第05章 電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整

第五章

電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整1第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整電力系統(tǒng)的調(diào)頻問題實(shí)質(zhì)上是正常運(yùn)行時(shí)有功功率的平衡問題。

發(fā)電機(jī)的輸入功率、輸出功率和系統(tǒng)的總負(fù)荷相等，發(fā)電機(jī)勻速運(yùn)

轉(zhuǎn)。

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)出的有功功率與負(fù)荷消耗的有功功率不平衡時(shí)，就會(huì)反映

為頻率的變化。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生某種擾動(dòng)（負(fù)荷減?。?，發(fā)電機(jī)輸出的功率瞬間

減小。但發(fā)電機(jī)的輸入功率是機(jī)械功率，不能瞬間變化。擾動(dòng)后瞬間

發(fā)電機(jī)的輸入功率大于輸出功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將加速，電力系統(tǒng)的頻率上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸入功率小于負(fù)荷需求的輸出功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子減速，

頻率下降。即電力系統(tǒng)有功不足時(shí)，頻率將下降。

由于電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率分量是經(jīng)常變化的，要保持系統(tǒng)的頻率

為額定值，就必須使發(fā)送的功率不斷地追蹤著負(fù)荷的變動(dòng)，時(shí)刻保持

著整個(gè)系統(tǒng)有功功率的平衡。

這一章講電力系統(tǒng)有功功率平衡，有功功率的最優(yōu)分配以及有功功率

的調(diào)整問題。

2一、有功功率負(fù)荷有功功率負(fù)荷的變動(dòng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化有3類（1）負(fù)荷變動(dòng)幅度小周期短，這種負(fù)

荷有很大的偶然性（2）負(fù)荷變動(dòng)幅度較大，周期也較

長(zhǎng)，如大電機(jī)、電爐、延壓機(jī)械、電

氣機(jī)車等用戶的開停，它們具有一定

的沖擊性（3）負(fù)荷變動(dòng)幅值最大，周期也最長(zhǎng)

且變化比較緩慢，主要是人們生產(chǎn)，生活以及氣象條件變化引起的，這種

負(fù)荷變化可以預(yù)測(cè)5-1

電力系統(tǒng)中有功功率的平衡3電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分為：1.一次調(diào)頻：針對(duì)第一種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率變化進(jìn)

行調(diào)整，由發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行；2.二次調(diào)頻：針對(duì)第二種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移進(jìn)

行調(diào)整，由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器進(jìn)行；3.三次調(diào)頻：針對(duì)第三種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移進(jìn)

行調(diào)整，即由調(diào)度部門根據(jù)負(fù)荷曲線進(jìn)行最優(yōu)分配，通常是通過負(fù)荷預(yù)報(bào)得到負(fù)荷曲線，按最優(yōu)化準(zhǔn)則分配負(fù)荷，在各發(fā)電廠或發(fā)電機(jī)組間實(shí)現(xiàn)有功

負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配。4二、有功功率電源和備用容量電力系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，有功功率的平衡是指電

源發(fā)出的有功功率應(yīng)滿足負(fù)荷消耗的有功功率和傳輸電功率時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中的損耗的有功功率之和，n節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中有功

功率平衡可用下式表示：電力系統(tǒng)的電源所發(fā)出的有功功率，應(yīng)能隨負(fù)荷的增

減、網(wǎng)絡(luò)損耗的增減而相應(yīng)調(diào)節(jié)變化，才可保證整個(gè)系統(tǒng)

有功功率的平衡。系統(tǒng)中可投入發(fā)電設(shè)備的總?cè)萘糠Q為系統(tǒng)的有供電源

能量，它小于系統(tǒng)裝機(jī)容量（所有發(fā)電機(jī)的額定容量之

和）

全網(wǎng)絡(luò)中有

功損耗之和負(fù)荷消耗的

有功之和電源發(fā)出的

有功之和5熱備用冷備用系統(tǒng)的電源容量應(yīng)不小于系統(tǒng)總的用電負(fù)荷。為保證

供電可靠性和電能質(zhì)量、以及有功功率的經(jīng)濟(jì)分配，發(fā)電

廠必須有足夠的備用容量（1）熱備用，指運(yùn)行中發(fā)電設(shè)備可能發(fā)出的

最大功率

與系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷的差，又稱其為旋轉(zhuǎn)備用或運(yùn)轉(zhuǎn)備用（2）冷備用，指未運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電設(shè)備可能發(fā)出的最大功率，檢修中發(fā)電設(shè)備不屬于冷備用，因它不能隨時(shí)聽命于調(diào)度動(dòng)用。冷備用可作為檢修備用、國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用以及部

分事故備用負(fù)荷備用2~5%事故備用3~5%檢修備用4~5%國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用

3~5%熱備用冷備用6備用容量的用途可分為

負(fù)荷備用：滿足負(fù)荷波動(dòng)、計(jì)劃外的負(fù)荷增量，一般

為最大負(fù)荷的2%~5%

事故備用：發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時(shí)不影響用戶供電所需要的備用，不小于系統(tǒng)中最大機(jī)組的單機(jī)容量5%~10%

檢修備用：發(fā)電機(jī)計(jì)劃

檢修，4%~5%

國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用：滿足工

農(nóng)業(yè)超計(jì)劃增長(zhǎng)3%~5%一般總備用為最大負(fù)荷的15%~20%備用容量發(fā)電負(fù)荷

新增容量

安排檢修78760

t(h)P(MW)5-2

電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配有功功率的最優(yōu)分配，包括有功功率電源的

最優(yōu)組合和有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配。它要求在

保證系統(tǒng)安全的條件下，在所研究的周期內(nèi)，以

小時(shí)為單位合理選擇電力系統(tǒng)中哪些機(jī)組應(yīng)該運(yùn)

行及運(yùn)行時(shí)各機(jī)組的發(fā)電功率，其目標(biāo)是在滿足

系統(tǒng)負(fù)載及其它物理和運(yùn)行約束的前提下使周期

內(nèi)系統(tǒng)消耗的燃料總量或總費(fèi)用值為最少。8一、各類發(fā)電廠的特點(diǎn)和合理組合（一）各類發(fā)電廠的特點(diǎn)

火電廠

火電廠在運(yùn)行中需要支付燃料費(fèi)用，但它的運(yùn)行不受自然條件的影響

火力發(fā)電設(shè)備的效率同蒸汽參數(shù)有關(guān)，高溫高壓設(shè)備的效率也高，中

溫中壓設(shè)備效率較低，低溫低壓設(shè)備的效率更低。

受鍋爐和汽輪機(jī)的最小技術(shù)負(fù)荷的限制?；痣姀S有功出力的調(diào)整范圍

比較小，其中高溫高壓設(shè)備可以靈活調(diào)節(jié)的范圍最窄，中溫中壓設(shè)備

的略寬。鍋爐的技術(shù)最小負(fù)荷為額定負(fù)荷的25%（中溫中壓）

~70%（高溫高壓）,取決于鍋爐燃燒的穩(wěn)定性，汽輪機(jī)的最小技術(shù)負(fù)荷為為

10~15%.負(fù)荷的增減速度也慢。機(jī)組的投入和退出運(yùn)行費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，消耗能量多，且易損壞設(shè)備。

帶有熱負(fù)荷的火電廠稱為熱電廠，

它采用抽汽供熱，其總效率要高于

一般的火電廠。但是與熱負(fù)荷相適

應(yīng)的那部分發(fā)電功率是不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫功率。鍋爐汽輪機(jī)熱力網(wǎng)發(fā)電機(jī)9水電廠和核電廠的特點(diǎn)水電廠

不需要支付燃料費(fèi)用，而且水能是可以再生的資源。但水電廠的運(yùn)行

因水庫調(diào)節(jié)性能的不同在不同程度上受自然條件（水文條件)

的影響.

有調(diào)節(jié)水庫水電廠主要是按調(diào)度部門給定的耗水量安排出力。為保證

河流下游的灌溉，通航，釋放一定的水量，發(fā)出一部分強(qiáng)迫功率。無

調(diào)節(jié)水庫的徑流式水電廠只能按實(shí)際來水流量發(fā)電

水輪發(fā)電機(jī)的出力調(diào)整范圍較寬，水電廠啟停花費(fèi)時(shí)間短，帶負(fù)荷增

長(zhǎng)速度相當(dāng)快，幾分鐘內(nèi)可以從空載過渡到滿載狀態(tài)，機(jī)組的投入和

退出運(yùn)行費(fèi)時(shí)都很少，操作簡(jiǎn)便安全，無需額外的耗費(fèi)。適合于承擔(dān)

調(diào)節(jié)任務(wù)和承擔(dān)急劇變化的負(fù)荷

抽水蓄能發(fā)電廠有上下兩級(jí)水庫，在日負(fù)荷曲線的低谷期間，它作為

負(fù)荷向系統(tǒng)吸取有功功率，將下級(jí)水庫的水抽到上級(jí)水庫；在高峰負(fù)

荷期間，放水發(fā)電。抽水蓄能發(fā)電廠的主要作用是調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)有功

負(fù)荷的峰谷差核能發(fā)電廠

一次性投資大,運(yùn)行費(fèi)用小，在運(yùn)行中也不宜帶急劇變動(dòng)的負(fù)荷。退出運(yùn)行和再度投入都很費(fèi)時(shí)，且要增加能量消耗10水電廠：(1)無需支付燃料費(fèi)用(2)受水庫容量限制(3)可調(diào)范圍大。機(jī)組

投切增減負(fù)荷不增

加能耗，時(shí)間短(4)有強(qiáng)迫功率，視不

同水電廠而定調(diào)峰機(jī)組火電廠：(1)需支付燃料費(fèi)用(2)最小技術(shù)出力(3)可調(diào)范圍小(4)熱電廠中，熱負(fù)

荷輸出功率是強(qiáng)

迫功率(5)運(yùn)行效率與蒸汽

參數(shù)有關(guān)：高溫

高壓>

中溫中壓核電站：(1)一次投資大(2)運(yùn)行費(fèi)用小(3)承擔(dān)急劇負(fù)荷變

動(dòng)、投切時(shí)，需

增加能耗，時(shí)間

長(zhǎng)承擔(dān)基荷各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)11（二）各類發(fā)電廠的合理組合

原則（1）充分利用水源，避免棄水。（2）降低火電機(jī)組煤耗，發(fā)揮高效機(jī)組的作用。（3）盡量降低火力發(fā)電成本，執(zhí)行國(guó)家的燃料政

策，增加燃用劣質(zhì)煤，當(dāng)?shù)孛骸?213枯水期豐水期發(fā)電抽水二、有功功率負(fù)荷在發(fā)電機(jī)組或發(fā)電廠間的最優(yōu)分配（一）發(fā)電機(jī)組的耗量特性： 耗量特性：反映發(fā)電機(jī)組單位時(shí)間內(nèi)能量輸入和輸出關(guān)系的曲線

比耗量

μ：耗量特性曲線上某點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)之比，輸入和輸出之比

（其倒數(shù)是效率

η)

μ

=F

/

P(t/MW)

耗量微增率：耗量特性曲線上某點(diǎn)切線的斜率，表示在該點(diǎn)的輸入增量與ηλ

μmF

,

WoΔFΔPm

Fλ=

dF

/

dPoGP

14輸出增量之比。η,

μ,

λPGP（二）最優(yōu)分配負(fù)荷時(shí)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件有功負(fù)荷最優(yōu)分配的目的：在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行和電能質(zhì)量合格的

前提下，使發(fā)電設(shè)備在生產(chǎn)電能的過程中單位時(shí)間內(nèi)所消耗的能源最少。目標(biāo)函數(shù)：系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃料（火電機(jī)組）

該目標(biāo)函數(shù)是各發(fā)電設(shè)備發(fā)出有功功率的函數(shù)，描述的是

單位時(shí)間內(nèi)能源的消耗量。約束條件

Dj

+

Δ不等式約束

≤≤

axiQGi

mPGi

maxQGPGiinnQGPGi15（三）等耗量微增率準(zhǔn)則1.準(zhǔn)則的推導(dǎo)

以兩臺(tái)火電機(jī)組為例，忽略有功網(wǎng)損；假定各臺(tái)機(jī)組的燃料

消耗量和輸出功率不受限制，要求：確定負(fù)荷功率在兩臺(tái)機(jī)

組間的分配，使總的燃料消耗量最小。目標(biāo)函數(shù)min

等式約束PG1

+

PG

2

=

PLD構(gòu)造拉格朗日函數(shù)

對(duì)L求偏導(dǎo)等于016

即為兩臺(tái)機(jī)組有功功率最優(yōu)分配的條件，稱其為等耗量微增率準(zhǔn)則。按耗量微增率相等的原則在各機(jī)組間分配負(fù)荷，可使能源消耗最小對(duì)L求偏導(dǎo)等于0

合并前兩式L

=

F1

(

增)?

G

?

PLD

)PG負(fù)λ率PG

2微172.等微增率準(zhǔn)則的推廣上述分析過程可推廣到n臺(tái)機(jī)組或n個(gè)發(fā)電廠之間的

最優(yōu)負(fù)荷分配

目標(biāo)函數(shù)

Σ

PGi

?

ΣPLi

=

0

等微增率準(zhǔn)則的表達(dá)式

約束條件：18對(duì)于機(jī)組較少的情況，可以用解方程組的方法求解，機(jī)組較多，可以迭代求解1)設(shè)耗量微增率的初值

λ(0)

；2)求與λ(0)

對(duì)應(yīng)的各發(fā)電設(shè)備應(yīng)發(fā)功率PG(

)

；η,

μ,

λ3)校驗(yàn)求得的

PG(

)是否滿足等式約束條件：Σ

PG(

)

?

ΣPLi

=

0

μi0i0i0o4)

如不能滿足，則如ΣPGi

>

ΣPLi

，取λ(1)

<

λ(0)

；如

ΣPGi

<

Σ

PLi

，取

λ(1)

>

λ(0)

，

自2）開始重新計(jì)算。5)

直到滿足條件。3.最優(yōu)分配方案的求解步驟PG19η例5-1同一發(fā)電廠內(nèi)兩套發(fā)電設(shè)備共同供電，耗量特性分別為

它們可發(fā)有功功率上下限分別為PG1max

=100MW,PG1min

=20MW,PG2max

=100MW,

PG2min

=20MW,求承擔(dān)150MW負(fù)荷時(shí)的分配方案解：兩臺(tái)發(fā)電設(shè)備的耗量微增率分別為

16PG

1

=1350PG1

=84.375(MW),PG

2

=65.625(MW)

此方案滿足不等式條件20<84.375<100,20<65.625<100

,未超限，可作

為最優(yōu)方案

200.25

+0.0028PG

1

=0.25

+0.0036PG

2

PG

1

+

PG

2

=150(MW)7PG1

=9(150

?

PG1)

按等耗量徽增率準(zhǔn)則分配負(fù)荷

等式約束條件（三）水、火電廠的功率最優(yōu)分配假設(shè)有一個(gè)火電廠和一個(gè)水電廠水電廠運(yùn)行的主要特點(diǎn)是，在指定的較短運(yùn)行周期內(nèi)總發(fā)

電用水量W

Σ

為給定值。如何分配水、火電廠的負(fù)荷，使總?cè)?/p>

料耗量為最?。恳阎?，約束條件1：

PH

(t

)

+

PT

(t

)

?

PLD

(t

)

=

0約束條件2：

dt

?W求解目標(biāo)函數(shù)：min

∫

F

[PT

(t)]dt0τ表示火電廠的功率表示火電廠的損耗特性

表示水電廠的功率表示水電廠的損耗特性PT

:F

(PT

)

:PH

:

W

(PH

)

:其中：21把指定的運(yùn)行周期τ

,劃分為s個(gè)更短的時(shí)段：在任一時(shí)段Δtk

內(nèi)，假定負(fù)荷功率、水電廠

和火電廠的功率不變，并分別記為PLDk

,

PHk

,PTk。約束條件

PHk

+

PTk

?

PLDk

=

0，（k

=

1,…

,

s）

PH

(t

)

+

PT

(t

)

?

PLD

(t

)

=0目標(biāo)函數(shù)為：

應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法，為約束條件設(shè)置拉格

朗日乘子

λk

和

γ

總共有s＋1個(gè)等式約束條件?！?/p>

W

PH

(t

)

dt

?WΣ

=

00τ22建立拉格朗日函數(shù)推導(dǎo)等微增率

=

1

,

…

,

s

)上式表明，在水、火電廠間負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配也符合等微增率準(zhǔn)則

23并令別對(duì)共有量個(gè)

由前兩式可得

如

任何瞬間都滿足間段取得足夠短為時(shí)認(rèn)果

Δ

tk

?

λk

Δ

tk

=

0

(

k

=

1

,

…

,

s

)(k

=

1,

…,

s)γ的含義：當(dāng)火電廠增加功率ΔP

時(shí)，煤耗增量為:

當(dāng)水電廠增加功率ΔP

時(shí)，耗水增量為:

兩式相除并計(jì)及

ΔF的單位是t/h,

ΔW的單位是m3/h,

γ

的單位是t/m3,上式表明，按發(fā)出相同數(shù)量的電功率進(jìn)行比較，1立方

米的水相當(dāng)于γ

噸煤。γ不是常量，隨用水量的多少而

變化，豐水期較小，枯水期較大ΔF

=

γΔW水煤換

算系數(shù)245-3

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一.頻率調(diào)整的必要性電氣傳動(dòng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備最高效率是在額定額率情況下，任何頻率偏移，都會(huì)造成效率的降低，頻率的過高或過低還會(huì)給電氣設(shè)備帶來各種不同的危害（一）頻率變化對(duì)用戶的影響（1）異步電機(jī)轉(zhuǎn)速：紡織工業(yè)、造紙工業(yè)出殘次品（2）異步電機(jī)功率下降（3）電子設(shè)備的準(zhǔn)確度25（二）頻率變化對(duì)發(fā)電廠和電力系統(tǒng)的影響

對(duì)廠用機(jī)械設(shè)備的影響：給水泵、循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)等出力

下降，影響電廠正常運(yùn)行

對(duì)汽輪機(jī)葉片的影響：頻率降低，葉片諧振，會(huì)導(dǎo)致葉片

出現(xiàn)裂紋甚至損壞，釀成事故停機(jī)的嚴(yán)重后果

對(duì)異步電機(jī)及變壓器勵(lì)磁的影響，增加無功消耗

互聯(lián)電力系統(tǒng)解列：

頻率下降時(shí)，為了保證正常運(yùn)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

發(fā)電機(jī)解列：

頻率下降到一定程度時(shí)，為保讓發(fā)電廠設(shè)備

的

安全，發(fā)電廠有可能與系統(tǒng)解列26調(diào)速器的工作原理P

?

→

ω、f

→

B點(diǎn)↓（B′）?

→

O↓（O′）?

E↓（E′）?

→

F↓

?

2活塞↓

?

油?→

3活塞↑?

閥門

A

↑（A′

）

O

′↑（O）?

→

E

′↑（E）→

F′↑（F）穩(wěn)定后回到O

、E

、F點(diǎn)（B

′′

、A

′

）

錯(cuò)油門重新堵住油孔a,bA點(diǎn)升高為A′→

功率增加

B點(diǎn)降低為B″

→轉(zhuǎn)速下降二.電力系統(tǒng)的頻率特性b

2放大部件(錯(cuò)

油門)：1檢測(cè)部件(離心飛擺)：

轉(zhuǎn)速→B點(diǎn)位移4為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)或稱同步器(調(diào)頻器)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油動(dòng)機(jī)）：油壓↓啟閉閥門位移→油壓273a有功限值Pmω,

fω,

f（2）配置自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)后的靜

態(tài)頻率特性。當(dāng)發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)后，為

滿足負(fù)荷變動(dòng)的需要，將調(diào)整進(jìn)氣

量或進(jìn)水量的大小，使運(yùn)行點(diǎn)從一

條頻率靜態(tài)特性曲線向另一條曲線

過渡，反映調(diào)整結(jié)束后發(fā)電機(jī)輸出

功率與頻率關(guān)系的曲線稱為發(fā)電機(jī)

組的功率頻率靜態(tài)特性，近似地用

直線表示，線段23表明發(fā)電機(jī)出力

已達(dá)最大值，調(diào)速器不再起作用電源有功功率靜態(tài)頻率特性電源有功功率靜態(tài)頻率特性可理解為發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率

或頻率的關(guān)系（1）未配置自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)

機(jī)械功率的靜態(tài)頻率特性可由下式表示：發(fā)電機(jī)組的功率頻率靜態(tài)特性28=C1ω

?C2ω2

=C1f

?

C2f20

1.0

ω,

fPmMmPmMmPmPm

單位調(diào)節(jié)功率表示頻率變化時(shí)發(fā)電機(jī)輸出

功率的變化量。它是機(jī)組的調(diào)差系數(shù)的倒數(shù)

（3）發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率和靜態(tài)調(diào)差系數(shù)

發(fā)電機(jī)組有功頻率特性曲線的斜率的負(fù)值稱為發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功

率。調(diào)差系數(shù)表明某臺(tái)機(jī)組負(fù)荷改變時(shí)相應(yīng)的頻率偏移，調(diào)差系數(shù)越

小，單位調(diào)節(jié)功率越大，頻率偏移越小。但是因受機(jī)組調(diào)速機(jī)構(gòu)的限

制，調(diào)差系數(shù)的調(diào)整范圍是有限的。通常取

δ%=3~5，KG*

=33.3

~20δ%=2~4，KG*

=50~253′

2汽輪發(fā)電機(jī)組：水輪發(fā)電機(jī)組：PG1.

01

.

0

f291（二）電力系統(tǒng)負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性負(fù)荷與頻率的關(guān)系可用多項(xiàng)式表示

a0

+

a1

+

a2

+

a3

+

…

=1以fN

和PLN

為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值表達(dá)式

PL

*

=

a0

+

a1f*

+

a2f*2

+

a3f*3

+

…當(dāng)頻率偏離額定值不大時(shí)，負(fù)荷有功-

頻率靜態(tài)特性用一條近似直線來表示，其斜

率為負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率表示負(fù)荷隨頻率的變化程度，負(fù)荷的有功功率將

隨頻率的增加而增加。

PLNPLNf

N

f30三、電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整（一）頻率的一次調(diào)整（有差調(diào)節(jié)）1、負(fù)荷突然增加ΔPL0時(shí)的調(diào)整結(jié)果假設(shè)有一臺(tái)發(fā)電和一個(gè)綜合負(fù)荷,負(fù)荷突然增加

ΔPL0

，其特性曲線上

移，發(fā)電機(jī)來不及調(diào)整出力，系統(tǒng)功率失去平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)

頻率下降。轉(zhuǎn)速下降使得調(diào)速器動(dòng)作，調(diào)整出力，運(yùn)行點(diǎn)沿發(fā)電機(jī)功率-

頻率特性曲線上移。負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用是隨頻率的下降而減少功率，二者共同調(diào)節(jié)，在特性曲線交點(diǎn)O'處達(dá)到新的平衡頻率變化

Δf

=

f1

?

f0

<

0負(fù)荷減小的功率

ΔPL

=KL

Δf

發(fā)電機(jī)增發(fā)的功率

ΔPG

=

?KG

Δf負(fù)荷的實(shí)際增量與發(fā)電機(jī)的增量相平衡

ΔPL0

+ΔPL

=

ΔPG

PL′

(f

)

1

L

0

PL

(ff

1f

0

ω,

f31G

ΔPP1P0O

′)2、系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率定義KS=KG+KL

一為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率

是參加一次調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率與負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率之和若n臺(tái)裝有調(diào)速器的機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)頻率變化Δf

KGi

+

KD

率值功等節(jié)的調(diào)組位機(jī)單n臺(tái)n臺(tái)機(jī)的輸出功率總量系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率為n臺(tái)機(jī)組的等值單位調(diào)節(jié)功率遠(yuǎn)大于一臺(tái)機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率。ΔPGi

=?KGiΔf(i=1,2,…,n)時(shí)，第i臺(tái)機(jī)組的輸出功率為32每臺(tái)機(jī)組的功率增量

調(diào)差系數(shù)越小的機(jī)組增加的有功輸出相對(duì)越多。對(duì)于變化幅度較

大，變化周期較長(zhǎng)的變化負(fù)荷，

一次調(diào)整不一定能保證頻率偏移在允

許范圍內(nèi)。在這種情況下，需要由發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻系統(tǒng)進(jìn)行二次調(diào)頻

求出頻率偏差

頻率的一次調(diào)整的計(jì)算過程33系統(tǒng)總負(fù)荷為3000MVA，負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)為KD*=1.05,原來運(yùn)行時(shí)f=50hz。現(xiàn)負(fù)荷突然增加300MVA，計(jì)算（1）設(shè)所有機(jī)組均具有調(diào)節(jié)能

力，求頻率偏差和各類發(fā)電機(jī)承擔(dān)的功率增量；（2)如僅水輪機(jī)具有調(diào)節(jié)

能力，頻率偏差是多少？電和調(diào)差系數(shù)為

水輪機(jī)組

100MW5臺(tái)σ(%)=2.575MW

6臺(tái)σ(%)=3

汽輪機(jī)組

200MW5臺(tái)σ(%)=4100MW6臺(tái)σ(%)=3.550MW21臺(tái)σ(%)=4

75MW

汽輪機(jī)

200MW100MW50MW例5-2某電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)總?cè)萘?600MVA，各類發(fā)電機(jī)的容量34例5-2

負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)有名值為

KD=

KD*=

1.5

×

（1）所有機(jī)組都具有調(diào)節(jié)能力時(shí)系統(tǒng)的總調(diào)節(jié)能力為KS

=Σ

KGi

+KD

=80

×

5

+

50

×

6

+100

×

5

+

57.1429

×

6

+

25

×

21+

90=2157.8574(MW/Hz)頻率偏差為

=

?0.139027各類發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的增量為ΔPG

=?KG

Δf

=?

80

×

(?0.1390)=11.1221(MW)ΔPG

=?KG

Δf

=?50

×

(?0.1390)=6.9513(MW)ΔPG

=?KG

Δf

=?

100

×

(?0.1390)=13.9027(MW)ΔPG

=?KG

Δf

=?57.1429

×

(?0.1390)=7.9444(MW)ΔPG

=?KG

Δf

=?25

×

(?0.1390)=3.4757(MW)

水輪機(jī)100MW

σ(%)=2.5

75MW

σ(%)=3

汽輪機(jī)

200MW

σ(%)=4

100MW

σ(%)=3.5

50MW

σ(%)=4所有機(jī)組的總功率增量負(fù)Σ荷Δ

i于=

.身122的1

6調(diào).95節(jié)13

6應(yīng)+13.9027

×

5

+

7.9444

×

6

+

3.4757

×

5

+

21

=

287.4873(MW)ΔPD

=KD

Δf

=90

×

(?0.1390)=?

12.5124(MW)35（2）僅有水輪機(jī)具有調(diào)節(jié)能力時(shí)，系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率為

從而產(chǎn)生的頻率偏差為

由于汽輪機(jī)滿載，致使系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率下

降，頻率偏差增大，如規(guī)定的頻率偏差允許值為

±0.2Hz,則已超出標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采用二次調(diào)頻，減小偏差。36S1.二次調(diào)整的作用頻率的二次調(diào)整通過調(diào)頻器完成手動(dòng)或自動(dòng)地操作調(diào)頻器D↑

?

→

F↓→

2活塞↓

?

油?→

3活塞↑→

閥門↑

?

ω.f↑

→

B′′↑A

′↑

O↑錯(cuò)油門重新堵住油孔a,b適當(dāng)控制D點(diǎn)的移動(dòng)，可使轉(zhuǎn)速恢復(fù)，達(dá)到新的平衡調(diào)整的結(jié)果使1檢測(cè)部件(離心飛擺)：轉(zhuǎn)速→B點(diǎn)位移ab2放大部件(錯(cuò)

油門)：位移→油壓同步器(調(diào)頻器)從而改變發(fā)電機(jī)的有功出力，使負(fù)荷變化引起的頻率偏移在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)

37(二)頻率的二次調(diào)整特性曲線平行上移為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油動(dòng)機(jī)）：4為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)或稱油壓↓啟閉閥門32.無差調(diào)節(jié)和有差調(diào)節(jié) 無差調(diào)節(jié)是指負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，經(jīng)過自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)整

作用，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或頻率能恢復(fù)為初值的調(diào)節(jié)。 有差調(diào)節(jié)是指負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，經(jīng)過自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的作

用，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或頻率不能恢復(fù)初值的調(diào)節(jié)。CΔPTΔfΙPT無差調(diào)節(jié)oPTo有差調(diào)節(jié)f0

fΔPT

b′′f0

fC38b′I3.二次調(diào)頻的過程系統(tǒng)的原始運(yùn)行點(diǎn)為A點(diǎn)，頻率為f0

，負(fù)荷增大△PL0

，在一次調(diào)頻

的作用下，運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了B點(diǎn)，系統(tǒng)頻率為f1一次調(diào)頻后頻率偏差△f

'超出了允許

P

(f)L′范圍，進(jìn)行二次調(diào)整，增加發(fā)電機(jī)出力，使發(fā)電機(jī)的功-頻靜態(tài)特性曲線平移

到P'G

(f)

，工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了B'點(diǎn)，頻率

為f2

，這樣頻率偏差減小ΔPL0

?

ΔPG

=

?（KG

+

KL

）Δf小了。如果二次調(diào)整使發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率全部承擔(dān)了負(fù)荷增量，△

PG

=△

PL0,

則實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)頻率的無差調(diào)節(jié),負(fù)荷的增量全由二次調(diào)

整所抵償由于二次調(diào)整發(fā)電機(jī)組增發(fā)了功率，在相同負(fù)荷變化下，系統(tǒng)的頻率偏差變二次調(diào)頻

增發(fā)功率CBΔPGf1

f2

f0

fP0′′P0OP

(

fP

(

f

)G′′

PG

(

f

)G′AΔf

′′B′D

Δf

′

ΔPL0PL

(f

)39PG)E4.

調(diào)頻廠

調(diào)頻廠：負(fù)有二次調(diào)頻任務(wù)的電廠

分為主調(diào)頻廠和輔助調(diào)頻廠

調(diào)頻廠應(yīng)滿足的條件：1）足夠的調(diào)整容量2）較快的調(diào)整速度3）調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性較好40調(diào)頻廠選擇

水電廠發(fā)電機(jī)出力調(diào)整范圍大，允許出力變化速度快，從空載到滿載可在1min內(nèi)實(shí)現(xiàn)，出力變化對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響不大且易實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化。

汽輪機(jī)組受最小技術(shù)出力限制（鍋爐25%-70%、汽輪機(jī)10%-25%），調(diào)整范圍小，出力變化速度受汽輪機(jī)各部件熱膨脹限制（在50%-100%額定容量范圍內(nèi)，出力允許上升速度每min僅2-5%），而且出力變化對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響較

大，實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化比較復(fù)雜

水火電并存的系統(tǒng)中，一般宜選水電廠調(diào)頻。洪水季節(jié)時(shí)避免棄水，水電廠宜帶穩(wěn)定負(fù)荷滿發(fā)，由效率居中的中溫中壓火電廠擔(dān)任調(diào)頻，以提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性?？菟诩竟?jié)時(shí)可由水電廠和中溫中壓火電廠擔(dān)任調(diào)頻

不同地域裝有不同類型、容量及經(jīng)濟(jì)特性的機(jī)組，調(diào)節(jié)有功時(shí)，需要考慮機(jī)組間的合理組合和負(fù)荷的合理分配，以達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。分區(qū)控制的系統(tǒng)中，還應(yīng)進(jìn)行區(qū)

域間聯(lián)絡(luò)線的功率控制

41例5-3在例5-2所給的系統(tǒng)中，僅水輪機(jī)具有調(diào)節(jié)能力時(shí)，

頻率偏差超出了允許范圍，為將頻率偏差控制在

±0.1Hz，求需要采用二次調(diào)頻而增發(fā)的功率。解：

ΔPL0

?

ΔPG

=

?（KG

+

KL

）Δf水輪機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率KG

=80

×

5

+

50

×

6=700(MW/Hz)

采用二次調(diào)頻需要增發(fā)的功率

=300

+

(700

+

90)

×

(?0.1)=221(MW)42KAΔPGAΔPLA二次調(diào)頻

增發(fā)功率ΔPLA

?ΔPGA

+ΔPab

=?KA

Δf

ΔPLB

?ΔPGB

?ΔPab

=?KB

Δf二式相加Δf

=

?

(ΔPLA?

ΔPGA)

+

(ΔPLB?

ΔPGB)A

B聯(lián)合后兩系統(tǒng)負(fù)荷變化引起的頻率偏移應(yīng)相同ΔfA

=ΔfB

=Δf△Pab對(duì)于A系統(tǒng)相當(dāng)于負(fù)荷，對(duì)于B系統(tǒng)相當(dāng)于電源ΔPab

=

（三）互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整ΔPLA

?ΔPGA

=?KA

ΔfAΔPLB

?ΔPGB

=?KB

ΔfB對(duì)于2個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)合前KBΔPGB

ΔPLBK

+

KΔPab43聯(lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決與系統(tǒng)總的功率缺額△PA+△PB

，以及

系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率KA+KB=KS

。聯(lián)絡(luò)線上交換功率的大小及流動(dòng)方向

也與各子系統(tǒng)的功率缺額以及子系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率有關(guān)。

當(dāng)ΔPA

=0，ΔPB

≠0，A系統(tǒng)沒有功率缺額，

ΔPab

將由A→B流動(dòng)

當(dāng)ΔPA

≠0，ΔPB

=0，B系統(tǒng)沒有功率缺額，ΔPab

<0,將由B→A流動(dòng)

當(dāng)ΔPA=-

ΔPB

，其中一個(gè)子系統(tǒng)的功率缺額完全由另一個(gè)子系統(tǒng)

增發(fā)的功率所抵償時(shí)，系統(tǒng)頻率偏差為零，聯(lián)絡(luò)線功率ΔPab

=ΔPB

，負(fù)荷增量

ΔPB

=ΔPLB

由聯(lián)絡(luò)線傳輸，聯(lián)絡(luò)線功率可能過載44

A

B聯(lián)絡(luò)線功率定義A

，B系統(tǒng)的功率缺額

ΔPA

=ΔPLA

?

ΔPGA

ΔPB

=ΔPLB

?ΔPGB

5）B系統(tǒng)無二次調(diào)頻，

A系統(tǒng)二次調(diào)頻增發(fā)200MW解：將以標(biāo)幺值表示的單位調(diào)節(jié)功率折算為有名值KGA

=KGA

*PGAN

/

fN

=25

×

1500

/

50=750(MW/Hz)KGB

=KGB

*PGAN

/

fN

=20

×

1000

/

50

=400(MW/Hz)KLA

=KLA

*PGAN

/

fN

=1.5

×

1500

/

50=45(MW/Hz)KLB

=KLB

*PGAN

/

fN

=1.3

×

1500

/

50=26(MW/Hz)無一次調(diào)頻時(shí)

KA

=

KLA

=

45(MW/Hz),KB

=

KLB

=

26(MW/Hz)45況下的頻率變量和聯(lián)絡(luò)線上流過的交換功率：1500MW

1