初中物理 第三章电力系统的频率及有功功率的自动调节

第三章电力系统的频率及有功功率的自动调节f=pn/60式中f－－发电机频率，HZP－－发电机转子的极对数；n－－机组转速，r/min。

由上式可知，要控制发电机频率就得控制机组转速。

第一节电力系统的频率特性一、电力系统频率控制的必要性1、频率对电力用户的影响（1）电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化。

有些产品（如纺织和造纸行业的产品）对加工机械的转速要求很高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和废品。

（2）系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。

这对一些重要工业和国防是不能允许的。

（3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和出力降低，影响电力用户设备的正常运行。

2、频率对电力系统的影响1）频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。

对于额定频率为50Hz的电力系统，当频率降低到45Hz附近时，某些汽轮机的叶片可能发生共振而断裂，造成重大事故。

2）下降到47～48Hz时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨媒机等发电厂厂用机械的出力随之下降，使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。

这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度，这种现象称为频率雪崩。

出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。

3）核电厂中，反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。

当频率降到一定数值时，冷却介质泵即自动跳开，使反应堆停止运行。

4）电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功损耗增加，引起系统电压下降。

频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降低。

如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时，可能出现电压快速而不断地下降，即所谓电压雪崩现象。

出现电压雪崩会造成大面积停电，甚至使系统瓦解。

二、电力系统有功功率控制的必要性1、维持电力系统频率在运行范围之内2、提高电力系统运行地经济性3、保证联合电力系统地协调运行三、机械液压调速器首先按图说明调速器的构成：测速机构：离心飞摆执行机构：错油门和油动机及其连杆转速给定：同步器调差机构：〉C 点下降——〉F ，E 下降——〉B 点上升同时转速n 上升引起A 上升——〉C 点上升——〉E 点上升回到原来位置调节结束。

调节结束后b 点比原来高，a 点比原来低，c 点不懂。

为有差调节，若去掉b 点和活塞的连杆则为无差调节。

二次调节的过程：抬高D 点，因为BCA 先不动——〉E 下降——〉B 上升——〉n 上升——〉A 上升——〉C 上升——〉F 上升——〉E 点上升重新堵死油路调节结束，ACB 集体抬高给出调差系数的概念，定义由调节特性给出调差的概念：21*21()()e ef f f P P P δ-=-- *e f f f δ-=满空并从概念上解释两个定义的等价关系失灵区的影响：失灵区过大会导致误差功率过大，过小会导致调速器频繁动作，对机组和系统都不利，故一般小于0.2%-0.5%；失灵区一定的情况下误差功率与调差系数成反比四、电力系统频率和有功功率自动控制的基本原理现代电力系统中并联运行的发电机组台数很多，负荷的数量就更多，且分布在辽阔的地理区域之内。

不难想象，控制如此庞大的电力系统，使频率满足要求、功率分布得经济合理是一项十分复杂得工作。

为了使问题简化并突出主要矛盾，在分析电力系统频率和有功功率自动控制时 ，常将电力系统内并联运行得所有机组用一台等效机组代替；将电力系统内所有负荷用一个等效负荷代替；然后使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制得基本原理和方法进行分析和计算。

1电力系统负荷的静态频率特性负荷的有功功率随着频率而变化得特性叫做负荷的静态频率特性。

电力系统负荷功率与频率的关系为()()()0122L 0Le 1Le 2Le Le 012L 012L 12n 1n nn e n n n L Le e a a a P a P a P f f a P f fe a P f fe P a a a a f f f P P P f f f a a a a ******=++++=++++==++++=—与频率无关的负荷功率所占的比例系数；—分别为与频率的次方、次访和次方成正比的负荷功率所占的比列系数。

，， 零次方负荷：负荷功率与频率变化无直接关系，如电热、照明、电弧炉及整流负荷。

一次方负荷：负荷功率与频率成比例关系，如金属切削机床、磨煤机、卷扬机等。

二次方负荷：负荷功率与频率平方成比例关系，这类机械不多，但电力系统中的网损即是。

三次方负荷：负荷功率与频率三次方成比例关系，火电厂的厂用机械多属于此类，如鼓风机、循环水泵等。

此外，还有一些高水头的水泵，如给水泵，则是与频率的更高次方成正比。

电力系统负荷的静态频率特性曲线如图所示。

可以看出当频率下降时负荷从系统取用的有功功率将下；系统频率升高时负荷从系统取用的有功功率将增加。

这种现象称为电力系统负荷的频率调节效应，简称负荷调节效应，并用负荷调节效应系数来衡量负荷调节作用的大小。

21L L L 123n 23n K dP df K a a a na f f f -****==++++；负荷调节效应与负荷的组成和比重有关。

2电力系统等效发电机组的静态调节特性等效机组的调差系数和以及静态调节方程式的物理意义与单机调速系统一直。

调差系数的倒数称为机组的单位调节功率，即()1/1G G G G MW Hz f f P K P K δδ****==-∆==-∆∆∆ 3电力系统频率控制的基本原理 结合教材图形，从概念上解释发展过程，假设无调速器稳定在b 点。

频率的一次调整稳定在c 点。

增加的负荷功率一部分通过负荷自己的调节特性使负荷少吸收来承担，一部分由发电机组通过降低频率增加频率的二次调整 改变频率或转速给定环节回复到原额定运行频率。

负荷增量将全部由调频机组承担。

调频电厂的选择电力系统中并联运行的发电机组都装有调速器。

当系统负荷变化时，有可调容量的机组均参与频率的一次调整，而二次调整只由部分发电厂承担。

从是否承担频率的二次调整任务出发，可将系统中所有发电厂分为调频厂和非调频厂两类。

调频厂负责全系统的频率调整任务；非调频厂在系统正常运行情况下只按调度控制中心预先安排的负荷曲线运行，而不参加频率调整。

选择调频电厂时，主要考虑下列因素：(1)具有足够大的容量和可调范围；(2)允许的出力调整速度满足系统负荷变化速度的要求；(3)符合经济运行原则；(4)联络线上交换功率的变化不致影响系统安全运行。

水轮发电机组的出力调整范围大，允许出力变化速度快，一般宜选水电厂担任调频。

4电力系统的有功功率控制并联运行机组间的有功功率分配第二节 调频与调频方程式一、有差调频法1）调频方程式：有差调频法指用有差调频器进行并联运行，达到系统调频的目的的方法。

有差调频器的稳态工作特性可以用下式表示，即2）调频过程：调频器的调整是向着满足调频方程式的方向进行的。

3）机组间有功功率的分配：当系统中有n 台机组参加调频4）优缺点：各机组同时参加调频，没有先后之分计划外负荷在调频机组间是按一定的比例分配的频率稳定值的偏差较大。

二、主导发电机法1）调频方程式：2）调频过程：设系统负荷有了新的增量∆P fhe ，主导发电机调频器的调节方程的原有平衡状态被首先打破，无差调频器向着满足其调节方程的方向对机组的有功出力进行调整，随之出现了新的∆P1值，于是其余n－1 个调频机组的功率分配方程式的原有平衡状态跟着均被打破，它们都会向着满足其功率分方程的方向对各自机组的有功出力进行调节，即出现了“成组调频” 的状态。

调频过程一直要到∆P C1不再出现新值才告结束。

无差调频系统原理图如下：3）机组间有功功率的分配：4）优缺点：各调频机组间的出力也是按照一定的比例分配的。

在无差调频器为主导调频器的主要缺点是各机组在调频过程中的作用有先有后，缺乏“同时性”。

三、积差调频法（同步时间法）1）调频方程式：积差调频法（或称同步时间法）是根据系统频率偏差的累积值进行工作的。

单机积差调节的调频方程式为：2）调频过程：单机调节过程如下图所示3）机组间有功功率的分配：4）优缺点：频率积差调节法的优点是能使系统频率维持额定。

计划外的负荷能在所有参加调频的机组间按一定的比例进行分配。

缺点是频率积差信号滞后于频率瞬时值的变化，因此调节过程缓慢。

四、改进积差调频法1）调频方程式：在频率积差调节的基础上增加频率瞬时偏差的信息2）调频过程：当系统频率变化时，按∆f启动的调速器会比按积差工作的调频器先进行大幅度的调整，到频差累积到一定值时，调频器会取代调速器的工作特性，使频率稳定在fe，调速器的作用为一次调频，积差调频为二次调频。

3）机组间有功功率的分配K∫∆fdt 代表了系统计划外负荷的数值（K 是一个转换常数），在调频结束时，计划外负荷是按一定比例在调频机组间进行分配的。

4）优缺点：集中制调频的主要优点是各机组的功率分配是有比例的，也即式中的αi，αi是按照经济分配的原则给出的。

主要缺点是各调频装置的误差会带来系统内无休止的无谓的功率交换。

五、分区调频法分区控制误差ACE,联络线功率应维持为计划功率,A区负荷不变时，B区负荷增长，∆f<0，联络线上出现A端流向B端的功率增量，即∆PAB >0, ∆f和∆ PAB 的符号相同，本区有负荷变动,∆f和∆ PAB的符号不同，它区有负荷变动.找到KA 使0 = KA∆ f+∆PAB,分区控制误差（area control error ）ACE= Ki∆ f+∆ P tiei,0 = ACE 表明本区无负荷变动，无须调频。

第三节电力系统频率及有功功率的自动调节一、等微增率分配负荷的基本概念微增率是指输入耗量微增量与输出功率微增量的比值。

等微增率法则，就是运行的发电机组按微增率相等的原则来分配负荷，这样就可使系统总的燃料消耗（或费用）为最小。

对应于某一输出功率时的微增率就是耗量特性曲线上对应于该功率点切线的斜率，即下图是三种典型的耗量特性与微增率曲线。

发电厂内并联运行机组的经济调度准则为：各机组运行时微增率b1,b2,…,bn 相等，并等于全厂的微增率λ。

下图为发电厂内n台机组按等微增率运行分配负荷时的示意图。

二、发电厂之间负荷的经济分配设有n个发电厂，每个电厂承担的负荷分别为P1，P2，…，Pn，相应的燃料消耗为F1，F2，…，Fn。

三、自动发电控制（AGC/EDC功能）（一）概述电力系统中发电量的控制，一般分为三种情况由同步发电机的调速器实现的控制（一次调整，10S）；由自动发电控制（简称AGC，即英文Automatic Generation Control的缩写）（二次调整，10S~3min）；按照经济调度（简称EDC，即英文Economic Dispatch Control）（三次调整，>3min）。