第六章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整《電力系統(tǒng)分析1》《電力系統(tǒng)分析1》6.1電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率的關(guān)系2有功功率平衡有功功率平衡與頻率的關(guān)系3（4）發(fā)電廠本身有許多由異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的重要設(shè)備——水泵和風(fēng)機(jī)等，頻率的降低將使它們的出力降低，導(dǎo)致水壓、風(fēng)力的不足，從而使發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力下降。這樣進(jìn)一步造成了頻率的下降，如果不采取相應(yīng)措施，系統(tǒng)的頻率將不能維持；低頻運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)處于低于額定轉(zhuǎn)速的運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)使汽輪機(jī)葉片因共振而產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)谷~片斷裂，造成嚴(yán)重事故；（5）頻率降低時(shí)，系統(tǒng)中的無(wú)功負(fù)荷將增大，而無(wú)功負(fù)荷的增大又將引起系統(tǒng)電壓水平的下降。我國(guó)工頻交流電采用的額定頻率是50Hz，允許偏移范圍是±0.2～0.5Hz。當(dāng)頻率偏移超出允許的范圍將使用戶遭受損失，對(duì)發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行也將有不利的影響。一、頻率偏移對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的影響（1）頻率的變化會(huì)引起異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，這將影響工業(yè)用戶的產(chǎn)品質(zhì)量；（2）頻率的降低將引起異步電動(dòng)機(jī)輸出功率的降低，影響異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行；（3）頻率的不穩(wěn)定將會(huì)影響電子設(shè)備的工作，雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)等重要設(shè)施將因頻率過(guò)低而無(wú)法運(yùn)行；保證電力系統(tǒng)的頻率符合標(biāo)準(zhǔn)也是系統(tǒng)運(yùn)行的基本任務(wù)；為此，就需要對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整。6.1電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率的關(guān)系一、頻率偏移對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的影響4（1）有功負(fù)荷的分解如右圖：實(shí)際有功負(fù)荷可以看做是由三種具有不同變化規(guī)律的負(fù)荷組成：第一種是變化幅度很小、變化周期短、變化有很大偶然性的負(fù)荷；第二種是變化幅度較大、變化周期較長(zhǎng)的負(fù)荷，如電爐、壓延機(jī)械、電氣機(jī)車等，它們的啟停對(duì)電網(wǎng)具有一定的沖擊性；第三種是變化緩慢的持續(xù)變化負(fù)荷，如因生產(chǎn)、生活、氣候等變化引起的變動(dòng)負(fù)荷。電力系統(tǒng)頻率的變化的原因：是由有功負(fù)荷的改變引起的。二、電力系統(tǒng)的有功功率平衡1.有功功率負(fù)荷的變化與頻率調(diào)整的分類有功負(fù)荷變化曲線6.1電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率的關(guān)系二、電力系統(tǒng)的有功功率平衡1.有功功率負(fù)荷的變化與頻率調(diào)整的分類5（2）頻率調(diào)整的分類：根據(jù)負(fù)荷的變化分別進(jìn)行頻率調(diào)整。可分為頻率的一次調(diào)整、二次調(diào)整和三次調(diào)整。頻率的一次調(diào)整是針對(duì)系統(tǒng)的第一種有功負(fù)荷變化引起的頻率偏移所做的調(diào)整，由發(fā)電機(jī)的調(diào)速器實(shí)現(xiàn)；頻率的二次調(diào)整是針對(duì)系統(tǒng)第二種有功負(fù)荷變化引起的頻率偏移所做的調(diào)整，由調(diào)頻廠發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器完成；頻率的三次調(diào)整是針對(duì)系統(tǒng)第三種有功負(fù)荷變化引起的頻率偏移所做的調(diào)整，頻率的三次調(diào)整是在有功功率平衡的基礎(chǔ)上，按照最優(yōu)化的原則在系統(tǒng)中各發(fā)電廠之間進(jìn)行負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配，實(shí)際上是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問(wèn)題。2.電力系統(tǒng)的有功功率平衡

—系統(tǒng)中各發(fā)電廠發(fā)出的有功功率總和；—系統(tǒng)中所有負(fù)荷消耗的有功功率總和；—電力網(wǎng)中的總有功功率損耗；—系統(tǒng)中各發(fā)電廠的自用電中消耗的有功功率總和。3.系統(tǒng)備用容量備用容量=裝機(jī)容量—發(fā)電容量6.1電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率的關(guān)系2.電力系統(tǒng)的有功功率平衡3.系統(tǒng)備用容量6（1）負(fù)荷備用（即調(diào)頻備用）：是為了適應(yīng)短時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷波動(dòng)以穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，以及擔(dān)負(fù)一天內(nèi)計(jì)劃外的負(fù)荷增加的容量。負(fù)荷備用容量的大小應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)容量及系統(tǒng)內(nèi)電力用戶的組成情況來(lái)確定。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，一般取為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%~5%?？捎苫痣姀S或水電廠擔(dān)任。水電廠的應(yīng)變能力較強(qiáng)，運(yùn)行效率高，故由水電廠擔(dān)任較好。擔(dān)任負(fù)荷備用的水電廠，裝機(jī)容量不得小于系統(tǒng)最大負(fù)荷的15%，并且還需要有一定的調(diào)節(jié)容量。（2）事故備用：是為了在電力系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時(shí)，保證系統(tǒng)的正常供電所需要的備用容量。事故備用容量的大小與系統(tǒng)總?cè)萘康拇笮?、發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)的多少、單機(jī)容量的大小、系統(tǒng)內(nèi)各類電廠的比重以及系統(tǒng)對(duì)供電可靠性的要求等方面有關(guān)。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)的事故備用容量一般取為系統(tǒng)最大負(fù)荷的5%~10%，并且不小于系統(tǒng)中最大一臺(tái)機(jī)組的容量。系統(tǒng)事故備用容量在水、火電廠間的分配一般可按水、火電廠的工作容量的比例分配。調(diào)節(jié)性能良好的水電廠，可擔(dān)任較大的事故備用容量。但在水電廠設(shè)置的系統(tǒng)事故備用容量占本廠裝機(jī)容量的比重較大時(shí)，應(yīng)做全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。另外，擔(dān)任事故備用的水電廠，必須具有事故備用的調(diào)節(jié)容量。6.1電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率的關(guān)系系統(tǒng)備用容量7上述的備用有的處于運(yùn)行狀態(tài)，稱為熱備用或旋轉(zhuǎn)備用，此時(shí)機(jī)組不滿載運(yùn)轉(zhuǎn)；系統(tǒng)的負(fù)荷備用必須是熱備用。有的處于停機(jī)待命狀態(tài)，稱為冷備用。國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用、事故備用可以是冷備用。（3）檢修備用：在系統(tǒng)中必須使所有的機(jī)組有可能周期性地進(jìn)行停機(jī)檢修（即大修），這種修理是按計(jì)劃進(jìn)行的。一般都用負(fù)荷的季節(jié)性低落所空出的容量安排機(jī)組輪流進(jìn)行大修，只有當(dāng)季節(jié)性低落所空出的容量還不足以保證全部機(jī)組周期性檢修的需要時(shí)，才需設(shè)置檢修備用容量。系統(tǒng)的檢修備用容量一般取為系統(tǒng)最大負(fù)荷的4%~5%。（4）國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用：考慮國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部分在今后的發(fā)展中，其用電量逐月、逐年上升而增加的備用容量。國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用容量一般取為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%~5%。6.1電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率的關(guān)系系統(tǒng)備用容量6.2電力系統(tǒng)有功功率-頻率靜態(tài)特性8負(fù)荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性發(fā)電機(jī)組的有功功率-頻率靜態(tài)特性電力系統(tǒng)有功功率-頻率靜態(tài)特性93.有功負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)表示系統(tǒng)有功負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)效應(yīng)。1.定義：當(dāng)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中負(fù)荷的有功功率隨頻率變化的特性稱為負(fù)荷的有功功率—頻率的靜態(tài)特性。2.表達(dá)式式中，—系統(tǒng)頻率為f時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷；

—系統(tǒng)頻率為fN時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷；、、—上述各項(xiàng)有功負(fù)荷占的份額。有：α0+α1+α2+┄=1可見(jiàn)：頻率降低時(shí)，負(fù)荷的有功功率也將隨之降低。一般情況下，與頻率的更高次次方成正比的有功負(fù)荷所占比重很小，可以忽略，所以上式多項(xiàng)式寫至三次方項(xiàng)。一.電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率—頻率的靜態(tài)特性6.2電力系統(tǒng)有功功率-頻率靜態(tài)特性MW/HZ一.電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率—頻率的靜態(tài)特性一般電力系統(tǒng)的，它表示頻率變化1%時(shí)，負(fù)荷的有功功率相應(yīng)變化1%~3%。標(biāo)幺值106.2電力系統(tǒng)有功功率-頻率靜態(tài)特性系統(tǒng)中有一臺(tái)機(jī)組：PG(f)和KG一個(gè)負(fù)荷：

PLD

(f)和KLD

系統(tǒng)在f1下運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷增加ΔPLD0后，系統(tǒng)的頻率f2=？1.調(diào)速器的工作原理2.發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率KG和調(diào)差系數(shù)δ①單位調(diào)節(jié)功率KG

與負(fù)荷的KD*不同，發(fā)電機(jī)的KG*是可以整定的。汽輪發(fā)電機(jī)組：KG*=33.5～20；水輪發(fā)電機(jī)組：

KG*=50～25。

對(duì)于滿載運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，其KG*=0②調(diào)差系數(shù)δ滿載MW/HZbc-負(fù)荷增加量ΔPLD0bd-發(fā)電機(jī)組增發(fā)量:ΔPG=|-KG×Δf|=-KG×Δfdc-負(fù)荷自動(dòng)減少量ΔPLD=|KLD×

Δf|=-

KLD×Δf頻率變化量Δf=f2-f1二、發(fā)電機(jī)組的有功功率-頻率靜態(tài)特性三、電力系統(tǒng)的有功功率-頻率靜態(tài)特性ΔPLD0=ΔPG+ΔPLD=-(KG+KLD)×Δf=-K?Δf系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率:K=KG+KLDK*=(PGN/PLDN)KG*+KLD*=Kr?KG*+KLD*備用系數(shù)二、發(fā)電機(jī)組的有功功率-頻率靜態(tài)特性三、電力系統(tǒng)的有功功率-頻率靜態(tài)特性6.2電力系統(tǒng)有功功率-頻率靜態(tài)特性6.2電力系統(tǒng)有功功率-頻率靜態(tài)特性6.2電力系統(tǒng)有功功率-頻率靜態(tài)特性6.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整14頻率的一次調(diào)整頻率的二次調(diào)整互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整調(diào)頻廠的選擇156.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整②調(diào)差系數(shù)表示注意：在計(jì)算KG或δ時(shí)如果第j臺(tái)機(jī)組滿載，那么KGj=0或δj=∞。③第i臺(tái)機(jī)組承擔(dān)功率所占的百分比

可見(jiàn)，δ小的機(jī)組承擔(dān)的出力較多。④系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率針對(duì)第一類負(fù)荷所引起的頻率變化，通過(guò)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器完成對(duì)頻率的整定。特點(diǎn)：有差調(diào)節(jié)

n臺(tái)機(jī)組:PGi(f)和KGi一個(gè)負(fù)荷:PLD

(f)和KLD頻率改變?chǔ)時(shí)，第i臺(tái)機(jī)組增發(fā)量ΔPGi為：n臺(tái)機(jī)組總輸出功率增量①等值單位調(diào)節(jié)功率KG系統(tǒng)一臺(tái)等值機(jī)組第i臺(tái)機(jī)組的額定功率n臺(tái)機(jī)組額定功率之和一、頻率的一次調(diào)整166.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整針對(duì)第二類負(fù)荷所引起的頻率變化，僅僅通過(guò)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器不能使得頻率在允許的范圍內(nèi)，此時(shí)需要通過(guò)調(diào)頻器完成對(duì)頻率的整定。調(diào)頻過(guò)程特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。①二次調(diào)頻減小了頻率變量；②二次調(diào)頻并沒(méi)有改變系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。二、頻率的二次調(diào)整cd-負(fù)荷增加量ΔPLD0ce-發(fā)電機(jī)組二次調(diào)頻增發(fā)量ΔPG0:ed-發(fā)電機(jī)與負(fù)荷頻率一次調(diào)整的改變量：

ΔPG+ΔPLD=-

K×Δf頻率變化量Δf=

f?2-f1ΔPLD0=ΔPG0+ΔPG+ΔPLD=

ΔPG0-K?Δf二、頻率的二次調(diào)整6.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整186.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整說(shuō)明：①當(dāng)ΔPLD=ΔPG0時(shí)，即Δf

=0，無(wú)差調(diào)節(jié)，否則頻率偏移；

注意，此時(shí)ΔPAB不一定等于0。②兩個(gè)子系統(tǒng)均參加二次調(diào)頻，且滿足

此時(shí)，ΔPAB=0；如果每個(gè)子系統(tǒng)都沒(méi)有功率缺額，則Δf

=0。③只有一個(gè)子系統(tǒng)參加二次調(diào)頻如果ΔPG0B=0，則當(dāng)ΔPG0A=ΔPLDA+ΔPLDB，ΔPAB=ΔPLDB

(最大)。聯(lián)絡(luò)線交換功率的變化。系統(tǒng)A：ΔPLDA+ΔPAB-ΔPG0A=-KAΔfA系統(tǒng)B：ΔPLDB-ΔPAB-ΔPG0B=-KBΔfBΔf

=ΔfA=ΔfB，于是有：三、互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整三、互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整196.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整

系統(tǒng)內(nèi)有調(diào)整能力的發(fā)電機(jī)組都參與頻率的一次調(diào)整，只有少數(shù)的機(jī)組承擔(dān)頻率的二次調(diào)整。

主調(diào)頻廠：1～2個(gè)

輔助調(diào)頻廠：少數(shù)的幾個(gè)

非調(diào)頻廠：按預(yù)先給定負(fù)荷曲線發(fā)電選擇主調(diào)頻廠的條件：具有足夠的調(diào)整容量；具有較快的調(diào)整速度；調(diào)整出力時(shí)符合安全及經(jīng)濟(jì)的原則。

此外還要考慮因調(diào)頻引起的聯(lián)絡(luò)線上交換功率的波動(dòng)，以及網(wǎng)絡(luò)中某些中樞點(diǎn)的電壓是否超出允許的范圍。四、調(diào)頻廠的選擇四、調(diào)頻廠的選擇20如果基荷廠仍要求按原來(lái)分配的經(jīng)濟(jì)功率Pa′運(yùn)行，則可通過(guò)主調(diào)頻廠調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)頻器將靜態(tài)特性曲線平行上移，使系統(tǒng)頻率恢復(fù)為fa，將基荷廠增加的功率Pc′-Pa′轉(zhuǎn)移給主調(diào)頻廠，而主調(diào)頻廠總共增加的有功功率為Pd-Pa。6.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整五、主調(diào)頻廠與基荷廠在調(diào)頻過(guò)程中的負(fù)荷轉(zhuǎn)移設(shè)電力系統(tǒng)內(nèi)有兩個(gè)電廠，一個(gè)是主調(diào)頻廠，一個(gè)是基荷廠，它們的功頻靜特性曲線如圖所示。當(dāng)電力系統(tǒng)以頻率fa（fa=fN）運(yùn)行時(shí)，基荷廠發(fā)電機(jī)組有功出力為Pa′，主調(diào)頻廠的有功出力為Pa。如果負(fù)荷增加，系統(tǒng)頻率下降，電力系統(tǒng)各原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作使頻率為fc。這時(shí)，主調(diào)頻廠增加的有功出力為Pc-Pa，基荷廠增加的有功出力為Pc′-Pa′。21當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電源事故（包括發(fā)電廠內(nèi)部和電源線路）或系統(tǒng)解列事故時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)電源和負(fù)荷不再保持平衡，從而使得電力系統(tǒng)頻率會(huì)突然大幅度下降。為避免頻率大幅度下降，系統(tǒng)內(nèi)部布置有一定容量的熱備用和低頻率減負(fù)荷裝置。發(fā)生事故時(shí)，運(yùn)行人員在調(diào)度的統(tǒng)一指揮下通過(guò)迅速啟用旋轉(zhuǎn)備用容量（熱備用）、迅速啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組、切除負(fù)荷或?qū)⑾到y(tǒng)分割、分離廠用電等措施來(lái)防止頻率的下降。一般從頻率開(kāi)始下降至電源與負(fù)荷重新恢復(fù)平衡，直至頻率穩(wěn)定于新的數(shù)值的全過(guò)程不過(guò)幾秒至幾十秒的短暫時(shí)間。六、事故調(diào)頻七、頻率調(diào)整和電壓調(diào)整的關(guān)系3.若系統(tǒng)電壓、頻率都不滿足要求時(shí)，應(yīng)先對(duì)系統(tǒng)調(diào)整頻率，再對(duì)系統(tǒng)調(diào)整電壓。因?yàn)轭l率的變化影響系統(tǒng)的運(yùn)行電壓。6.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整六、事故調(diào)頻1.電力系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率既與頻率有關(guān)，也與電壓有關(guān)。頻率或電壓的變化都將通過(guò)系統(tǒng)的負(fù)荷特性同時(shí)影響到有功功率和無(wú)功功率。但由于電力系統(tǒng)在額定頻率、額定電壓附近運(yùn)行，電壓變化對(duì)有功功率的影響及頻率變化對(duì)無(wú)功功率的影響都很小，因而才有可能分別處理調(diào)壓和調(diào)頻的問(wèn)題。2.系統(tǒng)的頻率是統(tǒng)一的，調(diào)頻涉及整個(gè)系統(tǒng)，而無(wú)功功率和電壓調(diào)整則可以按地區(qū)就地解決。22頻率變化Δf=-0.2Hz時(shí)，系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷增量例題：某電力系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)組的容量和單位調(diào)節(jié)功率為：水輪機(jī)組：100MW/臺(tái)×5臺(tái)，KG*=25;汽輪機(jī)組：300MW/