系统电压下降→有可能导致系统电压雪崩（大面积停电）。
④核电厂：频率下降→冷却介质泵跳开→反应堆停运。
第二节同步发电机调速器基本原理一、机械液压调速器（离心式调速器）原理简介组成: 测速环节、执行放大环节、转速给定装置①测速环节：主轴带动的齿轮传动机构和离心飞摆。
转速n上升→ A点上移（升高）；转速n下降→A点下移（降低）；②执行放大环节：错油门＋油动机。
稳定状态：错油门活塞堵死油动机活塞二个油管路，油动机上下油压相等，调节汽阀开度不变。
F上升→上管进油→活塞向下→汽阀开度减小→转速下降；F下降→下管进油→活塞向上→汽阀开度增大→转速上升；放大作用：小力量作用于F点，通过高压油作用，在活塞出生较大作用力。
③转速给定装置：同步器。
控制电机的正转、反转，使D点上下移动。
5电力系统的有功功率和频率调整
2. 电力系统经济调度的数学模型
2) 等式约束条件：有功功率必须保持平衡的条件。 对于每个节点：
对于整个系统：
若不计网损：
2. 电力系统经济调度的数学模型
3) 不等式约束条件：为系统的 运行限制。
4) 变量：各发电设备输出有功功率。
3. 电力系统经济调度问题的求解
一般用拉格朗日乘数法。 现用两个发电厂之间的经济调度来说明，问题 略去网络损耗。 1) 建立数学模型。
3. 电力系统经济调度问题的求解
2) 根据给定的目标函数和等式约束条件建立一个新的 、不受约束的目标函数——拉格朗日函数。
3) 对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三个条 件：
（1）
3. 电力系统经济调度问题的求解
4) 求解（1）得到：
这就是著名的等耗量微增率准则，表示为使总耗量 最小，应按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂 之间分配负荷。 5) 对不等式约束进行处理 ❖ 对于有功功率限制，当计算完后发现某发电设备越 限，则该发电设备取其限制，不参加最优分配计算 ，而其他发电设备重新进行最优分配计算。 ❖ 无功功率和电压限制和有功功率负荷的分配没有直 接关系，可暂时不计，当有功功率负荷的最优分配 完成后计算潮流分布在考虑。
4. 用迭代法求解电力系统经济调度问题
1) 设耗量微增率的初值 ； 2) 求与 对应的各发电设备应发功率 ； 3) 校验求得的 是否满足等式约束条件：
4) 如不能满足，则如
，取
，取
，自2）开始重新计算。
5) 直到满足条件。
；如
例题
5. 等耗量微增率准则的推广运用
用于解决火力发电厂与水力发电厂之间的最优分配问 题。
2) 数学表达式：
KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示原动 机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频 率下降或上升的多少。
电力系统频率及有功功率的自动调节与控制
二、电力系统负荷调节效应
1、当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变。 有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率—频率特性，是负 荷的静态频率特性，也称作负荷的调节效应。
2、电力系统中各种有功负荷与频率的关系 (1) 与频率变化无关的负荷，如白炽灯、电弧炉、电阻炉和整流负 荷等。它们从系统中吸收有功功率而不受频率变化的影响。
PL a0 a1 f a2 f2 a3 f3
0.35 0.4 0.96 0.1 0.962 0.15 0.963
0.35 0.384 0.092 0.133 0.959
PL % (1 0.959) 100 4.1
KL
PL % f %
4.1 4
1.025
电力系统自动化
Pc
PB
B K
保持不变
电力系统自动化
第三章 电力系统频率及有功功率的自动调节
积差调节法的特点是调节过程只能在 结束， 常数， 此常数与计划外负荷成正比。
3、机组间的有功功率分配 多机组采用积差调频法调频时，可采用集中式、分散式两种形式。
电力系统自动化
第三节 电力系统调频与自动发电控制
调频方程组
由于系统中各点的频率是相同的，各机组
m PTi 1
m PGi 1
PL
d dt
m (Wki )
1
系统的频率的变化是由于发电机的负荷与原动机输入功率之间失去平衡所致， 因此调频与有功功率是不可分开的。
第一节 电力系统频率特性
频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成严重后果。
（1）对汽轮机的影响，当频率低至45HZ时，个别的叶片可能发生共 振而引起断裂事故。 （2）发生频率崩溃现象。 （3）发生电压崩溃现象，系统运行的稳定性遭到破坏，最后导致系 统瓦解。
电力系统频率调整及控制
12。
1。
1。
1频率与有功功率平衡电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗（包括网损）的有功功率总和之间的平衡来维持的。
但是,电力系统的负荷是时刻变化的，从而导致系统频率变化。
为了保证电力系统频率在允许范围之内，就需要及时调节系统内并联运行机组的有功功率。
频率质量是电能质量的一个重要指标。
中国《电力工业技术管理法规》规定，大容量电力系统的频率偏差不得超过，一些工业发达国家规定频率偏差不得超过.说明电力系统元件及整个系统的频率特性，介绍电力系统调频的基本概念。
12。
1.2.1负荷频率特性负荷的频率静态特性：在没有旋转备用容量的电力系统中，当电源与负荷推动平衡时，则频率将立即发生变化。
由于频率的变化，整个系统的负荷也将随着频繁率的的变化而变化。
这种负荷随频率的变化而变化的特性叫做负荷的频率静态特性.综合负荷与频率的关系可表示成：由于电力系统运行中，频率一般在额定频率附近，频率偏移也很小，因此可将负荷的静态频率特性近似为直线，如下图所示。
12.1.2.2发电机组频率特性发电机组的频率静特性：当系统频率变化时，发电机组的高速系统将自动地改变汽轮机的进汽量或水轮机的进水量以增减发电机组的出力，这种反映由频率变化而引起发电机组出力变化的关系,叫发电机调速系统的频率静态特性.发电机组的功率频率静态特性如下图：在不改变发电机调速系统设定值时，发电机输出功率增加则频率下降,而当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。
图中向下倾斜的直线即为发电机频率静态特性,而①和②表示发电机出力分别为PG1和PG2时对应的频率。
等值发电机组（电网中所有发电机组的等效机组）的功率频率静态特性如下图所示，它跟发电机组的功率频率静态特性相似。
12。
1。
2。
3电力系统频率特性电力系统的频率静态特性取决于发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性,由发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性可以经推导得出：式中――电力系统有功功率变化量的百分值：――系统频率变化量百分值；――为备用容量占系统总有功负荷的百分值.12.1.2.4一次调频一次调频：由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化,使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。
电力系统的有功功率平衡和频率调整
PG ( f )
发电机两者的调节效应.考虑一台 P2 ΔPD0 ΔPD
发电机和一个负荷的情况.
ΔPG P1
P’D ( f ) PD ( f )
假定系统的负荷增加ΔPD0
负荷的实际增量：
PGPD0PD
o
f2 f1
f
< 负荷的实际增量应与发电机组的功率输出的增量相等 >
13.2 电力系统的频率特性
三.电力系统的 P–f 静态特性
13-3 电力系统的频率调整
系统调频
➢负荷变化时通常首先由主调频电厂进行 二次调频力图恢复系统频率. ➢若仍有功率缺额则由配置了调速器的机 组进行一次调频.
13.3 电力系统的频率调整
1. 频率的一次调整
发电机组的调速器,根据系统频率的偏移,改变机组的出力,使有 功功率重新达到平衡,这就是频率的一次调整.
13.3 电力系统的频率调整
5. 互联系统的频率调整
二 功负次 率荷调 增增频 量量
频率调整可能引起网络潮流的重新分布
A
B
PDAPABPGAKAf PDBPABPGBKBf
ΔPDA ΔPGA
KA
ΔPAB
ΔPDB ΔPGB
KB
f P D A P D B P G A P G B P D P G= 0, 则: △f = 0
说的频率调整
同步器平行移动发电机 的功频静特性来调节频率和 分配机组间的有功功率
P3 ΔPD0
P2
P1
o
PG ( f ) ΔPD ΔPG
P’D ( f ) PD ( f )
f2 f1
f
13.3 电力系统的频率调整
3. 发电机的分类
有可调容量的机组均参加频率的一次调整 只有一台或少数几个机组参加频率的二次调整 主调频机组：参与二次调频的机组,条件：有足够大的调频容量和 调节范围,出力调整速度应满足系统负荷变化速度的要求等. 辅助调频机组：只有在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参 与频率调整 非调频机组：按调度中心预先给定的负荷曲线运行,不参与频率的 二次调整
电力系统的频率及其有功功率控制
f 3 ，取用功率仍然为原来的 PL 值
c 点：调速器一次调节，增加机组的输入功率 PT 。频率稳定在 f2 d 点：调频器二次调节，增加机组的输入功率 PT 。频率稳定在 fe
第二节 调频与调频方程式
一、有差调频法 1)调频方程式： 有差调频法指用有差调频器进行并联运行，达到系统调频的 目的的方法。有差调频器的稳态工作特性可以用下式表示， 即
fe 50
（MW/Hz）
若系统的 K L* 值不变，负荷增长到 3650MW 时，则
K L = 1 .5 × 3650 = 109.5 50
（MW/Hz）
即频率降低 1Hz，系统负荷减少 l09.5MW，由此可知， K L 的数值与系统 的负荷大小有关。
第一节 电力系统的频率特性
三、发电机组的功率—频率特性
a) 发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实 现的。 b) 通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变 化的关系称为发电机组的功率—频率特性或调节 特性。 c) 发电机组的功率—频率特性取决于调速系统的特 性。
Short-term power balance I
Turbine Generator
第一节 电力系统的频率特性
PL
1.10
PL P La
1.05
a
1.00
0.95
b
P Lb
0.90
β
f
o
fb
fa
f
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1.00
1.01
1.02
1.03
图 3-2 负荷的静态频率特性
图 3-3 有功负荷的静态频率特性
第一节 电力系统的频率特性
第四章 电力系统的有功功率和频率调整
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——风机和泵，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大，如图2— 49(b)所示。而无功功率负荷的增大又将促使系统电压 水平的下降。
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”
比耗量和耗量微增率虽通常都有相同的单位，却是 两个不同的概念，数值一般也不相同只有在耗量特 性曲线上某一特殊点m，它们才相等。
2．目标函数和约束条件
• 明确了有功功率负荷的大小和耗量特性，在系统中有 一定备用容量时，就可考虑这些负荷在已运行发电设备 或发电厂之间的最忧分配问题。 • 该问题属于非线性规划问题，即在已知约束条件求某一 最优目标函数问题。 • 数学模型： 求最优函数： 约束条件：包括等约束条件和不等约 束条件。
于是，除式(5-16)所示的不等约束条件仍可暂缓考虑 外，当前要解决的问题；是使在两个等约束条件下的 目标函数为最优。而尤为不同的是，这些约束条件和 目标函数列在都改以对时间的积分出现。 积分问题解决：时间分段将0至τ 时间间隔分成若干更 短的时间段。只要时间段足够小，是合适的。
第五章电力系统有功功率和频率调整
❖ 机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能 量，易损坏设备
❖ 热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于 热负荷，为强迫功率
火电厂的效率
❖中温中压 ❖高温高压 ❖超高压力 ❖超临界压力 ❖热电厂
内容
❖ 机组优化组合（简要介绍）
确定系统中需要运行多少机组，哪些机组运行， 以及什么时候运行。
❖ 经济功率分配（重点学习）
在已知机组组合的基础上，确定各机组的功率输 出，在满足机组、系统安全约束的同时，使系统 的运行最优化。
火电厂特点
❖ 需燃料及运输费用，但不受自然条件影响 ❖ 效率与蒸汽参数有关
❖ ④原子能电厂虽然可调容量较大，调整速度也不 亚于火电厂，但因其运行费用较低，通常都以满负 荷运行，一般不考虑用这类电厂调频。
❖ ⑤如果系统中有抽水蓄能电厂，首先应该考虑采 用这类电厂进行调频。
名词解释
❖ ALFC:自动负荷频率控制 ❖ AGC：自动发电控制 ❖ EDC：经济调度控制 ❖ ACE：区域控制偏差
，从6.80%下降到5.69%。
1997~2009年厂用电率变化情况
电源备用容量
❖ 有功功率平衡：
发电功率=厂用电+网损+综合用电负荷
❖ 有功电源的备用容量：
备用容量=发电机组的额定容量-发电功率
电源备用容量（按状态分类）
❖ 热备用：运转中的发电设备可能发的最大功 率与发电负荷之差(旋转备用)；
调整：减小进气量或进水量，进而减小作用在发 电机转子上的机械功率，机械功率=电磁功率， 转子达到额定转速，系统频率达到额定频率。
电力系统的有功功率平衡和频率调整概要
PL PL0
P
OA PLO
OA OC CB BA
P0'
P0"
B'
O" O' B
C
ΔPG0
A
PL
ΔPL0
O
BC KG f KG ( f0'' f 0 )
P0
0
AB K Lf KL ( f0'' f0 )
OC PGO PLO PGO ( KG KL )f
《电力系统分析》
Δf" A' Δf '
f0' f0" f0
频率的二次调整
f
二次调整增发的功率 系统的单位调节功率 K S
2018年10月14日星期日
n台机组：第n台参加二次调频 ， n台全部参加一次调频:
PLO PGn 0 ( KGn K L )f
无差调频: 若 PLO PGO , PLO 即发电机如数增 发了负荷功率的原始增量 ,亦即实现了所谓的无 差调节.如上图虚线所示.
OA PLO
P
A
P0´
OA OB BA BO BA
' 0
O'
B' A'
B
O
ΔPL0
BO PG KG f KG ( f f0 ) P0
BA PL K L f
PLO ( K G K L )f
PG
PLO / f KG KL KS
《电力系统分析》
0
fN f0
频率的一次调整图
f
KS
系统的单位调节功率系数
电力系统有功功率和频率控制解读
ΔPe = ΔPl + D Δ ωr D=负荷阻尼系数，典型值D=1-2 D=2，表示1%频率变化引起2%负荷变化
2021/5/11
电力系统有功功率和频率控制
13
包括阻尼影响的研究系统频率对负荷变化的响应
（没有调速器时静态转速偏差由负荷频率特性决定）
ΔPm
+
-
1 MS
t
ΔPL
2021/5/11
电力系统有功功率和频率控制
32
损失盘山电厂1000MW（+2000MW区外）
2021/5/11
电力系统有功功率和频率控制
33
静态频率偏差的影响因素
静态频率偏差决定于：
系统等值调差特性Req； 系统频率特性D； 系统总负荷Pl； 系统发电旋转备用容量及分布在多少发电容
量机组上Σpi，i=n； 调速器死区的影响。
受热应力限制，汽轮机的带负荷速度在刚开始时可快 速承担大约10%的汽轮机额定输出，不会发生过热损 坏。随后可以每分钟大约2%慢速增加；
汽轮机阀门打开时，蒸汽流量增加导致压力下降，锅 炉增加燃料恢复压力需几分钟。对抑制频率下降作用 不大；
调速器有3-5秒延迟。 因此，用于频率控制的发电机备用仅限于所剩余发电
有延时才升负荷； 调速器调差系数大； 调速器死区过大，要求（DEH验收技术条件）
2转0.033Hz，但大部分放12转0.2Hz 以后才调； 大量火电机组的“机跟炉”控制方式。
2021/5/11
电力系统有功功率和频率控制
39
三、电力系统二次调频特性
2021/5/11
电力系统有功功率和频率控制
40
2021/5/11
电力系统有功功率和频率控制
电力系统的有功功率和频率控制
电力系统频率控制的必要性
发电和用电设备都是按额定频率设计和制造的，在其附近运行 时才能发挥最好的效能，过大的变动将产生不利的影响。
频率变化对用户的不利影响 频率变化引起异步电动机转速的变化，进而影响产品质量 频率降低使电动机转速和功率降低，从而降低传动机械出力 频率波动影响电子设备的准确性和工作性能，甚至无法工作
出力无穷大变化，故实际不可能）
调节特性的失灵区
fW fW
由于存在摩擦、间隙和死行程等，调速器具有一定的失灵区，
实际的机组调节特性为一条具有一定宽度的带。只有在频率偏
差超过调速器的最大频率呆滞 ±fW 后，调速器才开始动作。
失灵区的宽度用失灵度 e 描述：e fW
fe
失灵区的存在导致并列运行的
2) 并网运行时，气门加大， 但 f 不变， 调差曲线上移； 单机运行时，气门加大→
f ↑→ A↑→ C↑→ E↑→关油
功率-频率电气液压调速器
优点：灵敏度高、调节速度快、精度高；易实现综合调节和自动 控制；参数整定方便，易实现校正控制；体积小，检修维护方便
发电机组的调速器特性
积分环节：错油门与油动机的作用
i 1
① P1 变化幅度很小、周期较短（一般10s以下）的随机性负荷分 量：频率的一次调整，一次调频（调速器）
② P2 变化幅度较大、周期较长（10s至3min）的脉动负荷分量， 如冲击负荷：频率的二次调整，二次调频（调频器）
③ P3 变化缓慢、幅度最大、周期最长的持续负荷分量，由生产/ 生活/气象等变化引起，可以用负荷预测的方法预先估计，如
*
f PG
fN PGN
f* PG*
0
发电机的调节方程：f* + * PG* = 0
有功功率与频率控制
负荷调节效应（线段dc）：△PD=KD△f <0 负荷实际增量：△PDf=△PD0+KD△f
13
由有功平衡：△PGS +△PG =△PDf △PGS－KG△f =△PD0＋KD△f △PD0－△PGS =－(KG＋KD)△f =－K△f △f =－（△PD0－△PGS）/K
若△PGS=△PD0，f如何变化？ 若△PGS>△PD0，f如何变化？
在一定范围内。
12
f
f’2f1
二次调频
f2
频率变化△f=f’2－f1<0
负荷初始增量（线段ad）：ΔPD0
PD(f)
P’D(f)
a
b cd
P’G(f)
PG(f)
△PGS ? ? PG
P1 △PD0
发电机二次调频功率增量（线段ab）：△PGS 发电机一次调频功率增量（线段bc）：△PG=－KG△f
电力系统的频率水平取决于什么？
8
§2 频率水平取决于什么？
一、小案例：用有功平衡确定频率水平
PD
P
PDN
PD(f)
负荷有功—频 率静特性
1
1’
PDN β
f
fN
f
f2
fN
fN
a0+a1+a2+…=1
主要成份为前2种，在fN附近近似直线
有功负荷频率调节效应系数:KD tg=
PD f MW/Hz 9
负荷PD随机变化 f随机变化
P移不可避免
5
四、频率偏移的允许范围？
目前我国国标规定：50±0.2Hz 发达国家（如澳大利亚）：50±0.1Hz 随着频率自动控制技术进步，华东电网已做到
第五章 电力系统的有功功率和频率讲解
• 由数学知识可知，为求有功功率负荷的最优分配 问题，可以用求条件极值的拉格朗日乘数法。
• 为求满足等约束条件f (PG1 ，PG2)＝0时，目标函 数C=C(PG1 ，PG2)的最小值，可根据给定的目标 函数和等约束条件建立如下拉格朗日函数
C* C(PG1，PG2)- f (PG1，PG2)
• 冷备用则指未运转的发电设备可能发的最大功率。
• 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。
• 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。
• 检修备用是使系统中的发电设备能定期检修而设 置的备用。
• 电力工业是先行工业，除满足当前负荷的需要设 置上述备用外，还应计及负荷超计划增长而设置 一定的备用。这种备用就称国民经济备用。
•
得超过水库的容水量 对简单的系统有
PT 1
PH 2
PL1
PL2＝0
• 目标函数
不等约束条件
F
0 F1(PT1)dt
PT1min PT1 PT1max PH 2min PH 2 PH 2max
QT1min QT1 QT1max QH 2min QH 2 QH 2max
• 第三种负荷基本上可以预计。据此，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。
• 一次调整或频率的一次调整指由发电机组的调速 器进行的、对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、对第二种负荷变动引起的频率偏移的调 整。
• 就整个系统而言，
in
in
PGi PLi P 0
电力系统有功功率和频率调整
12
单位调节功率用标幺值表示：
KG*
PG* f*
PG / PGN f / fN
KG
fN PGN
1
*
式中，
*
f* PG*
称为发电机组的调差系数，通常由
额定运行点和空载运行点定出。
在额定运行点，f fN , PG PGN ;在空载运行点， f f0 , PG 0
*
( fN (PGN
(2)只有水轮机组参与调节：
5
KS KG KD 80 5 90 490 MW/Hz i 1
f PD0 300 0.6122 Hz
KS
490
24
小 结：
1、负荷的有功频率特性：
KD
PD f
2、有功电源的有功频率特性：KG
PG f
3、有功平衡：一次调频
调速器
二次调频
调频电厂
本次课的重点：一次调频的原理和计算。
KA
KB
B系统不参 加二次调整
PAB 0
PAB
K APDB
K B (PDA PGA ) KA KB
PDB
K B (PD PGA ) KA KB
32
互联系统的频率调整常采用如下三种方式 ： 1、频率保持不变，△f=0 2、联络线功率保持不变，△PAB=0
- - 3、△PDA △PGA= △PDB △PGB=0
9
负荷的有功频率特性简化表达
当频率偏离额定值不大时，负荷有功频率特性用一条近似 直线来表示。
K
tg
P D
D
f
PD
PD
P / P P
K D
DN
D
D f / f
f
N
ch3电力系统的频率及其有功功率控制
有功功率的平衡是维持电力系统频率稳定的关键因素。当系统中有功功率不足时，频率会 降低；反之，频率会升高。因此，对有功功率进行控制是保证系统频率稳定的重要手段。
优化资源配置
通过对有功功率进行控制，可以合理地分配和利用系统中的资源，提高电力系统的运行效 率和经济性。
保障系统安全
有功功率控制可以防止系统过载和电压崩溃等安全问题，提高电力系统的稳定性和可靠性 。
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力系统的频率稳定。
研究结果表明，采用先进的控制策略和算法可以有效 提高电力系统的频率稳定性和有功功率控制的准确性
。
电力系统频率是衡量电能质量的重要指标，其 稳定对于电力系统的正常运行至关重要。
本文对电力系统频率及其有功功率控制进行了深 入研究，并提出了相应的控制策略和算法。
对未来研究的建议与展望
进一步研究不同类型电力系统 的频率特性及其有功功率控制 策略，以提高电力系统的稳定
安全可靠性
频率偏差过大可能导致系统不稳定、设备损坏、甚至系统崩溃等安 全问题。
国内外电力系统频率现状与趋势
现状
目前国内外电力系统的频率标准为50Hz（或60Hz），但实际 运行中由于负荷变化、新能源并网等因素影响，频率偏差时有 发生。
趋势
随着新能源并网和智能电网技术的发展，电力系统的频率控 制将更加精细化和智能化，同时对电能质量的要求也将更加 严格。
频率特性
电力系统的频率与有功功率输出和负 荷需求之间存在动态平衡关系，频率 的变化反映了系统有功功率的供需平 衡状态。
频率在电力系统中的重要性
保证电能质量
频率是衡量电能质量的重要指标之一，频率偏差过大将导致电动 机转速不平稳、影响用电设备正常运行等。
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电厂类型； 电厂控制和运行方式（炉跟机/机跟炉）； 运行点（靠近阀门位置点或靠近负荷极限）。
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电力系统有功功率和频率控制
21
汽轮机和水轮发电机组对负荷阶跃变化的响应
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
22
机炉控制系统对大负荷变化响应比较
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
（没有调速器时静态转速偏差由负荷频率特性决定）
Pm Δ
+ -
1 MS
t
Δ PL
D
Pm Δ
+ -
1 MS D
t
Δ PL
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
14
f L(1- e ) K
K=1/D
其中，
t T
T=M/D
L 发电机功率缺额（标幺值）
f 频率下降（标幺值）
23
一次调频中影响原动机控制（抑制）频率下降能 力的因素
发电机出力只能增加到所具备的旋转备用限制； 受热应力限制，汽轮机的带负荷速度在刚开始时可快 速承担大约10%的汽轮机额定输出，不会发生过热损 坏。随后可以每分钟大约2%慢速增加； 汽轮机阀门打开时，蒸汽流量增加导致压力下降，锅 炉增加燃料恢复压力需几分钟。对抑制频率下降作用 不大； 调速器有3-5秒延迟。 因此，用于频率控制的发电机备用仅限于所剩余发电 容量的一小部分。
按照整步功率大小（电气距离）分配； 按照惯性大小分配（平均减速度）； 按照调速器特性分配。
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电力系统有功功率和频率控制
7
功率缺额刚发生阶段频率下降
在功率缺额刚发生阶段，由于调速器动作延迟， 系统频率下降程度和速度主要取决于三个因素：
发电出力缺额数量； 负荷阻尼系数（负荷频率特性）； 所有发电机总转动惯量（惯性常数）。
频率下降曲线承指数下降函数； 对于孤立系统发生大功率缺额时，低频减载主 要依据该情况设计，使频率下降得以限制在可 接受的水平。
电力系统有功功率和频率控制 8
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电力系统有功功率和频率控制
9
给单独负荷供电的发电机工作原理
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电力系统有功功率和频率控制
M
D
惯性常数（秒） 负荷阻尼系数
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
15
东北
0
华北
华中
全国
-1
F(HZ)
-2
-3
-4
0
10
20 Time(sec.)
30
40
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电力系统有功功率和频率控制
16
模拟功率扰动后频率变化曲线 的困难
频率问题伴随有功角问题和电压问题 （电网/联网薄弱，电动机负荷模型）；
-0.3
-0.4
-0.5 0 5 10 Time(sec.) 15
河南沁北电厂1200MW（单机600MW）
2018/10/20 20
电力系统有功功率和频率控制
汽轮机/水轮机-调速系统的响应速度
再热式和非再热式汽轮机及水轮机的静 态速度偏移可能是一致的，但暂态响应 可明显不同。机组响应特性取决于多种 因素：
负荷频率特性；
调速器死区及仿真计算的数值计算处理。
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
17
二、电力系统一次调频的调速器特性
带调速器的发电机工作原理
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
18
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
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三峡
0
-0.1
F(HZ)
-0.2
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电力系统有功功率和频率控制
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负荷对频率偏差的响应
综合负荷对对频率的关系
ΔPe = ΔPl + D Δ ωr D=负荷阻尼系数，典型值D=1-2
D=2，表示1%频率变化引起2%负荷变化
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电力系统有功功率和频率控制
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包括阻尼影响的研究系统频率对负荷变化的响应
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电力系统有功功率和频控制
3
频率控制的基本概念
保证频率基本恒定是电力系统可靠运行的必要条件 （发电厂）； 系统的频率依赖于有功功率平衡； 频率是系统的共同因子，因此一个点上的有功功率供需变化通过频率的变化反映到整个系统中。 将供-需变化分配到各发电机的方法： 调速器（一次调节：速度调节） 控制中心的辅助控制分配发电功率（二次调节AGC） 互联系统联络线控制（频率及联络线交换功率控制 TBC）
电力系统有功功率和频率控制
中国电力科学研究院
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
1
讨论目的和内容
有功功率缺额扰动下的频率变化特性； 一次调频，原动机调速器特性； 二次调频，负荷频率控制（LFC）。
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电力系统有功功率和频率控制
2
引言
电力系统频率波动对用户、发电厂和整个电力系统都会产生许多 不良影响，因此，维持系统频率恒定是电力系统控制的一个重要 目标。 运行中需要不断随负荷变化相应调整系统中发电出力，使发电功 率和负荷平衡。 当负荷突然增加，从电网中吸取电能，使发电机的旋转动能转换 成电能，因此，系统频率下降。负荷的频率效应有利于阻止频率 下降趋势。另一方面，频率下降使发电机调速系统动作，实行频 率的一次调整和随后的二次调整，增加原动机的输入功率，使系 统频率恢复到正常水平。 对于一个大型互联系统，必须实现有功功率和频率的及时调整， 使整个系统的发电功率和负荷功率维持平衡，保证系统频率和联 络线交换功率维持恒定。
电力系统有功功率和频率控制 24
电力系统有功功率和频率控制 4
2018/10/20
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
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一、电力系统在有功功率缺额 扰动下的频率变化特性
发电机工作原理 发电机对负荷变化的响应 负荷对频率偏差的响应
2018/10/20
电力系统有功功率和频率控制
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功率缺额在各机组分配规律
电力系统功率缺额在各机组分配规律 （一次调节）三阶段：
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转子运动方程（单质量块旋转体）
Tj dω/dt = Tm – Te = Ta
dδ/dt = ω
其中， Ta 加速力矩 ω 转速 Tj 惯性时间常数
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电力系统有功功率和频率控制
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发电机对负荷变化的响应---速度和功率关系 的传递函数
考虑从初始值的微小偏差
Δ Pm – ΔPe = ΔTm – ΔTe