电力系统分析第4章电力系统有功功率(active power)平衡与频率调整(frequency regulation )

1、电力系统分析电力系统分析本章提示本章提示4.1 概述概述4.2 自动调速系统自动调速系统4.3 电力系统的频率特性电力系统的频率特性4.4 电力系统的频率调整电力系统的频率调整小小 结结电力系统分析电力系统分析l调频的意义及电力系统频率的允许波动范围；调频的意义及电力系统频率的允许波动范围；l频率一次调整的概念、原理及结果；频率一次调整的概念、原理及结果；l频率二次调整的概念、原理及结果；频率二次调整的概念、原理及结果；l电力系统的有功功率平衡及备用容量电力系统的有功功率平衡及备用容量(idle capacity)的概念。的概念。电力系统分析电力系统分析4.1.1 频率调整的必要性频率调整的必

2、要性4.1.2 频率调整的方法频率调整的方法电力系统分析电力系统分析 我国规定电力系统我国规定电力系统额定频率额定频率为为50HZ50HZ，允许的波，允许的波动范围为动范围为0.20.20.5HZ0.5HZ。 允许频率偏移的大小反映了一个国家工业发展允许频率偏移的大小反映了一个国家工业发展水平，这与电力系统管理与运行水平有关水平，这与电力系统管理与运行水平有关 。 频率变化超出允许范围时，对用电设备的正常频率变化超出允许范围时，对用电设备的正常工作和电力系统的稳定运行，都会产生影响，甚工作和电力系统的稳定运行，都会产生影响，甚至造成事故至造成事故。电力系统分析电力系统分析 电力系统频率的变化是

3、由有功电力系统频率的变化是由有功负荷变化引起的。负荷变化引起的。1.第一种负荷分量第一种负荷分量2.第二种负荷分量第二种负荷分量3.第三种负荷分量第三种负荷分量4.实际的负荷变化曲线实际的负荷变化曲线 图图4.1 有功负荷的变化有功负荷的变化 系统实际的负荷可以看作由三种系统实际的负荷可以看作由三种具有不同变化规律的变动负荷组成具有不同变化规律的变动负荷组成 第一种负荷分量变动幅度小第一种负荷分量变动幅度小（0.1%0.1%0.5%0.5%），变化周期短），变化周期短（一般（一般10s10s以内）；以内）； 第二种负荷分量变动幅度较大第二种负荷分量变动幅度较大（0.5%0.5%1.5%1.5%

4、），变化周期较长），变化周期较长（一般（一般10s10s3min3min）；）； 第三种负荷分量是持续变动负荷。第三种负荷分量是持续变动负荷。电力系统分析电力系统分析 第一种变化负荷引起的频率偏移由第一种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调速器发电机组的调速器(governor )进行，进行，称为称为频率的一次调整频率的一次调整。 1.第一种负荷分量第一种负荷分量2.第二种负荷分量第二种负荷分量3.第三种负荷分量第三种负荷分量4.实际的负荷变化曲线实际的负荷变化曲线 图图4.1 有功负荷的变化有功负荷的变化 第二种变化负荷引起的频率偏移由第二种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调频器发电机组的

5、调频器(frequency modulator )进行，称为进行，称为频率的二频率的二次调整次调整。 第三种负荷的变化是可预测的，调第三种负荷的变化是可预测的，调度部门按经济调度的的原则事先给各度部门按经济调度的的原则事先给各发电厂分配发电任务，各发电厂按给发电厂分配发电任务，各发电厂按给定的任务及时地满足系统负荷的需求，定的任务及时地满足系统负荷的需求，就可以维持频率的稳定。就可以维持频率的稳定。 电力系统分析电力系统分析4.2.1 调速器调速器(governor )的工作原理的工作原理实现频率实现频率的的 一次调整一次调整 4.2.2 调频器调频器(frequency modulator

6、)的工作原的工作原理理实现频率的二次调整实现频率的二次调整电力系统分析电力系统分析图图4.2离心飞摆式调速系统示意图离心飞摆式调速系统示意图转速测量转速测量元件元件 放大元件放大元件 执行机构执行机构 转速控制转速控制机构机构 电力系统分析电力系统分析 对应负荷的增大，发电机输出功率增加，频对应负荷的增大，发电机输出功率增加，频率略低于原来值；如果负荷降低，调速器调整作率略低于原来值；如果负荷降低，调速器调整作用将使输出功率减小，频率略高于原来值。这就用将使输出功率减小，频率略高于原来值。这就是是频率的一次调整频率的一次调整， 频率的一次调整频率的一次调整由调速器自动完成的。由调速器自动完成的

7、。 调整的结果，频率不能回到原来值，因此一次调整的结果，频率不能回到原来值，因此一次调整为调整为有差调节有差调节(droop control )。 电力系统分析电力系统分析 由调频器来完成的调节，称为由调频器来完成的调节，称为频率的二次调整频率的二次调整。 由于调整的结果，频率能回到原来值，因此二次调由于调整的结果，频率能回到原来值，因此二次调整为整为无差调节无差调节(isochronous control )。 电力系统分析电力系统分析 4.3.1 发电机组的有功功率发电机组的有功功率频率静态特性频率静态特性 4.3.2 系统负荷的有功功率系统负荷的有功功率频率静态特性频率静态特性电力系统分

8、析电力系统分析 将上述调节过程中发电机组的有功功率与将上述调节过程中发电机组的有功功率与频率关系用发电机组的频率关系用发电机组的功频静特性功频静特性或或频率特频率特性性表示。表示。 图中直线的斜率称为图中直线的斜率称为发电机的单位调节功发电机的单位调节功率率（或（或发电机组功频静特性系数发电机组功频静特性系数），）， 图图4.3发电机组的功频静特性发电机组的功频静特性 其数值表示为频率发生单位变化时，发电机其数值表示为频率发生单位变化时，发电机输出功率的变化量，输出功率的变化量， 负号表示二者变化方向相反，即发电机输出负号表示二者变化方向相反，即发电机输出功率功率增加增加，频率是，频率是降低降

9、低的。的。用标幺值表示为用标幺值表示为 GGPKtgf (4.1)(4.1)GNNGNGNGGGPfKffPPfPK(4.2)(4.2)电力系统分析电力系统分析 发电机组的发电机组的调差系数调差系数是指机组由空载到满载时，转速（频是指机组由空载到满载时，转速（频率）变化与发电机输出功率变化之比，即率）变化与发电机输出功率变化之比，即0.04 0.06,25 16.7GK汽轮发电机组：汽轮发电机组：2550,04. 002. 0GK水轮发电机组：水轮发电机组：GGNNPfPff00(4.3)(4.3)NGNGNGNfPPPff用标幺值表示为：用标幺值表示为：(4.4)(4.4)电力系统分析电力系

10、统分析 若机组负荷升高使转速若机组负荷升高使转速下降，可以通过伺服电动下降，可以通过伺服电动机来提高转速，调整的结机来提高转速，调整的结果使原来的功频静特性果使原来的功频静特性2平行右移为特性平行右移为特性1。图图4.4功频静态特性的平移功频静态特性的平移 若机组负荷降低使转速若机组负荷降低使转速升高高，则可通过伺服电升高高，则可通过伺服电动机来降低机组转速，调动机来降低机组转速，调整的结果使原来的功频静整的结果使原来的功频静特性特性2平行左移为特性平行左移为特性3.电力系统分析电力系统分析 根据所需的有功功率与频率根据所需的有功功率与频率的关系可将负荷分成以下几类：的关系可将负荷分成以下几类

11、：. .图图4.5有功负荷的频率静态特有功负荷的频率静态特 根据统计资料，系统负荷以根据统计资料，系统负荷以第二类占多数，因此负荷的静第二类占多数，因此负荷的静态频率特性可近似表示为一条态频率特性可近似表示为一条直线，如图所示。直线，如图所示。v不受频率影响的负荷不受频率影响的负荷v与频率成正比的负荷与频率成正比的负荷v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，v与频率的高次方成比例的负荷与频率的高次方成比例的负荷电力系统分析电力系统分析 系统处于运行稳态时，系统处于运行稳态时，系统中有功负荷随频率的系统中有功负荷随频率的变化特性称为变化特性称为负荷的静态负荷的静态频率特性。频率

12、特性。图图4.5有功负荷的频率静态特有功负荷的频率静态特 所谓所谓联结容量联结容量，是指频，是指频率、电压等于额定值时，率、电压等于额定值时，接在电网上的用电设备接在电网上的用电设备的实际容量。的实际容量。 如果联结容量改变，如果联结容量改变，静态特性曲线将上下移静态特性曲线将上下移动。动。 电力系统分析电力系统分析 图中直线的斜率图中直线的斜率为：为：图图4.5有功负荷的频率静态特有功负荷的频率静态特 、 称为称为负荷的频率负荷的频率调节效应系数调节效应系数 或简称为或简称为负荷的频率调节效应负荷的频率调节效应DKDK 它反映了系统负荷对频率它反映了系统负荷对频率的自动调整作用。的自动调整作

13、用。fPtgKDD(4.6)(4.6) 用标幺值表示为：用标幺值表示为： DNNDNDNDDPfKffPPK(4.7)(4.7)电力系统分析电力系统分析 例例4.1 4.1 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3535，与频率一次方成正比的负荷占与频率一次方成正比的负荷占4545，与频率二次方成，与频率二次方成正比的负荷占正比的负荷占1010，与频率三次方成正比的负荷占，与频率三次方成正比的负荷占1010。求系统频率由。求系统频率由5050赫降到赫降到4747赫时，相应的负荷变化赫时，相应的负荷变化百分值。百分值。电力系统分析电力系统分析4.4.1 频率的一次调整频

14、率的一次调整4.4.2 频率的二次调整频率的二次调整4.4.3 主调频厂的选择主调频厂的选择4.4.4 互联系统的频率调整互联系统的频率调整电力系统分析电力系统分析 系统负荷增加时，在发电机组系统负荷增加时，在发电机组功频特性和负荷本身的调节效功频特性和负荷本身的调节效应共同作用下实现了新的功率应共同作用下实现了新的功率平衡。平衡。 负荷的功频特性负荷的功频特性 与发电与发电机组功频静特性机组功频静特性 的交点的交点a是系统的原始运行点，系统频是系统的原始运行点，系统频率为率为f1)( fPG( )DPf图图4.6频率的一次调整频率的一次调整 假定系统只有一台机组假定系统只有一台机组 2f0D

15、P)(fPD 若系统负荷增加若系统负荷增加 ，其特，其特性曲线变为性曲线变为 。此时频率。此时频率为为 。电力系统分析电力系统分析由图由图4.6可见，对应可见，对应b点，发电机功率输出的增量为点，发电机功率输出的增量为:fKPGG 负荷的频率调节效应所产生的负负荷的频率调节效应所产生的负荷功率变化量为荷功率变化量为fKPDD式（式（4.9）中）中fPKKKDDG0 K 称为称为系统的单位调节功率系统的单位调节功率，或，或系系统的功率统的功率频率静特性系数频率静特性系数。图图4.6频率的一次调整频率的一次调整一次调整方程式为一次调整方程式为 fKfKKPPPDGDGD)(0 (4.9) (4.9

16、) 电力系统分析电力系统分析 电力系统负荷变化引起的电力系统负荷变化引起的频率变化，仅依靠一次调整频率变化，仅依靠一次调整作用已不能保持在允许范围作用已不能保持在允许范围内时，就需要通过频率的二内时，就需要通过频率的二次调整才能解决。次调整才能解决。图图4.74.7频率的二次调整频率的二次调整 二次调整二次调整是以手动或自动是以手动或自动方式调节发电机组的调频器，方式调节发电机组的调频器，使发电机组的功频特性平行使发电机组的功频特性平行移动来改变发电机的有功功移动来改变发电机的有功功率，以保持系统的频率不变率，以保持系统的频率不变或使频率变化在允许范围内。或使频率变化在允许范围内。 电力系统分

17、析电力系统分析 由于进行了二次调整发电机组由于进行了二次调整发电机组增发的功率增发的功率 ；0GP 由于调速器的调整作用而增由于调速器的调整作用而增加的发电机组功率（图加的发电机组功率（图中中 ）df 由于负荷本身的调节效应而由于负荷本身的调节效应而减小的负荷功率（图减小的负荷功率（图中中 ）ef图图4.7频率的二次调整频率的二次调整0DP 负荷增量负荷增量 可分解为三部分：可分解为三部分：电力系统分析电力系统分析相似于式（相似于式（4.94.9）可得）可得 如果二次调整发电机组增发如果二次调整发电机组增发的功率能完全抵偿负荷的初的功率能完全抵偿负荷的初始增量，则实现了无差调节，始增量，则实现

18、了无差调节，如图如图4.74.7中虚线所示。中虚线所示。00()DGGDGDPPKfKfKKfK f 或：或：KPPKKPPfGDDGGD0000图图4.7频率的二次调整频率的二次调整（4.104.10）（4.114.11）电力系统分析电力系统分析 按照是否承担二次调整可将所有电厂分为：按照是否承担二次调整可将所有电厂分为： 按照频率调整的要求，主调频厂应具备以下条件：按照频率调整的要求，主调频厂应具备以下条件： 主调频厂主调频厂（一般（一般12个电厂）负责全系统的频率调整（即二个电厂）负责全系统的频率调整（即二次调整）次调整）; 辅助调频厂辅助调频厂是在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参与

19、频是在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参与频率调整，一般只有几个电厂率调整，一般只有几个电厂; 非调频厂非调频厂（也叫（也叫基载厂基载厂）则按预先给定的负荷曲线发电。）则按预先给定的负荷曲线发电。 机组要有足够的调整容量及范围机组要有足够的调整容量及范围; 调频机组具有能适应负荷变化需要的调整速度调频机组具有能适应负荷变化需要的调整速度; 调整输出功率时符合安全及经济原则。调整输出功率时符合安全及经济原则。 此外，调整频率时，还要考虑引起的联络线上功率的波动和某些此外，调整频率时，还要考虑引起的联络线上功率的波动和某些中枢点的电压波动是否超出允许范围。中枢点的电压波动是否超出允许范围。电力系

20、统分析电力系统分析假设假设 、 分别为两系统的单位调节功率分别为两系统的单位调节功率; 、 分别为两系统二次调频的发电功率变量分别为两系统二次调频的发电功率变量; 、 分别为两系统的负荷变化量分别为两系统的负荷变化量; 为联络线上的交换功率变化量，正方向为由为联络线上的交换功率变化量，正方向为由A流向流向B。图图4.8互联系统的频率调整互联系统的频率调整 AKBKGAPGBPDAPDBPABP 对系统对系统A相当于相当于负荷增量，对系统负荷增量，对系统B相相当于发电功率增量。当于发电功率增量。ABP电力系统分析电力系统分析 对对A A系统：系统：AAGAABDAfKPPP（4.10a4.10a

21、）对对B B系统：系统：BBGBABDBfKPPP（4.10b4.10b） 两个联合运行的系统频率是相等的，两个联合运行的系统频率是相等的，即即 ，可得：可得：fffBABAGDBAGBDBGADAKKPPKKPPPPf)()(（4.114.11）可见，若联合系统二次调频的发电功率增量可见，若联合系统二次调频的发电功率增量 等于全系等于全系统负荷增量统负荷增量 时，可实现无差调节，即时，可实现无差调节，即GPDP0f电力系统分析电力系统分析()()ADBGBBDAGAABABKPPKPPPKK（4.124.12）由由4-10式可得：式可得：可见，当可见，当A、B两系统都进行二次调整，且两系统的

22、功率两系统都进行二次调整，且两系统的功率缺额与其单位调节功率成比例时，即缺额与其单位调节功率成比例时，即 DAGADBGBABPPPPKK联络线上的交换功率增量联络线上的交换功率增量 为零。为零。ABP电力系统分析电力系统分析令令 ， 分别为分别为A、B两系统的功率缺额，两系统的功率缺额，GBDBBGADAAPPPPPP,BAPP ,则式（则式（4.11）、式（）、式（4.12）变为：）变为：BABAKKPPf（4.13）BAABBAABKKPKPKP（4.14） 可见，联合系统频率的变化取决于这个系统总的功率缺额和可见，联合系统频率的变化取决于这个系统总的功率缺额和总的系统单位调节功率。其实

23、，两系统联合后，本应看作是总的系统单位调节功率。其实，两系统联合后，本应看作是一个系统。一个系统。 可见，如可见，如A系统没有功率缺额，即系统没有功率缺额，即 ，联络线上由，联络线上由A流流向向B的功率增大；反之，如的功率增大；反之，如B系统没有功率缺额，即系统没有功率缺额，即 联络线上由联络线上由A流向流向B的功率减少。的功率减少。0AP0BP电力系统分析电力系统分析 若若B系统没有调频厂，即系统没有调频厂，即 ，其负荷变化量，其负荷变化量 将由将由A系统的二次调整来承担系统的二次调整来承担 0GBPDBP若要保持若要保持 ，这时联络线上功率变化，这时联络线上功率变化 ，即，即B系统的功率缺

24、额系统的功率缺额 全部通过联络全部通过联络线由线由A输送到输送到B，这时联络线的功率增量最大。这也是调频，这时联络线的功率增量最大。这也是调频厂远离负荷中心而且要实现无差调节的情况。厂远离负荷中心而且要实现无差调节的情况。)(0BAPPfABABPPP()()ADBGBBDAGAABABKPPKPPPKKBABAKKPPfBAABBAABKKPKPKP（4.13）（4.14） （4.124.12）电力系统分析电力系统分析例例4.2 A、B两系统由联络线两系统由联络线相联，相联， A系统：系统： B系统：系统： 求在下列情况下频率的变化量求在下列情况下频率的变化量 和联络线功率的变化和联络线功率

25、的变化量量 。 （1）当二系统机组都参加一次调频；）当二系统机组都参加一次调频； （2）当）当A系统机组参加一次调频，而系统机组参加一次调频，而B系统机组不参加一系统机组不参加一次调频。次调频。 （3）两系统机组都不参加一次调频时。）两系统机组都不参加一次调频时。;100,/50,/800MWPHZMWKHZMWKDADAGA 。MWPHZMWKHZMWKDBDBGB50,/40,/700 f ABP 电力系统分析电力系统分析4.5.1 有功功率平衡及备用有功功率平衡及备用4.5.2 电力系统中各类发电厂的合理组合电力系统中各类发电厂的合理组合电力系统分析电力系统分析 电力系统有功功率平衡电力

26、系统有功功率平衡是指运行中，所有发电厂发出的有功是指运行中，所有发电厂发出的有功功率的总和功率的总和 ，在任何时刻都等于该系统的总负荷，在任何时刻都等于该系统的总负荷 。 GPDP 包括所有用户的有功负荷包括所有用户的有功负荷 、网络的有功损耗、网络的有功损耗 以及厂用电有功负荷以及厂用电有功负荷 ，即，即DPLPPCP在一般情况下，电力网中的有功功率损耗约占发电厂输出在一般情况下，电力网中的有功功率损耗约占发电厂输出功率的功率的7 78 8；火电厂厂用电约占发电厂出力的；火电厂厂用电约占发电厂出力的5 510%10%，水电厂一般只占，水电厂一般只占1 1左右。左右。CLDGPPPPP（4.1

27、54.15） 电力系统分析电力系统分析 为保证系统安全、优质、经济地运行，系统应具有为保证系统安全、优质、经济地运行，系统应具有一定的一定的备用容量备用容量， 系统备用容量按存在形式可分为热备用和冷备用。系统备用容量按存在形式可分为热备用和冷备用。热备用热备用 也叫旋转备用，是也叫旋转备用，是指运转中的发电设备可发最大功率与系统发电负指运转中的发电设备可发最大功率与系统发电负荷之差。荷之差。冷备用冷备用则是指未运转但能随时启则是指未运转但能随时启用的发电设备可发的最大功率。用的发电设备可发的最大功率。电力系统分析电力系统分析系统备用容量按其作用可分为：系统备用容量按其作用可分为：负荷备用负荷备

28、用：是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划外：是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用。一般取最大负荷的的负荷增加而设置的备用。一般取最大负荷的35。事故备用事故备用：系统的事故备用，是为了在电力系统中当发电：系统的事故备用，是为了在电力系统中当发电设备发生偶然事故时，保证系统正常供电所需的备用。一设备发生偶然事故时，保证系统正常供电所需的备用。一般取最大负荷的般取最大负荷的510，但不能少于系统中一台最大，但不能少于系统中一台最大机组容量。机组容量。检修备用检修备用：系统的检修备用，是使系统中的发电设备能定：系统的检修备用，是使系统中的发电设备能定期检修而设置的备用。发

29、电设备运转一段时间后必须进行期检修而设置的备用。发电设备运转一段时间后必须进行检修，在这期间内，如不能完全安排所有机组的大小修时，检修，在这期间内，如不能完全安排所有机组的大小修时，才设置所需的检修备用容量。才设置所需的检修备用容量。国民经济备用国民经济备用：系统的国民经济备用，是指满足工农业生：系统的国民经济备用，是指满足工农业生产的超计划增长对电力的需求而设置的备用。产的超计划增长对电力的需求而设置的备用。电力系统分析电力系统分析 电力系统中的发电厂主要有电力系统中的发电厂主要有火力发电厂火力发电厂，水力发电水力发电厂厂和和核能发电厂核能发电厂三类。三类。 图中：图中： AA水电厂的不水电

30、厂的不可调功率；可调功率； BB水电厂的可水电厂的可调功率；调功率； CC热电厂；热电厂； DD核电厂；核电厂； EE高温高压凝高温高压凝气式火电厂；气式火电厂； FF中温中压凝中温中压凝气式火电厂气式火电厂图图4.94.9各类发电厂组合顺序示意图各类发电厂组合顺序示意图电力系统分析电力系统分析火力发电厂火力发电厂(thermal power plant )的特点有：的特点有： 火电厂运行时要消耗大量的燃料，需要支付燃料费用，火电厂运行时要消耗大量的燃料，需要支付燃料费用，但运行不受自然条件影响。但运行不受自然条件影响。 火电厂的锅炉和汽轮机都受最小技术负荷的限制。火电厂的锅炉和汽轮机都受最小技术负荷的限制。 火电厂机组的投入、退出或承担急剧变动的