1、第五章第五章 電力系統的有功功率和電力系統的有功功率和頻率調整頻率調整 1、電力系統的有功功率平衡、電力系統的有功功率平衡 2、電力系統中有功功率的最優分配、電力系統中有功功率的最優分配3、電力系統的頻率調整、電力系統的頻率調整概述概述 電力系統電力系統是現代社會中最重要、最龐雜的工程系統之是現代社會中最重要、最龐雜的工程系統之一。如何保證正常、穩態運行時的電能質量和經濟性一。如何保證正常、穩態運行時的電能質量和經濟性問題，是我們考慮的重點問題之一。問題，是我們考慮的重點問題之一。 衡量電能質量的指標衡量電能質量的指標包括：包括：頻率質量、電壓質量和波頻率質量、電壓質量和波形質量形質量，分別以

2、頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。示。頻率：50Hz，允許有0.20.5Hz的偏移電壓：設備應運行在額定電壓的5%z之間波形：考核系統的諧波電壓含有率要求(識記)：n衡量運行經濟性的主要指標衡量運行經濟性的主要指標為：比耗量為：比耗量(煤耗率煤耗率)和線損率（網損率）和線損率（網損率）n有功功率的最優分布有功功率的最優分布包括：有功功率負荷包括：有功功率負荷預計、有功功率電源的最優組合、有功功率預計、有功功率電源的最優組合、有功功率負荷在運行機組間的最優分配等。負荷在運行機組間的最優分配等。第一節第一節 電力系統中有功功率的平衡電力系統中有功功率的平衡

3、一、電力系統的有功功率平衡發電機組的有功平衡發電機組的有功平衡：發電機的電磁功率PGi與原動機的機械功率PTi之間的平衡。發電機組的有功平衡與頻率的關系fPPfPPffPPGiTiGiTiGiTi0dq)2(fTiPGiP發電機組原動機發電機原動機慣性大，有功調節慢，無法時刻保持與瞬變負荷及發電機功率的平衡，而只能保證動態平衡，相應頻率也只能保持動態穩定。如剛才講到，因為電能是不能儲存的，所以上述有功功率平衡方程在任何時刻t都是成立的（即保持平衡），但系統中負荷時無時無刻不在變化的，所以上述平衡方程很容易被打破，導致上述有功功率不平衡，這種不平衡只是短暫的，我們可以根據負荷的變化情況來調節發電

4、機發出的總功率，用來調節整個系統的平衡，使得上述方程重新回到平衡狀態。若不加以調節，則有功功率的不平衡將對頻率造成影響。系統有功功率不平衡對頻率的影響：由電機學知識：n=60f/p頻率與發電機轉速有關轉速又決定于發電機的電磁轉矩（隨負荷變化）和原動機的拖動轉矩（由原動機的功率決定）。原動機拖動功率-電磁功率=發電機的總功率。請問發電機的電磁轉矩與轉速的方向是相同還是相反？具體情況：1、負荷增加，使電磁轉矩增加，若原動機的拖動轉矩不變，則轉速n下降，導致頻率降低。2、負荷減少，使電磁轉矩減小，若原動機的拖動轉矩不變，則轉速n上升，導致頻率升高。通過上面的分析得出：有功功率的變化(負荷的變化)與頻

5、率的變化是直接相關的，因此可以通過調節頻率來調節有功功率的平衡。二、有功功率負荷的變動和調整控制P1（幅度小，周期短，一次調頻）（幅度小，周期短，一次調頻）P2（幅度較大，周期較長，沖擊性（幅度較大，周期較長，沖擊性負荷，二次調頻）負荷，二次調頻）P3（幅度最大，周期最長，由生活、（幅度最大，周期最長，由生活、氣象等引起，三次調頻）氣象等引起，三次調頻）變化不規律不同的周期的負荷有不同的變化規律：不同的周期的負荷有不同的變化規律：n第一種變動幅度很小，周期又很短，這種第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負荷變動有很大的偶然性；負荷變動有很大的偶然性；n第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種負

6、第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種負荷的主要有：電爐、壓延機械、電氣機車等帶有荷的主要有：電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負荷變動；沖擊性的負荷變動；n第三種變動基本上可以預計，其變動幅度最大，第三種變動基本上可以預計，其變動幅度最大，周期也最長，是由于生產、生活、氣象等變化引周期也最長，是由于生產、生活、氣象等變化引起的負荷變動。起的負荷變動。剛才講到，當負荷變動時（即有功功率變化時），若發電機總功率不加以調節，則頻率會發生偏移。 因此，根據負荷變化，電力系統的有功功率和頻率調整大體上也可分為：一次調頻：由發電機調速器進行；針對第一種負荷變動引起的頻率偏移的調整。二次調頻：由發電

7、機調頻器進行；針對第二種符合變動引起的頻率偏移的調整。三次調頻：優化準則，即由調度部門根據負荷曲線進行最優分配，責成各發電廠按事先給定的負荷發電。除平衡節點（調頻）外均屬此類。（有功功率日負荷曲線），針對第三種負荷變動，人工完成。前兩種是事后的，第三種是事前的。 另外，還有一種調整叫做負荷控制，是指個別負荷大量或長時間超計劃用電以致影響系統運行質量時，由系統運行管理部門在遠方將其部分或者全部切除的控制方式。三、系統有功功率（電源容量）和備用容量u系統中系統中可供調度的系統電源容量可供調度的系統電源容量可能小于可能小于總裝機容量總裝機容量 定期停機檢修定期停機檢修 水電廠的發電機因水頭極度降低不

8、能按額定容量發電水電廠的發電機因水頭極度降低不能按額定容量發電u各發電廠預計可投入運行的發電機組的各發電廠預計可投入運行的發電機組的可發功率可發功率之和之和為為可供調度的系統電源容量可供調度的系統電源容量。為了保證可靠供電和良好的電能質量，系統為了保證可靠供電和良好的電能質量，系統可供調度的可供調度的電源電源容量必須大于發電負荷。容量必須大于發電負荷。系統電源容量=系統中可運行機組的可發容量之和三、系統有功功率和備用容量為了保證可靠供電和良好的電能質量，系統中的發電設備容量應大于系統負荷，我們把系統電源容量大于負荷的部分稱為備用容量，它是指可用發電出力的后備補充力量，能夠隨時調整投入運行。備用

9、容量備用容量：可供調度的系統電源容量大于發電負荷的部分。：可供調度的系統電源容量大于發電負荷的部分。作用： 在系統出現第一類、第二類負荷的波動、負荷的超計劃增長、事故導致的發電機退出運行和設備檢修導致的設備退出運行情況下，保證電力系統在要求頻率水平下的功率平衡，以保證供電可靠性和電能質量。備用容量按照形式分為：熱備用，冷備用。 熱備用 處于運行狀態的備用，亦稱旋轉備用。 如，負荷備用和部分事故備用。只要電網需要時（出力不夠或者出現故障時），隨時可動用的備用出力，這部分備用容量已經滿足運行的條件，處在運行當中，只要電網需要，立即啟動，所以系統不會出現停電故障 冷備用（和熱備用相反理解） 處于停機

10、待用狀態的備用，亦稱停機備用。 如，檢修備用、國民經濟備用及部分事故備用。 檢修中的發電設備不屬冷備用。檢修中的發電設備不屬冷備用。熱備用越多，越有利于保證電能質量和供電可靠性，但經濟性不好。熱備用越多，越有利于保證電能質量和供電可靠性，但經濟性不好。按用途分為：負荷備用，事故備用，檢修備用，國民經濟備用。 負荷備用針對一類、二類負荷波動和預測外負荷設置（2%5%）。 事故備用針對事故導致發電設備退出設置（5%10%，且不小于系統最大一臺機組的額定容量）。 檢修備用針對發電設備檢修退出運行設置（視情況）。 國民經濟備用針對國民經濟的超計劃增長設置（3%5%） 發電負荷 （熱備用）負荷備用 （熱

11、備用） 事故備用 （熱備用） 檢修備用 （冷備用） 國名經濟備用（冷備用）各種類型的備用仍只以兩種形式存在。第二節 電力系統中有功功率的最優分配有功功率最優分配包括兩個主要內容：即有功功率電源的最優組合和有功功率負荷的最優分配。有功功率電源的最優組合指系統中發電設備或發電廠的合理組合，即機組的合理開停。 機組的最優組合順序 機組的最優組合數量 機組的最優開停機時間與冷備用容量的合理分布有關。第三節 電力系統的頻率調整一、頻率調整的必要性頻率是電力系統運行的一個重要的質量指標，直接影響著負荷的正常運行。負荷要求頻率的偏差一般應控制在（0.2 0. 5）Hz的范圍內。要維持頻率在正常的范圍內，其必

12、要的條件是系統必須具有充裕的可調有功電源。頻率變動的影響：1、對用戶的影響頻率變化超出允許范圍將使用戶遭受損失 。由于頻率變化引起異步電動機轉速變化，將會影響用戶產品質量。例如：紡織及造紙行業可能產生殘次品。2、對電子設備的影響頻率不穩定將影響電子設備的工作，如雷達、計算機等將因頻率過低而無法工作。3、對發電廠的影響（1）影響鍋爐的正常運行（2）當頻率下降時，會增加汽輪機葉片所受的力，引起葉片的共振，縮短葉片的使用壽命，嚴重時刻使葉片斷裂。（3）頻率降低時，導致拖動設備出力下降，造成水壓風力不足，因此發電機發電能力下降，所以為了維持正常電壓，就要增加勵磁電流，致發電機定子和轉子溫升增加。（4）

13、頻率降低時，因為為了維持正常電壓而增加了勵磁電流，導致磁通密度的增大，因此變壓器的鐵耗和勵磁電流都要增大。4、對系統的影響（1）由第二章知識，當頻率下降時，系統無功損耗將會增大（原因：勵磁電流的增大）， 這必將導致整個系統的電壓水平下降。（2）頻率過低，可使整個電力系統瓦解，造成大面積停電。二、自動調速系統及其調節特性由上述分析知、頻率的變動將會產生多方面的影響，因此有必要對系統頻率進行調整，使其變化范圍控制在正負0.2-0.5Hz。而要調節頻率，實質上就是調節原動機的轉速，即汽輪機的轉速調節，要調節汽輪機的轉速，實質上就是要調節汽輪機閥門開度的大小，即調節進氣量。下面介紹一種自動調速系統-離

14、心飛擺式調速系統。原理圖如下頁所示：離心飛擺式調速系統示意圖調速器：進行頻率的一次調整，在圖中D點不動。調頻器：進行頻率的二次調整，使得D點上升。一次調頻、二次調頻原理簡介，見教材P203.三、電力系統的頻率特性1、電力系統負荷的有功功率-頻率靜態特性當頻率變化時，電力系統中的有功功率負荷也將發生變化。當電力系統穩態運行時，系統中的有功負荷隨頻率變化的特性稱為負荷的有功功率-頻率靜態特性（額定頻率附近）。有功功率-頻率靜態特性K KL L也叫做負荷的單位調節功率，單位：也叫做負荷的單位調節功率，單位：Mw/Hz Mw/Hz 用標幺值表示：KL*的值受用戶的影響，其值不能整定，大概在1.5左右。

15、負荷的頻率調節效應：指在一定的頻率下負荷隨頻率變化的變化率。2、發電機組的有功功率-頻率靜態特性當系統頻率變化時，汽輪機調速系統將自動的改變進氣量，以相應的增加或減少發電機輸出功率，調整結束后達到新的穩定狀態。這種反映由頻率變化而引起的汽輪機輸出功率變化的關系，稱為發電機組有功功率-頻率靜態特性。（ ）（2）配置自動調速系統的原動機機械功率的靜態頻率特性 一次調整（依靠調速器的作用）二次調整有調頻器的二次調整后，原動機的運行點不斷地從僅有一次調整時的靜態頻率特性曲線，平行的移動到另一根曲線上，連接不同直線上的點，得到有二次調整時靜態頻率特性曲線，可實現誤差調節和有差調節。 GNNGGNNGGG

16、GPfKfPfPKHzMwfPK/ * 其含義標志著隨頻率的其含義標志著隨頻率的升升降降發電機組發出功率發電機組發出功率減少減少或或增加增加的多寡。的多寡。發電機發電機組組的單位調節功率的單位調節功率：即發電機組功頻靜態特性的斜率，其斜率為負值。：即發電機組功頻靜態特性的斜率，其斜率為負值。負號表示發電機輸出功率的變化和頻率變化的方向相反。發電機組的調差系數：即發電機單位調節功率的倒數。用百分數表示：所以二者關系如下：NGNNGNGGGfPfPKKK100%11100%1* KG和調差系數是可以整定的。四、一次調頻為了便于分析，現假設系統中只有一臺發電機組和一個負荷。頻率的一次調整過程：（1）

17、系統正常運行時，穩定運行于O點，此時發電機發出的功率等于負荷消耗的功率，處于平衡狀態，即：（2）當穩定運行于O點時，負荷突然增加PL0 ，由O點跳至A點。（3）因機組功率不能及時變動，機組將減速，頻率將下降。（4）隨著頻率的下降，負荷消耗的功率減少，負荷的功頻特性將沿著新的特性曲線PL下降，由A點向O點移動。由于這種特性是由負荷本身決定的，因此PL和PL斜率相同。以上都是針對負荷來分析，下面針對發電機組來分析。（5）另一方面，根據離心飛擺式調速系統原理可知，當負荷增加，頻率下降時，汽輪機進氣量增加、原動機功率增加，即發電機組的功率因調速器的作用也隨之增加（一次調頻），所以，隨著頻率的下降，發電

18、機組的功頻特性將沿著曲線PG向上移動。（6）兩者分別沿著圖中箭頭方向移動，最終系統穩定運行于新的平衡點O。這就是一次調頻的整個過程。fKPBAfKPOBPBAOBOALLGGL0下面來分析負荷功率的增加量是由哪幾部分組成的，由圖可知：其中，OB是由于頻率下降后發電機組的增加量，BA表示負荷因頻率下降而減少的量。因此：整個系統的負荷功率的增大量=發電機組功率的增大量-負荷功率減少量SLGLsLGLGLKKKfPfKfKKfKfKP/)(00取功率和頻率的上升為正KS：稱為系統的單位調節功率，單位Mw/Hz。表示原動機調速器和負荷本身的調節效應共同作用下系統頻率下降或上升的多少。即系統的負荷增加或

19、減少，對應頻率的下降或增加。所以，可以通過該系統單位調節功率，可以求解在已知的允許的頻率偏移范圍內，整個系統能夠承受多大的負荷增減。由上可知，系統的單位調節功率取決于兩個方面，即發電機的單位調節功率和負荷的單位調節功率。注意：取功率的增大或頻率的上升為正；取功率的增大或頻率的上升為正；KG，KL，Ks本身為正；本身為正；為保證調速系統本身運行的穩定，不能采用過大或過小的單位為保證調速系統本身運行的穩定，不能采用過大或過小的單位調節功率；調節功率；（原因？無法根據頻率變化確定機組功率增量。原因？無法根據頻率變化確定機組功率增量。）實際的電力系統中，不可能僅僅只有一臺發電機組和一個負荷，而是有好多

20、。假設系統中有n臺發電機組時，并且假設這n臺機組全部參與調整，則：此時：另外系統中的n臺發電機組很有可能存在有些機組已經滿載的情況，以致它們的調速器受負荷限制器的限制不能再參加調整，這就使得系統中總的發電機單位調節功率下降。結論：對于滿載機組，不再參加調整。對于滿載機組，不再參加調整。1i nGNGiiKK即：n臺發電機組中，僅有m臺發電機組（mKGM即系統中由于某些機組因滿載不能參加調整，致使整個發電機組系統的等值單位調節功率減小，等值調差系數加大。最后，整個系統的單位調節功率為：SLGiKKK充分理解機組不能參加調頻的含義：機組滿載（空載）不能增加（減少）功率。因此，當負荷增加（減少），滿

21、載（空載）機組時不能參加調頻，相應其單位調節功率為0，調差系數為無窮大。由于系統中有些機組滿載或空載不能參與調整，使得Ks不可能很大，因此，用調速器進行的一次調頻只適用于周期較短、幅度較小的負荷變動引起的頻率偏移。對于符合變動周期較長，幅度較大的調頻，則落到了二次調頻的頭上。五、二次調頻當電力系統由于負荷變化引起的頻率偏移較大，采取一次調頻尚不能使其保持在允許的范圍內時，這時通過二次調頻才能解決。頻率的二次調整就是以手動或自動方式調節調頻器平行地移動發電機組有功功率-頻率靜態特性，來改變發電機組輸出的有功功率，使系統的頻率保持在負荷增長前的水平或使頻率的偏差在允許的范圍之內。頻率的二次調整過程

22、：（1）假設進行完一次調頻后，系統穩定運行于O點，此時頻率下降至fo，功率增至Po。（2）若此時的f 超過系統允許的范圍，則操作發電機組調頻器，起動二次調頻，再次增加發電機組輸出的有功功率 PGo，使發電機組有功功頻特性曲線向右平行移動（按照給定的增發功率 PGo 來移動）。（3）這時由于增發功率，導致系統頻率的增加，那么由于負荷本身的調節效應，負荷吸收的頻率也要增加，相應地運行點將從O點轉移到O點，對應的頻率為fo，對應的功率為Po。（4）由圖可清晰的看出，進行二次調頻后，頻率的偏移將由f 減小為f ，發電機供給負荷的有功功率從Po增至Po，顯然系統運行質量有了提高。由上述分析可見，當一次調

23、頻和二次調頻同時進行時，系統的負荷增量PLo是由三部分調節功率組成的：（1）（3 3）一次調整后，即）一次調整后，即（2）所以：其值為：其值為：) ( ) (000fKfKPfKfKPPLGGLGGLKsPPfKsKKfPPfKKfKfKPPGLLGGLLGLGGL000000 )( )() (或由此可知，當f=0時，即 時，即實現了無差調節。00GLPP 另外，由上面分析可知，在同樣的 負荷變化情況下，若Ks越大，那么對應的頻率偏移范圍將越小，所以我們總是希望 具有較大的單位調節功率Ks。而Ks=KG+KL，其中，KL又是不能整定的，所以要想調整Ks，實際上是調整發電機的單位調節功率KG（或調差系數，要較小的）。因此發現，在進行二次調頻時，系統負荷的增減變化實際是由發電機組來承擔，稱之為調頻機組或調頻廠。