第5章 电力系统频率和电压的调整与控制

第５章电力系统频率和电压的调整与控制
第三，当不平衡功率很大时，有可能超出发电机和负荷 本身的调节范围，或者系统经过很长过渡过程最终达到了新 的平衡，此时系统是稳定的，或者系统将无法达到新的平衡， 频率或电压无法达到“稳态”，此时系统将失去稳定；前两 种情况属于电力系统稳态分析的范畴，最后一种情况属于电 力系统稳定性分析的范畴。
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第５章电力系统频率和电压的调整与控制
写成标幺制的形式为
P LD * = α 0 + α 1 f * + α 2 f2* + α 3 f3* + …
(5-5)
负荷的静态频率特性如图 5-1 所示。由于系统在正常稳
态运 行 时，系 统 频 率 的 变 化 不 大 (一 般 在 ±0.1%
~±0. 2% )，而且与频率高次方成正比例关系的负荷权重比
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2. 负荷静态频率特性 负荷的频率特性与负荷的类型有关。有的负荷对频率变 化很敏感，例如感应电动机吸收的有功功率受频率的影响较 大。感应电动机转速与频率几乎成正比例关系，当感应电动 机带有机械负载，转矩保持不变时，感应电动机吸收的有功 功率变化几乎和频率的变化成正比例关系。有的负荷其转矩 与转速的平方、三次方甚至更高次方成正比，而有的负荷如 照明、电热器、整流设备等，其消耗的功率可以认为与频率 没有关系。
因此，要确定在负荷发生变化的情况下，系统频率的运 行点，必须给出发电机和负荷的有功功率——频率特性。
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5. 1. 1 负荷的频率特性 电力系统的负荷功率是不断变化的，负荷消耗的有功功
率是时间、频率和电压的函数。负荷消耗的有功功率与电压 的关系远不如其与频率的关系密切，因此在电力系统实际运 行中通常不考虑有功功率负荷随电压的变化情况。负荷随时 间的变化曲线称为负荷曲线，负荷随频率的变化曲线称为负 荷有功功率的静态频率特性，简称负荷的频率特性。
其中， ω =2πf 为电角速度， p 为同步发电机的极对数， Ω 为同步发电机的机械角速度。根据转子的运动方程可知
P T 为同步发电机输入功率(机械功率)， P E 为负荷消耗的功 率(电磁功率)，它们都是频率的函数，称为功率——频率特 性。当系统处于稳态运行时，频率是恒定的，即
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较小，因此可以用在额定频率附近的线性化的直线来反映频
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由此可见，由于负荷随机性的波动，电力系统绝对的稳 态是不存在的，所谓电力系统稳态只不过是由于扰动较小， 过渡过程很短，系统的频率和电压从一种状态很快过渡到另 一种状态。本章所讨论的内容就是电力系统在稳态运行情况 下，负荷的波动导致频率和电压的波动，以及当电压和频率 超出允许范围时，将电力系统的电压和频率的调整至允许范 围以内的控制方法。由电力系统的潮流分析可知，电力系统 的频率(功角的变化主要是频率的变化引起的)主要与系统的 有功功率有关，而电力系统的节点电压则与无功功率的平衡 有关。因此在电力系统中，频率和电压的调整是分开进行的。
即频率的运行点是发电机的功率——频率特性曲线与负 荷的功率—频率特性曲线的交点。当系统出现不平衡功率时， 频率将发生变化。当不平衡功率较小时，系统很快达到一个 新的稳定状态，即在发电机发出功率和负荷消耗功率的调节 作用下，达到了一个新的平衡，此时负荷功率——频率曲线 发生变化，系统的频率运行点位于它与发电机发出的功率— 频率曲线新的交点。
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第５章 电力系统频率和电压的 调整与控制
5.1 电力系统的有功功率平衡和频率调整 5.2 电力系统的无功功率和电压调整
第５章电力系统频率和电压的调整与控制
在理想的功率绝对平衡的条件下，电力系统的频率和电 压是恒定的，且运行于额定值，这是绝对的稳态。而实际上 绝对的稳态是不存在的，因为电力系统的负荷时时刻刻在波 动，这就导致功率的平衡时时刻刻都在被打破。当系统出现 不平衡功率时，由于负荷吸收的功率是频率和电压的函数， 而发电机组装有励磁控制系统和调速系统，因此其发出的功 率也是频率和电压的函数，系统将出现三种情况：
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5. 1 电力系统的有功功率平衡和频率调整
电网的频率是接放电网中各发电机的电角速度。电力系
统正常稳态运行情况下，全系统只有一个频率。也就是说，
各发电机组转子的电角速度必须同步。发电机的机械角速度
和电角速度之间的关系为
ω=pΩ
(5-1)
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1. 负荷曲线 负荷曲线是指负荷随时间变化的曲线。负荷的有功功率 随时间的变化是随机且连续的。反映一天负荷变化情况的曲 线称为日负荷曲线。实际电力系统中，由于用电的随机性、 周围环境温度的变化等，日负荷曲线不尽相同，具有随机性。 但就统计规律而言，负荷曲线又具有一定的规律性，而且一 般以一周、一年为周期做周期性的变化。为了精确掌握负荷 的变化情况，以便安全、合理、经济地调度发电机的出力和 系统的运行方式，调度部门每天都在进行短期(或长期)的负 荷预测，即通过历史数据预测次日(或未来一周或一年内)的 负荷变化趋势。
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第一，当不平衡功率较小时，由于发电机和负荷的调节 作用，系统将很快达到新的平衡状态，频率和电压发生了变 化，但偏差不超过允许的范围，而且从前一个状态过渡到新 的状态的暂态过程时间很短，可以忽略，这种状态为正常稳 态；
第二，当不平衡功率较大时，虽然系统能够达到新的平 衡，但频率和电压的偏差超出了允许的范围，这种状态为电 力系统异常运行状态；
第５章电力系统频率和电压的调整与控制 由于系统的负荷是上述各种类型负荷的组合，因此，可
以用下式表示负荷吸收的有功功率与频率的关系
其中， P LD 为负荷在实际频率 f 下消耗的功率， P LN 为负
荷在额定频率下消耗的功率，α k ( k =0 ， 1 ， 2 …)为与频 率的 k 次方成正比的负荷的权重，显然有 α 0 + α 1 + … =1 。