电力系统自动化 9 电力系统频率调节(一)

1、电力系统分析第四章第四章 电力系统有功功率和频率调整电力系统有功功率和频率调整第四章 电力系统的有功功率和频率控制4.1 4.1 电力系统有功功率的平衡电力系统有功功率的平衡4.3 4.3 电力系统有功功率的最优分配电力系统有功功率的最优分配4.2 4.2 电力系统的频率调整电力系统的频率调整4.1 电力系统有功功率的平衡引言：引言：衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质量，分别以量，分别以表示。表示。衡量运行经济性的主要指标为：衡量运行经济性的主要指标为：线损率：线路损耗电能与始端输入电能的比值线损率：线路损耗电能与始端输入电能的

2、比值 ；比耗量：生产单位电能所消耗的一次能源。比耗量：生产单位电能所消耗的一次能源。z1W100%W有功功率的最优分布包括：有功功率的最优分布包括：有功功率负荷预测、有功功率电源的最优组合、有功功率负荷预测、有功功率电源的最优组合、 等。等。4.1 电力系统有功功率的平衡2、频率与有功平衡的关系：、频率与有功平衡的关系： 1）转矩平衡与功率平衡：）转矩平衡与功率平衡： 2）转矩不平衡时，转子转速变化，）转矩不平衡时，转子转速变化， 引起频率变化：引起频率变化：TETEM= MP = Ppnf =601、频率偏差的概念：实际频率与额定频率之间的差值；、频率偏差的概念：实际频率与额定频率之间的差值

3、； 一、频率偏差及频率调整的必要性一、频率偏差及频率调整的必要性4.1 电力系统有功功率的平衡3、频率调整的必要性（频率变化的影响）：、频率调整的必要性（频率变化的影响）： 对用户的影响对用户的影响（1 1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业）异步电机转速：纺织工业、造纸工业产品残次产品残次（2 2）异步电机功率下降）异步电机功率下降输出功率与系统频率之间的正相关性输出功率与系统频率之间的正相关性（3 3）电子设备的准确度）电子设备的准确度以系统频率为时钟以系统频率为时钟 对发电厂和电力系统的影响对发电厂和电力系统的影响（1 1）对发电厂厂用机械设备运行的影响）对发电厂厂用机械设备运行的影响输煤

4、、水泵、风机输煤、水泵、风机（2 2）对汽轮机叶片的影响）对汽轮机叶片的影响低频共振低频共振（3 3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。4.1 电力系统有功功率的平衡 根据有功负荷随时间不规则变化按其根据有功负荷随时间不规则变化按其变化幅度和周期变化幅度和周期，将，将负荷变动分为三类：负荷变动分为三类： （1 1）变动幅度很小，变化周期很短，变动幅度很小，变化周期很短，这种负荷变动有很大这种负荷变动有很大的偶然性，属随机负荷变动；的偶然性，属随机负荷变动； （2 2）变动幅度较大，变化周期较长，变动幅度较大，变化周期较长，属于这种负荷的主

5、要属于这种负荷的主要有：电炉、电气机车等带有冲击性的负荷变动；有：电炉、电气机车等带有冲击性的负荷变动； （3 3）变动幅度最大，变化周期最长，变动幅度最大，变化周期最长，其变动基本上可以预其变动基本上可以预计，是由生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。计，是由生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。二、有功功率负荷的变化及调整二、有功功率负荷的变化及调整1 1、有功负荷变动的分类：、有功负荷变动的分类：4.1 电力系统有功功率的平衡有功功率负荷有功功率负荷的变化及调整的变化及调整 这三种负荷变动都将使电力系统的频率发生一定的变化，有这三种负荷变动都将使电力系统的频率发生一定的变化，有 功功率电

6、源的输出功率也发生变化。功功率电源的输出功率也发生变化。 系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动 负荷组成：（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等（3）变动周期最大（180s），变化幅度最大：气象、生产、 生活规律（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电 炉启停调速器频率的一次调整调频器频率的二次调整根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）4.1 电力系统有功功率的平衡根据负荷变动的分类，有功平衡和频率调整也相应分为三类：根据负荷变动的分类，有功平衡和频率调整也相应分为三类： a. 一次调频：一次调频：由发电机

7、调速器进行；由发电机调速器进行； b. 二次调频：二次调频：由发电机调频器进行；由发电机调频器进行； c. 三次调频：三次调频：由调度部门根据负荷预测曲线进行最优分配。由调度部门根据负荷预测曲线进行最优分配。 前两种是事后的，第三种是事前的。前两种是事后的，第三种是事前的。 一次调频时所有运行中的发电机组都可以参加，取决于发一次调频时所有运行中的发电机组都可以参加，取决于发 电机组是否已经满负荷发电，这类发电厂称为负荷监视厂；电机组是否已经满负荷发电，这类发电厂称为负荷监视厂； 二次调频是由平衡节点来承担；二次调频是由平衡节点来承担； 三次调频则属于电力系统经济运行调度的范畴。三次调频则属于电

8、力系统经济运行调度的范畴。 2 2、有功平衡和频率调整：、有功平衡和频率调整：4.1 电力系统有功功率的平衡1 1、有功功率平衡：、有功功率平衡：GiLDiLoss,P=P+ P有功功率电源：有功功率电源：电力系统各类发电厂的发电机；电力系统各类发电厂的发电机；系统电源容量（系统装机容量）：系统电源容量（系统装机容量）：系统中所有发电厂机组系统中所有发电厂机组 额定容量的总和；额定容量的总和；备用容量：备用容量：系统电源容量大于发电负荷的部分。系统电源容量大于发电负荷的部分。三、有功功率平衡和备用容量三、有功功率平衡和备用容量即保证有功功率电源发出有功与系统发电负荷相平衡。即保证有功功率电源发

9、出有功与系统发电负荷相平衡。2 2、相关的一些基本概念：、相关的一些基本概念： 备用容量 系统可用电源容量 发电负荷8760t(h)P(MW)发电负荷备用容量新增容量4.1 电力系统有功功率的平衡4.1 电力系统有功功率的平衡作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量 必须大于发电负荷。必须大于发电负荷。分类：按存在形式分为：热备用和冷备用；分类：按存在形式分为：热备用和冷备用； 按作用分为：负荷备用、事故备用、检修备用、国民按作用分为：负荷备用、事故备用、检修备用、国民 经济备用等。经济备用等。3 3、备用容量的分类：、备用容量的

10、分类：负荷备用：负荷备用：调整负荷波调整负荷波动或超计划负荷增加；动或超计划负荷增加；事故备用：事故备用：发电设备发生偶然事故时，维持发电设备发生偶然事故时，维持系统正常供电所需的备用；系统正常供电所需的备用；检修备用：检修备用：使系统中发电使系统中发电设备能定期检修而设置；设备能定期检修而设置；国民经济备用：国民经济备用：着眼未来着眼未来4.1 电力系统有功功率的平衡3 3、备用容量的分类：、备用容量的分类：负荷备用：负荷备用：2%-5%2%-5%；事故备用：事故备用：5%-10%5%-10%；检修备用：检修备用：一般不设；一般不设；国民经济备用：国民经济备用：3%-5%3%-5%热备用：热

11、备用：抵偿随机事件引抵偿随机事件引起的功率缺额，包括负荷起的功率缺额，包括负荷备用和事故备用，一般为备用和事故备用，一般为8 8%-10%-10%冷备用：冷备用：抵偿随机事件引抵偿随机事件引起的，可用于检修备用，起的，可用于检修备用，国民经济备用和一部分事国民经济备用和一部分事故备用故备用一般而言，系统总的备用容量为最大发电负荷的15%20%4.3 电力系统的频率特性 频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行；要维持频率在正常的范围内，响着负荷的正常运行；要维持频率在正常的范围内，电力系统频率调整：一次调频和二次调频。电力系

12、统频率调整：一次调频和二次调频。引言：引言：电力系统的频率特性1.负荷的有功功率频率静态特性 332210NDNNDNNDNDNDffPaffPaffPaPaP13210 aaaa 332210fafafaaPD的标幺值表达式的标幺值表达式为基准值为基准值和和以以DNNPf一般只取到这部分4.3 电力系统的频率调整，LDLDLDPK=K 0fLDNNLD*LDLDNLDNPffK=KPfP负荷吸收有功的大小随负荷吸收有功的大小随 系统频率变化的静态特性；在实际中，用系统频率变化的静态特性；在实际中，用直线直线表示。表示。 综合负荷的单位调节功率：综合负荷的单位调节功率： 一、电力系统频率特性一

13、、电力系统频率特性（负荷的频率调节效应系数）（负荷的频率调节效应系数） 标幺值形式：标幺值形式：（近似计算时，取其标幺值大小为（近似计算时，取其标幺值大小为1.51.5）4.3 电力系统的频率调整例例4.1，例，例4.2 补充例题：某电力系统总有功负荷为补充例题：某电力系统总有功负荷为4000MW时系统频率为时系统频率为50Hz，负荷的频率调节效应系数标幺值，负荷的频率调节效应系数标幺值KLD*=1.5，计算负荷单，计算负荷单位调节功率？位调节功率？（）LDLDLDNLDLD*N40001.512050=MW/HzPK=fPK= K=f 解：根据定义解：根据定义4.3 电力系统的频率调整1 1

14、 为转速测量元件为转速测量元件 离心飞摆及其附件；离心飞摆及其附件；2 2 为放大元件为放大元件 错油门错油门( (或称配压阀或称配压阀) )；3 3 为执行机构为执行机构 油动机油动机( (或称接力器或称接力器) )；4 4 为转速控制机构或称同为转速控制机构或称同 步器步器( (调频器调频器) )1 1）调速器、调频器工作原理）调速器、调频器工作原理ACBPfPPff 1212 PfPPffGNN/ 01122 0 ffPffPPNGN GNNPff0 NNNNffffff 00 有功负荷增加-系统频率下降-调速器作用-发电机有功输出增加有功负荷减少-系统频率上升-调速器作用-发电机有功输

15、出减少斜率的负数 发电机的发电机的调速器调整（一次调频）调速器调整（一次调频）是一个是一个的过程，的过程， 而而调频器调整（二次调频）调频器调整（二次调频）则可以实现则可以实现。静态调差系数:某台机组出力改变时相应的频率偏移单位调节功率单位调节功率: :调差系数的倒数，表示频率变化时调差系数的倒数，表示频率变化时发电机组输出功率的变化量。发电机组输出功率的变化量。fPKGG1fPKGG1NGNGGfPKK小结： 调差系数越小，单位调节功率越大，频率偏移越小。 调差系数是可以整定的，通常： 汽轮机： 水轮机：*0.040.06,25 16.70.020.04,50 25GGKK4.3 电力系统的

16、频率调整 频率一次调整的有差调节性质反映在功频静特性直线的频率一次调整的有差调节性质反映在功频静特性直线的即即负荷变动时原动机的转速或频率随负荷增加而降低负荷变动时原动机的转速或频率随负荷增加而降低； 二次调频既可做到有差调节，也可做到无差调节，反映在二次调频既可做到有差调节，也可做到无差调节，反映在4.3 电力系统的频率调整（）GNGN100100 =100 = 50 MW/Hz450PK=% fGG1G2G12PP- PK= -= -ff - fGGG2G1G-50(50 - 49.5)= -25MW60+ 25 = 85MWP = -Kf =P= P- P =补充例题补充例题2：某一容量

17、为：某一容量为100MW的发电机，调差系数整定为的发电机，调差系数整定为4%，当系统频率为，当系统频率为50Hz时，发电机出力为时，发电机出力为60MW；若系统；若系统频率下降为频率下降为49.5Hz时，发电机的出力是多少？时，发电机的出力是多少？根据定义：根据定义：解：根据发电机的单位调节功率与调差系数的关系：解：根据发电机的单位调节功率与调差系数的关系：负荷突增负荷突增PLD，发电机组功率不能及时变动而使机组减，发电机组功率不能及时变动而使机组减速，系统频率下降；速，系统频率下降； 同时，发电机组功率由于调速器的同时，发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大一次调整作用而增大 ： PG1

18、PG2，f1 f2 ；负荷功率因其本身的调负荷功率因其本身的调节效应而减少，经过一节效应而减少，经过一个衰减的振荡过程由个衰减的振荡过程由32，达到新的平衡；即整个过程为从平衡点达到新的平衡；即整个过程为从平衡点1新的平衡点新的平衡点2。 4.3 电力系统的频率调整假设系统只有一台发电机组、一个综合负荷假设系统只有一台发电机组、一个综合负荷 4.3 电力系统的频率调整GGLDLDP =Kf= P+ Kf LDGLLGDLDSDPP=K + K= K + K= Kff KS 称为系统的单位调节功率，单位称为系统的单位调节功率，单位MW/Hz；表示负荷增；表示负荷增 加或减少时，加或减少时，在在原

19、动机调速器和负荷本身的调节效应共同原动机调速器和负荷本身的调节效应共同 作用下作用下 系统频率下降或上升的多少。系统频率下降或上升的多少。2 2、数学表达式：发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡、数学表达式：发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡NS*SLDNfK= KP标标幺幺值值：4.3 电力系统的频率调整nGEGii=1K=KmGEGii=1K=K3 3、对于系统有若干台发电机组参加一次调频：、对于系统有若干台发电机组参加一次调频： SGELDK = K+ K系统的单位调节功率：系统的单位调节功率： 若系统中若系统中n台机组全部参与调频，等值单位调节功率为：台机组全部参与调频，等值单位

20、调节功率为：若系统中只有若系统中只有m台机组参与调频，等值单位调节功率为：台机组参与调频，等值单位调节功率为：4.3 电力系统的频率调整例题例题43：某系统发电机组的总容量为：某系统发电机组的总容量为3475MW，系统总负荷，系统总负荷3300MW，负荷的频率调节效应系数，负荷的频率调节效应系数KLD*=1.5；各发电机组的；各发电机组的容量和调差系数分别为：容量和调差系数分别为： 水轮发电机组水轮发电机组 100MW 5台台=2.5；75MW 5台台=2.75 汽轮发电机组汽轮发电机组 100MW 6台台 =3.5；50MW 20台台=4.0 较小容量汽轮机组合计较小容量汽轮机组合计1000

21、MW =4.0试分别计算下述四种情况系统单位调节功率试分别计算下述四种情况系统单位调节功率KS（MW/Hz）：）：（1）全部机组都参加一次调整；）全部机组都参加一次调整；（2）全部机组都不参加一次调整；）全部机组都不参加一次调整；（3）仅水轮机组参加一次调整；）仅水轮机组参加一次调整；（4）仅水轮机组和）仅水轮机组和20台台50MW的汽轮机组参加一次调整。的汽轮机组参加一次调整。 4.3 电力系统的频率调整GNGNGG*NNPPK= K=100f% f 各发电机组的单位调节功率：各发电机组的单位调节功率：（）G2375K=100 = 273 MW/Hz2.7550 575MW水轮机组：水轮机组

22、：（）G3600K=100 = 343 MW/Hz3.550 6100MW汽轮机组：汽轮机组：（）G41000K=100 = 500 MW/Hz4.050 2050MW汽轮机组：汽轮机组：（）G51000K=100 = 500 MW/Hz4.050 1000MW小容量汽轮机组：小容量汽轮机组：（）LDNLDLD*NP3300K= K= 1.5= 99 MW/Hzf50负荷：负荷：解：首先分别计算负荷和各发电机组的单位调节功率解：首先分别计算负荷和各发电机组的单位调节功率（）G1500K=100 = 400 MW/Hz2.5505100MW水轮机组：水轮机组：4.3 电力系统的频率调整（）5SG

23、ELDGiLDi=12115K= K+ K=K+ K=MW/Hz（）SLD99K = K=MW/Hz（）SG1G2LD772K = K+ K+ K=MW/Hz（）SG1G2G4LD1272K = K+ K+ K+ K=MW/Hz（1）全部机组都参加一次调整：）全部机组都参加一次调整：（2）全部机组都不参加一次调整：）全部机组都不参加一次调整：（3）仅水轮机组参加一次调整：）仅水轮机组参加一次调整：（4）仅水轮机组和）仅水轮机组和20台台50MW的汽轮机组参加一次调整：的汽轮机组参加一次调整： 然后根据不同情况计算然后根据不同情况计算KS：4.3 电力系统的频率调整GNNG*GS*G*LD*LD

24、NLDNPfK= K=100K= K+ KP% PGNG1*LDNGN2G2*LDN500100 =100 = 6.12.53300375100 =100 = 4.12.753300PK=% PPK=% PS*G1*G2*LD*K= K+ K+ K= 6.1+ 4.1+1.5 = 11.7NS*SLDNfK= KPS*50K=77211.73300 方法一：根据标幺值定义方法一：根据标幺值定义方法二：方法二：KS的标幺值是以负荷的额定容量为基准值，以此进的标幺值是以负荷的额定容量为基准值，以此进行换算：行换算：4.3 电力系统的频率调整 LDLDNLD2SN2LDS2NPPPK =fffP30

25、0f =0.142HzK2115f = ff = 50.142Hz（）SG1G2LD772K =K +K +K=MW/HzLD2NSP300f =0.389Hzf = ff = 50.389HzK772（）5SGiLDi=12115K =K +K=MW/Hz(1)全部机组都参加一次调整：全部机组都参加一次调整：(3)仅水轮机组参加一次调整：仅水轮机组参加一次调整：补充补充2：负荷突然减少：负荷突然减少300MW时，时，(1)(3)系统频率？系统频率？4.3 电力系统的频率调整将发电机组的功频静特性曲线平行移动，从而将发电机组的功频静特性曲线平行移动，从而 改变发电机的有功功率使负荷变动引起的频

26、率偏差保持在改变发电机的有功功率使负荷变动引起的频率偏差保持在 允许范围内；即二次调整使频率偏差减小或为允许范围内；即二次调整使频率偏差减小或为0 0。三、电力系统频率的二次调整三、电力系统频率的二次调整一次调整后，一次调整后， f2可能会超出频率可能会超出频率偏差允许范围，此时调频器进行偏差允许范围，此时调频器进行二次调整，即：使功频静特性曲二次调整，即：使功频静特性曲线平行移动由线平行移动由PGPG或或PG，到到3点可有效缩小频率变化范围，点可有效缩小频率变化范围，到到1点可实现频率无差调节。点可实现频率无差调节。 4.3 电力系统的频率调整-G0G3G4P= PPGGP =Kf- -LD

27、Kf3 3）由系统的负荷频率调节效应所由系统的负荷频率调节效应所3 3、数学表达式：、数学表达式：当系统负荷增加时，由以下三方面提供：当系统负荷增加时，由以下三方面提供：1 1）的发电机组的发电机组2 2）发电机组执行）发电机组执行，按有差，按有差 特性调差系数分配而特性调差系数分配而4.3 电力系统的频率调整G0GLDLDLDG0GLDSPKf = P+ KfPP = K + K= KfnLDGs0GELDSGEGii=1PP= K+ K= K K=Kf其其中中：发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡，则发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡，则 当二次调整发电机组增发的功率当二次调整发电机组增发的功率PG0与负荷功率的原始增与负荷功率的原始增 量量PLD 相等时，相等时，f =0，实现了无差调节。，实现了无差调节。 在有在有n台发电机组的电力系统中，当综合负荷发生变动时，台发电机组的电力系统中，当综合负荷发生变动时， 所有机组都参与一次