电力系统自动化 第6章 电力系统频率控制技术1

1、电力系统自动化电力系统自动化 第第4章章 同步发电机自动并列原理同步发电机自动并列原理 4.1 概述概述 4.1.1 并列操作的意义并列操作的意义 4.1.2 对并列操作的基本要求对并列操作的基本要求 4.1.3 并列操作方式并列操作方式 4.2 自动准同期装置的组成自动准同期装置的组成 4.2.1 准同期并列的理想条件准同期并列的理想条件 4.2.2 并列误差对并列的影响并列误差对并列的影响 4.2.3 典型自动准同期装置的组成及并列原理典型自动准同期装置的组成及并列原理上节回顾电力系统自动化电力系统自动化第6章 电力系统频率控制技术 6.1 电力系统频率调节的必要性电力系统频率调节的必要性

2、 6.2 电力系统频率特性电力系统频率特性 6.3 电力系统自动调频方法电力系统自动调频方法 6.4 联合电力系统的频率调整联合电力系统的频率调整 频率频率是衡量电力系统电能质量的是衡量电力系统电能质量的标准之一标准之一，如频率偏离正常，如频率偏离正常值，将对用户产生严重的影响，同时还可能损害产品的质量等，值，将对用户产生严重的影响，同时还可能损害产品的质量等，严重情况下，甚至会引发整个电力系统的频率崩溃。严重情况下，甚至会引发整个电力系统的频率崩溃。 所以，对电力系统的所以，对电力系统的频率进行监视和控制频率进行监视和控制，是电力系统运行，是电力系统运行的的主要任务之一主要任务之一。电力系统

3、自动化电力系统自动化本节目录 6.1 电力系统频率调节的必要性电力系统频率调节的必要性 6.1.1 频率对电力用户的影响频率对电力用户的影响 6.1.2 频率对电力系统的影响频率对电力系统的影响 6.1.3 频率调整的必要性频率调整的必要性 6.1.4 联合电力系统对调频的要求联合电力系统对调频的要求 6.2 电力系统频率特性电力系统频率特性 6.2.1 概述概述 6.2.2 电力系统负荷的功率电力系统负荷的功率频率特性频率特性 6.2.3 发电机组的功率发电机组的功率频率特性频率特性 6.2.4 电力系统的频率特性电力系统的频率特性电力系统自动化电力系统自动化6.1.1 频率对电力用户的影响

4、 电力系统中很多用电设备的运行状况都与频率的变化电力系统中很多用电设备的运行状况都与频率的变化密切相关，如：密切相关，如： 产品对加工机械的产品对加工机械的转速转速要求很高，需保证要求很高，需保证稳定稳定转速转速 频率的变化会影响某些测量和控制用的频率的变化会影响某些测量和控制用的电子设备的电子设备的准确性准确性，引起误动作，信号误传等。，引起误动作，信号误传等。 频率过低甚至会导致设备无法正常工作。频率过低甚至会导致设备无法正常工作。电力系统自动化电力系统自动化6.1.2 频率对电力系统的影响 频率的变化对电力系统的正常运行也是十分有害的。频率的变化对电力系统的正常运行也是十分有害的。 频率

5、降低会使火电厂锅炉和汽轮机的出力降低，从频率降低会使火电厂锅炉和汽轮机的出力降低，从而使发电机的有功出力下降。如不及时控制，而使发电机的有功出力下降。如不及时控制，还会在还会在短时间内使电力系统频率急剧下降而无法制止，这种短时间内使电力系统频率急剧下降而无法制止，这种现象称为频率崩溃现象称为频率崩溃，将会导致大面积停电。，将会导致大面积停电。 频率的变化会使汽轮机的叶片频率的变化会使汽轮机的叶片产生共振产生共振。 频率的降低会导致核电厂的频率的降低会导致核电厂的冷却介质泵自动跳闸冷却介质泵自动跳闸，使反应堆停止运行。使反应堆停止运行。 频率的下降会使得异步电动机和变压器的励磁电流频率的下降会使

6、得异步电动机和变压器的励磁电流增大，使其增大，使其无功功率消耗增加，引起系统电压下降无功功率消耗增加，引起系统电压下降。电力系统自动化电力系统自动化6.1.3 频率调整的必要性 1.维持电力系统频率在允许范围之内维持电力系统频率在允许范围之内 2.提高电力系统运行的经济性提高电力系统运行的经济性 第一，在某一负荷情况下，哪些机组投入电力电力系第一，在某一负荷情况下，哪些机组投入电力电力系统运行；统运行； 第二，确定该负荷的情况下并联运行机组的有功出力第二，确定该负荷的情况下并联运行机组的有功出力电力系统频率的大小是由电力系统内并联运行的所有电力系统频率的大小是由电力系统内并联运行的所有发电机组

7、发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗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。（包括网损）的有功功率总和之间的平衡来维持的。电力系统自动化电力系统自动化6.1.4 联合电力系统对调频的要求 联合电力系统联合电力系统：将多个区域性电力系统联合在一起将多个区域性电力系统联合在一起 联合电力系统实行分区域控制联合电力系统实行分区域控制 不同区域系统间的交换功率和按事先约定的协议进行不同区域系统间的交换功率和按事先约定的协议进行 电力系统有功功率和频率的控制要对不同区域系统之电力系统有功功率和频率的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

8、控制。间联络线上通过的功率和电量实行控制。电力系统自动化电力系统自动化本节目录 6.1 电力系统频率调节的必要性电力系统频率调节的必要性 6.1.1 频率对电力用户的影响频率对电力用户的影响 6.1.2 频率对电力系统的影响频率对电力系统的影响 6.1.3 频率调整的必要性频率调整的必要性 6.1.4 联合电力系统对调频的要求联合电力系统对调频的要求 6.2 电力系统频率特性电力系统频率特性 6.2.1 概述概述 6.2.2 电力系统负荷的功率电力系统负荷的功率频率特性频率特性 6.2.3 发电机组的功率发电机组的功率频率特性频率特性 6.2.4 电力系统的频率特性电力系统的频率特性电力系统自

9、动化电力系统自动化6.2.1 概述 衡量电力系统的电能质量指标有：衡量电力系统的电能质量指标有： 电压、频率和波形。电压、频率和波形。 频率频率是一个是一个全系统一致运行的参数全系统一致运行的参数，对频率的要求比，对频率的要求比电压的要求要严格。电压的要求要严格。 电力系统内任何两点间的电压可以不完全相等，电力系统内任何两点间的电压可以不完全相等，而频而频率则是完全相同的；率则是完全相同的； 如果不同，就会使系统失去同步，出现振荡。如果不同，就会使系统失去同步，出现振荡。电力系统自动化电力系统自动化6.2.1 概述miTiP1miGiP1m m台原动机输入总功率台原动机输入总功率m m台机组发

10、电功率总输出台机组发电功率总输出=负荷变化，欲使发电机组的输出功率增加负荷变化，欲使发电机组的输出功率增加LPmiLGimiTiPPP11LmiGimiKimiTiPPWdtdP111)(此时：此时：为保持功率平衡为保持功率平衡转子动能被转换转子动能被转换成电功率：成电功率：可见，系统频率的变化是由于发电机的负荷与原动机输入可见，系统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导致的。功率之间失去平衡导致的。电力系统自动化电力系统自动化 负荷不断变化，频率波动是难免的。负荷的变动可以负荷不断变化，频率波动是难免的。负荷的变动可以分为几种不同的分量：分为几种不同的分量：6.2.1 概

11、述负荷瞬时变动示意图负荷瞬时变动示意图1-1-总负荷总负荷2-2-随机分量随机分量3-3-脉动分量脉动分量4-4-持续分量持续分量电力系统自动化电力系统自动化 电力系统频率的变化，电力系统频率的变化，对电力用户的生产率以及发电对电力用户的生产率以及发电厂间的负荷分配都有直接影响厂间的负荷分配都有直接影响。 所以，电力系统运行中的所以，电力系统运行中的主要任务之一主要任务之一，就是对频率，就是对频率不断地进行监视和控制。不断地进行监视和控制。 为了分析电力系统频率调节的特性，首先要讨论调节为了分析电力系统频率调节的特性，首先要讨论调节系统各单元的功率频率特性。系统各单元的功率频率特性。 其中，其

12、中，负荷和发电机组负荷和发电机组是两个最基本的单元。是两个最基本的单元。6.2.1 概述电力系统自动化电力系统自动化 当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变：变： 这种有功负荷随频率而改变的特性称为负荷的这种有功负荷随频率而改变的特性称为负荷的功率功率频率特性频率特性，即负荷的，即负荷的静态频率特性静态频率特性。6.2.2 电力系统负荷的功率频率特性)( fFPL电力系统自动化电力系统自动化 电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可归纳为：电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可归纳为： (1)与频率变化无关的负荷与频率变化无关的负荷，如白炽

13、灯、电弧炉、电阻，如白炽灯、电弧炉、电阻炉和整流负荷等。炉和整流负荷等。 (2)与频率成正比的负荷与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、压缩，如切削机床、球磨机、压缩机和卷扬机，此类负荷占较大比重。机和卷扬机，此类负荷占较大比重。 (3)与频率的二次方成比例的负荷与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流，如变压器中的涡流损耗。损耗。 (4)与频率的三次方成比例的负荷与频率的三次方成比例的负荷，如通风机、静水头，如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等。阻力不大的循环水泵等。 (5)与频率的更高次方成比例的负荷与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很，如静水头阻力很大的给水泵等。大的给水泵

14、等。6.2.2 电力系统负荷的功率频率特性电力系统自动化电力系统自动化 负荷的功率负荷的功率频率特性一般可表示为：频率特性一般可表示为： 以标幺值形式：以标幺值形式：6.2.2 电力系统负荷的功率频率特性nNLNnNLNNLNNLNLNLffPaLffPaffPaffPaPaP332210的比例系数。各类负荷占；使，整个系统有功负荷系统频率为荷；时，整个系统的有功负系统频率为额定频率；LNnNLNLNaafffP,.,PP0nnLfaLfafafaaP*3*32*2*10*当系统频率为额定时：当系统频率为额定时：1*LP1*f1.3210naaaaa电力系统有功负荷的静态频率特性方程电力系统有

15、功负荷的静态频率特性方程电力系统自动化电力系统自动化6.2.2 电力系统负荷的功率频率特性当系统负荷的组成及性质当系统负荷的组成及性质确定后，负荷的静态频率确定后，负荷的静态频率特性方程也就确定了。特性方程也就确定了。图图6.2 负荷的静态频率特性负荷的静态频率特性频率下降，负荷功率下降；频率下降，负荷功率下降；频率上升，负荷功率上升；频率上升，负荷功率上升；当系统内机组的输入功率和负荷功率间失去平衡时，系统当系统内机组的输入功率和负荷功率间失去平衡时，系统负荷也参与了调节作用，这种特性有利于系统中有功功率负荷也参与了调节作用，这种特性有利于系统中有功功率在另一频率下重新平衡。称为负荷的在另一

16、频率下重新平衡。称为负荷的频率调节效应频率调节效应。电力系统自动化电力系统自动化6.2.2 电力系统负荷的功率频率特性以以 来衡量调节效应的大小：来衡量调节效应的大小：*LK*dfdPKLL负荷的频率调节效应系数负荷的频率调节效应系数nmmnnLLfmafnaLfafaadfdPK11*1*2*3*21*32值取决于负荷的性质，它与各类负荷所占总负荷的值取决于负荷的性质，它与各类负荷所占总负荷的比例有关。比例有关。电力系统自动化电力系统自动化6.2.2 电力系统负荷的功率频率特性图图6.3 负荷的静态频率特性负荷的静态频率特性斜率：斜率：*tanfPKLL以有名值表示：以有名值表示：)/(Hz

17、MWfPKLL有名值与标幺值换算关系为：有名值与标幺值换算关系为：LNNLLPfKK*负荷的频率调节效应系数负荷的频率调节效应系数电力系统自动化电力系统自动化 某电力系统中，与频率无关的负荷占某电力系统中，与频率无关的负荷占35%，与频率一次方成比，与频率一次方成比例的负荷占例的负荷占40%，与频率二次方成正比的负荷占，与频率二次方成正比的负荷占10%，与频率，与频率三次方成比例的负荷占三次方成比例的负荷占15%。求系统频率由。求系统频率由50Hz降到降到48Hz时，时，负荷功率变化的百分数及其相应的负荷功率变化的百分数及其相应的KL*值。值。【例6.1】解：解：96. 0504848*fHz

18、f时，可知当频率下降到可知当频率下降到48Hz时系统的负荷为：时系统的负荷为：959. 0133. 0092. 0384. 035. 096. 015. 096. 01 . 096. 04 . 035. 0323*32*2*10*fafafaaPL%1 . 4100)959. 01 (%LP025. 141 . 4%*fPKLL则：则：得：得：电力系统自动化电力系统自动化 某电力系统总有功负荷为某电力系统总有功负荷为5500MW（包括电网的有功损耗），（包括电网的有功损耗），系统的频率为系统的频率为50Hz，若，若KL* =1.8，求负荷的频率调节效应系数，求负荷的频率调节效应系数【例6.2】

19、解：解：HzMWHzMWfPKKNLNLL/198/5055008 . 1*即频率降低即频率降低1Hz，系统负荷减少，系统负荷减少198MW。若系统的值不变，负荷增长到若系统的值不变，负荷增长到6000MW：HzMWHzMWKL/216/5060008 . 1电力系统自动化电力系统自动化 发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的 因此，发电机组的功率因此，发电机组的功率频率特性频率特性取决于调速系统的取决于调速系统的特性特性。 通常把由于负荷的变动引起频率的变化而导致发电机通常把由于负荷的变动引起频率的变化而导致发电机组输出功率变化的关系成为

20、发电机组的组输出功率变化的关系成为发电机组的功率功率频率特频率特性性或或调节特性调节特性。 1.发电机的功率发电机的功率频率特性频率特性 2.调差特性与机组间有功功率分配的关系调差特性与机组间有功功率分配的关系 3.调节特性的失灵区调节特性的失灵区6.2.3 发电机组的功率频率特性电力系统自动化电力系统自动化 首先，假定发电机组未配置调速器首先，假定发电机组未配置调速器 发电机组转矩方程近似为：发电机组转矩方程近似为： 功率方程：功率方程： 或：或：1.发电机的功率频率特性*BAMG2*2*1*CCPG2*2*1*fCfCPG未配调速器的发电机未配调速器的发电机组功率组功率频率特性频率特性输出

21、功率最大值出现输出功率最大值出现在额定条件下在额定条件下电力系统自动化电力系统自动化1.发电机的功率频率特性图图6.5 配有调速器的发电机组功率配有调速器的发电机组功率频率特性频率特性电力系统自动化电力系统自动化1.发电机的功率频率特性图图6.6 发电机组的功率发电机组的功率频率特性频率特性对应于频率下降对应于频率下降 时，发电机组的输时，发电机组的输出功率增加出功率增加GPf这是一种有差调节，特这是一种有差调节，特性称为有差调节特性。性称为有差调节特性。发电机组发电机组调差系数：调差系数：GPfR电力系统自动化电力系统自动化1.发电机的功率频率特性发电机组的调差系数，以标幺值表示：发电机组的

22、调差系数，以标幺值表示：*/GGNGNPfPPffR0*GPRf或：或：发电机组的静态调节方程发电机组的静态调节方程调差系数调差系数又称为又称为调差率调差率，表明机组负荷改变时相应的转，表明机组负荷改变时相应的转速（频率）偏移速（频率）偏移发电机组的发电机组的功率功率频频率静态特性系数率静态特性系数：*1fPRKGG0*GGPfK或原动机的或原动机的单位调节功率单位调节功率的有名值表示：的有名值表示：fPKGG电力系统自动化电力系统自动化2.调差特性与机组间有功功率分配的关系两台发电机并列运行有功功率分配两台发电机并列运行有功功率分配系统额定频率时：系统额定频率时：LPPP21系统负荷增加：系统负荷增加：*1*2*2*1RRPP当发电机组的功率增当发电机组的功率增量用各自的标幺值表量用各自的标幺值表示时，发电机组间的示时，发电机组间的功率分配与机组的调功率分配与机组的调差系数成反比。差系数成反比。电力系统自动化电力系统自动化2.调差特性与机组间有功功率分配的关系推广到系统中有多台发电机组并列运行，系统中第推广到系统中有多台发电机组并列运行，系统中第i台台发电机组的发电机组的调节效应为调节效应为：),.,3 , 2 , 1( ,1*niPff