第五章_电力系统频率及有功功率的自动调节
电力系统分析_穆刚_电力系统的有功功率平衡和频率调整
第五章有功功率平衡和频率调整课程负责人：穆钢教授申报单位：东北电力大学内容提要⏹频率偏移产生的原因、影响、以及允许的频率偏离量？⏹保持频率偏移量不超过一定范围的条件⏹（如何保持有功功率的平衡）⏹电力系统的频率调整⏹有功功率的最优分配5.1电力系统的频率偏移频率变化的原因?频率变化对负荷的影响(1)异步机(2)电子设备(3)电钟频率变化对电力系统的影响(1)水泵、风机、磨煤机(2)汽轮机的叶片(3)变压器的励磁频率允许偏移的范围：50Hz ±(0.2~0.5)Hz系统中负荷的变化你答对了吗?5.2 电力系统有功功率的平衡运行中：规划、设计：◆备用容量:1.按作用形式分∑∑∑+=LDGPP P ∑∑∑+=RGNPP P 负荷备用(2-5%Plmax)检修备用(可能不安排)事故备用(5-10% Plmax 或系统中最大一台单机容量）国民经济发展备用(3-5%Plmax ）2、按存在形式分为两者差一个网损两者差一个厂用电热备用:运转中发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差(旋转备用)冷备用:未运转的、但能随时启动的发发电设备可以发的最大功率(不含检修中的设备)负荷的分类:1.用电负荷2.供电负荷3.发电负荷PP1 P2P3 PΣ有功功率负荷变动曲线t有功功率负荷变动曲线据此图,负荷可以分为三种:第一种变动幅度很小，周期又很短。
变动有很大的偶然性属于这一种的主要有电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动第二种变动幅度较大，周期也较长.第三种变动幅度最大，周期也最长. 该种负荷基本可以预计。
据此,频率调整一次调整:由发电机组的调速器进行的对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整二次调整:由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整三次调整:按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电荷曲线发电。
5.3 电力系统中有功功率的最优分配有功功率的最优分配:●有功功率电源的最优组合即指系统中发电设备或发电厂的合理组合,也就是所谓的机组合理开停.●有功功率负荷的最优分配即指系统的有功功率负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配.最常用的是按等耗量微增率准则分配.火电厂外景各类发电厂的运行特点和合理组合(1)火电厂特点：●需燃料及运输费用，但不受自然条件影响●效率与蒸汽参数有关●受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高压30%，中温中压75%)●机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备●热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率丰满水电厂外景(2)水电厂特点：●不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。
第五章电力系统有功功率与频率的调整
1
电力系统中负荷随时间不断变化，必须调整发电机的出力， 电力系统中负荷随时间不断变化，必须调整发电机的出力， 使之与负荷的有功功率平衡，并同时调整系统的频率， 使之与负荷的有功功率平衡，并同时调整系统的频率，使之 尽量保持不变。 尽量保持不变。 负荷无功的的变化则要求发电机和其他无功补偿设备的运 行情况作相应调整，使之满足负荷无功需求的同时，保证合 行情况作相应调整，使之满足负荷无功需求的同时， 格的供电电压质量。 格的供电电压质量。 在分配和调整各个发电机的功率时，需要考虑它们和线路、 在分配和调整各个发电机的功率时，需要考虑它们和线路、 变压器等设备的容量限制和其他条件， 变压器等设备的容量限制和其他条件，以保证设备和系统运 行的安全性。 行的安全性。 电力系统的运行费用与发电机之间的功率分配密切相关， 电力系统的运行费用与发电机之间的功率分配密切相关， 对系统的运行方式进行决策和调整时必须考虑经济性。 对系统的运行方式进行决策和调整时必须考虑经济性。以上 各点反映了电力系统运行的安全、经济、优质等进本要求。 各点反映了电力系统运行的安全、经济、优质等进本要求。 2
（1）不需燃料费，但一次投资大 不需燃料费， （2）出力调节范围比火电机组大 （3）启停费用低，且操作简单 启停费用低， （4）出力受水头影响 （5）抽水蓄能 （6）必须释放水量－－强迫功率 必须释放水量－－强迫功率 －－
16
一、 各类发电厂的运行特点
3 核电厂
（1）最小技术负荷小，为额定负荷 ～15％。 ）最小技术负荷小，为额定负荷10～ ％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高； 启停 ）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高； 及急剧调节时，易于损坏设备。 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。 ）一次投资大，运行费用小。
《电力系统分析》第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
PG 2
0.53 0.18 0.0036
97
PL PG1 PG2 197
因此，负荷继续增加时，增加的负荷应由发电设备2承担， 两套设备的综合耗量微增率也就取决于发电设备2。
（b）PL 100MW，按最优分配时，有
PL
PG1
PG 2
0.25
0.0028
0.18
（以下简称负荷）时刻都在 作不规则变化，如右图所示。 对系统实际负荷变化曲线的 分析表明，系统负荷可以看 作是由三种具有不同变化规 律的变动负荷所组成：第一 种变化幅度很小，变化周期 短，负荷变动有很大的偶然 性；第二种是变化幅度大， 变化周期较长；第三种是变 化缓慢的持续变动负荷。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
2、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量－－强迫功率。 （2）出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简
单。 （3）不需燃料费，但一次投资大，水电厂的运行依水库调
节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
3、原子能发电厂的特点 （1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。
【题库】第5章 电力系统有功功率平衡与频率调整
25、如果发电机不参加调频，当负荷增加时，系统的频率会（ A．升高 B. 降低 C. 不变 D．不能确定
26.系统进行频率调整可以分为一次及二次调整，其中可以实现无差 调节的是（ A.一次调频 C.一、二次调频均可以 ） B.二次调频 D.一、二次调频都不可以 ）
27、关于电力系统频率的调整，下述说法中错误的是（
A．比耗量
20.单位时间内输入能量增量与输出功率增量的比值称为（ A．比耗量 B.耗量特性 C.耗量微增率
）
D.等耗量微增率 )
21、发电机的单位调节功率可以表示为( A. C.
KG PG f PG f
B. D.
KG
f PG
KG
KG
f PG
22、负荷的单位调节功率可以表示为（ A．KL= C．KL
10、从技术和经济角度看，最适合担负系统调频任务的发电厂是 （ ）。
A.具有调整库容的大型水电厂 B.核电厂 C.火力发电厂 D.径流式大型水力发电厂 11、电力系统的有功电源是（ ） A．发电机 B．变压器 C．调相机 D．电容器 ）
12、系统备用容量中，哪种容量可能不需要专门设置（ A.负荷备用 C.检修备用 B.事故备用 D.国民经济备用
2、频率变化是系统负荷与电源之间( A．电压 C．电流 B．有功功率 D．无功功率 ）
)失去平衡所致。
3、电力系统的频率主要决定于（ A.有功功率的平衡 C.电压质量
B.无功功率的平衡 D.电流的大小 ）
4、电力系统频率调整的基本原理是（
A.根据负荷的变化，调整电力系统中无功电源的出力，将系统频率限 制在允许范围 B.根据负荷的变化，调整发电机的有功出力，将系统频率限制在允许 范围 C.根据系统频率的变化，切除或投入负荷，将电力系统频率限制在允 许范围 D.根据负荷的变化调整系统中变压器的分接头， 将电力系统频率限制 在允许范围 5、下面所列的电力系统负荷波动中，可以预测的是（ A.由用电设备的投入和退出运行所引起的第一类负荷变化 B.由大容量的用电设备投入或退出所引起的第二类负荷变化 C.由生产、生活规律和气象条件变化所引起的第三类负荷变化 D.第一类和第二类负荷变化 6． 为考虑随国民经济发展的负荷超计划增长而设置一定的备用容量， 称为( ) ）
电力系统有功功率平衡与频率调整
第五章 电力系统有功功率平衡与频率调整主要内容提示本章主要讨论电力系统中有功功率负荷的最优分配和频率调整。
§5-1电力系统中有功功率的平衡 一、电力系统负荷变化曲线 在电力系统运行中，负荷作功需要一定的有功功率，同时，传输这些功率也要在网络中造成有功功率损耗。
因此，电源发出的有功功率必须满足下列平衡式：∑∆+∑=∑P P P Li Gi式中Gi P ∑—所有电源发出的有功功率；Li P ∑—所有负荷需要的有功功率； ∑∆P —网络中的有功功率损耗。
可见，发电机发出的功率比负荷功率大的多才行。
当系统中负荷增大时，网络损耗也将增大，发电机发出的功率也要增加。
在实际电力系统中，负荷随时在变化，所以必须靠调节电源侧，使发电机发出的功率随负荷功率的变化而变化。
负荷曲线的形状往往是无一定规律可循，但可将这种无规则的曲线看成是几种有规律的曲线的迭加。
如图5-1所示，将一种负荷曲线分解成三种曲线负荷。
第一种负荷曲线的变化，频率很快，周期很短，变化幅度很小。
这是由于想象不到的小负荷经常性变化引起的。
第二种负荷曲线的变化，频率较慢，周期较长，幅度较大。
这是由于一些冲击性、间歇性负荷的变动引起的，如大工厂中大电机、电炉、电气机车等一开一停。
第三种负荷曲线的变化，非常缓慢，幅度很大。
这是由于生产、生活、气象等引起的。
这种负荷是可以预计的。
对于第一种负荷变化引起的频率偏移进行调整，称为频率的“ 一次调整”。
调节方法一般是调节发电机组的调速器系统。
对于第二种负荷变化引起的频率偏移进行调整，称为频率的“二次调整”，调节方法是调节发电机组的调频器系统。
对于第三种负荷的变化，通常是根据预计的负荷曲线，按照一定的优化分配原则，在各发电厂间、发电机间实现功率的经济分配，称为有功功率负荷的优化分配。
二、发电厂的备用容量电力系统中的有功功率电源是发电厂中的发电机，而系统中装机容量总是大于发电容t量，即要有一定的备用容量。
系统的备用容量包括：负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用。
电力系统频率及有功功率的自动调节
f
f2
f3
fn
P
P
P
(
)
P
(
)
P
(
)
P
(
)
L 0
LN
1
LN 2
LN
3
LN
n
LN
f
f
f
f
N
N
N
N
将上式除以PLN，则得标么值形式，即
P
f
f
f
f
2
3
L
01
2
3
当系统的频率为额定值时: PL 1
于是
n
n
f 1
综合负载的功率-频率特性近似表达式：
P
P
e
L
根据国内外一些实例，负荷的静态特性曲线在额定频
率附近（48～51HZ）接近于一条直线，如图所示。
•
直线的斜率为：
p
tan
f
L
说明：
1）负荷的频率效应起到减轻系统能量不平衡的作用。
3）电力系统允许频率变化的范围很小，为此负荷功率与
a
a
a
a
a
1
0
1
2
3
n
通常与频率变化三次方以上成正比的负荷很少，可忽略其影响。
4、负荷的静态频率特性
P
电力系统频率及有功功率的自动调节与控制
二、电力系统负荷调节效应
1、当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变。 有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率—频率特性，是负 荷的静态频率特性，也称作负荷的调节效应。
2、电力系统中各种有功负荷与频率的关系 (1) 与频率变化无关的负荷，如白炽灯、电弧炉、电阻炉和整流负 荷等。它们从系统中吸收有功功率而不受频率变化的影响。
PL a0 a1 f a2 f2 a3 f3
0.35 0.4 0.96 0.1 0.962 0.15 0.963
0.35 0.384 0.092 0.133 0.959
PL % (1 0.959) 100 4.1
KL
PL % f %
4.1 4
1.025
电力系统自动化
Pc
PB
B K
保持不变
电力系统自动化
第三章 电力系统频率及有功功率的自动调节
积差调节法的特点是调节过程只能在 结束， 常数， 此常数与计划外负荷成正比。
3、机组间的有功功率分配 多机组采用积差调频法调频时，可采用集中式、分散式两种形式。
电力系统自动化
第三节 电力系统调频与自动发电控制
调频方程组
由于系统中各点的频率是相同的，各机组
m PTi 1
m PGi 1
PL
d dt
m (Wki )
1
系统的频率的变化是由于发电机的负荷与原动机输入功率之间失去平衡所致， 因此调频与有功功率是不可分开的。
第一节 电力系统频率特性
频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成严重后果。
（1）对汽轮机的影响，当频率低至45HZ时，个别的叶片可能发生共 振而引起断裂事故。 （2）发生频率崩溃现象。 （3）发生电压崩溃现象，系统运行的稳定性遭到破坏，最后导致系 统瓦解。
第五章电力系统频率及有功功率的自动调节
•KL = 1.5 × ( 3650 / 50 ) = 109.5 ( MW / HZ )
•* 由此可知, KL的数值与系统的负荷大小有关.
第五章电力系统频率及有功功率的自 动调节
三、发电机组的功率——频率特性
第五章电力系统频率及有功功率的自 动调节
三、发电机组的功率——频率特性
•f
•PL = f(f)
•PL1 = f(f)
•fN
•a
•d
•f2 •f3
•b
•c •ΔPL
•PG=f(f)
•无调速 •有调速
•到状态b，PL未变，PG没增 加
•ΔPL2 •ΔPL1
•到状态c，再调可以到状态d
•PL
•PL2•PL1
•P
•调速器的调节作用被称为一次调节。 第五章电力系统频率及有功功率的自 动调节
•4 电液转换及液压系统 •电液转换器把调节量由电量转换成非电量油压。液 压系统由继动器、错油门和油动机组成。
•5 调速器的工作
第五章电力系统频率及有功功率的自 动调节
•三 数字式电液调速器
•控制电路部分的功能用微机实现。
第五章电力系统频率及有功功率的自 动调节
• • 主机根据采集到的实时信息，按预先确定的控制 规律进行调节量计算，计算结果经过D/A变换输 出去控制电/液压转换，再由液压伺服系统控制原 动机的输入功率，完成调速或调频的任务。
第五章电力系统频率及有功功率的自 动调节
•第三节 电力系统频率调节系统及其特性
•一 调节系统的传递函数
▪ 传递函数是分析调节系统性 能的重要工具，电力系统的 频率和有功功率调节系统， 主要是由调速器、发电机与 原动机和电网环节组成，传 递函数分别讨论如下：
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例5-1 某电力系统中,与频率无关的负荷占30％,与频率一次方成 比例的负荷占40％,与频率二次方成比例的负荷占10％,与 频率三次方成比例的负荷占20％.试求当系统频率由50HZ 下降到47HZ时,负荷功率变化的百分数及其相应的KL*的大小. 解: 由公式可以求出频率下降到47HZ时系统的负荷为: PL* ＝ a0+a1f*+a2f*2+a3f*3 =0.3+0.4×0.94+0.1×0.942+0.2× 0.943=0.93
则 Δ PL%=(1-0.93) ×100%=7% Δ f%=(1-47 / 50) ×100%=6%
于是 KL*=ΔPL*% / Δf*%= 7 / 6 =1.17
例5-2 某电力系统总有功负荷为3200MW(包括电网的有功 损耗),系统的频率为50HZ,若KL*=1.5,试求KL .
解 由式(4-8)可得
一般情况下，取到三次方即可。 负荷的组成和性质确定后，负荷静态频率特性也确定。
电力系统的频率特性
❖ 电力系统负荷的功率 - 频率特性
负荷的静态频率特性：PL F(f)
PL
频率下降时，负荷功率也下降到 PLb ；
PLN
a
b
PLb
频率上升时，负荷功率也上升到 PLa 。
系统功率失去平衡时，系统负荷也
fb fN
C
fN
ΔP2
f1ΣPL
ΣP’
B ΔP1
P2 P2’ P2
P1
P1’ P1
两机组间的功 率增量分配
发电机频率调整是由原动机的调速系统来实现的。 发电机的功率－频率特性取决于调速系统特性。 系统负荷改变调速系统调整进汽量调节发电机输入功率 由于频率变化而引起的发电机输出功率的变化称为发电机组的 功率－频率特性或调节特性。
三、发电机组的功率——频率特性
❖ （一）发电机的功率 - 频率特性
发电机转矩方程： MGAB
机组的动能
频率变化是系统负荷与电源之间的功率失去平衡所致。 调频与有功功率调节密不可分。
电力系统负荷不断变化，原动机输入功率变化缓慢，频率 波动在所难免。
电力系统运行的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制。
频率偏差允许范围：一般偏差不超过± 0.2Hz，有点地区 为± 0.1Hz
电力系统的频率特性
f
负荷的频率调节效 应系数
参与了调节作用。系统的负荷随频 率下降的负荷特性有利于系统中有功
功率在另一频率下重新平衡，这种现 象称为负荷调节效应。
K L * d d L * * P fa 1 2 a 2 f * 3 a 3 f * 2 n n f * n a 1 1 nm a m f * m 1
➢ 与频率的三次方成比例的负荷，如通风机、静水头阻力 不大的循环水泵等;
➢ 与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很大的 给水泵等。
3. 负荷的功率—频率特性一般表达式
PLa0PLNa1PLNffNa2PLNffN2a3PLNffN3anPLNffNn 标么化： PL*a0a1f*a2f*2a3f*3anf*n 其中a0： a1a2a3an1
第五章 电力系统频率及有功 功率的自动调节
发电自动控制示意图
△P
P－f
△f
控制器
△Pc
蒸汽 汽阀
执行 机构
汽轮机
控制
Q－U 控制器
可控 励磁电源
励磁绕组
发电机
测量
△f
频率检测
到发电机母线
第一节 电力系统的频率特性
❖ 一、概述
频率是电能质量的重要指标之一。
电网稳态条件下的频率 f 是全系统一致的运行参数
f pn
60
忽略机组内部损耗时：
m
m
PTi PGi
如果由于负荷的突然变动，是发电1 机组的1 输出功率增加 PL
则：
m
m
PTi PGiPL
1
1
机组的输入功率小于负荷要求功率，为了保持平衡，把转子的一部分
动能转化成电功率，使发电机转速降低，系统的频率下降。
第一节 电力系统的频率特性
m 1 P Tim 1 P G i P Ld d(tm 1W K)i
ω* f* PG*
功率方程：
PGC1C2 2
1.0
MG*
P*
无调速器时，转速和转矩都为额定值，
1.0
M*
输出功率最大值。
三、发电机组的功率——频率特性
❖ （一）发电机的功率 - 频率特性
但发电机配置调速器后，随 着转速的变动，不断调节进 气量，使原动机的运行点从 一条静态特性曲线向另一条 静态特性曲线过渡。
KL = KL* ×( PLN / fN ) = 1.5 × ( 3200 / 50 ) = 96 ( MW / HZ )
若系统负荷增长到3650MW时,则有
KL = 1.5 × ( 3650 / 50 ) = 109.5 ( MW / HZ )
* 由此可知, KL的数值与系统的负荷大小有关.
三、发电机组的功率——频率特性
电网频率变动情况
★
P
频率波动对电网运
负荷瞬时变动情况 行的影响：
√ 偏离电力设备经
济运行点；
√ 影响用户生产率
随机分量 脉动分量 持续分量
和产品质量； √ 频率过低过高都 会危及电网安全运 行
t
二 电力系统负荷的功率—频率特性
1. 当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变, 这种 有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率—频率特性。
2. 电力系统中各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为以下几类，
➢ 与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整 流负荷等；
➢ 与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水 泵、压缩机、卷扬机等；
➢ 与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗， 但这种损耗在电网有功 损耗中所占比重较小;
负荷的有功功率－频率静态特性简化表达
K L 取决于负荷的性质，与各类负荷所占的比例有关。
在电力系统运行中，允许频率变化的范围是很小的，负荷 有功－频率静态特性用一条近似直线来表示。
KL
tg
PL f
KL
PL/PLNPL f / fN f
KL
KL
fN PLN
K L 是系统调度部门要
求掌握的实测数据，取 值范围在1~3之间。
f
a’
1
a” a”’
2
3
3’
P
有调速系统的发电机功率-频率特性：
f
fN f1
Δf
a b
ΔPG PGa PGb
功率调整时，频率有变化，为有 差调节特性。
f
特性曲线的斜率为：R PG
标么化：
f R*PG
fN f* PGN PG*
PG
或
f*R*PG* 0
（二）调差特性与机组间有功功率分配的关系 Nhomakorabeaf
A