第6章 輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的調(diào)整控制,重慶大學(xué)版電力系統(tǒng)(第2版)課件

第6章輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的調(diào)整控制1任務(wù)1盆景起源與發(fā)展的認(rèn)知

輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的調(diào)整控制本章主要討論輸電系統(tǒng)潮流的調(diào)整控制、輸電系統(tǒng)有功功率和頻率的調(diào)整控制、以及輸電系統(tǒng)無功功率和電壓的調(diào)整控制。6.1輸電系統(tǒng)潮流的調(diào)整控制6.1.1調(diào)整控制潮流的必要性以圖6.1所示一單電源的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)為例，其中

線段A—1遠(yuǎn)長于線段A—2。設(shè)該網(wǎng)絡(luò)為同截面

網(wǎng)絡(luò)，其功率按長度分布，表達(dá)式為圖6.1簡(jiǎn)單環(huán)形網(wǎng)絡(luò)2再設(shè)圖6.1所示網(wǎng)絡(luò)為非均一網(wǎng)絡(luò)，則功率分布按阻抗分布，其表達(dá)式為這時(shí)，全網(wǎng)的功率損耗

分別解上面兩式，可得3從而由此可見，網(wǎng)絡(luò)中有功功率損耗最小時(shí)的功率分布是按線段電阻分布，而不是按線段阻抗分布。一般網(wǎng)絡(luò)為非均一網(wǎng)絡(luò)，故其功率的自然分布會(huì)使網(wǎng)損增大，直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。6.1.2調(diào)整控制潮流的基本原理和方式調(diào)控的基本方式有并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相調(diào)節(jié)等3種。在未提出“柔性交流輸電技術(shù)”前，理論上有以下幾種措施。（1)串聯(lián)電容采用串聯(lián)電容控制潮流的方法并未推廣。（2)串聯(lián)電抗這種方法為系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和電壓質(zhì)量的要求所不容，未曾采用。4（3)并聯(lián)補(bǔ)償這種方式也往往是為系統(tǒng)無功平衡、電壓調(diào)整或改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求而設(shè)置的。（4)串聯(lián)加壓器這是一種移相調(diào)節(jié)的方式。在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)一可調(diào)的加壓器使產(chǎn)生一可調(diào)附加電勢(shì)，從而產(chǎn)生一強(qiáng)制循環(huán)功率，使強(qiáng)制循環(huán)功率與自然分布功率相疊加，可達(dá)到所要求的潮流分布。二者疊加使功率為最佳分布為產(chǎn)生這一強(qiáng)制循環(huán)功率，在網(wǎng)絡(luò)中串入的附加電勢(shì)可得5在環(huán)網(wǎng)中接入串聯(lián)加壓器起到調(diào)控潮流的作用，它的工作原理展示于圖6.2中。圖6.3(a)和(b)分別示出求取縱向和橫向附加電勢(shì)的原理?？v、橫調(diào)節(jié)作用可以用一個(gè)供電變壓器和兩組串聯(lián)加壓器同時(shí)完成，以調(diào)節(jié)縱、橫電勢(shì)的大小，并可使附加電勢(shì)和相電壓的相位差在0°~90°之間分級(jí)變化，如圖6.4所示相量圖，這組加壓器就兼有縱向和橫向的調(diào)節(jié)功能。6圖6.2串聯(lián)加壓器的接入1—主變壓器；2—電源變壓器；3—串聯(lián)加壓器7圖6.3串聯(lián)加壓器的聯(lián)接方式和作用(a)縱向串聯(lián)加壓器；(b)橫向串聯(lián)加壓器圖6.4兼有縱、橫

調(diào)節(jié)作用8在高電壓網(wǎng)絡(luò)中，由于輸電線路的電阻遠(yuǎn)小于電抗，可視≈0，則式(6.2)可近似為由此得出十分重要的概念：橫向串聯(lián)附加電勢(shì)主要產(chǎn)生強(qiáng)制循環(huán)功率的有功部分；縱向串聯(lián)附加電勢(shì)主要產(chǎn)生強(qiáng)制循環(huán)功率的無功部分。6.1.3柔性交流輸電技術(shù)控制潮流（1)輸電型FACTS控制器對(duì)于輸電型FACTS控制器即為：用可靠性高的大功率可控硅元件置換傳統(tǒng)元件中的機(jī)械式調(diào)節(jié)器和開關(guān)，具有精確、快速地控制影響潮流分布的輸電電壓、線路阻抗和功率角等3個(gè)主要電氣參數(shù)的功能。當(dāng)前正在研制或已在運(yùn)用的主要輸電型FACTS控制器及其控制作用如圖6.5所示。它們與系統(tǒng)的聯(lián)接方式分別有串聯(lián)、并聯(lián)和復(fù)合串并聯(lián)等3種類型。9圖6.5主要輸電型FACTS控制器的功能示意圖圖6.5主要辦理電型FACTS控制器的功能示意圖

101)基于晶閘管閥的輸電型FACTS控制器①靜止無功功率補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,SVC)。一種并聯(lián)聯(lián)接的靜止無功發(fā)生器或吸收器，可調(diào)節(jié)其輸出交換的容性或感性電流，以便保持或控制輸電系統(tǒng)的一些特定參數(shù)(典型的是母線電壓)，簡(jiǎn)稱靜止補(bǔ)償器。

②靜止無功發(fā)生器或吸收器(StaticVarGeneratororAbsorber,SVG)。

③晶閘管控制的串聯(lián)電容器(ThyristorControlledSeriesCapaeitor,TCSC)。

它包括串聯(lián)的電容器組和與其并聯(lián)的晶閘管控制的電抗器，通過改變晶閘管的觸發(fā)角來達(dá)到改變串聯(lián)等效容抗的目的，用以提供平滑變化的串聯(lián)容性電抗，如圖6.7所示。11圖6.6靜止無功功率補(bǔ)償器(a)TCR型；(b)TSC型；(c)SR型12圖6.7可控串聯(lián)電容13④晶閘管投切的串聯(lián)電容器(ThyristorSwitchedSeriesCapacitor,TSSC)。⑤晶閘管控制的移相變壓器(ThyristorControlledPhaseShiftingTransformer,TCPST)。屬復(fù)合串并聯(lián)型FACTS裝置，如圖6.8所示。⑥相間功率控制器(InterphasePowerController,IPC或TCIPC)。它在輸電線的每一相中串入兩個(gè)并聯(lián)的容抗和感抗分支，并使其分別從屬于相互無關(guān)的可獨(dú)立移相的電壓，如圖6.9所示。14圖6.8可控移相器圖6.9通用型和改進(jìn)型的IPC裝置(a)通用型；(b)改進(jìn)型

15圖6.10靜止調(diào)相器結(jié)構(gòu)圖162)基于GTO同步電壓源的輸電型FACTS控制器①靜止同步補(bǔ)償器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)。其結(jié)構(gòu)如圖6.10所示，為三相逆變器構(gòu)成，并由一并聯(lián)電容器上的電壓進(jìn)行激發(fā)驅(qū)動(dòng)，其三相輸出電壓與交流網(wǎng)三相電壓同相，連接變壓器通過的電流等于零或呈容性或呈感性則取決于一、二次電壓幅值。②靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(StaticSynchronousSeriesCompensator,SSSC或S3C)。一種靜止型無外部電源運(yùn)行的同步發(fā)電器。其基本結(jié)構(gòu)類似于靜止調(diào)相器(STATCOM)，只是其變壓器輸出繞組串接入輸電線路中(參見圖6.11)，17圖6.11統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)結(jié)線圖18③統(tǒng)一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController,UPFC)。由一臺(tái)靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)和一臺(tái)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(S3C)經(jīng)一常規(guī)直流聯(lián)結(jié)耦合一起的組合裝置，如圖6.11所示。（2)FACTS控制器控制潮流的基本原理各種輸電型FACTS控制器皆通過調(diào)控輸電線路的阻抗或(和)電壓模值或(和)電壓相位角等參數(shù)，從而控制輸電系統(tǒng)潮流。不同F(xiàn)ACTS控制器的作用，可用圖6.12所示穩(wěn)態(tài)模型綜合表示。

圖6.13所示為一僅含串聯(lián)型FACTS裝置的輸電線路的等值電路。

19圖6.12FACTS裝置的穩(wěn)態(tài)模型

圖6.13含F(xiàn)ACTS的支路電路圖

20可見，線路中的功率由自然分布功率和附加電壓源控制功率兩部分組成。任何控制裝置的控制量有一定的變動(dòng)區(qū)域，在不同的FACTS裝置的控制作用下，所在線路的潮流被控在不同區(qū)域內(nèi)變動(dòng)。由式(6.6)可見，隨串聯(lián)電壓的變化，線路功率是一個(gè)以線路未受控制時(shí)的功率為圓心、為半徑的實(shí)心圓，如6.14所示。這時(shí),附加電壓源控制功率為當(dāng)時(shí)，式(6.7)中有：

21當(dāng)時(shí)，式(6.7)中有：如果Upq值的約束與UPFC一致時(shí)，TCPS的控制域基本為UPFC控制圓的一條直徑，見圖6.14。式(6.6)變?yōu)椋簩⒋胧?6.8)，并在等式右側(cè)加減可得22圖6.14三種FACTS裝置對(duì)線路潮流的控制域1—統(tǒng)一潮流控制器(UPFC);2—可控移相器(TCPS);3—可控串聯(lián)電容(TCSC)23再將式(6.9)右側(cè)第一項(xiàng)展開為實(shí)部(Pc)和虛部(Qc)，即由此可見：FACTS裝置對(duì)潮流的控制作用取決于裝置的類型，其中統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的控制域?yàn)橐粚?shí)心圓，其控制能力最強(qiáng)；FACTS裝置對(duì)潮流的控制作用還與線路功率初始的自然分布狀況有關(guān)，統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）能否控制潮流的方向、可控移相器（TCPS）和可控串聯(lián)電容（TCSC）控制域的大小，亦即對(duì)潮流控制能力的強(qiáng)弱皆取決于線路功率的自然分布。6.2輸電系統(tǒng)有功功率及頻率的調(diào)整控制6.2.1調(diào)整控制系統(tǒng)頻率的必要性頻率是衡量電能質(zhì)量最重要的指標(biāo)。電力系統(tǒng)負(fù)荷,特別是發(fā)電廠廠用電負(fù)荷,對(duì)頻率要求極其嚴(yán)格。要保證系統(tǒng)用戶及發(fā)電廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全運(yùn)行，我國規(guī)定頻率偏移不得超過系統(tǒng)額定頻率±0.2Hz。24頻率變化對(duì)電能用戶有以下的影響：①電力用戶使用的電氣設(shè)備中絕大多數(shù)是異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān)。②電動(dòng)機(jī)的有功功率與系統(tǒng)頻率有關(guān)。③近代工業(yè)、國防和科學(xué)研究部門廣泛使用電子設(shè)備，系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定會(huì)影響電子設(shè)備的工作特性，降低準(zhǔn)確度，造成誤差。系統(tǒng)頻率的變化，對(duì)發(fā)電廠及系統(tǒng)本身也有影響：所以，系統(tǒng)頻率質(zhì)量必須予以保證。系統(tǒng)頻率只有在系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的總有功出力與總有功負(fù)荷(包括網(wǎng)損)相等時(shí)，才能保持不變。6.2.2輸電系統(tǒng)中有功功率的平衡（1)有功功率負(fù)荷的變化25輸電系統(tǒng)中的負(fù)荷時(shí)刻都在不規(guī)則地變化著。這種不規(guī)則的變化，實(shí)際上為兩類變化的結(jié)合。一類是可預(yù)測(cè)的；另一類是隨機(jī)的偶然性變化和沖擊性變化(如壓延機(jī)、電氣機(jī)車、工業(yè)電爐等負(fù)荷)。各發(fā)電廠按給定的任務(wù)及時(shí)地滿足系統(tǒng)負(fù)荷的需求，就可以維持頻率的穩(wěn)定。按預(yù)計(jì)給定發(fā)電負(fù)荷計(jì)劃發(fā)電的廠，稱負(fù)荷監(jiān)視廠，電力系統(tǒng)中絕大部分發(fā)電廠屬這種類型。對(duì)于偶然性的負(fù)荷變化和沖擊性的負(fù)荷變化，必須調(diào)整系統(tǒng)中電源的有功功率才能維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，即稱“頻率調(diào)整”。頻率調(diào)整分一次調(diào)整和二次調(diào)整兩種。調(diào)頻廠的母線通常為潮流計(jì)算中的平衡節(jié)點(diǎn)。電力系統(tǒng)中的有功負(fù)荷包括用戶需求的有功功率，網(wǎng)絡(luò)中損耗的有功功率，以及發(fā)電廠廠用電負(fù)荷所需的有功功率。（2)有功功率電源及備用容量26輸電系統(tǒng)中有功功率電源是各類發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)中的電源容量不一定是所有機(jī)組額定容量之和?？赏度氚l(fā)電設(shè)備的可發(fā)功率之和，才是真正可供系統(tǒng)調(diào)度的電源容量。電力系統(tǒng)有功電源容量必須大于包括負(fù)荷最大有功功率、網(wǎng)損及廠用電在內(nèi)的全系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷。系統(tǒng)備用容量分熱備用及冷備用兩種形式。系統(tǒng)備用容量按其作用可分為以下幾種：1）負(fù)荷備用為調(diào)整系統(tǒng)中短時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)和日計(jì)劃外的負(fù)荷增加，確保系統(tǒng)頻率質(zhì)量而在系統(tǒng)中留有的備用容量，即為負(fù)荷備用容量。2）事故備用為防止系統(tǒng)中某些發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然性事故時(shí)，電力用戶不致受到嚴(yán)重影響，維持系統(tǒng)正常供電在系統(tǒng)中留有的備用容量，即為事故備用容量。273）檢修備用為保證系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備進(jìn)行定期檢修時(shí)不致影響供電而系統(tǒng)中留有的備用容量，即為檢修備用容量。4）國民經(jīng)濟(jì)備用考慮用戶的超計(jì)劃生產(chǎn)、新用戶的出現(xiàn)等而設(shè)置的備用容量。這種備用容量的大小，要根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)的增長情況來確定。實(shí)際上，熱備用容量的大小不需要按負(fù)荷備用和事故備用的總和來確定，兩者是可通用的。在總的備用容量中，熱備用和冷備用的分配是有功功率電源的最優(yōu)組合問題；當(dāng)熱備用容量確定之后，這容量在各發(fā)電機(jī)組之間的分配又是有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配問題。（3)輸電系統(tǒng)有功功率平衡有功功率平衡包括兩個(gè)方面。28其一：輸電系統(tǒng)有功功率平衡指運(yùn)行中任何時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率的總和，等于系統(tǒng)負(fù)荷(包括發(fā)電廠廠用負(fù)荷)需要的有功功率及輸變配電過程中網(wǎng)絡(luò)元件消耗的有功功率之和，即其二：為保證系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，系統(tǒng)還必須擁有一定的備用容量，即6.2.3輸電系統(tǒng)的頻率特性所謂頻率特性，這里是指有功功率—頻率靜態(tài)特性，簡(jiǎn)稱功頻靜態(tài)特性。它反映了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下有功功率和頻率變化的關(guān)系。29（1)負(fù)荷的頻率特性它決定于負(fù)荷的組成。由于負(fù)荷類型不同，負(fù)荷的有功功率與系統(tǒng)頻率的關(guān)系也不同，一般有下面幾種類型：①有功功率與頻率變化無關(guān)的負(fù)荷，如照明、電爐、整流負(fù)荷等。②有功功率與頻率一次方成正比的負(fù)荷，如球磨機(jī)、切削機(jī)床、卷揚(yáng)機(jī)等。③有功功率與頻率二次方成正比的負(fù)荷，如變壓器鐵芯中的渦流損耗等。④有功功率與頻率三次方成正比的負(fù)荷，如通風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵等。⑤有功功率與頻率高次方成正比的負(fù)荷，如鍋爐的給水泵等。整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷功率與頻率的關(guān)系可表示為：30如以PDN，fN為基準(zhǔn)，可表示為標(biāo)幺值形式：顯然，系統(tǒng)頻率在額定時(shí)，f*=1，PD*=1，則實(shí)際系統(tǒng)實(shí)測(cè)的結(jié)果也表明在額定頻率附近系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率與頻率變化近似成線性關(guān)系，如圖6.15所示。圖中直線斜率為有名值(MW/Hz)

31KD，KD*=稱負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，又稱負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率，它反映了系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)頻率的自動(dòng)調(diào)整作用。該特性系數(shù)決定于系統(tǒng)負(fù)荷的組成，顯然是不可調(diào)整的。KD*是電力系統(tǒng)調(diào)度部門必須掌握的一個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)由實(shí)測(cè)獲得。一般系統(tǒng)KD*的值為1~3，通常為1.5。（2)發(fā)電機(jī)組的頻率特性發(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)整由原動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其功率頻率靜態(tài)特性也就取決于發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)種類很多，這里以直觀性較強(qiáng)的離心飛擺式為例介紹其調(diào)速原理。圖6.16為調(diào)速系統(tǒng)示意圖。該調(diào)速系統(tǒng)由4部分組成：測(cè)量部件Ⅰ——飛擺、彈簧等；放大部件Ⅱ——錯(cuò)油門(管制器)；執(zhí)行部件Ⅲ——油動(dòng)機(jī)(接力器)；轉(zhuǎn)速控制部件Ⅳ——伺服馬達(dá)及蝸輪、蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ組成調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)頻率的一次調(diào)整；Ⅳ，Ⅱ，Ⅲ組成調(diào)頻器，實(shí)現(xiàn)頻率的二次調(diào)整。32圖6.16離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖Ⅰ—飛擺（1—飛擺，2—彈簧）；Ⅱ—錯(cuò)油門；Ⅲ—油動(dòng)機(jī)；Ⅳ—調(diào)頻器圖6.15負(fù)荷頻率靜態(tài)特性331)調(diào)速器的工作原理從調(diào)速器的調(diào)節(jié)過程可見，負(fù)荷增大，發(fā)電機(jī)輸出功率增加，轉(zhuǎn)速與頻率略低于原來值；如果負(fù)荷減小，調(diào)速器調(diào)整作用將使輸出功率減小，轉(zhuǎn)速與頻率略高于原來值。這就是頻率的一次調(diào)整，它是由調(diào)速器自動(dòng)完成的。由于調(diào)整的結(jié)果，頻率不能回復(fù)原值，故一次調(diào)整是有差的調(diào)整。2)發(fā)電機(jī)組的頻率特性

圖6.17發(fā)電機(jī)組的頻率特性

34將上述調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機(jī)組的有功功率與頻率關(guān)系用有功功率—頻率靜態(tài)特性曲線表示，其近似為一直線，如圖6.17所示，簡(jiǎn)稱為發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性或頻率特性。它反映了系統(tǒng)頻率變化引起發(fā)電機(jī)輸出功率的變化，負(fù)號(hào)表示二者變化方向相反，即發(fā)電機(jī)輸出功率增加時(shí)，頻率是降低的。單位調(diào)節(jié)功率也可用標(biāo)幺值表示：發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)R是指機(jī)組由空載到滿載時(shí)的轉(zhuǎn)速(頻率)變化與發(fā)電機(jī)輸出功率變化之比，即35通常用百分?jǐn)?shù)表示：從空載到滿載,發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率為由K

G與R的關(guān)系得出K

G(MW/Hz)的計(jì)算式：由式(6.19)及式(6.23)得：但受機(jī)組調(diào)速器的限制，其調(diào)差系數(shù)有一定的范圍限制，一般為：36汽輪發(fā)電機(jī)的R%=4~6，K

G*=25~16.6水輪發(fā)電機(jī)的R%=2~4，K

G*=50~253)調(diào)頻器的工作原理由上述分析可知，僅依靠調(diào)速器實(shí)行頻率的一次調(diào)整不能維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，即不能維持系統(tǒng)頻率不變。因此，為了維持頻率不變或限制頻率偏移在允許范圍內(nèi)，都需要對(duì)頻率進(jìn)行二次調(diào)整，這由調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)頻器來完成。

圖6.19發(fā)電機(jī)組頻率靜

態(tài)特性線的平移圖6.18發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性37這就是調(diào)頻器的動(dòng)作原理，此調(diào)節(jié)過程稱二次調(diào)整或調(diào)頻，其動(dòng)作是由外界信號(hào)(手動(dòng)或自動(dòng)操縱伺服馬達(dá))來控制的。（3)系統(tǒng)等值機(jī)的頻率特性對(duì)于多機(jī)系統(tǒng)，電源的功頻靜態(tài)特性應(yīng)是系統(tǒng)機(jī)組的等值功頻靜態(tài)特性，或稱等值機(jī)的頻率特性，仍如圖6.17所示。若系統(tǒng)中有n臺(tái)機(jī)組裝有調(diào)速器，在系統(tǒng)頻率有Δ

f的變動(dòng)時(shí)，各發(fā)電機(jī)組將有ΔPGi的功率改變，即38則系統(tǒng)電源的單位調(diào)節(jié)功率即為各裝有調(diào)速器機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率之和。用標(biāo)幺值計(jì)算時(shí)，有：

計(jì)算中，對(duì)于滿載運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，在系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)其KGi=0。6.2.4系統(tǒng)頻率的調(diào)整（1)頻率的一次調(diào)整由圖6.20可見，對(duì)應(yīng)負(fù)荷增加量ΔPD0的線段ac=ad+cd。ad段為電源增加的有39功功率ΔPG，cd段則為負(fù)荷減少的有功功率ΔPD。由式(6.26)及式(6.16)可知，即系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率表示負(fù)荷增加(減少)時(shí)，在各發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器及負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下,系統(tǒng)頻率的下降(上升)量。因此，根據(jù)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率Ks可知在允許的頻率偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)能承受多大負(fù)荷變動(dòng)。由上所述，頻率的一次調(diào)整只能滿足變化幅度小、周期短的負(fù)荷變化引起的頻率偏移不超過允許的范圍。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化幅度較大、周期較長時(shí)，僅靠一次調(diào)整就不能保證系統(tǒng)頻率的質(zhì)量。此時(shí)，就需利用調(diào)頻機(jī)組的調(diào)頻器進(jìn)行頻率的二次調(diào)整。40圖6.21例6.2兩機(jī)系統(tǒng)

（2)頻率的二次調(diào)整當(dāng)電力系統(tǒng)由于負(fù)荷變化引起的頻率變化，依靠一次調(diào)整作用已不能保持在允許范圍內(nèi)時(shí)，就須手動(dòng)或自動(dòng)地操作發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器，使發(fā)電機(jī)組的功頻特性平行地上下移動(dòng)來改變發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率，以保持系統(tǒng)的頻率不變或使頻率變化在允許范圍內(nèi)。盡管這仍是有差調(diào)節(jié)，但明顯可見，二次調(diào)整使系統(tǒng)的頻率質(zhì)量得到了改善。圖6.20頻率的一次調(diào)整41圖6.22頻率的二次調(diào)整

相似于式(6.29)可得一般表達(dá)式

42如果二次調(diào)整發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率能夠完全補(bǔ)償負(fù)荷功率的原始增量，即ΔPG0=ΔPD0，則Δf=0，亦即實(shí)現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)。無差調(diào)節(jié)如圖6.22中虛線所示。上述單機(jī)—負(fù)荷系統(tǒng)的調(diào)頻過程可推廣運(yùn)用于實(shí)際系統(tǒng)中多臺(tái)機(jī)組的情況。設(shè)系統(tǒng)有n臺(tái)機(jī)組，且其中第m臺(tái)是主調(diào)頻機(jī)組承擔(dān)二次調(diào)整，n臺(tái)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)整，類似于式(6.30)可直接列出：

以上分析沒有考慮線路上因負(fù)荷增加引起的線路損耗增加，這個(gè)損耗可以計(jì)入負(fù)荷的增加部分之中。因此，一般希望主調(diào)頻廠設(shè)在負(fù)荷中心以減少線路損耗，做到就近補(bǔ)償負(fù)荷的變動(dòng)。（3)互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整43大型電力系統(tǒng)都有幾個(gè)負(fù)荷中心，通常將這樣的系統(tǒng)分成幾個(gè)相互聯(lián)系的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間的輸電線作為聯(lián)絡(luò)線用以交換功率。因此，提出了在調(diào)整系統(tǒng)頻率的同時(shí)控制聯(lián)絡(luò)線上交換或輸送功率的問題?，F(xiàn)以由兩個(gè)子系統(tǒng)組成的聯(lián)合系統(tǒng)情況（如圖6.23）予以討論。對(duì)B系統(tǒng)ΔPab可看作是電源功率的增量，則：圖6.23互聯(lián)系統(tǒng)頻率調(diào)整44實(shí)際上，兩個(gè)聯(lián)合運(yùn)行的系統(tǒng)頻率是相等的，即ΔfA=ΔfB

=Δf，可得從而以此代入式(6.32a)或式(6.32b)，又可得式(6.33)和式(6.34)可改寫為

45由上面兩式可得出如下結(jié)論：①聯(lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決于聯(lián)合系統(tǒng)總的功率缺額及總的單位調(diào)節(jié)功率。不言而喻，聯(lián)合的兩個(gè)系統(tǒng)本就應(yīng)看作是一個(gè)系統(tǒng)。②如A系統(tǒng)沒有功率缺額，即ΔPA=0，聯(lián)絡(luò)線上由A流向B的功率增大；反之，如B系統(tǒng)沒有功率缺額，即ΔPB=0，聯(lián)絡(luò)線上由A流向B的功率減小。③如B系統(tǒng)沒有調(diào)頻廠，即ΔPGB

=0，B系統(tǒng)的功率缺額則全部由A系統(tǒng)增發(fā)的功率來補(bǔ)償。從上例分析可知，全系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)在一定頻率水平下的功率平衡及頻率調(diào)整，對(duì)于大型系統(tǒng)可采用分區(qū)調(diào)整，就地實(shí)現(xiàn)功率平衡的調(diào)整方法。這樣既可保證系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，又不加重聯(lián)絡(luò)線的負(fù)擔(dān)。圖6.24例6.3兩系統(tǒng)聯(lián)合46（4)調(diào)頻廠的選擇主調(diào)頻廠又稱第一調(diào)頻廠，承擔(dān)主要的調(diào)頻任務(wù)；輔助調(diào)頻廠的調(diào)頻器動(dòng)作整定在系統(tǒng)頻率偏移超過某一定值時(shí)參加調(diào)頻，按照參加次序又分為第二調(diào)頻廠、第三調(diào)頻廠等等。按頻率調(diào)整的要求，主調(diào)頻廠應(yīng)具備以下條件：①具有足夠的調(diào)整容量；②能適應(yīng)負(fù)荷變化需要的調(diào)整速度；③調(diào)整輸出功率時(shí)應(yīng)符合安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則。另外，調(diào)整頻率時(shí)，引起的聯(lián)絡(luò)線上功率的波動(dòng)和某些節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)不超過允許的范圍。核能電廠的可調(diào)容量較大，且調(diào)整速度不低于火電廠。但由于核能電廠運(yùn)行費(fèi)用低，故投產(chǎn)后使其多發(fā)電而帶基本負(fù)荷，不承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)。47綜上所述，從調(diào)整容量和調(diào)整速度這兩個(gè)最基本的條件來看，在水、火電廠并存的系統(tǒng)中，應(yīng)選擇水電廠作調(diào)頻廠。對(duì)應(yīng)圖6.25中負(fù)荷曲線尖峰部位工作的發(fā)電廠即為兼有調(diào)頻任務(wù)的發(fā)電廠。當(dāng)系統(tǒng)中有抽水蓄能電廠時(shí)，在其發(fā)電期間也可參加調(diào)頻。其功能是：系統(tǒng)控制中心(電網(wǎng)調(diào)度中心)按其控制目標(biāo)通過調(diào)度通信系統(tǒng)(圖6.26)將指令發(fā)送給有關(guān)發(fā)電廠的機(jī)組，通過發(fā)電廠機(jī)組的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)電(出力)的自動(dòng)控制，從而達(dá)到控制中心的調(diào)控目標(biāo)。自動(dòng)發(fā)電控制對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的控制目標(biāo)主要有：48

圖6.25各類發(fā)電廠工作部位示意圖

(a)枯水季節(jié)；(b)豐水季節(jié)49

圖6.26調(diào)度通信系統(tǒng)示意圖50

①維持系統(tǒng)頻率等于或十分接近額定值。②維持系統(tǒng)內(nèi)各區(qū)域間或各子系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線的交換功率在允許范圍內(nèi)。③維持系統(tǒng)中各發(fā)電設(shè)備按最經(jīng)濟(jì)方式運(yùn)行。在自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)中引入經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)算后，該系統(tǒng)就具備了經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制(EDC)的功能。自動(dòng)發(fā)電控制的控制方式主要有：①恒定頻率控制方式；②恒定機(jī)組出力自控制方式；③恒定交換功率控制方式；④頻率及聯(lián)絡(luò)線功率偏移控制方式；⑤自動(dòng)修正時(shí)差控制方式；⑥自動(dòng)修正交換電能差控制方式；⑦自動(dòng)修正時(shí)差及交換電能差控制方式。516.3輸電系統(tǒng)無功功率及電壓的調(diào)整控制6.3.1電壓調(diào)整的基本概念電壓是表征電能質(zhì)量的又一重要指標(biāo)。電壓調(diào)整與頻率調(diào)整比較有如下的不同：①全系統(tǒng)頻率相同，而系統(tǒng)中為數(shù)甚多的節(jié)點(diǎn)(母線)其電壓值各不相同。②頻率與系統(tǒng)有功功率密切相關(guān)，系統(tǒng)的有功電源集中于發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)；而電壓則與系統(tǒng)無功功率關(guān)系很大，無功電源除各類發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)外，可分散于各變電所設(shè)置的其他無功電源。③調(diào)整頻率只須采用調(diào)整發(fā)電廠原動(dòng)機(jī)功率這唯一手段；而要使全系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓均滿足要求，必須也可能采用各種調(diào)整措施。（1)電壓偏移及電壓調(diào)整的必要性52電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行中，負(fù)荷隨時(shí)都在發(fā)生變化，電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式也常有變化。實(shí)際上，要保證系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)和所有用戶受電端的電壓在任何時(shí)刻都為額定值是不可能的。各節(jié)點(diǎn)電壓值在運(yùn)行過程中對(duì)其額定電壓總會(huì)有一定偏移，只要電壓偏移值在允許的范圍內(nèi)，就能保證用戶及電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前我國規(guī)定的各類節(jié)點(diǎn)允許電壓偏移值為：①500(330)kV母線正常運(yùn)行方式時(shí)≤10%；但最低運(yùn)行電壓不應(yīng)影響系統(tǒng)同步穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、廠用電設(shè)備的正常運(yùn)行及下一級(jí)電壓的調(diào)節(jié)。②發(fā)電廠和500kV變電所的220kV母線③發(fā)電廠和220（330）kV變電所的110~35kV母線④用戶受電端特殊用戶按供用電合同商定的數(shù)值確定。53事故狀況下，允許在上述數(shù)值上再增加5%，但正偏移最大不能超過+10%⑤發(fā)電廠和變電所的10(6)kV母線，其電壓偏移范圍應(yīng)嚴(yán)格按④中用戶電壓規(guī)定值經(jīng)計(jì)算確定。電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的供電電壓相對(duì)其額定值偏移過大，會(huì)使用戶電氣設(shè)備的性能惡化。電壓質(zhì)量也影響電力系統(tǒng)自身的安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性。電網(wǎng)運(yùn)行電壓偏低，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的功率損耗及電能損耗增加，電壓過低則可能破壞電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；電壓過高又可能使各種電氣設(shè)備的絕緣受到損害，使帶鐵芯設(shè)備的鐵芯飽和產(chǎn)生諧波并引起諧振，在超高壓網(wǎng)絡(luò)中還將增加電暈損耗。（2)電壓質(zhì)量與無功功率的關(guān)系1)負(fù)荷無功功率對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響正常運(yùn)行狀態(tài)下，電壓的變化主要由負(fù)荷變動(dòng)而引起。式(4.110)可表示為54這時(shí)，只能減少線路輸送的無功功率以使節(jié)點(diǎn)電壓偏移值保持在允許的范圍內(nèi)，而供給末端負(fù)荷不足的無功功率只能在末端設(shè)置除發(fā)電機(jī)以外的其他無功電源來補(bǔ)充。這即為滿足電壓質(zhì)量要求而設(shè)置的無功補(bǔ)償電源，簡(jiǎn)稱無功補(bǔ)償。2)節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)負(fù)荷無功功率的作用下面將進(jìn)一步討論節(jié)點(diǎn)電壓與負(fù)荷無功功率的關(guān)系。系統(tǒng)中的無功負(fù)荷是指以滯后功率因數(shù)運(yùn)行的用電設(shè)備所吸取的無功功率：其中主要是異步電動(dòng)機(jī)的無功功率。因此，電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的無功電壓靜態(tài)特性主要取決于異步電動(dòng)機(jī)的特性。在《電機(jī)學(xué)》中已知，異步電動(dòng)機(jī)的無功功率包括激磁無功功率Qm和漏抗無功功率Qσ兩部分，即：55

其中，激磁無功功率隨端電壓降低呈平方關(guān)系減小，漏抗無功功率則隨電壓降低而增大，這是因?yàn)殡妷航档?，轉(zhuǎn)差率S加大，定子電流I增大所致(見圖6.27)。圖6.28示出了異步電動(dòng)機(jī)的無功功率—電壓靜態(tài)特性曲線。由于異步電動(dòng)機(jī)是電力系統(tǒng)中主要的無功負(fù)荷，所以構(gòu)成了圖6.29所示的輸電系統(tǒng)綜合負(fù)荷的無功—電壓靜態(tài)特性曲線。因此，要保證電力網(wǎng)絡(luò)在正常電壓水平的前提下，又能保證正常運(yùn)行方式下供給負(fù)荷所需的無功功率，則輸電系統(tǒng)在任何時(shí)刻都必須保持無功功率的平衡。（3)輸電系統(tǒng)的無功功率平衡1)系統(tǒng)的無功功率平衡56圖6.27異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化等值電路圖6.28異步電動(dòng)機(jī)的Q—U特性圖6.29綜合負(fù)荷的無功功率—電壓靜態(tài)特性57由此斷言，保證電壓質(zhì)量的前提條件是系統(tǒng)必須具有充足的無功電源容量。輸電系統(tǒng)的無功功率平衡包含兩個(gè)方面：一是保證電壓質(zhì)量的前提下，運(yùn)行過程中任何時(shí)刻系統(tǒng)各類無功電源所發(fā)無功功率總和必須等于全系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)損所需的無功功率；再是，全系統(tǒng)必須有一定的無功電源備用容量，以便應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化時(shí)維持正常電壓下的無功功率平衡。即：在進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，也要進(jìn)行無功功率平衡計(jì)算，以便確定無功電源補(bǔ)償容量和對(duì)這些容量進(jìn)行合理配置。規(guī)劃設(shè)計(jì)中，無功功率備用容量一般取最大無功功率負(fù)荷的7%~8%。2)系統(tǒng)中的無功功率電源①發(fā)電機(jī)。58發(fā)電機(jī)的可發(fā)無功功率，由類似圖4.5所示的發(fā)電機(jī)P—Q運(yùn)行圖或電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)中提供的發(fā)電機(jī)有功功率降低時(shí)允許最大無功功率變化曲線確定。②調(diào)相機(jī)。它的運(yùn)行方式為過激運(yùn)行和欠激運(yùn)行兩種，過激運(yùn)行時(shí)向系統(tǒng)提供無功功率；欠激運(yùn)行時(shí)從系統(tǒng)吸取感性無功功率。盡管調(diào)相機(jī)具有良好的調(diào)節(jié)特性，也較長期地在電力系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮了重大作用，但因其本身的一些缺點(diǎn)，特別是作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械以及輔助設(shè)施(如冷卻系統(tǒng))較復(fù)雜，使其運(yùn)行維護(hù)極為不便，隨先進(jìn)的FACTS裝置的出現(xiàn)，它已逐步趨于淘汰。③電容器。電容器只能向系統(tǒng)提供感性無功功率，所供無功功率(Mvar)與所在節(jié)點(diǎn)的電壓平方成正比，即：59所以，電容器作為無功補(bǔ)償電源在國內(nèi)外都得到廣泛采用。④靜止補(bǔ)償器和靜止調(diào)相器。靜止補(bǔ)償器和靜止調(diào)相器皆為并聯(lián)型FACTS裝置。靜止補(bǔ)償器(SVC)如圖6.6所示。正是為了克服這一缺陷，受調(diào)相機(jī)優(yōu)越調(diào)節(jié)特性的啟示，產(chǎn)生了第二代并聯(lián)型FACTS裝置——靜止調(diào)相器。靜止調(diào)相器(STATCOM)如圖6.10所示。它是以直流電容器為電壓源，借可關(guān)斷晶閘管GTO和二極管組成的換流器控制其交流側(cè)電壓U0，使其與系統(tǒng)電壓U同相位。輸電線路中電納的無功功率為容性，稱為線路的充電功率。其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于無功電源向系統(tǒng)提供感性無功功率，其值(MVar)可近似用下式計(jì)算60表6.1列出一些典型數(shù)值。6.3.2電壓管理和電壓調(diào)整原理實(shí)際上，只需選擇一些關(guān)鍵性的母線作為電壓的監(jiān)視點(diǎn)，控制這些母線的電壓偏移在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)中各母線電壓，從而所有負(fù)荷處的電壓就基本上滿足要求。這些電壓監(jiān)視點(diǎn)稱電壓中樞點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)電壓的監(jiān)視和調(diào)整即通過監(jiān)視和調(diào)整中樞點(diǎn)的電壓來實(shí)現(xiàn)。一般選擇可反映系統(tǒng)電壓水平的各類發(fā)電廠高壓母線、樞紐變電所低壓母線、有大量地方負(fù)荷的發(fā)電機(jī)母線等作為電壓中樞點(diǎn)。因?yàn)樵谶@些母線供電的范圍內(nèi)，基本上包括了系統(tǒng)中的所有負(fù)荷。61（1)中樞點(diǎn)的電壓偏移對(duì)中樞點(diǎn)電壓進(jìn)行監(jiān)控，必須首先確定中樞點(diǎn)電壓的允許變動(dòng)范圍。這就是電力系統(tǒng)運(yùn)行部門編制電壓曲線的工作。根據(jù)各時(shí)段電壓Ui允許的變動(dòng)范圍，表示在圖6.32(a)中的陰影部分即為中樞點(diǎn)電壓曲線。由中樞點(diǎn)的電壓曲線可見，要同時(shí)滿足由它供電的所有負(fù)荷的電壓要求，中樞點(diǎn)電壓允許變動(dòng)范圍大大縮小了。62

圖6.31簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行電壓

(a)簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò);(b)負(fù)荷j日負(fù)荷曲線;(c)負(fù)荷k日負(fù)荷曲線;

(d)ΔUij的變化;(e)ΔUij的變化;(f)負(fù)荷j，k允許的電壓偏移63圖6.32中樞點(diǎn)i電壓的允許變動(dòng)范圍(a)能同時(shí)滿足負(fù)荷j，k的要求；(b)不能同時(shí)滿足負(fù)荷j，k的要求64

在實(shí)際電力系統(tǒng)中，由于同一中樞點(diǎn)母線供電的負(fù)荷可