電力系統(tǒng)頻率調(diào)整

1、電力系統(tǒng)負(fù)荷可分為三種。第一種變動(dòng)幅度很小，周期又很短，這種負(fù)荷變動(dòng)由很大的偶然性。第二種變動(dòng)幅度較大，周期較長，屬于這類負(fù)荷的主要有電爐、電氣機(jī)車等帶有沖 擊性的負(fù)荷。第三種負(fù)荷變動(dòng)幅度最大，周期也最長，這一種是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變 化引起的負(fù)荷變動(dòng)。電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體可分為一次、二次、三次調(diào)整三種。一次調(diào)整或頻率的一次調(diào)整指由發(fā)電機(jī)的調(diào)速器進(jìn)行的，對(duì)第一種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移的調(diào)整。二次調(diào)整或頻率的二次調(diào)整指由發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器進(jìn)行的，對(duì)第二種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移的調(diào)整。三次調(diào)整其實(shí)就是指按最優(yōu)化準(zhǔn)則分配第三種有規(guī)律變動(dòng)的負(fù)荷，即責(zé)成各發(fā)電廠按事先給定的發(fā)電負(fù)荷曲線發(fā)電。

2、 在潮流計(jì)算中除平衡節(jié)點(diǎn)外其他節(jié)點(diǎn)的注入有功功率之所以可 以給定，就是由于系統(tǒng)中大部分電廠屬于這種類型。這類發(fā)電廠又稱為負(fù)荷監(jiān)視。至于潮流計(jì)算中的平衡節(jié)點(diǎn)，一般可取系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)的發(fā)電廠母線，這其實(shí)是指擔(dān)負(fù)二次調(diào)頻任務(wù)的發(fā)電廠母線。 一：調(diào)整頻率的必要性 電力系統(tǒng)頻率變動(dòng)時(shí)，對(duì)用戶的影響： 用戶使用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān)。 系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定將會(huì)影響電子設(shè)備的工作。 頻率變動(dòng)地發(fā)電廠和系統(tǒng)本身也有影響： 火力發(fā)電廠的主要廠用機(jī)械一風(fēng)機(jī)和泵，在頻率降低時(shí)，所能供應(yīng)的風(fēng)量和水量將迅速減少，影響鍋爐的正常運(yùn)行。 低頻運(yùn)行還將增加汽輪機(jī)葉片所受的應(yīng)力，引起葉片的共振，縮短葉片的壽命，甚至使葉片

3、斷裂。 低頻運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的通風(fēng)量將減少，而為了維持正常電壓，又要求增加勵(lì)磁電流，以致使發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫升都將增加。為了不超越溫升限額，不得不降低發(fā)電機(jī)所發(fā)功率。 低頻運(yùn)行時(shí)，由于磁通密度的增大，變壓器的鐵芯損耗和勵(lì)磁電流都將增大。也為了不超越溫升限額，不得不降低變壓器的負(fù)荷。 頻率降低時(shí)，系統(tǒng)中的無功功率負(fù)荷將增大。而無功功率負(fù)荷的增大又將促使系統(tǒng)電壓水 平的下降。 頻率過低時(shí)，甚至?xí)拐麄€(gè)系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。 調(diào)整系統(tǒng)頻率的主要手段是發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，或簡稱自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)， 特別時(shí)其中的調(diào)速器和調(diào)頻器（又稱同步器）。二：發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)有功功率靜態(tài)頻率特性電源有功功率靜

4、態(tài)頻率特性通?？梢岳斫鉃榫褪前l(fā)電機(jī)中原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率的靜態(tài)頻率特性。 原動(dòng)機(jī)未配置自動(dòng)調(diào)速時(shí)，其機(jī)械功率與角速度或頻率的關(guān)系：R =G ' V 2 =Gf gf2式中各變量都是標(biāo)幺值；通常 C1 =2C2。解釋如下：機(jī)組轉(zhuǎn)速很小時(shí)，即使蒸汽或水在它葉輪上施加很大轉(zhuǎn)矩M m，它的功率輸出Pm仍很小，因功率為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積 ；機(jī)組轉(zhuǎn)速很大時(shí)，由于進(jìn)汽或進(jìn)水速度很難跟上葉輪 速度，它們在葉輪上施加的轉(zhuǎn)矩很小，功率輸出仍然很小；只有在額定條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 都適中，它們的乘積最大，功率輸出最大。 調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)頻器的二次調(diào)整作用在于 ：原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷改變時(shí)，手動(dòng)或自動(dòng)地操作調(diào)頻器，使有一次調(diào)整的靜

5、態(tài)頻率特性曲線平行移動(dòng)，有調(diào)頻器的二次調(diào)整后，原動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)就從一根僅有一次調(diào)整的靜態(tài)頻率特性曲線過渡到另一根曲線。三：頻率的一次調(diào)整Kg = - R/：f稱為發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率，以MW/Hz或MW/ (0.1Hz)為單位。它的標(biāo)幺值則是：FG f NKg* = - - KGfN/FGNPGNf發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)志了隨頻率的升降發(fā)電機(jī)組發(fā)出功率較少或增加的多少。這個(gè)單位調(diào)節(jié)功率和機(jī)組的調(diào)差系數(shù) a互為倒數(shù)。Kg =【=FGn100二fN；Kg* = 1100。調(diào)差系數(shù)。%或與之對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的，一般整定為:汽輪機(jī)組二一% =3 ： 5或Kg* =33.3 : 20水

6、輪機(jī)組二% =2 : 4或Kg=50 ： 25綜合負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性Kl = 一 PL/ f稱為負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率，也以MW/Hz或MW/ (0.1Hz)為單位。它的標(biāo)幺值則是Kl*ARf n rL N = Kl fN / FLn Pln f負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)志了隨頻率的升降負(fù)荷消耗功率增加或較少的多少。它的標(biāo)幺值在數(shù)值上就等于額定條件下負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。所謂負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)系指一定頻率下負(fù)荷隨頻率變化的變化率旺Fl*/ f* =Kl* df*顯然，負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率不能整定。電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率Kl*大致為1.5。發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的頻率特性和負(fù)荷頻率特性的交點(diǎn)就是系統(tǒng)的原始

7、運(yùn)行點(diǎn)。設(shè)負(fù)荷突然增加APlo ,則由于負(fù)荷突增時(shí)發(fā)電機(jī)功率不能即使隨之變動(dòng)，機(jī)組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。而在系統(tǒng)頻率下降的同時(shí)， 發(fā)電機(jī)組的功率將因它的調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷的功率將因本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少。前者沿原動(dòng)機(jī)的頻率特性向上增加，后者沿負(fù)荷的頻率特性向下減少，經(jīng)過一個(gè)衰減的振蕩過程抵達(dá)一個(gè)新的平衡點(diǎn)。Plo =(Kg Kl) f- PmZ . f = Kg K KsLOG L SKs稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，也以MWZHz或MWZ(0.1Hz)為單位。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率也可以用標(biāo)幺值來表示。以標(biāo)幺值表示時(shí)的基準(zhǔn)功率通常就取系統(tǒng)原始運(yùn)行狀態(tài)下的總負(fù)荷。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)志了系

8、統(tǒng)負(fù)荷增加或減少時(shí)，在原動(dòng)機(jī)調(diào)速器和負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。因此，從這個(gè)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率ks可求取在允許的頻率偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)能承受多少負(fù)荷增減。可見，系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率取決于兩個(gè)方面，即發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率和負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率。因?yàn)樨?fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率不可調(diào)，要控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率只能從控制、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率或調(diào)速器的調(diào)差系統(tǒng)入手?？磥碇饕獙⒄{(diào)差系數(shù)整定得小些或發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率整定得大些就可以保證頻率質(zhì)量。但從實(shí)際上，系統(tǒng)中不止一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，調(diào)差系統(tǒng)不能整定得過小。如某臺(tái)機(jī)組已經(jīng)滿載， 可認(rèn)為該機(jī)組已不能參加調(diào)整，它的調(diào)差系數(shù)無窮大。系統(tǒng)的單位

9、調(diào)節(jié)功率 Ks不可能很大，所以依靠調(diào)速器進(jìn)行的一次調(diào)整只能限制周期較短、幅度較小的負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移。負(fù)荷變動(dòng)周期更長、幅度更大的調(diào)頻任務(wù)自然落到了二次調(diào)整上。四：頻率的二次調(diào)整頻率的二次調(diào)整就是手動(dòng)或自動(dòng)地操作調(diào)頻器使發(fā)電機(jī)的頻率特性平行地上下移動(dòng)，從而使負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移可保持在允許范圍內(nèi)。在一次調(diào)整的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次調(diào)整就是在負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率下降越出允許范圍時(shí)，操作調(diào)頻器，增加發(fā)電機(jī)組發(fā)出的功率，使頻率特性向上移動(dòng)。只進(jìn)行一次調(diào)整時(shí)，負(fù)荷的增量APlo可分解為兩部分：一部分是因調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機(jī)組功率 -KGAf'，另一部分是因負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功

10、率KLAf'。不僅進(jìn)行一次調(diào)整而且進(jìn)行二次調(diào)整時(shí)，這個(gè)負(fù)荷增量APlo可分解為三個(gè)部分：一部分是由于進(jìn)行了二次調(diào)整，發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率ARG。；另一部分仍是由于調(diào)速器的調(diào)整而增發(fā)''''的發(fā)電機(jī)功率-KGf ;第三部分仍是由于負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率Kf。則：Flo - Pgo =-(原 Kl) f=KgKl =Ks如APl。= AFG。，即發(fā)電機(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量APLO，則Af = 0 ,亦即實(shí)現(xiàn) 了所謂的無差調(diào)節(jié)。進(jìn)行二次調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)中負(fù)荷的增減基本上要靠調(diào)頻機(jī)組或調(diào)頻廠承擔(dān)。雖可適當(dāng)增加其他機(jī)組或電廠的單位調(diào)節(jié)功率以減少調(diào)頻

11、機(jī)組或調(diào)頻廠的負(fù)擔(dān)，但數(shù)值畢竟有限。這就使調(diào)頻廠的功率變動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于其他電廠。如調(diào)頻廠不位于負(fù)荷中心，則這種情況可能使調(diào)頻廠與系統(tǒng)其他部分聯(lián)系的聯(lián)絡(luò)線上流通的功率超出允許值。這樣，就出現(xiàn)了在調(diào)整頻率的同時(shí)控制聯(lián)絡(luò)線上流通功率的問題。圖中Ka，Kb分別為聯(lián)合前 A、B兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。設(shè) A、B兩系統(tǒng)中都設(shè)有二次調(diào)整的電廠，它們的功率變量分別為 APGa，AFGb； A、B兩系統(tǒng)的負(fù)荷變量則分別為 APla,APlb。設(shè)聯(lián)合線上的交換功率 APAb，由A流向B為正值。聯(lián)合前，對(duì)A系統(tǒng)Ra-*a = Kaa對(duì)B系統(tǒng)'.Flb 'PGb t-Kb /b聯(lián)合后，通過聯(lián)絡(luò)線A流向B的

12、交流功率，對(duì) A來說，可以看做一個(gè)負(fù)荷Ra Rb - Ra Ka a對(duì)B來說，這交換功率看做一個(gè)電源 PLB - ':班 - ' Rb = 一 K b fB聯(lián)合后，系統(tǒng)頻率一致,AfA=AfB=Af 可得,(Fla- Ra)("lb - Rb)=(KaKb) f(Ka Kb)代入上式，PabK a( '：plb - Fgb ) Kb (. 'Fla - '：pga)Ka Kb令："PLa-Sa PaLRb 一 Pgb PAPa,AR分別為兩系統(tǒng)的功率缺額，貝U：.s-沖 5(Ka Kb)Ka R -Kb RKa Kb可見，聯(lián)合系統(tǒng)頻率

13、的變化取決于這系統(tǒng)總的功率缺額和總的系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率。這理應(yīng)如此，因兩系統(tǒng)聯(lián)合后，應(yīng)看做一個(gè)系統(tǒng)。且如A系統(tǒng)沒有功率缺額，即 APA=0,則聯(lián)絡(luò)線由A流向B的功率要增大；而如果 B系統(tǒng)的功率缺額完全由 A系統(tǒng)增發(fā)的功率所抵償，即APb = -"a，則Af =0 , APAb = APb = 一 Pa。這種情況下，雖可保持系統(tǒng)頻率不變，B系統(tǒng)的功率缺額 APb或A系統(tǒng)增發(fā)的功率 -A Pa卻要如數(shù)通過聯(lián)絡(luò)線由 A流向B傳輸。這就是調(diào)頻廠設(shè)在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心而且要實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)的情況。五：頻率調(diào)整廠的選擇這種調(diào)頻廠必須滿足一定的要求，如調(diào)整容量應(yīng)足夠大，調(diào)整速度應(yīng)足夠快， 調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性好，調(diào)整時(shí)不至引起系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線工作的困難，等。調(diào)整速度也是一個(gè)重要的問題。一個(gè)容量為5000MW的系統(tǒng)中，負(fù)荷上升的速度可達(dá)15-20MW/min。但急劇的負(fù)荷變動(dòng)將使火電廠的鍋爐、汽輪機(jī)受損傷或因燃燒不穩(wěn)定而熄火。一般，高溫高壓鍋爐從 70%-80%額定負(fù)荷上升至滿負(fù)荷約1-5min；中溫中壓鍋爐從 50%額定負(fù)荷上升至滿負(fù)荷僅需1min,比較快；汽輪機(jī)很慢，在50%-100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)，每分鐘僅達(dá)2%-5%。因此，火電廠中限制調(diào)整速度的主要是汽輪