电力系统频率的二次调节.doc

电力系统频率的二次调节

一、频率的二次调节基本概念

上一节分析了系统频率特性系数Ks的组成和特点。从分析中可知，系统的频率响应系数愈大，系统就能承受愈大的负荷冲击。换句话说，在同样大的负荷冲击下，Ks愈大，所引起的系统频率变化愈小。为了使系统的频率偏差限制在教小的范围内，总是希望有较大的Ks。

Ks由两部分组成，一部分有负荷本身的频率特性所决定，电力系统的运行人员是无法改变的；另一部分有发电机组的频率响应系数决定的，它是发电机调差系数的倒数。运行人员可以调整机组的调差系数和机组的运行方式来改变其大小。但是从机组的稳定运行角度考虑，机组的调差系数δ%不能取得太小，以免影响机组的稳定运行。

系统的频率响应系数Ks是随着系统负荷的变动和运行方式的变化二变动的。这对用户和系统本身都是不希望的。也就是说，仅靠系统的一次频率调整，没有任何形式的二次调节（包括手动和自动），系统的频率不可能恢复到原有的值。为了使系统的频率恢复到原有的额定频率运行，必须采用频率的二次调节。

频率的二次调节就是改变发电机组的频率特性曲线，从而使系统的频率恢复到原来的正常范围。

如图3-15所示，发电与负荷的起始点为a，系统的频率为f1。当系统的负荷发生变化，负荷增大，负荷特性曲线从PLa变化至PLb时,当系统发电特性曲线为PGa时，发电与负荷的交叉点为a移至b点。此时，系统的频率从f1降至f2。当增加系统发电，即改变发电的频率特性曲线从PGa变到PGb，就能使发电与负荷特性的交叉点移至d点，可使系统的频率保持在原来的f1运行。

反之，当系统的负荷降低，在如图3-15中，发电与负荷的起始点为d，此时，系统的频率为f1。当系统的负荷发生变化，负荷特性从从PLb变化至PLa时,当系统发电特性曲线为PGb时，发电与负荷的交叉点为d和c点。此时，系统的频率从f1上升至f3。为了恢复系统的频率，适当减少系统发电，即改变发电的频率特性曲线从PGb变到PGa，就能使发电与负荷特性的交叉点从c点移至a点，

可使系统的频率从f3恢复到原来的f1运行。

以上改变发电机组调速系统的运行点，使发电机组在原有额定频率条件下运行，增加较大的有功功率的方法，就是频率的二次调节。

二、频率二次调节的方法

一般情况下，机组频率调节器有三种类型，即有差调节器、积分调节器和微分调节器。

有差调节器（也称为比例调节）就是按频率偏差的大小控制调频器，并按频率偏差的比例增加机组的有功功率进行调节的方法。

采用这种调节方式的调频机组，其机组有功功率的变化跟随系统频率的变化而变化。因此，比例调节只能减少系统频率的偏差，无法达到消除系统频率偏差的根本目标。

积分调节器是按频率偏差对时间的积分来控制调频器来增减机组功率的调节方法。采用这种方式时，机组功率的增/减量与频率偏差的积分量的大小有关，用公式表示如下：

△PG =∫△f.dt(3.2.1)

积分调节器可达到无差调节，即∫△f.dt=0，最终达到△f=0。

这一调节方式的最大缺点在于在负荷变化的最初阶段，由于∫△fdt的量很小，调频机组的功率变化也很小，导致最初阶段的频率偏差较大。

微分调节器就是按频率偏差对时间的微分来控制调频器来增减机组功率的调节方法。采用这种方式时，机组功率的增/减量与频率偏差的微分量的大小有关，用公式表示如下：

△PG =d△f/dt

微分调节的机组，在负荷变化的最初阶段，由于d△f/dt的量较大，调频机组的功率变化也较大，这限制了系统的频率偏差的近一步扩大。但是随着时间的推移，频率的变化量逐步变小，d△f/dt也愈来愈小，以致于趋向于零。这时，微分调节的作用也逐步减少，直至消失。这和积分调节的作用刚好相反。

电力系统中，系统频率的二次调节的方法，笼统可分为有差调节和无差调节两大类。

（一）有差调节方法

有差调节就是根据频率偏差的大小来控制各调频机组，并按频率偏差的比例增加调频机组的有功功率的进行调节的方法。

单台机组的有差调节的稳定工作特性用公式表示如下：

△f + KG *△PG

=0 （3.

2.2）

其中：

△f 为调节结束后系统频率的偏差量；

△PG为调节结束后调频机组的有功功率变化量；

KG为调频机组有差调节器的调差系数；

当系统中有n台机组，每台机组均配备有差调节器时，全系统的有功调节方程式可用下面的联立方程组来表示：

式中：

△f 为系统频率的偏差量；

△PGi为第i调频机组的有功功率变化量；

KGi为第i调频机组有差调节器的调差系数；

假设当系统中总负荷的增量（计划外负荷）为△PL，则调节结束后，系统发电的增加量为△PG，解联立方程组，得出：

△PG= △PL

=△PG1 +…△PGi +… +△PGn

=-△f * （1/KG1 +… 1/KGi +…+ 1/KGn）

= -△f/KGS

式中：

KGS=1/（1/KG1 +… 1/KGi +…+ 1/KGn）

KGS为系统的等值调差系数

因此，可求得每i台调频机组所承担得计划外有功功率为：

△PGi= △PL *

（KGi/KGS）

(3.2.4)

（i=1,2,……n）

有差调节器有如下特点:

(1)各调频机组同时参加有功调节，无先后之分

当系统频率出现偏差时，各调频机组得平衡工作状态被打破，各调频机组均向同一方向进行有功调节，同时发出改变机组有功功率得命令。因此，所有的调频机组均向减少频率偏差的方向进行有功功率调节，共同承担减少频率偏差的任务，有利于充分利用机组的调频容量。

（2）计划外的负荷在调频机组间按一定的比例进行分配

调频机组所承担的计划外的有功功率的份额，与机组的调差系数KGi成反比。KGi越大，调频机组承担的额外的有功功率增量越小。

机组承担的计划外有功功率的份额的大小可以通过改变机组的调差系数来实现的。

（3）稳定后的频率偏差较大

有差调节不能让系统频率稳定在额定值上。正是由于频率的偏差才有了调频的有功功率增量。没有频率偏差，也就不存在调频的有功功率增量。

系统的负荷增量愈大，导致系统的频差愈大。使用有差调节器时，需要不断地

人工校正调差系数，以减少频率的偏差。这是有差调节器固有的缺点。实际上，这种频率调节方式成为半自动的调频方式。

（二）无差调节方法

无差调节的方法主要是通过系统中调频机组之间设置不同的比例调节器、积分调节器及微分调节器的方法，在系统发生额外的负荷时，通过调节各调频机组的有功功率来实现系统频率恢复到额定值的方法。一般分为主导发电机法、假有差法和积差调节法三种。

a) 主导发电机法

在电力系统中，一台主要的调频机组上使用无差调频器，在其它的调频机组上均只安装有功功率分配器，这样的调频方法叫做主导发电机法。

假设系统有n台发电机组，主导发电机法的调节方程组为：

式中：

△f 为系统频率的偏差量；

PGi为第i调频机组的有功功率量；

аi为第i调频机组功率分配系数；

P1为系统总发电功率；

假设这时系统的负荷有了新的增量△PL。在调频器动作前，系统必然会出现频率偏差△f。此时，△f≠0。这时，调节方程原有的平衡状态被首先打破。

无差调节器按其调节方程，对机组的有功功率进行调节，随之出现了新的

△Pi值。于是其余的n-1台调频机组的功率分配方程式的原有平衡状态均被打破了。它们均会向着满足其功率分配方程的方向，对各自的机组进行有功功率调整。于是，出现了“成组调频”的状态。

这一调频过程一直要持续到不再继续出现新的△P1值时，整个调节过程才告结束。

此时，

而各台调频机组分担的有功功率增量为：

△PGi=△PL * K1 /（1+а2+……+аi

+……+аn） (3.2.7)

=△PL * Ki /Ks

以上说明,各调频机组的有功功率是按照一定的比例进行分配的。

用无差调节器为主导调节器的主要缺点在于各机组在频率调节过程中的作用，有先有后，缺乏同时性。这种调节方法必然导致调频容量不能充分、快速利用，从使整个调节过程变得较为缓慢，调频的动态特性不够理想。

（2）假有差法

假有差法是参加调频的机组都安装反映频率和有功功率变化的调节器。并按以下调频方程进行调整。

其中：

PGi为各调频机组的实际有功功率

KG1为各调频机组的有差调节系数

аi各调频机组的有功功率分配系数

系统的调频方程式为:

n n

n n

△f(Σ1/ KG1 ) = - [ΣPGi -

Σаi(ΣPGi)] (3.2.9)

i=1 i=1 i=1 i=1

由于Σаi =1，因此在调整过程结束时,应能达到△f=0,频率保持恒定。调整过程结束时，各调频机组的实际有功功率为：

n

PGi = аi

（ΣPGi）

(3.2.10)

i=1

调频机组之间的有功功率是按照比例进行分配的，而调差系数只在调整的过程中才体现出来。

由于有功量测表计存在一定的误差，或者调频机组的有功功率受到某些限制及机组跳闸等方面的原因，从而使得

n n

ΣPGi≠ аi（ΣPGi）

i=1 i=1

由此造成在频率调整结束时，△f≠0。为了弥补这一缺点，可以让其中一台调频机组按无差特性来进行调整（有时也称为虚无差法），其调整结果可以确保△f=0。

假设有n台机组参加调频时，其中第n台机组设为无差调节，则这一调频方程组可表示为：

n-1台机组所承担的有功功率为：Σаi*[ΣPGi ]=0。考虑有功量测上的误差，

i=1 i=1

n-1

则n-1台机组所承担的有功功率分配系数为：Σаi±δ

i=1

n-1

第n台机组所承担的有功功率分配系数为：1-（Σаi±δ）

i=1

（3）积差调节法

频率积差调节法是多台机组根据系统频率偏差的累积值进行调频。假设n台机组参与系统调频，则其调频方程组表示如下：

其中：

PGi为各调频机组的实际有功功率

KG1为各调频机组的有差调节系数

△f为系统频率对额定频率的偏差

由于系统中各点频率是一致的,所以各机组的频率积分∫△f.dt也可以认为是

相等的，各机组同时进行频率调整。此时，系统的调频方程式为：

n n

ΣPGi = -∫△f.dt（Σ1/

KGi ） (3.2.13)

i=1 i=1

n n

n

∫△f.dt= - ΣPGi /（Σ1/ KGi ）= - KGsΣPGi

i=1 i=1

i=1

式中： n

KGs = 1/（Σ1/ KGi）

i=1

每台机组分担的额外有功功率为：

n

PGi = （ΣPGi）* KGs

/KGi

(3.2.14)

i=1

可以看出，当机组按积差调节法进行调频时，各调频机组之间的有功功率是按照一定的比例进行自动分配的。

积差调节法的优点是能确保系统频率保持恒定，额外的有功功率在所有参加调频的机组之间按一定比例进行自动分配。

积差调节法的缺点是频率的积差信号滞后于频率瞬时值的变化，调节过程较为缓慢。

为了使得频率偏差较大时，机组的有功功率调整量也响应增大；频率偏差较小时，

机组的有功功率调整量也响应减少。在频率积差调节的基础上，增加频率瞬时偏差信号。这就得到了改进的频率积差调节方程式：

△f+ KG1 （PGi -аi∫KGS△f.dt） =

0 (3.2.15)

i=1,2,……n

其中：

PGi为各调频机组的实际有功功率

KG1为各调频机组的有差调节系数

аi各调频机组的有功功率分配系数

△f为系统频率对额定频率的偏差

在该公式中，第一项△f完全是为了加快调节过程的作用。在调节过程结束时，△f必须为零。否则，∫KGS△f.dt就会不断地增加或减少，整个调节过程永远不会结束。

所以在调整过程结束时，仍有：

PGi

=аi∫KGS△f.dt ( 3.2.16)

对整个系统来说，如计划外负荷为Pfh，则调频结束时，

n n

Pfh = ΣPGi =Σаi∫KGS△f.dt

i=1 i=1

n

KGS∫△f.dt= Pfh / Σаi

i=1

则分配到每台机组的有功功率为：

n

PGi = Pfh *аi /

Σаi

(3.2.17)

i=1

因此，计划外的负荷是按一定的比例在在各台调频机组之间进行分配的。