電力工程河海大學(xué)

本章及后一章將介紹正常穩(wěn)態(tài)狀況的優(yōu)化和調(diào)整,即確保系統(tǒng)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。

衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)有：

頻率質(zhì)量電壓質(zhì)量波形質(zhì)量

本章討論電力系統(tǒng)中有功功率的頻率調(diào)整。電力工程河海大學(xué)8.1電力系統(tǒng)頻率概述8.1.1電力系統(tǒng)頻率的概念額定頻率50HZ頻率偏差范圍HZ

實(shí)際HZ電力工程河海大學(xué)

圖9-1有功功率負(fù)荷的變化曲線電力工程河海大學(xué)第8章電力系統(tǒng)的頻率電力工程河海大學(xué)有功功率負(fù)荷的變動(dòng)

將綜合負(fù)荷分解成三種：

第一種：幅度小，周期短，這種變化具有很大隨機(jī)性。

第二種：變化幅度較大，周期較長，這種負(fù)荷屬?zèng)_擊性

負(fù)荷。如：電爐，鋼鐵廠負(fù)荷。

第三種：負(fù)荷的增長等，這種負(fù)荷可以預(yù)測。為簡化計(jì) 算，經(jīng)常以階梯型表示。電力工程河海大學(xué)

有功功率和頻率的調(diào)整

與負(fù)荷變動(dòng)相對應(yīng)，有功功率和頻率調(diào)整大體也分為一次、二次和三次調(diào)整。一次調(diào)整：由發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行的，對第一種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移的調(diào)整。二次調(diào)整：由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器進(jìn)行的，對第二種負(fù)荷變動(dòng) 引起的頻率偏移的調(diào)整。有功負(fù)荷最優(yōu)分配（三次調(diào)整）：對第三種負(fù)荷的變化。

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果，按最優(yōu)分配準(zhǔn)則讓它們在發(fā)電廠間分配。即讓發(fā)電廠發(fā)給定功率，系統(tǒng)中除平衡節(jié)點(diǎn)外其它各節(jié)點(diǎn)有功都可以指定。（不介紹）電力工程河海大學(xué)8.1.2電力系統(tǒng)頻率的測量進(jìn)行頻率調(diào)整必須首先測量頻率頻率的測量硬件軟件（算法）電力工程河海大學(xué)8.2電力系統(tǒng)的頻率特性調(diào)整頻率的必要性

頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要質(zhì)量指標(biāo)。系統(tǒng)頻率的變動(dòng)對用戶、發(fā)電廠和系統(tǒng)本身都會(huì)產(chǎn)生不良影響。因此必須保證頻率在額定值50HZ左右變化，且不超過一定范圍。

電力工程河海大學(xué)頻率變化時(shí)對用戶的影響：（1）大多數(shù)工業(yè)用戶使用異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān),從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。（2）系統(tǒng)頻率降低將使電動(dòng)機(jī)的功率降低。

如：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)床負(fù)荷，頻率降低1%導(dǎo)致功率P降低1%。（3）現(xiàn)代工業(yè)、國防和科學(xué)，都已廣泛應(yīng)用電子技術(shù)設(shè)備，頻率的不穩(wěn)定將影響電子技術(shù)設(shè)備的準(zhǔn)確性。電力工程河海大學(xué)頻率變化對發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響：（1）發(fā)電廠的廠用機(jī)械（泵和風(fēng)機(jī)）是用異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。（2）系統(tǒng)低頻率運(yùn)行時(shí)，容易引起汽輪機(jī)葉片的共振，縮短其壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使葉片斷裂。一般汽輪機(jī)葉片的固有頻率在45-50HZ之間。所以現(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機(jī)組對系統(tǒng)頻率的變化有相當(dāng)嚴(yán)格的要求。（3）頻率降將低使異步電動(dòng)機(jī)和變壓器的勵(lì)磁電流大為增加，引起系統(tǒng)無功功率（負(fù)荷）的增加，其結(jié)果是引起電壓的降低。電力工程河海大學(xué)

因此，當(dāng)系統(tǒng)頻率較穩(wěn)定時(shí)，電壓調(diào)整也較容易。因此，近代電力系統(tǒng)對頻率有很高的要求。

電力系統(tǒng)頻率的變化主要是由有功功率的變化引起的，本節(jié)介紹對第一、第二種有功引起頻率變化的調(diào)整。歐美各國：+0.1HZ；我國：+0.2HZ；日本：+0.1HZ電力工程河海大學(xué)8.2.1

電力負(fù)荷的頻率特性系統(tǒng)中有功負(fù)荷與頻率的關(guān)系，可歸納為以下幾類：（1）與頻率變化無關(guān)的負(fù)荷

如：照明、電弧爐、電阻爐、整流負(fù)荷等。（2）與頻率一次方成正比的負(fù)荷

如：切削機(jī)床、球磨機(jī)、往復(fù)式水泵、壓縮機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等。電力工程河海大學(xué)（3）與頻率的二次方成正比的負(fù)荷

如：變壓器中的渦流損耗，但這種損耗在電力網(wǎng)有功損耗中占的比重較小。（4）與頻率的三次方成正比的負(fù)荷如：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(fù)荷如：靜水頭阻力很大的給水泵等。電力工程河海大學(xué)

綜上所述，系統(tǒng)有功負(fù)荷可表示成：

式中：PL：系統(tǒng)頻率為f時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的有功功率負(fù)荷。

PLN：系統(tǒng)頻率為額定（

fN）時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的有功

負(fù)荷。

a0，a1，a2，a3….：上述各類負(fù)荷占

PLN的百分?jǐn)?shù)。上式兩邊同除PLN得：

電力工程河海大學(xué)稱為負(fù)荷的功率—頻率靜特性曲線，簡稱負(fù)荷的功頻靜特性。電力工程河海大學(xué)直線的斜率為：

用有名值可表示為：

有名值與標(biāo)幺值的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：電力工程河海大學(xué)KL

，KL*表示電力系統(tǒng)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)效應(yīng)。稱

KL

，KL*為“有功負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率”。

KL

是系統(tǒng)調(diào)度部門應(yīng)該掌握的數(shù)據(jù)。實(shí)際系統(tǒng)中，要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)求得。一般系統(tǒng)

KL*=1~3。電力工程河海大學(xué)

例：某一系統(tǒng)總有功負(fù)荷為PLN=3200MW（包括網(wǎng)損），系統(tǒng)的頻率為50HZ，若KL*=1.5，求KL=？解：

即系統(tǒng)f變化

1HZ，可使PL變化

96MW。若PLN=3650MW，則

因此KL與系統(tǒng)負(fù)荷的大小有關(guān)。電力工程河海大學(xué)8.2.2發(fā)電機(jī)組的頻率特性

1、調(diào)速器的工作原理

目前，國內(nèi)外原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有很多種類型，這里只說明一般調(diào)速系統(tǒng)原理，而不介紹具體的裝置。下圖為最簡單的調(diào)速系統(tǒng)原理圖：說明引起的變化電力工程河海大學(xué)電力工程河海大學(xué)

上一頁

下一頁電力工程河海大學(xué)發(fā)電機(jī)組的頻率特性曲線可近似表示成一條直線圖9-3發(fā)電機(jī)組頻率特性曲線電力工程河海大學(xué)直線1的斜率為其標(biāo)幺值為或

電力工程河海大學(xué)單位調(diào)節(jié)功率和機(jī)組的調(diào)差系數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系。機(jī)組的調(diào)差系數(shù)為汽輪發(fā)電機(jī)組，一般有

水輪發(fā)電機(jī)組，一般有

值越大，表示同樣的功率變化對應(yīng)的頻率偏移越小。

電力工程河海大學(xué)2.調(diào)頻器的工作原理依靠發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器只能實(shí)現(xiàn)有差調(diào)節(jié)

若頻率偏移超出允許范圍，就必須采取附加措施

發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)調(diào)頻器的工作原理見圖9－2二次調(diào)頻的效果就是平行移動(dòng)頻率特性曲線

將圖9-3的頻率特性曲線1平行移到直線2，就可以使發(fā)電機(jī)在負(fù)荷增加后仍能運(yùn)行在額定頻率下。所以，通過二次調(diào)頻，可以實(shí)現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)。二次調(diào)頻由一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)電廠來承擔(dān)電力工程河海大學(xué)8.2.3電力系統(tǒng)的頻率特性如圖發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的頻率特性曲線交于a平衡點(diǎn)系統(tǒng)頻率為電力工程河海大學(xué)設(shè)系統(tǒng)有

臺發(fā)電機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)頻率變化量為各機(jī)組的功率變化量為系統(tǒng)總的功率變化量設(shè)為系統(tǒng)中n臺機(jī)組的等值單位調(diào)節(jié)功率則

電力工程河海大學(xué)8.3

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整

系統(tǒng)頻率會(huì)隨負(fù)荷變化而變化保持頻率偏差在允許范圍內(nèi)：頻率調(diào)整一次調(diào)頻——調(diào)速器完成二次調(diào)頻——調(diào)頻器完成電力工程河海大學(xué)8.3.1電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整對應(yīng)某一負(fù)荷，發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的頻率特性和負(fù)荷頻率特性的交點(diǎn)O就是系統(tǒng)的原始運(yùn)行點(diǎn)。系統(tǒng)在O點(diǎn)運(yùn)行，突然負(fù)荷增加,從PL

PL’，由于發(fā)電機(jī)功率不能立刻隨之增加，機(jī)組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。電力工程河海大學(xué)同時(shí)：

調(diào)速器一次調(diào)整，發(fā)電機(jī)功率增大，沿PG

負(fù)荷頻率特性的作用使負(fù)荷功率下降，沿PL’

經(jīng)過一個(gè)衰減的震蕩過程，達(dá)到新的平衡點(diǎn)O’,

OA=OB+BA=B’O’-B’A’

而B’O’=B’A’=AB=OA=

所以

電力工程河海大學(xué)或

式中KS：系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。單位：兆瓦/赫，兆瓦/0.1赫

PL0:原始運(yùn)行點(diǎn)的負(fù)荷。

f0:原始運(yùn)行點(diǎn)系統(tǒng)的頻率

系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率取決于：只有通過控制、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率來實(shí)現(xiàn)。電力工程河海大學(xué)

從直觀上看，只要發(fā)電機(jī)的

小些，或KG大些，則負(fù)荷的變化對頻率的影響就小，即頻率就較穩(wěn)定。

原因1：極端情況，發(fā)電機(jī)的

=0即

KG

原因2：機(jī)組的為無窮大，機(jī)組滿載電力工程河海大學(xué)例：設(shè)有n臺機(jī)組參加運(yùn)行，n臺機(jī)組參加f調(diào)整時(shí)，

若n臺機(jī)組中，只有m臺參加調(diào)整，其它機(jī)組已滿載，即m+1，…，n臺滿載，不參加調(diào)整。顯然：因而，KG，KS都不可能很大。因此調(diào)速器完成的調(diào)頻只能對幅度較小，周期較短的負(fù)荷引起的頻率偏移。負(fù)荷波動(dòng)幅度大，周期長的調(diào)頻任務(wù)只能依靠二次調(diào)頻。電力工程河海大學(xué)

例：兩臺容量為60MW的發(fā)電機(jī)共同承擔(dān)負(fù)荷，它們的調(diào)差系數(shù)為4%，3%，若空載時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，其頻率f0為50HZ，試求：（1）總負(fù)荷為100MW時(shí)，這兩臺機(jī)各自承擔(dān)的功率。（2）為使總負(fù)荷為100MW時(shí)，兩臺機(jī)組能平均分擔(dān)負(fù)荷，它們的轉(zhuǎn)速分別應(yīng)增減多少？

解：(1)兩臺發(fā)電機(jī)組的KG電力工程河海大學(xué)則兩臺發(fā)電機(jī)總的單位調(diào)節(jié)功率為設(shè)帶100MW負(fù)荷時(shí)頻率為fL

，不計(jì)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)。兩臺發(fā)電機(jī)組發(fā)出的功率分別為：（2）平均承擔(dān)負(fù)荷各為50MW時(shí)電力工程河海大學(xué)

即： （1）同理： （2） （3） (1)--(3)得：即

f01比

f0上升： ,轉(zhuǎn)速上升0.477%(2)--(3)

得：

f02比

f0下降： ,轉(zhuǎn)速下降0.357%電力工程河海大學(xué)8.3.2

電力系統(tǒng)頻率的二次調(diào)整如圖所示，原系統(tǒng)運(yùn)行在O點(diǎn)，現(xiàn)在系統(tǒng)負(fù)荷增大

(1)一次調(diào)整

系統(tǒng)負(fù)荷增加，運(yùn)行于O’點(diǎn)。這時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷為P0

，頻率下降。稱為電力工程河海大學(xué)（2）二次調(diào)整發(fā)電機(jī)組增發(fā)，則其頻率特性向上平移

,O’’即為新的運(yùn)行點(diǎn)。二次調(diào)整是系統(tǒng)頻率偏移從 ，供應(yīng)的功率從P0’增加到

P0’’。若，則系統(tǒng)頻率無偏移，運(yùn)行在A點(diǎn)。即電力工程河海大學(xué)一次調(diào)整時(shí)，負(fù)荷的原始增量可以分解成兩部分：,

既有一次調(diào)整又有二次調(diào)整，則負(fù)荷增量可分解成三部分：，，

進(jìn)一步可以得到即

電力工程河海大學(xué)8.3.3

互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整

當(dāng)進(jìn)行二次調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)中負(fù)荷的功率主要由調(diào)頻機(jī)組或調(diào)頻電廠承擔(dān)。因此系統(tǒng)中調(diào)頻電廠功率的變化遠(yuǎn)大于其它電廠。若調(diào)頻廠遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，則有可能使調(diào)頻廠與系統(tǒng)其它部分的聯(lián)絡(luò)線上流通功率超出允許值。因此就產(chǎn)生了這樣一個(gè)問題，系統(tǒng)調(diào)頻的同時(shí)還必須控制聯(lián)絡(luò)線上流通的功率。電力工程河海大學(xué)

為了討論方便，將一個(gè)系統(tǒng)分為兩部分或看成兩個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合，如圖所示。為使討論更具普遍意義，設(shè)兩系統(tǒng)A、B均有二次調(diào)整的電廠，其中：

KA、KB——聯(lián)合前A、B系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。

——A、B調(diào)頻廠的功率變（化）量

——A、B系統(tǒng)的負(fù)荷變（化）量

電力工程河海大學(xué)——聯(lián)絡(luò)線的交換功率，A

B為正。

聯(lián)合前：A系統(tǒng)有：

B系統(tǒng)有：

聯(lián)合后：聯(lián)絡(luò)線上有功率從A到B，對A系統(tǒng)可當(dāng)作一個(gè)負(fù)荷增加，即：

對B系統(tǒng)可看作一個(gè)電源功率，即

聯(lián)合后，兩系統(tǒng)的頻率應(yīng)相等，即 ，電力工程河海大學(xué)于是將以上兩式相加可得：即：

將式（9-21）代入以上任意一式，可得：為了使以上各式更簡潔，令

（9-21）B系統(tǒng)功率缺額A系統(tǒng)功率缺額電力工程河海大學(xué)

則以上各式可改寫成： （9-23-1） （9-23-2）

（9-23-3）

先看式（9-23-2），聯(lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決于系統(tǒng)總的功率缺額和系統(tǒng)總的單位調(diào)節(jié)功率。這是必然的，因?yàn)橄到y(tǒng)聯(lián)合后就成了一個(gè)系統(tǒng)。

再來分析式（9-23-3）電力工程河海大學(xué)

Ⅰ：A系統(tǒng)沒有功率缺額，即 ，則

增大。

Ⅱ：，則

減少。

Ⅲ：若B系統(tǒng)功率的缺額完全由A系統(tǒng)增發(fā)的功率所補(bǔ)償，即 ，則 ，

這時(shí)，雖然系統(tǒng)頻率保持不變，但B系統(tǒng)的功率缺額

完全要從A系統(tǒng)經(jīng)聯(lián)絡(luò)線送到B系統(tǒng)。（如果此功率很大，有可能超過聯(lián)絡(luò)線允許功率）。這也就是調(diào)頻廠設(shè)在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心（大水電廠）而且要實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)的情況。電力工程河海大學(xué)例題：A、B兩系統(tǒng)并列運(yùn)行，A系統(tǒng)負(fù)荷增大500MW時(shí)，B系統(tǒng)向A系統(tǒng)輸送的交換功率為300MW，如果這時(shí)將聯(lián)絡(luò)線切除，則切除后，A系統(tǒng)的頻率為49HZ，B系統(tǒng)的頻率為50HZ，試求：

（1）A、B兩系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率KA、KB；（2）A系統(tǒng)負(fù)荷增大750MW，聯(lián)合系統(tǒng)的頻率變化量。電力工程河海大學(xué)ABAABB49HZ50HZ電力工程河海大學(xué)聯(lián)絡(luò)線切除前：

即：2KB=3KA1聯(lián)絡(luò)線切除后：解法一：設(shè)f為負(fù)荷增大后聯(lián)絡(luò)線切除前系統(tǒng)頻率，fA，fB

分別為聯(lián)絡(luò)線切除后A、B系統(tǒng)功率。則對A系統(tǒng)切除后有

即： 2

電力工程河海大學(xué)

對B系統(tǒng)有：

即： 3

由

2、3得：將fA=49Hz，fB=50Hz代入上式得：

4

解

1、4得：

KA=500MW/Hz，KB=750MW/Hz電力工程河海大學(xué)解法二：因負(fù)荷變化前聯(lián)合系統(tǒng)的頻率等于聯(lián)絡(luò)線切除后B系統(tǒng)的頻率，即50Hz。

所以：

代入

1得：