工學電力系統(tǒng)頻率控制

2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整15-1頻率調整必要性

5-2電力系統(tǒng)頻率特性

5-3電力系統(tǒng)頻率調整

第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調整2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整25-1頻率調整必要性A頻率對電力用戶的影響

(1)

電力系統(tǒng)頻率變化會引起異步電動機轉速變化,出現次品和廢品。（2）電力系統(tǒng)頻率波動會影響某些測量和控制用的電子設備的準確性和性能,頻率過低時有些設備甚至無法工作。（3）電力系統(tǒng)頻率降低將使電動機的轉速和輸出功率降低,導致其所帶動機械的轉速和出力降低,影響電力用戶設備的正常運行。1、電力系統(tǒng)頻率控制的必要性2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整3

B頻率對電力系統(tǒng)的影響頻率下降時,汽輪機葉片的振動會變大。頻率下降到47-48Hz時,火電廠由異步電動機驅動的輔機（如送風機）的出力隨之下降,從而使火電廠發(fā)電機發(fā)出的有功功率下降。不能及時制止,出現頻率雪崩會造成大面積停電,甚至使整個系統(tǒng)瓦解。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整4發(fā)電廠的廠用機械多使用異步電動機帶動的，系統(tǒng)頻率降低將使電動機功率降低，影響電廠正常運行。電力系統(tǒng)頻率下降時,異步電動機和變壓器的勵磁電流增加,使無功消耗增加,引起系統(tǒng)電壓下降。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整5A維持電力系統(tǒng)頻率在允許范圍之內

電力系統(tǒng)頻率是靠電力系統(tǒng)內并聯(lián)運行的所有發(fā)電機組發(fā)出的有功功率總和與系統(tǒng)內所有負荷消耗(包括網損)的有功功率總和之間的平衡來維持的。但是電力系統(tǒng)的負荷是時刻變化的,從而導致系統(tǒng)頻率變化。為了保證電力系統(tǒng)頻率在允許范圍之內，就是要及時調節(jié)系統(tǒng)內并聯(lián)運行機組有功功率。2、電力系統(tǒng)有功功率控制的必要性2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整6當系統(tǒng)頻率在額定值附近時，雖然頻率滿足要求，但沒有說明哪些機組參與并聯(lián)運行，并聯(lián)運行的機組各應該發(fā)多少有功功率。電力系統(tǒng)有功功率控制的任務之一就是要解決這個問題。這就是電力系統(tǒng)經濟調度問題。

B提高電力系統(tǒng)運行的經濟性2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整7電力系統(tǒng)的規(guī)模在不斷地擴大,已經出現了將幾個區(qū)域電力系統(tǒng)聯(lián)在一起組成的聯(lián)合電力系統(tǒng)，有的聯(lián)合電力系統(tǒng)實行分區(qū)域控制，要求不同區(qū)域系統(tǒng)間交換的電功率和電量按事先約定的協(xié)議進行。這時電力系統(tǒng)有功功率控制要對不同區(qū)域系統(tǒng)之間聯(lián)絡線上通過的功率和電量實行控制。

C保證聯(lián)合電力系統(tǒng)的協(xié)調運行2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整8

①為什么P和f聯(lián)系起來②有功功率平衡③調頻原理④調頻方法和措施3、本章的主要內容2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整9事故分析1972年7月20日，浙江電網因常湖線輸送功率過大，導致發(fā)熱弛度增大，而對低壓線放電，繼電保護動作跳閘造成系統(tǒng)穩(wěn)定破壞，頻率急劇下降，結果造成浙江電網全面瓦解，全省約71.5％的用戶停電1972年7月27日，湖北電網因繼電保護誤動作，武漢電網頻率急劇下降，迫使青山、黃石兩個電廠全停。瑞典南部系統(tǒng)，于1983年12月27日因斯德哥爾摩西北部的海爾邁變電所進行倒閘操作時設備損壞造成單相接地故障，使幾條線路切除造成電壓大幅度降低。后來甚至發(fā)展到南北電網解列，頻率和電壓急劇下降，南部電網完全崩潰而大面積停電，事故損失達5000萬美元2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整10

5-2電力系統(tǒng)頻率特性一、電力系統(tǒng)綜合負荷的靜態(tài)頻率特性二、發(fā)電機組和電力系統(tǒng)等效發(fā)電機組的

功率頻率靜態(tài)特性

三、電力系統(tǒng)的頻率特性

2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整11系統(tǒng)負荷組成圖13-1有功功率負荷的變化1－第一種負荷分量；2－第二種負荷分量3－第三種負荷分量4－實際的負荷變化曲線變化幅度很小，變化周期較短（一般為10s以內）的負荷分量；變化幅度較大，變化周期較長（一般為10s～3min）的負荷分量，屬于這類負荷的主要有電爐，延壓機械，電氣機車等；變化緩慢的持續(xù)變動負荷，引起負荷變化的原因主要是工廠的作息制度，人民的生活規(guī)律，氣象條件的變化等。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整12頻率的調整負荷的變化將引起頻率的相應變化。第一種變化負荷引起的頻率偏移將由發(fā)電機組的調速器進行調整。這種調整通常稱為頻率的一次調整。第二種變化負荷引起的頻率變動僅靠調速器的作用往往不能將頻率偏移限制在容許的范圍之內，這時必須有調頻器參與頻率調整，這種調整通常稱為頻率的二次調整。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整131、負荷分類（有功功率與頻率的關系）與頻率變化無關的負荷，如照明、電弧爐、電阻爐和整流負荷等。與頻率的一次方成正比的負荷，負荷的阻力矩等于常數的屬于此類，如球磨機、切削機床、往復式水泵、壓縮機和卷揚機等。與頻率的二次方成正比的負荷，如變壓器中的渦流損耗。與頻率的三次方成正比的負荷，如通風機、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵等。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。一、電力系統(tǒng)綜合負荷的靜態(tài)頻率特性2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整14負荷靜特性：一組描述負荷功率隨節(jié)點電壓和頻率變化的代數方程式。式中a、b、c分別描述了負荷中恒定阻抗、恒定電流和恒定功率等成分所占的百分比，d為負荷的頻率調節(jié)效應系數。各參數可以根據實驗得到的負荷靜態(tài)特性曲線獲得，也可由對各種典型負荷靜特性的綜合得到。2、系統(tǒng)的負荷功率與頻率的關系：2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整15電力系統(tǒng)負荷與頻率的關系：電力系統(tǒng)綜合負荷由各種各樣的負荷組成。這些負荷吸取的有功功率有的與頻率無關，有的與頻率的一次方成正比，有的與頻率的二次方成正比，有的與頻率的更高次方成正比。但有：2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整16用標么值表示為（PDN、fN）2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整173、負荷有功－頻率的靜態(tài)頻率特性在額定頻率附近，負荷的靜態(tài)頻率特性近似為直線負荷的靜態(tài)頻率特性曲線的斜率稱為負荷的頻率調節(jié)效應系數KD。PDOfPDNfNβ2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整18實際系統(tǒng)中KD*＝1～3頻率變化1％，負荷有功功率相應變化（1～3）％調度部門必須掌握的一個數據，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頻率的計算依據。低頻減載是電力系統(tǒng)抑制頻率下降、維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的有效方法，控制電力系統(tǒng)一般故障及大面積復雜故障重要而有效的手段。合理而快速地切除負荷或解列，可以使整個電網在最短的時間內恢復至穩(wěn)定運行狀態(tài)。

※不同電力系統(tǒng)或同一電力系統(tǒng)不同時刻的KD、KD*都可能不同，是不能控制的。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整19二、發(fā)電機組的功率－頻率靜態(tài)特性發(fā)電機的頻率是由原動機的調速系統(tǒng)來實現的。當系統(tǒng)有功功率平衡遭到破壞，引起頻率變化時，原動機的調速系統(tǒng)將自動改變原動機的進汽(水)量，相應增加或減少發(fā)電機的出力。當調速器的調節(jié)過程結束，建立新的穩(wěn)態(tài)時，發(fā)電機的有功功率與頻率之間的關系，稱為發(fā)電機組的有功功率頻率靜態(tài)特性。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整20測轉速元件離心飛擺及其附件；放大元件一錯油門；執(zhí)行機構一油動機；轉速控制機構或稱同步器圖原動機調速系統(tǒng)示意圖1.自動調速系統(tǒng)原理簡介2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整211.自動調速系統(tǒng)原理簡介2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整22頻率一次調整：變化幅度很小，變化周期比較短的負荷分量，它所引起的頻率偏移可以由發(fā)電機組調速器調整。當頻率一次調整結束后，所得發(fā)電機的輸出功率與頻率關系——機組有功功率與頻率靜特性。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整23圖發(fā)電機組的功率-頻率靜態(tài)特性oPGPGNff0fN122.發(fā)電機組靜態(tài)調差系數

2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整24由此可見，發(fā)電機組和等效發(fā)電機組的功率頻率靜態(tài)特性都是向下傾斜的，其程度用調差系數表示：δ*——表征機組負荷變化后相應轉速（f）偏移的程度。調差系數也叫調差率。δ*＝0.05，如負荷改變1％，頻率將偏移0.05％；如負荷改變20％，則頻率偏移1％。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整25調差系數的倒數就是機組的單位調節(jié)功率KG*機組單位調節(jié)功率——表征頻率發(fā)生單位變化后，機組輸出功率的變化量。δ*、KG*——可控的（可整定的）負號表示頻率下降時，發(fā)電機組的有功出力增加。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整26電力系統(tǒng)主要由發(fā)電機、輸電網絡和負荷組成。把輸電網絡的損耗看成負荷的一部分，則電力系統(tǒng)是由兩個環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。發(fā)電機組的功率頻率特性和負荷的功率頻率特性的交點就是電力系統(tǒng)的頻率的穩(wěn)定運行點。三、電力系統(tǒng)的頻率特性

2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整27OPPG(f)P1ff2f1abP2P'D(f)PD(f)cΔPD0ΔPGΔPD原始運行狀態(tài)PD(f)，和發(fā)電機組靜特性交點a。負荷增加ΔPD0，特性曲線變?yōu)镻′D(f)，新的運行點b。發(fā)電機組的功率輸出的增量：負荷的頻率調節(jié)效應產生的負荷功率變化：頻率變化：2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整28OPPG(f)P1ff2f1abP2P'D(f)PD(f)cΔPD0ΔPGΔPD頻率下降時負荷功率的實際增量：<0以上同發(fā)電機組的功率增量相平衡：2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整29系統(tǒng)負荷增加時，在發(fā)電機組功頻特性和負荷本身的調節(jié)效應共同作用下又達到了新的功率平衡。負荷↑，頻率↓，發(fā)電機按有差調節(jié)特性增加輸出；負荷實際取用的功率也因頻率的下降而有所減小。這種由發(fā)電機特性和負荷調節(jié)效應共同承擔系統(tǒng)負荷變化使系統(tǒng)運行在另一頻率的頻率調整稱為頻率的一次調整。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整30K——系統(tǒng)的功率－頻率靜特性系數，或系統(tǒng)的單位調節(jié)功率。表示在計及發(fā)電機組和負荷的調節(jié)效應時，引起頻率單位變化的負荷變化量。根據K值的大小，可以確定在允許的頻率偏移范圍內，系統(tǒng)所能承受的負荷變化量。K的數值越大，負荷增減引起的頻率變化就越小，頻率也就越穩(wěn)定。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整31采用標幺制備用系數PD表示發(fā)電機組額定容量與系統(tǒng)額定頻率時的總有功負荷之比。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整32f2AOPPGNfP'D(f)PD(f)f1系統(tǒng)中有功功率電源的出力不僅應該滿足在額定頻率下系統(tǒng)對有功功率的需求，并且為了適應負荷增長，還應該有一定的備用容量。初始狀態(tài)，運行在A點（滿載運行）。A點以后，發(fā)電機組的靜態(tài)特性是一條與橫軸平行的直線，KG＝0。系統(tǒng)的負荷再增加，發(fā)電機不能再增加輸出了，發(fā)電機組滿載時只有靠頻率下降后負荷本身的調節(jié)效應的作用來取得新的平衡。K*=KD*KD*很小→負荷增加所引起的頻率下降相當嚴重。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整335－4電力系統(tǒng)頻率調整一、電力系統(tǒng)頻率的一次調整（n臺）

n臺機組輸出功率總增量為n臺機組的等值單位調節(jié)功率為n臺機組的等值單位調節(jié)功率>>一臺機組的單位調節(jié)功率。在輸出功率變動值ΔPG相同的條件下，多臺機組并列運行時的頻率變化比一臺機組運行時的要小得多。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整34求出了n臺機組的等值調差系數和等值單位調節(jié)功率后，就可像一臺機和等值單位調節(jié)功率組時一樣來分析頻率的一次調整。算出負荷功率初始變化量ΔPD0引起的頻率偏差。而各臺機組所承擔的功率增量則為或由上式可見，調差系數越小的機組增加的有功出力（相對于本身的額定值）就越多。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整352024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整362024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整372024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整38※頻率一次調整小節(jié)δ整定過小，KG*整定過大，設δ→0，KG*→∞：負荷的變動不會引起頻率的變動，從而保證頻率恒定。但負荷變化量在各發(fā)電機組的分配無法固定，使得各機組的調速系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作。因此，為了調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不能采用過小的調差系數δ或者過大的單位調節(jié)功率KG*。δ整定過大，KG*整定過小，設δ→∞，KG*→0：無法保證頻率質量。K*=KD*。KD*很小，發(fā)電機又不可能增加輸出，所以當負荷增加，頻率下降很嚴重。增加備用容量，可增加kr，kr=PGN/PDN,kr∝k*,從而提高系統(tǒng)的單位調節(jié)容量。備用容量是有限的，備用容量過大時發(fā)電機設備得不到充分利用。變化幅度較大、變化周期長的負荷，僅靠調速器的作用，往往不能降頻率限制到容許的范圍內，必須有調頻器（同步器）參與調頻——電力系統(tǒng)頻率的二次調整。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整39二、電力系統(tǒng)頻率二次調整為什么要進行頻率的二次調整？所以系統(tǒng)的功頻特性為基礎的頻率一次調整的作用是有限的，只適用于負荷變化幅度很小、變換周期較短的變化負荷。因此，必須進行頻率的二次調整，以實現頻率的無差調節(jié)。

無差調節(jié)：負荷變動時，原動機轉速或者頻率保持不變。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整40同步器二次調頻測轉速元件離心飛擺及其附件；放大元件一錯油門；執(zhí)行機構一油動機；轉速控制機構或稱同步器2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整41頻率的“二次調整”，也就是通常所說的“頻率調整”。手動控制同步器的稱為“人工”調頻自動調頻裝置控制的稱為自動調頻。

調整的結果：功頻靜特性平行右移→1。負荷降低：功頻靜特性平行左移→32024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整42圖13-8頻率的二次調整2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整43當系統(tǒng)負荷變化較大，通過改變發(fā)電機調速系統(tǒng)的設定值使系統(tǒng)頻率恢復到規(guī)定范圍內的頻率調整稱為頻率的二次調整。電力系統(tǒng)頻率的二次調整任務是由調頻發(fā)電廠中的發(fā)電機組承擔的。2024/11/6第十三章電力系統(tǒng)的有功功率