第13章 電力系統(tǒng)的有功功率與頻率調(diào)整

1、-作者xxxx-日期xxxx第13章 電力系統(tǒng)的有功功率與頻率調(diào)整【精品文檔】第13章 電力系統(tǒng)的有功功率與頻率調(diào)整頻率是衡量電能質(zhì)量的另一項重要指標，保證頻率合乎標準也是系統(tǒng)運行調(diào)整的一項基本任務(wù)。為了完成這項任務(wù)，最基本的一點就是要做到有功功率平衡，即電力系統(tǒng)內(nèi)所有電源輸出的有功功率必須與系統(tǒng)內(nèi)所有的用電設(shè)備消耗的有功功率加上輸配電網(wǎng)中所有元件損耗的有功功率相等。有功功率怎么和頻率有關(guān)系呢？又有什么樣的關(guān)系呢？出現(xiàn)問題后如何協(xié)調(diào)呢？按照以下順序我們將對上述問題一一解答。有誰有關(guān)系？么什為有什么關(guān)系？頻 率怎樣調(diào)整？圖13-1 第13章結(jié)構(gòu)圖13-1 頻率調(diào)整的必要性一 頻率偏移的影響頻率是

2、電力系統(tǒng)運行的一個重要質(zhì)量指標。所有用電傳動的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其最高效率都是在電力系統(tǒng)頻率為額定頻率時，因此，任何頻率偏移，都會造成效率的降低；其次，頻率的過高或過低，還會給運行中的電氣設(shè)備帶來各種不同的危害。1 對用戶的影響現(xiàn)代工業(yè)的許多產(chǎn)品質(zhì)量與電力系統(tǒng)頻率有關(guān)。例如紡織工業(yè)、造紙工業(yè)等。這些工業(yè)使用的大多數(shù)電動機為異步電動機，頻率的降低會造成異步電動機轉(zhuǎn)速下降，使異步電動機所傳動的生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)出次品，乃至廢品，如紡織品、紙張等將發(fā)生毛疵和厚薄不勻的質(zhì)量問題。一般工業(yè)由電動機傳動的生產(chǎn)設(shè)備也會因頻率下降而使生長率降低。電力系統(tǒng)頻率波動過大時，會使某些電子設(shè)備(如雷達)、電力電子設(shè)備等工作不正常。

3、2 對發(fā)電廠的影響頻率變化時，對發(fā)電廠本身的影響比對用戶的影響更大，其影響有：(1) 汽輪機葉片諧振 電力系統(tǒng)低頻率運行時，汽輪機低壓級葉片會產(chǎn)生諧振，振動疲勞的積累會導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋，縮短葉片壽命，嚴重時會使葉片斷裂，造成事故停機的嚴重后果。(2) 輔機功能下降 火力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠的一些主要廠用機械，例如，給水泵、循環(huán)水泵、引風(fēng)機、送風(fēng)機等的出力與轉(zhuǎn)速的一次或高次方成正比，當(dāng)頻率下降時，會降低這些輔機的出力，嚴重影響發(fā)電機的運行。例如，即使頻率下降得不多，給水泵的出力也會大大降低，從而破壞發(fā)電廠的正常工作，甚至完全停止向鍋爐供水；頻率下降，會導(dǎo)致壓水反應(yīng)堆核能發(fā)電廠的一次冷卻泵功能下降，

4、影響反應(yīng)堆的冷卻功能，帶來不良影響。3 對系統(tǒng)運行的影響(1) 互聯(lián)電力系統(tǒng)解列 頻率下降時，為了保證正常運行，互聯(lián)的大電網(wǎng)有可能斷開系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)線；(2) 發(fā)電機解列 頻率下降到一定程度時，為保證發(fā)電廠設(shè)備的安全，發(fā)電廠有可能與系統(tǒng)解列?？梢?，要想保證電力系統(tǒng)的正常運行，必須使頻率控制在所規(guī)定的允許范圍內(nèi)。這就要求對頻率不斷進行調(diào)整。4 規(guī)定我國電力系統(tǒng)的額定頻率fN為50Hz，頻率偏差范圍為±(0.20.5)Hz。用百分數(shù)表示為±(0.41)%。二 有功功率負荷的變動電力系統(tǒng)頻率的變化是由于有功負荷變化引起的，而系統(tǒng)的負荷時刻在發(fā)生變化，分析負荷變動規(guī)律可見，這種不規(guī)

5、則負荷變動可以分解為幾種有規(guī)律可循的負荷變動。一般分為三種如下。見P111。簡而言之，電力系統(tǒng)中負荷變動的幅度越大、周期也越長。負荷的變化將引起頻率的偏移，因此應(yīng)對發(fā)電功率作相應(yīng)的調(diào)整，以使系統(tǒng)在要求的頻率水平上達到新的平衡。對應(yīng)的電力系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分為一次、二次、三次三種調(diào)整，如表13-1所示。表13-1 有功功率負荷的三種調(diào)節(jié)方式類型特 征原 因調(diào)節(jié)方式I變化幅度很小、變化周期短（<10s）隨機小負荷的變化一次調(diào)整（調(diào)速）II變化幅度較大、變化周期長（10s<t <3min）電弧爐、電力機車二次調(diào)整（調(diào)頻）III變化幅度最大、變化緩慢的持續(xù)變動負荷生產(chǎn)、

6、生活規(guī)律、氣象三次調(diào)整（按最優(yōu)化準則分配負荷）【精品文檔】13-2 電力系統(tǒng)的頻率特性電力系統(tǒng)的頻率特性是電力系統(tǒng)中頻率調(diào)整的依據(jù)。這里所謂頻率特性，是指有功功率-頻率靜態(tài)特性，常常稱為功頻靜特性，包括系統(tǒng)負荷的頻率特性與發(fā)電機組的頻率特性。一 負荷的功頻靜特性 當(dāng)頻率變化時，系統(tǒng)中有功功率負荷也將發(fā)生變化。1概念系統(tǒng)處于運行穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)中有功負荷隨頻率的變化特性稱為負荷的靜態(tài)頻率特性。2特性曲線根據(jù)負荷需要的有功功率與頻率的關(guān)系可以將負荷分為五類：（1）與頻率變化無關(guān)的負荷，如照明、電阻爐、整流負荷等；（2）與頻率一次方成正比的負荷，壓縮機、切削機床等；（3）與頻率二次方成正比的負荷，如變壓

7、器中的渦流損耗；（4）與頻率的三次方成正比的負荷，如通風(fēng)機、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵等；（5）與頻率的更高次方成正比的負荷，如靜水頭阻力很大的給水泵。因此整個系統(tǒng)的負荷功率與頻率的關(guān)系可以寫成：(13-1)其中，PD為頻率等于f時整個系統(tǒng)的有功負荷；PDN為頻率等于額定值fN時整個系統(tǒng)的有功負荷，為與頻率的i次方成正比的負荷在PDN中所占的份額。顯然， (13-2)可見負荷靜態(tài)頻率特性曲線整體上呈現(xiàn)非線性關(guān)系。但實際上，當(dāng)頻率偏離額定值不大時，負荷靜態(tài)頻率特性常用一條直線近似表示如圖13-2。PDPDNffN圖13-2 負荷的功頻靜特性也就是說，在額定頻率附近，系統(tǒng)負荷與頻率呈線性關(guān)系。系統(tǒng)頻

8、率下降時負荷成比例減小；系統(tǒng)頻率上升時負荷成比例增大。由此直線，我們引出一個定義。3頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)負荷功頻靜特性中，直線的斜率 (13-3)或者用標幺值表示： (13-4)KD、KD*稱為負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，或者簡稱為負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。關(guān)于KD*，有以下說明。（1）負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)說明，當(dāng)系統(tǒng)中有功功率失去平衡而引起頻率變化時，系統(tǒng)負荷也參與對頻率的調(diào)節(jié)，這種特性有助于系統(tǒng)中有功功率在新的頻率值下重新獲得平衡。（2）KD*會變化，其數(shù)值取決于全系統(tǒng)各類負荷的比重，不同系統(tǒng)或同一系統(tǒng)不同時刻KD*值都可能不同。（3）通常取值。在實際系統(tǒng)中，KD*=13，它表示頻率變化1%，負荷有功功率

9、相應(yīng)變化(13)%。（4）具體求解。KD*的具體數(shù)據(jù)通常由試驗或計算得到。（5）意義。KD*是調(diào)度部門必須掌握的一個數(shù)據(jù)，因為它是考慮按頻率減負荷方案和低頻率事故時用一次切除負荷來恢復(fù)頻率的計算依據(jù)。二 發(fā)電機組的功頻靜特性1 概念當(dāng)系統(tǒng)有功功率平衡遭到破壞，引起頻率變化時，原動機的調(diào)速系統(tǒng)將自動改變原動機的進汽量，相應(yīng)增加或減少發(fā)電機的出力。當(dāng)調(diào)速器的調(diào)節(jié)過程結(jié)束，建立新的穩(wěn)態(tài)時，發(fā)電機的有功出力同頻率之間的關(guān)系稱為發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性。為了說明這種靜態(tài)特性，必須對調(diào)速系統(tǒng)的作用原理作簡要介紹。2 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理原動機調(diào)速系統(tǒng)有很多種，根據(jù)測量環(huán)節(jié)的工作原理，可以分為機械液壓調(diào)速系統(tǒng)和

10、電氣液壓調(diào)速系統(tǒng)兩大類。我們以離心式機械液壓調(diào)速系統(tǒng)為例進行說明。1飛擺 2錯油門 3油動機 4同步器調(diào)速器調(diào)頻器心式機械液壓調(diào)速系統(tǒng)由四個部分組成如圖13-3和圖13-4，分別是： 圖13-3 調(diào)速系統(tǒng) 離心飛擺直接與原動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接，直接反映原動機轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)原動機轉(zhuǎn)速恒定時，飛擺上的離心力、重力處于某一位置達到平衡。錯油門的活塞將兩個油孔堵塞，油動機活塞上、下兩側(cè)的油壓相等，所以活塞不移動，從而使進汽閥門的開度不變。當(dāng)負荷增加時，發(fā)電機的有功功率輸出也隨之增加，原動機的轉(zhuǎn)速降低，因而飛擺的離心力減小。在重力和彈簧力的作用下，飛擺靠攏到新的位置上達到各力的平衡。于是套筒從B點下移到B&#

11、39;點。此時油動機還未動作，AOBB'O'DEFF'E'23B''A'圖13-4 調(diào)速系統(tǒng)工作原理所以杠桿AOB的A點仍在原處不動。整個杠桿便以A點為支點轉(zhuǎn)動，使O點下降到O'點。杠桿DEF的D點使固定的，于是F點下移，錯油門2的活塞隨之向下移動，打開了通向油動機3的油孔，壓力油便進入油動機活塞的下部，將活塞向上推，增大調(diào)節(jié)汽門的開度，增加進汽量，使原動機的輸入功率增加，結(jié)果機組的轉(zhuǎn)速便開始回升。隨著轉(zhuǎn)速的上升，套筒從B'點開始回升，與此同時油動機活塞上移，使杠桿AOB的A端也跟著上升，于是整個杠桿AOB便向上移動，并帶

12、動杠桿DEF以D點為支點向上轉(zhuǎn)動。當(dāng)點O以及DEF恢復(fù)到原來的位置時，錯油門重新堵住兩個油孔，油動機活塞的上、下兩側(cè)油壓又互相平衡，它就在一個新的位置上穩(wěn)定下來，調(diào)整過程結(jié)束。這時杠桿AOB的A端由于汽門已開大而略有上升，到達A'點的位置，而O點仍保持原來位置，相應(yīng)地B端將略有下降，到達B''位置，與這個位置相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，將略低于原來的數(shù)值。由此可見，對應(yīng)著增大的負荷，發(fā)電機組輸出功率增加，頻率低于初始值；反之，如果負荷減小，則調(diào)速器調(diào)節(jié)的結(jié)果使機組輸出功率減小，頻率高于初始值。這種調(diào)整就是頻率的一次調(diào)整，由調(diào)速系統(tǒng)中的3個元件1、2、3自動執(zhí)行。3 發(fā)電機組的頻率特性

13、反映調(diào)整過程結(jié)束后發(fā)電機輸出功率和頻率關(guān)系的曲線，就是發(fā)電機組的功頻靜特性曲線，可以近似表示為一條向下傾斜的直線，如圖13-5所示。PGPGNffN12f1圖13-5 發(fā)電機組的頻率特性4 特性參數(shù)（1）靜態(tài)調(diào)差系數(shù) 任取兩點，定義機組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù) (13-5)以額定參數(shù)為基準的標幺值表示為 (13-6)式中的負號是由于習(xí)慣上調(diào)差系數(shù)取正值，而頻率變化量的符號又恰與功率變化量的符號相反。它可以定量表明某臺機組負荷改變時相應(yīng)的頻率偏移。例如，當(dāng)，則負荷改變1%，頻率將偏移0.05%；如負荷改變20%，則頻率將偏移1%(0.5Hz)取點2為額定運行點，即P2=PGN，f2=fN；取點1為空載運行

14、點，即P1=0，f1=f0。使得 (13-7)用標幺值表示為 (13-8)用百分數(shù)表示為 (13-9)因此，也把調(diào)差系數(shù)叫做調(diào)差率。（2）功頻靜特性系數(shù)（機組的單位調(diào)節(jié)功率） 調(diào)差系數(shù)的倒數(shù)定義為發(fā)電機組的功頻靜特性系數(shù)，也稱為機組的單位調(diào)節(jié)功率。 (13-10)標幺值表示為： (13-11)關(guān)于和KG，有以下說明。（1）KG的數(shù)值表示頻率下降或上升1Hz時發(fā)電機組增加或減少的輸出功率，負號表示頻率下降時發(fā)電機組有功出力增加。（2）與負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)KD不同，發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)或?qū)?yīng)的單位調(diào)節(jié)功率KG是可以整定的。從公式(13-7)中可以看出，調(diào)差系數(shù)的大小對頻率偏移的影響很大，對相同的功

15、率變化，調(diào)差系數(shù)越小，KG越大，則頻率偏移也越小。不過受機組調(diào)速機構(gòu)的限制，調(diào)差系數(shù)的調(diào)整范圍是有限的，典型調(diào)節(jié)系數(shù)如表13-2所示。 表13-2 發(fā)電機組的典型靜態(tài)調(diào)差系數(shù)*KG*汽輪機組33.320水輪機組5025三 電力系統(tǒng)的功頻靜特性電力系統(tǒng)的功頻靜特性曲線同時考慮負荷及發(fā)電機組的調(diào)節(jié)效應(yīng)，由負荷的功頻靜特性曲線PD(f)與發(fā)電機組的功頻靜特性曲線PG(f)相交得到，如圖13-6所示，反映了電力系統(tǒng)負荷變化引起的頻率波動。交點a確定了系統(tǒng)的頻率為f1和發(fā)電機組輸出的有功功率為P1。也就是說，在頻率為f1時達到了發(fā)電機組有功輸出與系統(tǒng)的有功需求之間的平衡。PP1ff1aPD(f)PG(f

16、)圖13-6 電力系統(tǒng)的功頻靜特性13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一 一次調(diào)整1 概念 負荷變化引起頻率偏差時，系統(tǒng)中凡裝有調(diào)速器又留有可調(diào)容量的發(fā)電機組都自動參加頻率調(diào)整，這就是電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整。2 單機系統(tǒng)為簡單起見先考慮一臺機組和一個負荷的情況如圖13-7所示。負荷和發(fā)電機組的靜態(tài)特性如下圖。在原始運行狀態(tài)下，負荷的功頻特性為PD(f)，它同發(fā)電機靜特性的交點a確定了系統(tǒng)的頻率為f1，發(fā)電機組的功率也就是負荷功率為P1。PP1ff1aPD(f)PG(f)bP'D(f)PD0f2P2PGPD圖13-7 單機系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整設(shè)系統(tǒng)的負荷增加了PD0，其特性曲線由PD(f)移至P&

17、#39;D(f)，發(fā)電機組仍然是原來的特性，那么新的穩(wěn)態(tài)運行點將由P'D(f)和發(fā)電機組的靜態(tài)特性的交點b決定，與此相對應(yīng)的系統(tǒng)頻率為f2。下面我們分別來看看發(fā)電機和負荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)。（1）發(fā)電機的調(diào)節(jié)效應(yīng)由圖可見，頻率變化了f，且f = f2 - f1<0 (13-12)由發(fā)電機組的功頻靜特性可得發(fā)電機組功率輸出的增量為PG=P2-P1=-KGf (13-13)（2）負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)由負荷的功頻靜特性，頻率變化所產(chǎn)生的負荷功率變化為PD= KDf (13-14)由于f <0，故PD <0。故負荷功率的實際增量為 PDr=PD0 +PD=PD0 + KDf (13-1

18、5)（3）總調(diào)節(jié)效應(yīng)負荷的實際增量應(yīng)同發(fā)電機組的功率增量相平衡，即 PG =PDr=PD0 + KDf (13-16)所以PD0=PG KDf=-KGf KDf=-(KG+KD)f=-Kf (13-17)上面分析說明，系統(tǒng)負荷增加時，在發(fā)電機功頻特性和負荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下又達到了新的功率平衡。一方面，負荷增加，頻率下降，發(fā)電機按有差調(diào)節(jié)特性增加輸出，另一方面負荷實際取用的功率也因頻率的下降而有所減小。（4）系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率K上式中， (13-18)稱為系統(tǒng)的功率-頻率特性系數(shù)，或系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。關(guān)于K，有以下三點說明。a它表示在計及發(fā)電機組和負荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)時，引起頻率單位變化的負

19、荷變化量。b根據(jù)K值的大小，可以確定在允許的頻率偏移范圍內(nèi)，系統(tǒng)所能承受的負荷變化量，負號表示負荷增加時頻率減小。c顯然，K的數(shù)值越大，負荷增減引起的頻率變化就越小，頻率越穩(wěn)定。（5）系統(tǒng)的備用系數(shù)krK采用標幺值表示時， (13-19)兩邊均除以PDN/fN，有 (13-20)即 (13-21)其中稱為系統(tǒng)的備用系數(shù)，表示發(fā)電機組額定容量與系統(tǒng)額定頻率時的總有功功率之比。一般kr>1。（6）備用系數(shù)kr的意義如果在初始狀態(tài)下，發(fā)電機組已經(jīng)滿載運行，即運行在圖13-18的a點。PPGNff1aPD(f)PG(f)P'D(f)f2圖13-8 備用系數(shù)的意義在a點以后，PGN恒定，靜

20、態(tài)特性是一條與橫軸平行的直線，即KG*=0。當(dāng)系統(tǒng)的負荷再增加時，發(fā)電機已經(jīng)沒有可調(diào)節(jié)的容量，不能再增加輸出了，只能靠頻率下降后負荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)來取得新的平衡。這時K*= KD*，由于KD*數(shù)值很小，負荷增加所引起的頻率下降就相當(dāng)嚴重了。由此可見，系統(tǒng)中有功功率電源的出力不僅應(yīng)滿足在額定頻率下系統(tǒng)對有功功率的需求，并且為了適應(yīng)負荷的增長，還應(yīng)該有一定的備用容量。3 多機系統(tǒng)當(dāng)n臺裝有調(diào)速器的機組并聯(lián)運行時，可根據(jù)各機組的調(diào)差系數(shù)和單位調(diào)節(jié)功率算出其等值調(diào)差系數(shù)(*)，或算出等值單位調(diào)節(jié)功率KG (KG*)，再按一臺機組時的分析方法，進行頻率的一次調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)頻率變動f時，第i臺機組的輸出功率

21、增量為PGi= -KGif (i =1,2,n) (13-22)KGi為第i臺機組的功頻靜特性系數(shù)。 所以n臺機組輸出功率總增量為 (13-23)為系統(tǒng)中n臺機組的等值功頻靜特性系數(shù)。顯然n臺機組的等值單位調(diào)節(jié)功率遠大于一臺機組的單位調(diào)節(jié)功率，因此在輸出功率變動值PG相同的情況下，多臺機組并列運行時的頻率變化比一臺機組運行時要小得多。KG也可以用標幺值表示，但并不是，而是 (13-24)所以 (13-25)又因為可以表示為： (13-26)其中，有 (13-27) (13-28)注意，在計算KG時，若第j臺機組已滿載運行，當(dāng)負荷增加時應(yīng)取KGj=0。求出等值單位調(diào)節(jié)功率KG后，就可像一臺機組時

22、一樣來分析頻率的一次調(diào)整。利用式 (13-29)可算出負荷功率初始變化量PD0引起的頻率偏差f。而各臺機組所承擔(dān)的功率增量則為 (13-30)或 (13-31)可見，調(diào)差系數(shù)越小的機組增加的有功出力(相對于本身的額定值)就越多。二 二次調(diào)整以系統(tǒng)的功頻靜特性為基礎(chǔ)的頻率一次調(diào)整的作用是有限的，它只能適應(yīng)變化幅度小、變化周期較短的變化負荷。對于變化幅度較大、變化周期較長的變化負荷，一次調(diào)整不一定能保證頻率偏移在允許范圍內(nèi)，所以，需要進行二次調(diào)整。1 概念 電力系統(tǒng)頻率的二次調(diào)整由主調(diào)頻廠承擔(dān)，調(diào)頻機組通過同步器調(diào)整機組的功頻靜特性，改變機組的有功功率輸出，以承擔(dān)系統(tǒng)變化的負荷，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。2

23、同步器的工作原理 二次調(diào)整由發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速控制機構(gòu)同步器來實現(xiàn)。在人工手動操作或自動裝置的控制下，可使杠桿的D點上升或下降。從上一節(jié)的討論知道，如果D點固定，則當(dāng)負荷增加引起轉(zhuǎn)速下降時，由機組調(diào)速器自動進行的“一次調(diào)整”并不能使轉(zhuǎn)速完全恢復(fù)。為了恢復(fù)初始的轉(zhuǎn)速，可通過伺服電動機令D點上移。這時，由于E點不動，杠桿DEF便以E點為支點轉(zhuǎn)動，使F點下降，錯油門2的油門被打開。于是壓力油進入油動機3，使它的活塞上移，開大進汽閥門，增加進汽量，使原動機輸出功率增加，機組轉(zhuǎn)速隨之上升。適當(dāng)控制D點的移動，可使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到初始值。此過程為發(fā)電機的頻率二次調(diào)整過程，亦稱調(diào)頻過程。由手動控制同步器的稱為“人工”

24、調(diào)頻，由自動調(diào)頻裝置控制的稱為自動調(diào)頻。 圖13-9為調(diào)頻后發(fā)電機組功頻靜態(tài)特性曲線變化。當(dāng)機組負荷增加使得轉(zhuǎn)速降低，二次調(diào)整后，原功頻靜態(tài)特性2平行右移至1，在同一fN下功率由P2增加到P1。反之，當(dāng)機組負荷降低使轉(zhuǎn)速升高，二次調(diào)整后，原功頻靜特性曲線2將平行左移至3，功率由P2降低到P3。1PP1ffN3P22P3圖13-9 第13章結(jié)構(gòu)圖3二次調(diào)整的過程為簡單起見考慮一臺機組和一個負荷的情況，如圖13-10所示。初始運行點為兩條特性曲線PD(f)和PG(f)的交點a，系統(tǒng)的頻率為f1。設(shè)系統(tǒng)的負荷增加了PD0，在進行一次調(diào)整未進行二次調(diào)整時，運行點將移到b點，系統(tǒng)的頻率便下降到f2。二次

25、調(diào)整后，機組的靜態(tài)特性上移為P'G(f)，運行點也隨之轉(zhuǎn)移到b'，與此相對應(yīng)的系統(tǒng)頻率為f2'。系統(tǒng)的頻率偏移值為f f= f2' - f1 (13-32)系統(tǒng)負荷的初始增量PD0由三部分組成PD0=PGS+PG PD =PGS -KGf KDf (13-33)PPD0ff1aPD(f)PG(f)bP'D(f)f2b'f2'P'G(f)ecf其中PGS是由二次調(diào)整而得到的發(fā)電機組的功率增量(ae)；-KGf是由一次調(diào)整而得到的發(fā)電機組的功率增量(ef)；-KDf是由負荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)所得到的功率增量(fc)。圖13-10 第13章

26、結(jié)構(gòu)圖 該式即為二次調(diào)整時的功率平衡方程。該式可改寫為 PD0-PGS =-(KG+KD)f=-Kf (13-34)故 (13-35) 由上式可見，進行頻率的二次調(diào)整并不能改變系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率K的數(shù)值，但由于機組輸出功率增加了PGS，對于相同的頻率偏差f，系統(tǒng)能承受的負荷變化量PD0增加了。或者說對于相同的負荷變化，系統(tǒng)的頻率偏移將減小。當(dāng)二次調(diào)整所得到的發(fā)電機組功率增量能完全抵償負荷的初始增量，即PD0-PGS=0時，頻率將維持不變，即f=0，這樣就實現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)。而二次調(diào)整所得到的發(fā)電機功率增量不能滿足負荷變化的需要時，則系統(tǒng)只能在較低的頻率水平下維持功率平衡?？梢姡M行二次調(diào)整時，系統(tǒng)

27、中負荷的增減基本上要由調(diào)頻機組或調(diào)頻廠承擔(dān)。雖可適當(dāng)增大其它機組或電廠的單位調(diào)節(jié)功率以減少調(diào)頻機組或調(diào)頻廠的負擔(dān)，但數(shù)值畢竟有限。這就使調(diào)頻廠的功率變動幅度遠大于其他電廠。如調(diào)頻廠不位于負荷中心，則這種情況可能使調(diào)頻廠與系統(tǒng)其他部分聯(lián)系的聯(lián)絡(luò)線上流通的功率超出允許值。這樣，就出現(xiàn)了在調(diào)整系統(tǒng)頻率的同時控制聯(lián)絡(luò)線上流通功率的問題。此外，大型電力系統(tǒng)的供電地區(qū)幅員寬廣，電源和負荷的分布情況比較復(fù)雜，頻率調(diào)整難免引起網(wǎng)絡(luò)中潮流的重新分布。如果把整個電力系統(tǒng)看作是由若干個分系統(tǒng)通過聯(lián)絡(luò)線連接而成的互聯(lián)系統(tǒng)，那么在調(diào)整頻率時，還必須注意聯(lián)絡(luò)線交換功率的控制問題。 三 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整大型電力系統(tǒng)的供電

28、地區(qū)幅員寬廣，電源和負荷的分布情況比較復(fù)雜，頻率調(diào)整難免引起網(wǎng)絡(luò)中潮流的重新分布。如果把整個電力系統(tǒng)看作是由若干個分系統(tǒng)通過聯(lián)絡(luò)線聯(lián)接而成的互聯(lián)系統(tǒng)，那么在調(diào)整頻率時，還必須注意聯(lián)絡(luò)線交換功率的控制問題。1聯(lián)合系統(tǒng)現(xiàn)討論由兩個系統(tǒng)A和B組成的聯(lián)合系統(tǒng)的情況。圖13-11中，假設(shè)系統(tǒng)A和B的負荷變化量分別為PDA和PDB；由二次調(diào)整得到的發(fā)電功率增量分別PGA和PGB；單位調(diào)節(jié)功率分別為KA和KB。聯(lián)絡(luò)線交換功率增量為PAB，以由A至B為正方向。PABPDAPGAKAPDBPGBKB圖13-11 第13章結(jié)構(gòu)圖2頻率增量和交換功率增量這樣，PAB對系統(tǒng)A相當(dāng)于負荷增量；對于系統(tǒng)B相當(dāng)于發(fā)電功率增

29、量。因此，對于系統(tǒng)A有PDA+PAB-PGA=-KAfA (13-36)對于系統(tǒng)B有PDB-PAB-PGB=-KBfB (13-37)互聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)有相同的頻率，故fA=fB=f。于是，由以上兩式可解出 (13-38) (13-39)上式說明，若互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電功率的二次調(diào)整增量PG能同全系統(tǒng)負荷增量PD相平衡，則可實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，即f=0；否則，將出現(xiàn)頻率偏移?，F(xiàn)在討論聯(lián)絡(luò)線交換功率增量。當(dāng)A、B兩系統(tǒng)都進行二次調(diào)整，而且兩系統(tǒng)的功率缺額又恰同其單位調(diào)節(jié)功率成比例，即滿足條件 (13-40)時，聯(lián)絡(luò)線上的交換功率增量PAB便等于0。如果沒有功率缺額，則f=0。如果對其中的一個系統(tǒng)(例如系統(tǒng)B)不進行二

30、次調(diào)整，則PGB0，其負荷變化量PDB將由系統(tǒng)A的二次調(diào)整來承擔(dān)，這時聯(lián)絡(luò)線的功率增量(13-41)當(dāng)互聯(lián)系統(tǒng)的功率能夠平衡時PD-PGA=0，于是有PAB=PDB (13-42)系統(tǒng)B的負荷增量全由聯(lián)絡(luò)線的功率增量來平衡，這時聯(lián)絡(luò)線的功率增量最大。 其它情況下聯(lián)絡(luò)線的功率變化量將介于上述兩種情況之間。四 主調(diào)頻廠的選擇在有多臺機組并聯(lián)運行的電力系統(tǒng)中，當(dāng)負荷變化時，全系統(tǒng)有調(diào)整能力的發(fā)電機組都參與頻率的一次調(diào)整，但只有少數(shù)廠(機組)承擔(dān)頻率的二次調(diào)整。按照是否承擔(dān)二次調(diào)整可將所有電廠分為主調(diào)頻廠、輔助調(diào)頻廠和非調(diào)頻廠三類，其中，主調(diào)頻廠(一般是12個電廠)負責(zé)全系統(tǒng)的頻率調(diào)整(即二次調(diào)整)；

31、輔助調(diào)頻廠只在系統(tǒng)頻率超過某一規(guī)定的偏移范圍時才參與頻率的調(diào)整，這樣的電廠一般也只有少數(shù)幾個；非調(diào)頻廠在系統(tǒng)正常運行情況下則按預(yù)先給定的負荷曲線發(fā)電。在選擇主調(diào)頻廠(機組)時，主要應(yīng)考慮：(1) 應(yīng)擁有足夠的調(diào)整容量及調(diào)整范圍；(2)調(diào)頻機組具有與負荷變化速度相適應(yīng)的調(diào)整速度；(3)調(diào)整出力時負荷安全及經(jīng)濟的原則。此外，還應(yīng)考慮由于調(diào)頻引起的聯(lián)絡(luò)線上交換功率的波動，以及網(wǎng)絡(luò)中某些中樞點的電壓波動是否超出允許范圍。調(diào)整容量取決于負荷變動的幅度、允許的頻率偏移以及系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。其中系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率取決于各發(fā)電機組調(diào)速器調(diào)差系數(shù)的整定值和負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。調(diào)整范圍：火電廠的鍋爐和汽輪機都有

32、它們的技術(shù)最小負荷，其中鍋爐約為25%(中溫中壓，500520ºC，100大氣壓)70%(高溫高壓，550ºC，180大氣壓)額定容量；汽輪機約為1015%額定容量。換言之，火電廠受鍋爐最小負荷的限制，可調(diào)容量僅為其額定容量的30%(高溫高壓)75% (中溫中壓)。水電廠的可調(diào)容量既受向下游釋放水量的限制又受水輪機技術(shù)最小負荷的限制，而這兩者又因各水電廠的具體條件不同而不同。一般情況下，水電廠的可調(diào)容量大于火電廠，即使保守估計，也可認為水電廠的可調(diào)容量約為其額定容量的50%。 除調(diào)整容量外，調(diào)整速度也是一個重要問題。火電廠主要受汽輪機熱膨脹的影響，其出力變化不能太快。一個容

33、量為5000MW的系統(tǒng)中，負荷上升的速度可達每分鐘1520MW。但急劇的負荷變動將使火電廠的鍋爐、汽輪機受損傷或因燃燒不穩(wěn)定而引起熄火。一般認為，高溫高壓鍋爐從70%80%額定負荷上升至滿負荷約需15分鐘；中溫中壓鍋爐從50%額定負荷上升至滿負荷僅需1分鐘，比較快；汽輪機很慢，在50%100%額定負荷范圍內(nèi)，每分鐘僅能上升25%。因此，火電廠中限制調(diào)整速度的主要是汽輪機。水電廠水輪機負荷變動的速度高得多，每分鐘可增長50%400%額定負荷，一般在1min以內(nèi)及可從空載過渡到滿載狀態(tài)。當(dāng)然，過份急劇的負荷變動也會損耗水電廠的設(shè)備。核能電廠的可調(diào)容量較大，調(diào)整速度也不低于一般火電廠。但由于核能電廠

34、的運行費用問題，通常都不考慮用這類電廠調(diào)頻。 所以，從出力調(diào)整范圍和調(diào)整速度來看，水電廠最適宜承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)。但是在安排各類電廠的負荷時，還應(yīng)考慮整個電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。在枯水季節(jié)，宜選水電廠作為主調(diào)頻廠，火電廠中效率較低的機組則承擔(dān)輔助調(diào)頻的任務(wù)；在豐水季節(jié)，為了充分利用水力資源，避免棄水，水電廠宜帶穩(wěn)定的負荷，而由效率不高的中溫中壓凝汽式火電廠承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)。不僅如此，選擇水電廠作調(diào)頻廠從經(jīng)濟上講也較合理。如前所述，水電廠機組的退出、投入或迅速增減負荷不需額外耗費能量，而火電廠則沒有這個特點。至于聯(lián)絡(luò)線上的傳輸能力，雖是選擇調(diào)頻廠時應(yīng)考慮的一個因素，卻不是決定因素，因必要時可采取其他措施來克

35、服聯(lián)絡(luò)線工作的困難。核電廠一次投資大，運行費小，建成后應(yīng)及時投入運行。應(yīng)持續(xù)承擔(dān)額定容量的負荷，在接近負荷曲線的底部運行。 13-4 有功功率平衡與火電廠間負荷的最優(yōu)分配一 有功功率平衡與備用容量 由前面的分析，可知頻率和系統(tǒng)有功密切相關(guān)。為了保證頻率合格，必須做到有功功率平衡。電力系統(tǒng)中的功率平衡是指在一定頻率下的平衡。1有功功率平衡有功功率平衡，指電力系統(tǒng)內(nèi)所有電源輸出的有功功率必須與系統(tǒng)內(nèi)所有的用電設(shè)備消耗的有功功率加上輸配電網(wǎng)中所有元件損耗的有功功率相等。也就是說，所有發(fā)電廠發(fā)出的有功功率總和PG，在任何時刻都是同系統(tǒng)的總負荷PD相平衡的。 為了確保安全和優(yōu)質(zhì)的供電，電力系統(tǒng)中發(fā)電廠的

36、容量，不僅要能滿足最大負荷的需要，還要有一定的備用容量。2備用容量分類 備用容量按其作用分為負荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用。按其存在形式分為旋轉(zhuǎn)備用（熱備用）和冷備用。為滿足一日中計劃外的負荷增加和適應(yīng)系統(tǒng)中的短時負荷波動而留有的備用稱為負荷備用。當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)電機組由于偶然性事故退出運行時，為保證連續(xù)供電所需要的備用稱為事故備用。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備計劃檢修時，為保證對用戶供電而留有的備用稱為檢修備用。熱備用一般隱含在系統(tǒng)運行著的機組之中，為系統(tǒng)中運行著的發(fā)電機的最大可發(fā)功率與實際所發(fā)功率之差。冷備用是設(shè)備完好而未運轉(zhuǎn)的發(fā)電設(shè)備的最大可能出力。負荷備用和事故備用是在一旦需要時能立刻投入的

37、備用。一般發(fā)電機組從靜止到帶上額定負荷，需要少則幾分鐘（水電廠），多則幾小時（火電廠），顯然，負荷備用和事故備用不能全是靜止的冷備用，還必須具有旋轉(zhuǎn)著的備用，即一旦需要時就能立即帶上負荷的備用。這種備用稱之為熱備用或旋轉(zhuǎn)備用。各部分備用的關(guān)系見下表。表13-3 有功備用容量的分類負荷備用25%事故備用510%檢修備用國民經(jīng)濟備用35%熱備用冷備用有了備用容量后，才可能談?wù)撍鼈冊谙到y(tǒng)中各發(fā)電設(shè)備和發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題。二 有功功率電源的最優(yōu)組合1概念 有功功率電源的最優(yōu)組合是指各發(fā)電廠（機組）在承擔(dān)負荷時的合理組合，即所謂機組起停問題，它包括機組的最優(yōu)組合順序、數(shù)量及開停時間。2電廠的合理組

38、合1) 原則Ø充分合理利用水利資源，盡量避免棄水；Ø最大限度地降低火電廠煤耗，并充分發(fā)揮高效機組的作用；Ø降低火力發(fā)電的成本，執(zhí)行國家的有關(guān)燃料政策，減少燒油，增加燃用劣質(zhì)煤、當(dāng)?shù)孛骸?) 各類發(fā)電廠的運行特點火電廠Ø 火電廠的鍋爐和汽輪機都受技術(shù)最小負荷的限制；Ø火電廠在運行中需要支付燃料費用，但運行不受自然條件的影響；Ø 火力發(fā)電設(shè)備的效率同蒸汽參數(shù)有關(guān)；Ø 熱電廠較一般火電廠效率高。水電廠Ø為綜合利用水能，保證河流下游的灌溉、通航，水電廠必須向下游釋放一定水量，在釋放這部分水量的同時發(fā)出的功率為強迫功率；&#

39、216;水輪發(fā)電機的處理調(diào)整范圍較寬，負荷增減速度相當(dāng)快，機組的投入和退出運行費用都很少，操作簡便安全，無需額外的損耗；Ø水電廠的水輪機也有技術(shù)最小負荷，其值因水電廠的具體條件而異；Ø水電廠水頭過分低落時，水輪發(fā)電機組可發(fā)的功率要降低；Ø水電廠的運行受自然條件的影響，按有無調(diào)節(jié)水庫以及調(diào)節(jié)水庫的大小或調(diào)節(jié)周期的長短分為無調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)等幾類；Ø抽水蓄能發(fā)電廠可調(diào)節(jié)有功負荷的峰谷差。核電廠Ø 技術(shù)最小負荷主要取決于汽輪機；Ø反應(yīng)堆核汽輪機組退出運行核再度投入都很費時，且要增加能量消耗；Ø 一次投資大，運行費用小

40、。3) 各類發(fā)電廠的合理組合Ø火電廠以承擔(dān)基本不變的負荷為宜。其中，高溫高壓電廠應(yīng)優(yōu)先投入，其次時中溫中壓電廠，低溫低壓電廠設(shè)備陳舊，只能在高峰負荷期間用以發(fā)必要的功率。Ø核電廠建成后應(yīng)盡可能利用，以承擔(dān)基本不變負荷、在負荷曲線基底部分運行為宜；Ø無調(diào)節(jié)水庫水電廠的全部功率和有調(diào)節(jié)水庫水電廠的強迫功率不可調(diào)，應(yīng)首先投入。有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率，在豐水期應(yīng)該優(yōu)先投入；在枯水期應(yīng)承擔(dān)高峰負荷。三 火電廠間負荷的經(jīng)濟分配1 目的 火電廠間負荷的經(jīng)濟分配的目的在于供應(yīng)同樣大小的有功功率負荷而使單位時間內(nèi)的能源消耗量最小。2 耗量特性 反映發(fā)電設(shè)備（或其組合）單位時間內(nèi)能量

41、輸入和功率輸出關(guān)系的曲線，稱為該設(shè)備（或其組合）的耗量特性。如圖13-12所示，橫坐標為輸出量電功率(MW)，縱坐標為燃料輸入量 (t標準煤/h)或耗水量(m3/h)。(a)比耗量耗量特性曲線上某點的縱坐標和橫坐標之比，即輸入與輸出之比稱為比耗量。=F/P (13-43)b)發(fā)電廠效率比耗量的倒數(shù)稱為發(fā)電廠效率。=P/F (13-44)(c) 耗量微增率耗量特性曲線上某點切線的斜率稱為該點的耗量微增率dF/dP (13-45)它表示在該點運行時輸入增量對輸出增量之比。PF= dF/dPPF= Fa/PaPaFa圖13-12 耗量特性曲線3 等微增率準則如圖13-13所示，以并聯(lián)運行的兩臺機組間的負荷分配為例說明等微增率的基本概念。PG1PG2PLD圖13-13 并聯(lián)運行的兩臺機組已知兩臺機組，其中每臺機組承擔(dān)的負荷分別為PG1和PG2，相應(yīng)地每小時煤消耗量為F1和F2。則全廠每小時消耗煤的總量為F= F1(PG1)+ F2(PG2) (13-46)全廠承擔(dān)總的負荷功率為PLD =PG1+PG2 (13-47)假定各臺機組燃料消耗量和輸出功率都不受限制，要求確定負荷功率在兩臺機組間的分配，使總的燃料消耗為最小。也就是說，在滿足等式約束PG1+PG2-PLD=0 (13-48)的條件下，使目標函數(shù)F= F1(PG1)+ F2(PG2) (13-49)最小。我們用作圖法求