（电气工程专业论文）电力系统中最大频率偏差的计算.pdf

e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw uz h e n g q i u a n d s e n i o re n g i n e e rp e n gw e i m a y ，2 0 1 1 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：主鹄 导师签名剐 冰扒w 气、辞 ll l 亿 日期： 2 口l 年9 月母日 日期。酬年s 月z r 日 工程硕十学位论文 摘要 由于系统功率并不是一个恒定的值，而是随时变化的，在稳定的系统中，每 时每刻发电功率和用电功率基本平衡。而功率又是影响频率的主要因素，当发电 功率与用电功率平衡时，频率基本稳定，当发电功率大于用电功率时系统频率则 上升，反之则下降，当系统频率低于4 8 h z 时，电网系统会崩溃。在我们日常生 活中，基本所有的电气设备频率都是5 0 h z ，即在此频率下能正常工作，为保证用 户和电厂的正常运行和安全，我们需要进行频率调整和控制，使得系统的频率变 化不超过0 2 h z 。 本文介绍了电力系统频率的一些基本概念，频率的静态特性和动态特性。并 且给出了频率调整有关概念定义和频率调整时的有关问题。由于孤岛效应会对电 力系统造成很大的危害，所以系统要稳定运行，必须有一定的反孤岛效应能力。 由于大范围的频率偏差会对孤岛系统的频率有很大干扰。系统的最大频率偏差可 以作为防止其它发电机跳闸的一个限定。而且重要的是在系统运行时要有一个准 确的模型来计算它。 本文提出了一个新的简化模型计算任意一台发电机或相关的负荷扰动时的最 大频率偏差。该模型考虑了在不同发电技术下的电力系统中的原动机调速器的响 应。模型的参数可以很容易地适应任意更复杂模型或测试。仿真结果已经由一个 实际的电力系统针对该模型精确度做了检验。由于该模型的简单性，所以获得高 精度的同时计算时间能够得以缩短。 通过对比其他的调速器原动机模型，本文提出的模型具有更好的适应性，对 不同发电技术有很好的适应性，所以也可以考虑应用于其他的电力系统中。 关键词：频率调整；最大频率偏差；调速器原动机模型；旋转备用容量 i i 电力系统最大频率偏差的计算 a b s t r a c t t h es y s t e mp o w e ri sn o tac o n s t a n tv a l u e ，b u ta l w a y sc h a n g i n g i nas t a b l e s y s t e m ，g e n e r a t i o np o w e ra n de l e c t r i c i t yp o w e rb a s i c a l l yb a l a n c e da l lt h et i m e t h e p o w e ri s t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ef r e q u e n c y ，w h e ng e n e r a t i n gp o w e ra n d e l e c t r i c i t yp o w e rb a l a n c e ，t h ef r e q u e n c yb a s i c a l l yg e ts t a b i l i t y , w h e ng e n e r a t i n g p o w e rm o r et h a nu s ee l e c t r i cp o w e r , t h ef r e q u e n c yo fs y s t e mi n c r e a s e d ，i fn o t ，t h e s y s t e mf r e q u e n c yd e c r e a s e d w h e nt h es y s t e mf r e q u e n c yi s l o w e rt h a n4 8 h z ，t h e p o w e rs y s t e mw i l lc o l l a p s e i no u rd a i l yl i v e s ，a l m o s ta l lo f t h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t f r e q u e n c i e sa r e5 0 h z ，t h a ti s ，t h ee l e c t r i c a le q u i p m e n tc a n w o r ki nt h i sf r e q u e n c y t o e n s u r et h eu s e ra n dp o w e rp l a n to p e r a t i o na n ds e c u r i t y w en e e dt oa d j u s ta n dc o n t r o l t h ef r e q u e n c y t h ec h a n g e so ft h es y s t e mf r e q u e n c ym a k e sn om o r et h a n4 - 0 2 h z t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds o m eb a s i cc o n c e p t so ff r e q u e n c yi np o w e rs y s t e m ，t h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r e q u e n c y a n dg i v es o m ed e f i n i t i o n sa n d c o n c e p t so ft h ef r e q u e n c ya d ju s t m e n t ，a n ds o m ep r o b l e m s o ft h ef r e q u e n c ya d ju s t m e n t b e c a u s eo fi s o l a t e de f f e c tc a u s e dg r e a th a r mt ot h ep o w e rs y s t e m ，t os t a b i l i z et h e o p e r a t i o no ft h es y s t e m ，t h e r em u s tb es o m ea n t i i s l a n d i n gc a p a b i l i t y l a r g ef r e q u e n c y d e v i a t i o n sd u et oan u m b e ro fd i s t u r b a n c e sa r ef r e q u e n ti ns m a l li s o l a t e dp o w e r s y s t e m s t h em a x i m u mf r e q u e n c yd e v i a t i o ni nt h es y s t e mi sl i m i t e dt op r e v e n t o t h e r g e n e r a t o rt r i p p i n g i ti si m p o r t a n tt oh a v ea n a c c u r a t em o d e lt oc a l c u l a t ei t ，f o rs y s t e m o p e r a t i o n an e ws i m p l i f i e dm o d e lt oc a l c u l a t et h em a x i m u mf r e q u e n c yd e v i a t i o nw h e n e i t h e rag e n e r a t o ro rl o a d r e l a t e dd i s t u r b a n c eo c c u r si nt h e s es y s t e m si sp r e s e n t e d t h i sm o d e lt a k e si n t oa c c o u n tt h er e s p o n s eo fg o v e r n o r - p r i m em o v e re v e nw h e n d i f f e r e n tt e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n ti nt h ep o w e rs y s t e m m o d e lp a r a m e t e r sc a nb e e a s i l yo b t a i n e df r o me i t h e rm o r ec o m p l e xm o d e l so rf r o mt e s tr e c o r d s s i m u l a t i o n r e s u l t sf o ra na c t u a lp o w e rs y s t e ma i m e da tc h e c k i n gt h em o d e la c c u r a c ya r e p r e s e n t e d h i g ha c c u r a c yi so b t a i n e dw h i l ec o m p u t a t i o nt i m ei sr e d u c e dd u et o t h e s i m p l i c i t yo ft h em o d e l b yc o m p a r i n gt h eg o v e r n o r p r i m em o v e rm o d e l t ot h eo t h e r m o d e l ，t h ep r o p o s e dm o d e lh a sb e t t e ra d a p t a b i l i t yt o d i f f e r e n tp o w e rg e n e r a t i o n t e c h n o l o g i e s ，s ow ec a nc o n s i d e ra p p l y t h em o d e lt oo t h e rs y s t e m s k e yw o r d s ：f r e q u e n c ya d j u s t m e n t ；m a x i m u mf r e q u e n c yd e v i a t i o n ；g o v e r n o r 。p r i m e m o v e rm o d e l ；s p i n n i n gr e s e r v e m 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2电力系统频率的基本概念2 1 3频率调整的背景和意义2 1 4电力系统频率控制的必要性4 1 5 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 第4 章 4 1 1 4 1 频率对电力系统中用户的影响4 1 4 2 系统频率对电力系统的影响4 本文的研究内容4 电力系统的频率特性6 电力系统的频率静态特性：6 2 1 1 电力系统负荷的频率静态特性6 2 1 2 电力系统发电机组的频率静态特性7 电力系统的频率动态特性9 本章小结1 0 电力系统的频率调整1 1 电力系统的频率偏差1 1 3 1 1 频率偏差的定义。1 1 3 1 2 频率偏差的限定值1 2 3 1 3 频率偏差产生的原因1 2 3 1 4 频率偏差过大的影响1 2 频率调整的有关问题1 4 3 2 1 主调频厂的选择问题一1 4 3 2 2 调峰容量调频需用容量及备用容量1 5 本章小结15 电力系统频率偏差的计算1 6 几种频率偏差模型1 6 4 1 1 古典系统模型16 4 1 2 复杂调速器和原动机模型1 7 4 1 3 简化了的调速器和原动机模型1 8 i v k 电力系统最大频率偏差的计算 4 2最小频率模型1 9 4 2 1 调速器和原动机的一阶模型2 0 4 2 2 断开闭环2l 4 2 3 调速器与原动机的恒定斜率模型2 2 4 3 最小频率的计算2 3 4 4实际系统数据的仿真结果2 5 4 5本章小结2 9 结论与展望3 0 参考文献3 2 致谢3 5 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录3 6 v 工程硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电力系统能够安全并且稳定运行的至关重要因素之一是频率稳定，因为它能 体现出一个电力系统发出的有功功率和负荷所需求的有功功率是否保持相同，电 力系统是否稳定和安全可靠。如果频率一旦出现不正常的情况，其后果将难以设 想，系统运行的可靠和安全以及各个用电用户的安全得不到保证。同时会导致它 们的效率变低，使电厂运行的经济性有所偏离，最终还会影响整个电网运行的经 济性。如果频率偏低，更会使整个系统不能够得以安全运行。因此上说，频率一 方面是评价电能质量好坏的标准之一，我们可以作为系统的一种状态反馈量来观 查监控并以此确定系统是否得到了稳定和安全控制；另一方面，我们还应当对系 统的频率实施一些的控制策略来确保系统的稳定和安全。目前，我们在频率测量 方法上已经获得了很多成绩。比如利用改进递归小波的方法和利用数字微分算法 方法来测量系统的频率【卜2 】和其他一些较为准确的测量系统频率的新方法【3 。4 1 ，这 些方法都能够使系统频率测量的计算速度和准确度得到一定程度上的提高。尽管 测量技术在逐渐进步，系统辨识的精确度也在逐步加深，但由于系统负荷的动态 特性和惯性特性，从系统开始检测到负荷的波动并同时判断系统频率的波动是否 超出阈值，到作出反应动作，必然会产生一定的时差和误差。我们怎样在这种情 况下恰当地控制频率使其在阈值内变化，将是一个值得探讨的课题。最近出现了 很多新的发电技术( 如风力发电) ，怎样调度使负荷分布适当，怎样去调整系统中 各发电机的输入功率使频率接近或者达到标准，更值得我们深入研究。 就眼下而言，电力行业都开始实施用分散决策去代替传统的集中管理的竞争 机制。由于整个电力运营的体制在逐步改革，还有已经形成电力市场体制，所以 使得电力系统频率的运行和调度问题，让频率调整变得越来越复杂，而频率调整 又与系统运行的可靠性和经济性密切相关。这样，引起了国内外很多学者的关注。 在国外，已经取得了一些理论成果和实际应用【5 】。由于爱尔兰的风力资源丰富， 并且爱尔兰的风力发电占整体发电的很大比例，都柏林大学电力研究中心 ( e l e c t r i c i t yr e s e a r c hc e n t r e ，e s b ) 以及爱尔兰国家电力市场管理公司( n a t i o n a l e l e c t r i c i t ym a r k e t ，n e m ) 的一些学者更在一直进行一些电力市场环境下的频率控 制研究【6 。7 1 。与此同时，在国内也在研究相应的方法及实施方案。 现代电力网络控制的一个重要方法是自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o n c o n t r o l ，a g c ) ，它是一种在允许的调节偏差阈值下对频率进行实时追踪，从而 1 电力系统最大频率偏差的计算 调节发电机速率，从控制系统频率的方法。英国、挪威和美国 9 - 1 1 】已经对a g c 的 市场实现和运行有了一定程度上的的实际操作经验，更多的国家依然还处于理论 研究和设立局部试点实践之中【12 1 。眼下我国电力市场还没有对这个课题进行过很 深入的研究探讨，故此还需要进一步的探索研究这个领域，来满足我国电力工业 深化市场改革和对频率控制的市场化的需求【13 1 。 1 2 电力系统频率的基本概念 电力系统频率指电力系统中同步发电机产生的正弦交变电压的变化频率。在 发电机组稳态运行时，机组中所有发电机都在同步运转，整个电力系统处于同频 运行状态。系统中处于并联运行模式的发电机组的转速与频率具备如下关系 厂：丝( 1 1 ) 。 6 0 、。 式中厂为发电机频率，单位是h z ； 尸为发电机转子的极对数； 甩为机组转速，单位为r m i n 。 如果发电机的输入功率与负荷消耗功率之间失去平衡，将导致系统频率产生 变化。而因为机械惯性的存在，致使发电机输入功率发生的变化相对较慢，负荷 的改变最后会引起系统频率也随之发生变化。 由以上可知，要控制发电机频率就得控制机组转速。 1 3 频率调整的背景和意义 频率调整，又称频率控制，是电力系统中维持有功功率供需平衡的主要措施， 其根本目的是保证电力系统的频率稳定。电力系统频率调整的主要方法是调整发 电功率和进行负荷管理。按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次 调频、二次调频和三次调频。 一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自 动反应，调整有功出力以维持电力系统频率稳定。一次调频的特点是响应速度快， 但是只能做到有差控制。 二次调频，也称为自动发电控s j j ( a g c ) ，是指发电机组提供足够的可调整容 量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟踪频率，以满足系统频率稳定 的要求。二次调频可以做到频率的无差调节，且能够对联络线功率进行监视和调 整。 三次调频的实质是完成在线经济调度，其目的是在满足电力系统频率稳定和 系统安全的前提下合理利用能源和设备，以最低的发电成本或费用获得更多的、 工程硕士学位论文 优质的电能。 电力系统频率调整也是电力市场的重要组成部分。对系统的频率进行相应的 调整，使其变化不超过规定阈值，从而才能保证电能质量的稳定可靠。在电力系 统中，频率可以作为评价电能质量的好坏的一个参数，是一个系统功率平衡的状 态反馈量，也是电力系统中必须实时监控的一个参数。电力系统的负荷无时无刻 都在变化，系统的频率也相应引起改变，因此对频率进行实时观测调整就显得尤 为重要。对系统有功功率进行调控，可以实现频率调整。故此，在实际应用过程 中，应考虑将频率调整与系统有功功率的合理分配和对发电厂有功功率的调控联 系在一起，达成如下目标： ( 1 ) 系统稳定运行时，使系统频率尽量和额定频率( 我国国家标准为5 0 h z ) 保持 一致，并且系统的频率偏差不能超过超过规定的范围( 容量较大的系统允许偏差： 士o 2 h z ，容量为中小型的系统允许频率偏差：4 - 0 5 h z ) 。 ( 2 ) 对于如何让电厂机组负荷的分配尽量经济的问题，最好做到让整个总的燃 料消耗量保持在最低，这样就会减小很多网络上不必要的损耗。 ( 3 ) 校正天文钟与电钟之间的时间差，保正电钟的准确性。 在电力系统中，直接利用发电机组的原动机调速器特性来调整系统的频率的 方式叫做频率的一次调整。该频率调整过程不需要自动频率调整装置，也不需人 为操作干预。但在系统负荷变化幅度较大的情况下，系统频率偏差范围可能会超 出允许的频率偏差范围。故此，我们需要另外的频率调整方法来辅助一次调整。 由于一次调整中，整个调整过程中没有自动调频装置的参与，为了使系统的频率 偏差不超出允许的范围，这是加入一些自动调频装置或者手动调频装置。通过人 工干预，我们调节系统的调速特性，最终使系统频率得以调整到合理的范围内， 这个辅助过程调整系统频率的方式叫做频率的二次调整。 为了保持电力系统稳定的频率，应当根据一些制定好了的系统运行方式进行 调度管理：包括制定详尽明确的当日负荷表；给主调频厂保留备用调频容量裕度； 然后在此条件下，保证各个发电厂或者发电机组的有功功率合理的分配。 大规模电力系统的并网则是电力系统今后发展的一个主流走向。各个并网的 电力系统之间的频率调整一般都很复杂，可以采用不同的频率调节方法：依照频 率的调整方法，依照频率及交换功率偏移的调整方法和依照联络线交换功率的调 整方法。如果使用较为复杂调频方法来进行调频，就应该由调度自动化系统来调 节。 l 电力系统最大频率偏差的计算 1 4 电力系统频率控制的必要性 1 4 1 频率对电力系统中用户的影响 ( 1 ) 电力系统频率发生变化，将导致异步电动机转速改变，这会使得电动机所 供电的负载机械的转速相应的也发生变化。某些特定产品( 如造纸行业和纺织加 工) 对加工该产品机械的精密度要求比较精确，一旦转速不稳定，那么将会严重 影响这些特定产品的质量，导致废品和次品的出现。 ( 2 ) 电力系统频率波动，也会影响到一些测量、控制用的电子仪器的准确性。 当频率过低时，有些仪器不能正常工作；在一些情况下，甚至根本无法工作。国 防事业以及某些重要和特殊的加工工业不能允许类似的情况发生，因为后果是极 其严重的。 ( 3 ) 系统频率下降也会令电动机的输出功率和转速下降，其结果是，导致其所 带动机械的转速和转矩也随之下降，极大的影响到电力系统中用户设备的安全性 和稳定性。 1 4 2 系统频率对电力系统的影响 ( 1 ) 频率降低，会使火电厂的汽轮机桨片的振动加剧，这将影响汽轮机的使用 寿命，如果后果严重的话汽轮机就会有裂纹。我国电力系统的额定频率为5 0 h z ， 如果频率下降一直到接近4 5 h z ，由于与有些汽轮机叶片的固有频率接近而发生共 振现象使汽轮机叶片断裂，这会酿成非常严重的事故。 ( 2 ) 当系统频率下降到接近4 7 - - - 4 8 h z ，由异步电动机带动一些发电厂机械的 转矩也会降低，导致火电厂发电机发出的有功功率降低。这种持续下降假使不能 得到及时发现和控制，电力系统频率将在短时间之内下降到规定的阈值之外，使 得整个系统安全运行受到极大的危害。我们管这种现象叫频率雪崩。出现这种现 象将导致大面积停电，情况更加严重的时候，甚至使整个电力系统崩溃。 1 5 本文的研究内容 本文的主要工作，是在参考文献提出的一些频率模型和调频算法的基础上， 建立一个简单有效的模型并且进行仿真测试，这个模型应具有高精度且计算时间 相对缩短。 ( 1 ) 通过分析古典的系统频率偏差的模型和复杂的调速器和原动机模型，建立 一个简单有效的模型。 由于一些能够很好的代替调速器和原动机性能的动态模型通常很复杂，因此 很难进行相关的频率偏差性能的简单计算。因此建立一个简单有效的模型并且考 工程硕士学位论文 虑到系统内所有单元和调速器的响应并且能够得到可信的结果是必要的。 ( 2 ) 对所建立起来的模型的频率特性分析，并对相应的参数进行拟合。得到频 率特性曲线。 新模型是否简单有效，应首先对这个模型进行频率特性的分析，对于扰动下 的频率变化，是否能够精确。则要通过频率特性曲线表现，而其中的数据进行最 小平方误差估计并拟合。 ( 3 ) 通过建立的模型和拟合曲线的数据进行扰动后的最小频率的计算，并计算 出最大频率偏差。 通过对数据的计算，求出最小频率，找出最大频率偏差，可以验证模型的计 算时间是否有缩短。 ( 4 ) 对计算得出的数据进行仿真测试，得出仿真结果。 l 电力系统最大频率偏差的计算 第2 章电力系统的频率特性 2 1 电力系统的频率静态特性 2 1 1 电力系统负荷的频率静态特性 在没有旋转备用容量的电力系统中( 即当频率下降时发电机出力不变) ，当发 电机输出功率与负荷消耗功率失去平衡时，频率将会随之发生变化。由于频率的 变化，进而整个系统的负荷也会随之发生变化。这种电力系统的负荷随着系统频 率波动而变化的特性被称为电力系统负荷的频率静态特性。由于负荷的种类不同， 与频率间的相互关系也不同。通常可以分为以下几个类别。 ( 1 ) 如照明设备、发热电阻器以及电弧炉等和频率的变化没有关系的负荷。 ( 2 ) 如空气压缩机、往复式水泵、切削机床以及磨床等和频率的一次方成正比 的负荷。 ( 3 ) 如网损等和频率的二次方成正比的负荷。 ( 4 ) 如通风机等和频率三次方成正比的负荷。 ( 5 ) 如给水泵等和频率更高次方成正比的负荷。 对于上面这些各种不同负荷，可以用下面的式子来表示它们与频率的关系： = 口0 + 口1 ( 匀1 + 口2 ( ) 2 + + ( 匀” ( 2 1 ) jcje je 式( 2 1 ) 中为频率为厂时，整个系统的有功负荷； 为频率为额定频率z ( 我国f , = 5 0 h z ) 时，整个系统的有功负荷； a o 、q 、为与频率的0 、l 、2 n 次方成正比的负荷占额定负荷的百分数。 将式( 2 1 ) 各项均除以，则将变成用额定负荷表示的标幺值 ，0 = a o + 口l z + 吃2 + + ”( 2 2 ) 显然，口o + q + 呸+ + = l 应用式( 2 1 ) 及式( 2 2 ) 时，通常只取到频率的三次方为止。如将式( 2 2 ) 对频率 微分，则得 等2 q + 2 口2 工+ 3 9 厂2 + + n a f 2 萎鸭2 如2 i 1 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中k p ，为负荷的频率调节效应系数；s 为负荷调差系数是b 的倒数。 式( 2 2 ) n t t 做电力系统负荷的静态频率特性方程式。 负荷的频率静态特性也可用图2 1 的曲线表示。图中当频率为额定值兀时， 图2 1 负荷频率的静态特性 2 1 2 电力系统发电机组的频率静态特性 在系统的频率发生变化的情况下，汽轮发电机( 或水轮发电机) 调速系统将通 过自动的调节汽轮发电机( 或水轮发电机) 的进汽量( 或进水量) ，以增加或减少发 电机的出力。 这种反映由频率变化而引起汽轮发电机( 或水轮发电机) 出力变化的关系叫做 汽轮发电机( 或水轮发电机) 调速系统的频率静态特性。可用图2 2 表示。 图2 2 汽轮机调速系统频率静态特性 图2 2 为一台汽轮机调速系统频率的静态特性。当系统频率为厶时，发电机 的出力为；当系统频率下降到彳时，发电机的出力增加到名。因此，我们通 过频率与发电机出力的这个关系得出汽轮机调速系统频率的静态特性曲线的斜率 电力系统最大频率偏差的计算 k f = a p f 一多= 瓮 亿4 ， 或者 僻：一型竽 ( 2 5 ) 式中k f 叫做汽轮机调速系统的频率特性斜率，k f 的倒数品叫做汽轮机调速 系统的频率调差系数。一般频率调差系数s f 由发电机负荷从0 变到最大值时转数 的变化与发电机负荷额定转数的比值来决定。不难证明 品= 址n b = 皂z i - f 等 ( 2 6 ) ) b 式中，k 为负荷为零时发电机的转数； 。为负荷为最大值时发电机的转数。 对于汽轮发电机来说，般& = 4 一6 ； 对于水轮发电机来说，一般& = 2 4 。 由式( 2 4 ) 可以看出，这个所谓的k f 就是发电机功率变化百分数( 以发电机额 定功率为基准值) 与发电机频率变化的百分数( 以发电机额定功率为基准值) 的比 值。因为发电机频率下降时，发电机的出力不是减少而是增加的，所以式( 2 4 ) 的 右边是负号。 对于汽轮发电机来说，一般k 。= 1 6 6 2 5 ； 对于水轮发电机来说，一般k ，= 2 5 5 0 。 调差系数品的大小对系统频率的稳定运行关系很大。为了减少系统的频率波 动，希望汽轮机调速系的调差系数s f 小一些。 整个系统所有机组的原动机调速器系统的频率静态特性斜率可以用和一台机 组相似的方法表示 耻一羞每一羞。上a f 1 0 0 。丽a p t 亿7 ， 式( 2 7 ) 中衅= 啤。+ 缉：+ + 脾h ；为频率变化时所有机组的出力变化之 和。= 。+ ：+ + ；为所有机组额定出力之和。 k f p 为全系统发电机原动机调速系统的频率静态特性的平均斜率。 式( 2 7 ) 为所有机组的频率静态特性方程式。在求所有机组调速系统的频率特 性平均斜率k 即时，应将没有调整容量的发电机的k f 视为零。 工程硕十学位论文 2 2 电力系统的频率动态特性 当电力系统的电源与负荷平衡遭到破坏时，系统频率将从正常的稳定值过渡 到另一个稳定值。表示这种暂态过程中频率变化的过程叫做电力系统的频率动态 特性。电力系统的频率的暂态过程与电厂有无备用容量、负荷的频率调节效应系 数等有关。 当电厂无备用容量时，系统频率是逐步下降至稳定频率的，当电厂有备用容 量时，系统频率下降是经过波动后才至稳定频率的，同时波动幅值的大小与负荷 的频率调节效应系数k 有关，当k 矿越大时，波动幅值越小。 严格的讲，在电力系统的频率动态变化过程中，各个电厂的频率都是稍有不 同的，但在频率稳定之后，各个电厂的频率是一致的【15 1 。 电力系统的频率动态特性还与当时整个系统正在运行的汽轮发电机、水轮发 电机、电动机及其拖动的工作机械的惯性时间常数有关。 当系统频率在4 0 5 0 h z 变化时，并假定 ( 1 ) 发电机功率不因频率变化而变化( 即发电机无旋转备用容量) ； ( 2 ) 负荷变化的频率静态特性线性化； ( 3 ) 过剩转矩的标幺值与过剩功率的标幺值相同，则电力系统的频率动态特性 可以推导求得 工吒一划篝残箸型”p 专) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中f o 。为发生事故前的正常频率的标幺值( 基准值为5 0 h z ) ； 。为对应于正常频率石时系统的标幺总负荷( 基准值为。) ，o = 1 ； 斥o 为对应于正常频率石时系统所有发电机组的标幺总出力( 基准值为 o ) ，b o = 1 ； 脾胃为系统负荷变化的标幺值( 基准值为。) ，负荷增加时为正，负荷减 少时为负； 缉。为系统所有机组出力变化标幺值( 基准值为。) ，出力增加时为负，出 力减少时为正； f 为暂态过程的时间( 秒) ； k 酣为系统负荷的频率调节效应系数； l 为系统负荷变化的时间常数( 秒) ； 量一啤i。 弓2 l 巧f h 币o 丽 2 9 ) 其中t 为电力系统旋转部分机械惯性时间常数( 秒) ；名为系统发电厂机 电力系统最大频率偏差的计算 组的额定功率( m w ) 。 2 3 本章小结 本章介绍了电力系统的频率特性，电力系统的频率特性分为频率静态特性和 频率动态特性。本章主要选取了电力系统的发电机组来研究频率静态特性和动态 特性，并给出了相应的关系式。 1 0 工程硕士学位论文 第3 章电力系统的频率调整 由于电力系统的负荷随时都在变化，因此系统的频率也要随时变化，欲使频 率的变化不超过允许的范围，就必须对频率进行调整，这是电力系统调度部门的 主要职责之一。但是频率调整是一个比较复杂的问题，他不仅与全系统的频率静 态特性、负荷变化速度和负荷幅值变化大小有关，也与原动机调速系统的调差系 数、各电厂机炉负荷及出力增减速度有关。当然，最主要的是与运行人员及时对 频率的调整质量有关。 3 1 电力系统的频率偏差 3 1 1 频率偏差的定义 电工学理论中指出，单位时间内正弦量交变的次数称为频率，频率由厂表示， 单位为赫兹( h z ) 。周期为交变( 正负半波变化) 一次所用到的时间，由丁表示，单位 为秒( s ) 。周期和频率互为倒数。即 厂= 亍1 ( 3 1 ) 在交流电力系统中，向用户供电的是按正弦函数波形变化、规定的电压等级、 恒定单一的标称频率的交流电。在交流电力系统中，标称频率有两种，分别为5 0 h z 和6 0 h z 。5 0 h z 为目前我国所采用的标称频率。标称频率也被称为工作频率，即工 频，要想使得与电力系统相连接的所有电气设备正常运行，都必须在5 0 h z 频率下 运行才能成功。只有通过换流设备才能实现不同工作频率的系统互联。如果电气 设备与系统要进行非同步运行，那么我们需要变频调速装置来实现并网。例如在 3 0 8 0 h z 的标称频率范围内变化的抽水蓄能机组，我们如果要对它实现交流主系 统的并联，便是通过静止频率变换器来实现的。 频率偏差的概念为正常运行的电力系统中，实际系统频率值与标称系统频率 值之差，公式如下所示： a f = 石一厶 ( 3 2 ) 式中厶为基础标称频率，单位为h z ； 磊为实际频率，单位为h z ； 为频率偏差，单位为h z 。 频率变化包含频率偏差的概念。在电力系统中，基波频率与正常规定值不一 样的现象即称为频率变化。 l 电力系统最大频率偏差的计算 3 1 2 频率偏差的限定值 在国家标准中规定：在正常情况时，电力系统中频率偏差正常允许有0 2 h z 的偏差范围。在系统中容量较小情况时，频率偏差值可以允许有0 5 h z 的偏差 范围。同时，标准中也有这样的规定：当用户大量接入或者下线使负荷发生变化 时，系统会发生频率的变动，而这个变动的范围不得超过o 2 h z 。在保证附近电 网的运行的稳定性和发电机组安全性和可靠性的情况下，可以适当的变动频率偏 差的限定值，而变动限值的方法则一般由系统的运行条件和根据负荷负荷变化的 一些性质来决定。每个国家的系统频率允许偏差范围不一样，在某些发达国家中， 系统频率可以允许达到0 1 h z 偏差范围。比如日本的系统频率偏差就可以达到 0 0 8 h z 。当今世界科学技术发展日新月异，随着生产力的提高和新技术的应用， 对频率改变非常敏感的新设备必将得到越来越广的推广，随之各国对该频率偏差 的规定会变得越来越严格。预计经过十几年的发展，发达国家系统频率偏差允许 范围将达到0 0 5 h z 。 3 1 3 频率偏差产生的原因 在电力系统中，要使得所有发电机组转速的恒定运行，必须使得系统总共的 电源供给与负荷功率总需求( 其中也有传输环节的电能损耗) 平衡。然而，要实 现发电机组转速恒定并没有这么容易，这是因为电力系统中发电机组的出力和电 力系统负荷每时每刻都在变化。当系统出现发电机组的有功功率和负荷的有功功 率不平衡的情况时，系统频率便会因为发电机组和负荷的功率不平衡而出现变动， 从而产生了频率偏差。系统频率偏差持续时间和大小由发电机控制系统对负荷改 变的响应能力和负荷特性决定。只有在一种情况下，频率偏差才为o ，那便是当 系统负荷需求的总有功功率等于发电机的总输出功率时候。而在通常情况下，系 统负荷需求的总有功功率并不总是等于系统发电机的总输出有功功率，那么在系 统负荷需求的总有功功率较大的情况下，系统频率便会下降，频率偏差为负值； 反之，在系统中所有发电机的总输出有功功率较大的情况下，系统频率便会上升， 频率偏差为正值。加剧电力系统有功功率不平衡的因素有很多，多为电力系统大 故障，如大容量发电设备退出运行，大面积甩负荷等，他们会使得电力系统频率 偏差超出允许的范围。综上所知，频率偏差产生的根本原因是电力系统有功功率 的不平衡。 3 1 4 频率偏差过大的影响 频率偏差过大对电力系统会产生巨大的危害，严重影响到电力系统的安全运 工程硕士学位论文 行，工业生产，和用户用电，其具体危害如下：( 1 ) 系统频率偏差对电力系统造成 的危害 系统频率偏差过大会降低发电机组运行效率，甚至造成系统电压崩溃或频 率崩溃。众所周知，在火力发电厂中，风机和水泵是最主要的设备，当系统的频 率偏差改变时，电动机的输出功率将会极大的减少，这会直接影响到他们所提供 的风量和水量，进而危害到发电机和锅炉的的正常运行。当频率降至临界运行频 率4 5 h z 以下时，发电机输出的功率明显降低。一旦发电机输出功率减少，系统 频率会进一步下降，形成恶性循环，最终导致系统因频率崩溃而瓦解。除此之外， 当系统频率降低，即发电机的转速降低时，发电机的电动势也会随之降低，会造 成无功功率出力降低，这会影响到电力系统内部补偿并联电容器出力，但是对于 用户来说，其电气设备中的励磁的无功功率将会增加，这样一来，将会使电力系 统的电压因频率的下降而减小，系统的安全性和稳定性将会受到严重的影响，当 频率降低到4 3 4 5 h z 时，将非常容易引发电压崩溃。 当系统处于低频状态运行时，火力发电机组中的汽轮机很容易由于系统频 率接近汽轮机叶片振动的固有频率而发生叶片共振，最终导致叶片机械性疲劳损 伤和叶片过早断裂，使汽轮机的使用寿命大大缩短。 异步电动机和变压器在低频率电力系统中运行时的主磁通量会增加，绕组 中的励磁电流也会随之增大，导致系统中的无功功率大大增加，电压减小，给系 统的频率调整增加了难度。 当系统频率下降时，由于系统频率与电力系统中用于无功补偿的电容器补 偿容量成正比，电容器的无功输出将和系统的频率按照一定比例减小。在这种情 况下，电容器对电压的支撑稳定作用大为削弱，不利于系统电压的调整。 感应式电能表的计量误差与频率偏差也有很大的关系。通过文献 1 6 】的研 究结果，我们可以得知：“当频率变化1 的时候，感应式电能表的计量误差就会 随着系统频率的变化而增大0 1 。 所以说系统频率变化过大，将导致感应式电 能表对电量的计数变得不准确，计量结果也更加不可靠。 ( 2 ) 系统频率偏差过大可能对用电负荷造成的影响： 使得电网中用电设备的可靠性得不到保证。就目前的情况来说，大多数工 业企业中的主要用电设备基本以异步电动机为主，而这些异步电动机的转速的高 低都取决于系统频率变化的大小。如果系统频率发生变化，这些异步电动机的转 速也会随系统频率的变化而发生改变，这种情况可能影响到用电设备的稳定性。 如造纸、纺织等工业企业将因频率的下降出现部分残次品。 可能造成工业生产率的降低。由于接入到电网中电动机的输出功率和系统 的频率息息相关，如果系统频率的下降，接入电网中电动机的输出功率将会因频 率的减小而减小，同时接入电网中电动机的输出转矩也随之发生改变，从而使负 l 电力系统最大频率偏差的计算 载机械的出力不足( 如机械工业中的大量机床设备) ，造成了工业生产率的严重降 低，甚至极端状况下不能正常运转。 可能影响到电子设备的正常工作，甚至极端状况下可能直接导致设备崩溃。 现代化加工制造业中大量使用高精密电子设备，如电子计算机、电子通信设备、 数字化精密传感器和采用柔性制造系统的工业生产流水线等，随着这类精密设备 的广泛普及，将对系统频率的要求越来越高。系统频率的不稳定，将会使这些高 精密电子设备的工作特性发生很大的改变，精确度将会大打折扣，造成重大技术 误差。例如，系统频率过低时，雷达将不能正常使用，计算机在低于其工作频率 时将不能开机。 3 2 频率调整的有关问题 要随时维持电力系统合格的频率质量，不仅与频率的调整过程有关，也与其 他一系列的调度运行管理工作有关，特别是与电源与负荷的管理及机炉检修安排 等工作有关。 3 2 1 主调频厂的选择问题 一般来说，主调频厂主要负责调整系统频率，所以在选择主调频厂时，选择 结果的的优劣将会影响系统频率的质量的差别。所以我们选择主调频厂时需要注 意一些问题，比如： ( 1 ) 调整范围要比较大并且要留有充足的调频容量裕度； ( 2 ) 调整速度要足够快，这样当负荷发生变化时，我们能够很快的适应这个变 化； ( 3 ) 调整出力要满足系统的经济性和运行的安全稳定性的要求。 当电力系统的发出的电能由水电厂和火电厂同时供应时，普遍都是选水电厂 作为主调频厂。在大型火电厂中，普遍令效率低的那些发电机组作辅调频厂，而 令效率高的那些发电机组去带动负荷。由于水电厂操作也非常简便，调整范围比 较大，调频速度也比较快，满足上面的几点要求，所以一般都选择水电厂作为主 调频厂，这样一