电力系统频率控制

3、本章的主要内容
① 为什么P和f联系起来 ② 有功功率平衡 ③ 调频原理 ④ 调频方法和措施
事故 分析
1972年7月27日，湖北电网因继电保护误动作 ，武汉电网频率急剧下降，迫使青山、黄石两 个电厂全停。
1972年7月20日，浙江电网因常湖线输送功 率过大，导致发热弛度增大，而对低压线放电， 继电保护动作跳闸造成系统稳定破坏，频率急 剧下降，结果造成浙江电网全面瓦解，全省约 71.5％的用户停电
系统负荷增加时，在发电机组功频特性和负荷本身的 调节效应共同作用下又达到了新的功率平衡。
① 负荷↑，频率↓，发电机按有差调节特性增加输出； ② 负荷实际取用的功率也因频率的下降而有所减小。
K K G K D P D 0 f
这种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。
δ*、KG*——可控的（可整定的）
KG
1
－PG f
KG*
PG* f*
1
*
1
fN PGN
KG
fN PGN
负号表示频率下降时，发电机组的有功出力增加。
三、电力系统的频率特性
电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。
把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力系统是 由两个环节组成的闭环系统。发电机组的功率频率特 性和负荷的功率频率特性的交点就是电力系统的频率 的稳定运行点。
图13-1 有功功率负荷的变化
1－第一种负荷分量； 2－第二种负荷分量 3－第三种负荷分量 4－实际的负荷变化曲线
频率的调整
负荷的变化将引起频率的相应变化。第一种变化负荷 引起的频率偏移将由发电机组的调速器进行调整。这 种调整通常称为频率的一次调整。
第二种变化负荷引起的频率变动仅靠调速器的作用往 往不能将频率偏移限制在容许的范围之内，这时必须 有调频器参与频率调整，这种调整通常称为频率的二 次调整。
n台机组输出功率总增量为 n台机组的等值单位调节功率为
n台机组的等值单位调节功率>>一台机组的单位调节功率。 在输出功率变动值ΔPG相同的条件下，多台机组并列运行时 的频率变化比一台机组运行时的要小得多。
求出了n台机组的等值调差系数和等值单位调节功率 后，就可像一台机和等值单位调节功率组时一样来分析 频率的一次调整。 算出负荷功率初始变化量ΔPD0引起的频率偏差。而各台 机组所承担的功率增量则为
频率一次调整：变化幅度很小，变化周期比较短的负荷分 量，它所引起的频率偏移可以由发电机组调速器调整。
当频率一次调整结束后，所得发电机的输出功率与频率关 系——机组有功功率与频率静特性。
2.发电机组静态调差系数
PG 2
PGN
1
o
f
fN
f0
图 发电机组的功率-频率静态特性
由此可见，发电机组和等效发电机组的功率频率静 态特性都是向下倾斜的，其程度用调差系数表示：
2. δ整定过大，KG*整定过小，设δ→∞，KG*→0：无法保证 频率质量。 K*=KD*。 KD*很小，发电机又不可能增加输出， 所以当负荷增加，频率下降很严重。
低频减载是电力系统抑制频率下降、维持系统频率稳定的有效方法， 控制电力系统一般故障及大面积复杂故障重要而有效的手段。合理 而快速地切除负荷或解列，可以使整个电网在最短的时间内恢复至 稳定运行状态。
二、发电机组的功率－频率静态特性
发电机的频率是由原动机的调速系统来实现的。当 系统有功功率平衡遭到破坏，引起频率变化时，原动 机的调速系统将自动改变原动机的进汽(水)量，相应 增加或减少发电机的出力。当调速器的调节过程结束， 建立新的稳态时，发电机的有功功率与频率之间的关 系，称为发电机组的有功功率频率静态特性。
B 提高电力系统运行的经济性
当系统频率在额定值附近时，虽然频率满足要求，但 没有说明哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应该 发多少有功功率。电力系统有功功率控制的任务之一就是 要解决这个问题。这就是电力系统经济调度问题。
C 保证联合电力系统的协调运行
电力系统的规模在不断地扩大,已经出现了将几个区域 电力系统联在一起组成的联合电力系统，有的联合电力系统 实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量 按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不 同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。
电力系统负荷与频率的关系：
P Da0P D Na1P D(N ffN)a2P D(N ffN)2
电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负 荷吸取的有功功率有的与频率无关，有的与频率的一次 方成正比，有的与频率的二次方成正比，有的与频率的 更高次方成正比。但有：
a 0a 1a 2 a n 1
用标么值表示为（PDN、fN）
瑞典南部系统，于1983年12月27日因斯德哥尔 摩西北部的海尔迈变电所进行倒闸操作时设备 损坏造成单相接地故障，使几条线路切除造成 电压大幅度降低。后来甚至发展到南北电网解 列，频率和电压急剧下降，南部电网完全崩溃 而大面积停电，事故损失达5000万美元
5-2 电力系统频率特性 一、电力系统综合负荷的静态频率特性
f2 f1 f
P2 P1 P
f / fN P / PN
PGN fN
δ*——表征机组负荷变化后相应转速（f）偏移的程度。 调差系数也叫调差率。 δ*＝0.05，如负荷改变1％，频率将偏移0.05％；如负 荷改变20％，则频率偏移1％。
调差系数的倒数就是机组的单位调节功率
KG*机组单位调节功率——表征频率发生单位变化后， 机组输出功率的变化量。
K K G K D P D 0 f
K——系统的功率－频率静特性系数，或系统的单位 调节功率。表示在计及发电机组和负荷的调节效应时， 引起频率单位变化的负荷变化量。
根据K值的大小，可以确定在允许的频率偏移范围内， 系统所能承受的负荷变化量。
K的数值越大，负荷增减引起的频率变化就越小，频 率也就越稳定。
再增加输出了，发电机组满载时只
有靠频率下降后负荷本身的调节效
应的作用来取得新的平衡。K* =KD*
O
f2
f1
f
➢KD*很小→负荷增加所引起的频
率下降相当严重。 系统中有功功率电源的出力不仅应该满足在额定频率下系
统对有功功率的需求，并且为了适应负荷增长，还应该有
一定的备用容量。
5－4 电力系统频率调整 一、电力系统频率的一次调整（n台）
或
由上式可见，调差系数越小的机组增加的有功出力（相 对于本身的额定值）就越多。
※频率一次调整小节
1. δ整定过小，KG*整定过大，设δ→0，KG*→∞：负荷的变 动不会引起频率的变动，从而保证频率恒定。但负荷变化 量在各发电机组的分配无法固定，使得各机组的调速系统 无法稳定工作。因此，为了调速系统的稳定性，不能采用 过小的调差系数δ或者过大的单位调节功率KG*。
一、电力系统综合负荷的静态频率特性
1、负荷分类（有功功率与频率的关系）
1. 与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉和整 流负荷等。
2. 与频率的一次方成正比的负荷，负荷的阻力矩等于常数 的属于此类，如球磨机、切削机床、往复式水泵、压缩 机和卷扬机等。
3. 与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗。 4. 与频率的三次方成正比的负荷，如通风机、静水头阻力
B 频率对电力系统的影响
① 频率下降时,汽轮机叶片的振动会变大。
② 频率下降到47-48Hz时,火电厂由异步电动机驱动的辅机 （如送风机）的出力随之下降,从而使火电厂发电机发出 的有功功率下降。不能及时制止, 出现频率雪崩会造成 大面积停电,甚至使整个系统瓦解。
③ 发电厂的厂用机械多使用异步电动机带动的，系统频率 降低将使电动机功率降低，影响电厂正常运行。
※不同电力系统或同一电力系统不同时刻的KD、KD*都可 能不同，是不能控制的。
KD= P fD **＝ P fD//P fN DN =KDP fD NN
实际系统中KD*＝1～3 频率变化1％，负荷有功功率相应变化（1～3）％
调度部门必须掌握的一个数据，考虑按频率减负荷方 案和低频率事故时用一次切除负荷来恢复频率的计算 依据。
电力系统频率控制
5-1 频率调整必要性
1、电力系统频率控制的必要性
A 频率对电力用户的影响
(1) 电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化, 出现次品 和废品。 （2）电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备 的准确性和性能,频率过低时有些设备甚至无法工作。 （3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低,导 致其所带动机械的转速和出力降低,影响电力用户设备的正常 运行。
原始运行状态PD(f)，和发电机组静特性交点a。 负荷增加ΔPD0，特性曲线变为P´D(f)，新的运行点b。
P
ΔPD PG(f) c
P2 ΔPD0 b
ΔPG P1
P'D(f) PD(f)
a
O
f2 f1
f
频率变化：
f f2f10
发电机组的功率输出的增量：
PGKGf
负荷的频率调节效应产 生的负荷功率变化：
1.自动调速系统原理简介
1. 测转速元件 离心飞摆及其附件；
2. 放大元件一错油门； 3. 执行机构一油动机； 4. 转速控制机构或称同步器
图 原动机调速系统示意图
调频器
A △PC、△xA
B
η
△ω
原动机轴
齿轮组
1.自动调速系统原理简介
C △xC
飞球
D
ρ
错油门 高压油
蒸汽
汽门
E
μ
油动 机主 活塞 油缸
不大的循环水泵等。 5. 与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的
给水泵。
2、系统的负荷功率与频率的关系：
负荷静特性：一组描述负荷功率随节点电压和频率变化的代 数方程式。
PHPH0(apUH 2bpUHcp)(1dpf) Q HQ H0(aqUH 2bqUHcq)(1dqf)
式中a、b、c分别描述了负荷中恒定阻抗、恒定电流和恒 定功率等成分所占的百分比，d为负荷的频率调节效应系数。 各参数可以根据实验得到的负荷静态特性曲线获得，也 可由对各种典型负荷静特性的综合得到。
二、发电机组和电力系统等效发电机组的 功率频率静态特性
三、电力系统的Байду номын сангаас率特性
系统负荷组成
1. 变化幅度很小，变化周期较短（一 般为10s以内）的负荷分量；
2. 变化幅度较大，变化周期较长（一 般为10s～3min）的负荷分量，属 于这类负荷的主要有电炉，延压机 械，电气机车等；
3. 变化缓慢的持续变动负荷，引起负 荷变化的原因主要是工厂的作息制 度，人民的生活规律，气象条件的 变化等。
PD a0 a1 f* a2 f*2 an fn
PD
PD PDN
f*
f fN
3、负荷有功－频率的静态频率特性 在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线
PD
KD
tg
PD f
PDN
β
KD
PD* f*
＝PD / f /
PDN fN
KD
fN PDN
O
f fN
负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调 节效应系数KD。
采用标幺制 K K G K D P D 0 f
KkrKG*KD* PfD *0*
备用系数 表示发电机组额定容量与系统额定频率时的总有 功负荷之比。
➢初始状态，运行在A点（满载运
行）。A点以后，发电机组的静态
特性是一条与横轴平行的直线，KG ＝0。
PGN
P
P'D(f)
PD(f)
A
➢系统的负荷再增加，发电机不能
PDKDf
频率下降时
P
ΔPD PG(f) c
P2 ΔPD0
b
ΔPG P1
负荷功率的实际增量：
P D ＋ 0 P D P D 0 K D f
P'D(f)
<0
PD(f)
以上同发电机组的功率增量相平衡：
a
PD＋ 0PDP G
O
f2 f1
f
P D = 0 P G － P D = － K G + K D ） （ f= － K f
f↓ n ↓ → P 2 ↓ → f↓ ↓ →
④ 电力系统频率下降时,异步电动机和变压器的励磁电流增 加,使无功消耗增加,引起系统电压下降。
V=E∝f: f ↓V → 不变 →
Im↑→ Qm↑V → ↓电 →压崩溃
2、电力系统有功功率控制的必要性
A 维持电力系统频率在允许范围之内
电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机 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，就是要及时调节系统内并联运 行机组有功功率。