電力系統(tǒng)頻率調整

任務三電力系統(tǒng)的頻率調整、有功功率平衡及各類發(fā)電廠負荷的合理分配項目六電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調整

電力系統(tǒng)的頻率調整、有功功率平衡及各類發(fā)電廠負荷的合理分配1.頻率的一次調整

稱為發(fā)電機的單位調節(jié)功率，以MW/Hz或MW/（0.1Hz）為單位。它的標幺值則是發(fā)電機的單位調節(jié)功率標志了隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出功率較少或增加的多少。這個單位調節(jié)功率和機組的調差系數(shù)互為倒數(shù)?；蛘{差系數(shù)或與之對應的發(fā)電機的單位調節(jié)功率是可以整定的，一般整定為：汽輪機組水輪機組

綜合負荷的靜態(tài)頻率特性稱為負荷的單位調節(jié)功率，也以MW/Hz或MW/（0.1Hz）為單位。它的標幺值則是負荷的單位調節(jié)功率標志了隨頻率的升降負荷消耗功率增加或較少的多少。它的標幺值在數(shù)值上就等于額定條件下負荷的頻率調節(jié)效應。所謂負荷的頻率調節(jié)效應系數(shù)系指一定頻率下負荷隨頻率變化的變化率顯然，負荷的單位調節(jié)功率不能整定。電力系統(tǒng)綜合負荷的單位調節(jié)功率大致為1.5。

發(fā)電機組原動機的頻率特性和負荷頻率特性的交點就是系統(tǒng)的原始運行點。設負荷突然增加，則由于負荷突增時發(fā)電機功率不能即使隨之變動，機組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。而在系統(tǒng)頻率下降的同時，發(fā)電機組的功率將因它的調速器的一次調整作用而增大，負荷的功率將因本身的調節(jié)效應而減少。前者沿原動機的頻率特性向上增加，后者沿負荷的頻率特性向下減少，經過一個衰減的振蕩過程抵達一個新的平衡點?；?6-14)

稱為系統(tǒng)的單位調節(jié)功率，也以MW/Hz或MW/(0.1Hz)為單位。系統(tǒng)的單位調節(jié)功率也可以用標幺值來表示。以標幺值表示時的基準功率通常就取系統(tǒng)原始運行狀態(tài)下的總負荷。系統(tǒng)的單位調節(jié)功率標志了系統(tǒng)負荷增加或減少時，在原動機調速器和負荷本身的調節(jié)效應共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。因此，從這個系統(tǒng)的單位調節(jié)功率可求取在允許的頻率偏移范圍內系統(tǒng)能承受多少負荷增減。

可見，系統(tǒng)的單位調節(jié)功率取決于兩個方面，即發(fā)電機的單位調節(jié)功率和負荷的單位調節(jié)功率。因為負荷的單位調節(jié)功率不可調，要控制、調節(jié)系統(tǒng)的單位調節(jié)功率只能從控制、調節(jié)發(fā)電機的單位調節(jié)功率或調速器的調差系統(tǒng)入手?？磥碇饕獙⒄{差系數(shù)整定得小些或發(fā)電機的單位調節(jié)功率整定得大些就可以保證頻率質量。但從實際上，系統(tǒng)中不止一臺發(fā)電機組，調差系統(tǒng)不能整定得過小。如某臺機組已經滿載，可認為該機組已不能參加調整，它的調差系數(shù)無窮大。

系統(tǒng)的單位調節(jié)功率不可能很大，所以依靠調速器進行的一次調整只能限制周期較短、幅度較小的負荷變動引起的頻率偏移。負荷變動周期更長、幅度更大的調頻任務自然落到了二次調整上。2.頻率的二次調整

頻率的二次調整就是手動或自動地操作調頻器使發(fā)電機的頻率特性平行地上下移動，從而使負荷變動引起的頻率偏移可保持在允許范圍內。在一次調整的基礎上進行二次調整就是在負荷變動引起的頻率下降越出允許范圍時，操作調頻器，增加發(fā)電機組發(fā)出的功率，使頻率特性向上移動。只進行一次調整時，負荷的增量可分解為兩部分：一部分是因調速器的調整作用而增大的發(fā)電機組功率，另一部分是因負荷本身的調節(jié)效應而減少的負荷功率。

不僅進行一次調整而且進行二次調整時，這個負荷增量可分解為三個部分：一部分是由于進行了二次調整，發(fā)電機組增發(fā)的功率；另一部分仍是由于調速器的調整而增發(fā)的發(fā)電機功率；第三部分仍是由于負荷本身的調節(jié)效應而減少的負荷功率。則：(6-15)

如，即發(fā)電機組如數(shù)增發(fā)了負荷功率的原始增量，則，亦即實現(xiàn)了所謂的無差調節(jié)。進行二次調整時，系統(tǒng)中負荷的增減基本上要靠調頻機組或調頻廠承擔。雖可適當增加其他機組或電廠的單位調節(jié)功率以減少調頻機組或調頻廠的負擔，但數(shù)值畢竟有限。這就使調頻廠的功率變動幅度遠大于其他電廠。如調頻廠不位于負荷中心，則這種情況可能使調頻廠與系統(tǒng)其他部分聯(lián)系的聯(lián)絡線上流通的功率超出允許值。這樣，就出現(xiàn)了在調整頻率的同時控制聯(lián)絡線上流通功率的問題。

圖中分別為聯(lián)合前A、B兩系統(tǒng)的單位調節(jié)功率。設A、B兩系統(tǒng)中都設有二次調整的電廠，它們的功率變量分別為；A、B兩系統(tǒng)的負荷變量則分別為。設聯(lián)合線上的交換功率，由A流向B為正值。圖6-7頻率的二次調整

聯(lián)合前，對A系統(tǒng)對B系統(tǒng)聯(lián)合后，通過聯(lián)絡線A流向B的交流功率，對A來說，可以看做一個負荷對B來說，這交換功率看做一個電源聯(lián)合后，系統(tǒng)頻率一致，可得，或（6-16）

代入上式，令：分別為兩系統(tǒng)的功率缺額，則：（6-17）

可見，聯(lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決于這系統(tǒng)總的功率缺額和總的系統(tǒng)單位調節(jié)功率。這理應如此，因兩系統(tǒng)聯(lián)合后，應看做一個系統(tǒng)。且如A系統(tǒng)沒有功率缺額，即，則聯(lián)絡線由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，則，。這種情況下，雖可保持系統(tǒng)頻率不變，B系統(tǒng)的功率缺額或A系統(tǒng)增發(fā)的功率卻要如數(shù)通過聯(lián)絡線由A流向B傳輸。這就是調頻廠設在遠離負荷中心而且要實現(xiàn)無差調節(jié)的情況。3.互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調整

大型電力系統(tǒng)電源和負荷的分布情況比較復雜，在進行頻率調整時，會引起網絡中潮流的重新分布。若把整個電力系統(tǒng)看做時有若干個分系統(tǒng)通過聯(lián)絡線連接而成的互聯(lián)系統(tǒng)，那么在頻率調整時還需要注意聯(lián)絡線功率的交換及控制問題。

以兩系統(tǒng)為例進行討論，假設KA、KB分別為兩系統(tǒng)的單位調節(jié)功率，、分別為兩系統(tǒng)二次調頻的發(fā)電功率變量，、分別為兩系統(tǒng)的負荷變化量，為聯(lián)絡線上的交換功率變化量，正方向為由A流向B。這樣，對系統(tǒng)A相當于負荷增量，對系統(tǒng)B相當于發(fā)電功率增量。

圖6-8互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調整

對A系統(tǒng)，對B系統(tǒng)：兩個聯(lián)合運行的系統(tǒng)頻率是相等的，即可得：可見，若聯(lián)合系統(tǒng)二次調頻的發(fā)電功率增量等于全系統(tǒng)負荷增量時，可實現(xiàn)無差調節(jié)，即由式可得：（6-19）（6-18）

可見，當A、B兩系統(tǒng)都進行二次調整，且兩系統(tǒng)的功率缺額與其單位調節(jié)功率成比例時，即聯(lián)絡線上的交換功率增量為零。令分別為A、B兩系統(tǒng)的功率缺額，則式變?yōu)椋嚎梢?，?lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決于這個系統(tǒng)總的功率缺額和總的系統(tǒng)單位調節(jié)功率。其實，兩系統(tǒng)聯(lián)合后，本應看作是一個系統(tǒng)。（6-20）（6-23）

可見，如A系統(tǒng)沒有功率缺額，即，聯(lián)絡線上由A流向B的功率增大；反之，如B系統(tǒng)沒有功率缺額，即，聯(lián)絡線上由A流向B的功率減少。若B系統(tǒng)沒有調頻廠，即，其負荷變化量將由A系統(tǒng)的二次調整來承擔。若要保持，這時聯(lián)絡線上功率變化，即B系統(tǒng)的功率缺額全部通過聯(lián)絡線由A輸送到B，這時聯(lián)絡線的功率增量最大。這也是調頻廠遠離負荷中心而且要實現(xiàn)無差調節(jié)的情況。

這種調頻廠必須滿足一定的要求，如調整容量應足夠大，調整速度應足夠快，調整范圍內的經濟性好，調整時不至引起系統(tǒng)內部或系統(tǒng)間聯(lián)絡線工作的困難，等。調整速度也是一個重要的問題。一個容量為5000MW的系統(tǒng)中，負荷上升的速度可達15-20MW/min。但急劇的負荷變動將使火電廠的鍋爐、汽輪機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%額定負荷上升至滿負荷約1-5min；中溫中壓鍋爐從50%額定負荷上升至滿負荷僅需1min，比較快；汽輪機很慢，在50%-100%額定負荷范圍內，每分鐘僅達2%-5%。因此，火電廠中限制調整速度的主要是汽輪機。水電廠水輪機負荷變動的速度要高得多，每分鐘可達50%-400%。當然，過分急劇的負荷變動也會損壞水電廠的設備。4.主調頻廠的選擇

從調整容量和調整速度這兩個對調頻廠的基本要求出發(fā)，系統(tǒng)中有水電廠時，一般應選擇水電廠作為調頻廠；沒有水電廠或水電廠不宜承擔調頻任務時，例如洪水季節(jié)，則選擇中溫中壓火電廠作調頻廠。一般，由調速器完成的一次調頻響應時間為2-20s，按ACE進行的二次調頻響應時間約為1min，三次調頻或經濟調度的周期長達5min以上。5.有功功率平衡

電力系統(tǒng)的根本任務是在保證電能質量符合標準的前提下，能夠持續(xù)的為用戶供給所需的電能，并使系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定和經濟地運行。衡量經濟性運行的指標是比耗量和線損率。比耗量指生產單位電能所需消耗的一次能源，例如火電廠以克/千瓦·小時表示的煤耗率。線損率或網損率如前所述，就整個系統(tǒng)而言，是指系統(tǒng)中損耗的電能占電源發(fā)出電能的百分數(shù)。這些技術經濟指標的優(yōu)劣與系統(tǒng)中有功、無功功率的分配以及頻率、電壓的調整有關。

電力系統(tǒng)中的功率平衡是指在一定頻率下的平衡，有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機，電源發(fā)出的有功功率必須大于系統(tǒng)負荷的有功功率。系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分稱為系統(tǒng)的備用容量。從備用容量所處的狀態(tài)可劃分為熱備用和冷備用。熱備用是運行中的發(fā)電設備可能發(fā)出的最大功率與系統(tǒng)發(fā)電負荷之差，亦稱旋轉備用。冷備用則指未運行的設備可能發(fā)出的最大功率。負荷備用必須取熱備用形式，事故備用中的部分容量取熱備用形式，部分容量取冷備用形式。（1）有功功率平衡與備用容量

有功功率平衡是指運行中，所有發(fā)電廠發(fā)出的有功功率的總和，在任何時候都等于該系統(tǒng)的總負荷。包括所有用戶的有功功率負荷，網絡的總有功功率損耗，即在一般情況下，網絡總損耗約為系統(tǒng)負荷的6-10%，對于廠用電，水電廠的廠用電相當小，僅為電廠最大負荷的0.1-1%，火電廠稍大，約為5-8%。為了保證系統(tǒng)的安全、優(yōu)質、經濟地運行，系統(tǒng)還應具有一定的備用容量，只在具備系統(tǒng)備用容量的情況下，才有可能進行系統(tǒng)的頻率調整與廠間負荷的最優(yōu)分配。

為了保證供電可靠性及電能質量合格，系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分稱系統(tǒng)的備用容量，即備用容量＝系統(tǒng)可用電源容量－發(fā)電負荷系統(tǒng)備用容量按存在形式可分：(1)熱備用，指運轉中的發(fā)電設備可能發(fā)的最大功率與系統(tǒng)發(fā)電負荷之差，因而也稱運轉備用或旋轉備用。(2)冷備用，指未運轉的發(fā)電設備可能發(fā)的最大功率。檢修中的發(fā)電設備不屬于冷備用，它們不能聽命于隨時調用。

從保證供電可靠性及電能質量角度，熱備用愈多愈好。因發(fā)電設備從“冷備用”至投入系統(tǒng)、只發(fā)出額定功率所需的時間短則幾分鐘（水電廠）長則十余小時（火電廠）。而就保證重要負荷供電而言，時間應盡量縮短，但從保證系統(tǒng)經濟性的角度，熱備用又不宜過多。系統(tǒng)備用容量按作用可分：

(1)負荷備用：指調整系統(tǒng)中短時負荷波動并擔負計劃外的負荷增加而設置的備用，滿足負荷波動、計劃外的負荷增量。負荷備用容量的大小應根據系統(tǒng)負荷的大小、運行經驗并考慮系統(tǒng)中各類用電的比重確定。一般為最大負荷的2-5%，大系統(tǒng)采用較小數(shù)值，小系統(tǒng)采用較大數(shù)值。(2)事故備用：指電力用戶在發(fā)電設備發(fā)生偶然性事故時不受嚴重影響，維持系統(tǒng)正常供電所需的備用。是保證發(fā)電機因故退出運行能頂上的容量，大小應根據系統(tǒng)容量、發(fā)電機臺數(shù)、單位機組容量、機組的事故概率、系統(tǒng)的可靠性指標確定，一般約為最大負荷的5-10%，但不得低于系統(tǒng)中最大機組的容量。

(3)檢修備用：是指系統(tǒng)中的發(fā)電設備能定期檢修而設置的備用，它和系統(tǒng)負荷大小關系不密切，只和負荷性質、發(fā)電機臺數(shù)、檢修時間的長短、設備的新舊程度等有關。發(fā)電機運轉一段時間后必須進行檢修，檢修分大修和小修，大修一般安排在系統(tǒng)負荷的季節(jié)性低落期間，小修一般安排在節(jié)假日進行。在這期間內，如不能完全安排所有機組的大小修時，才設置所需的檢修備用容量。(4)國民經濟備用：是為了滿足工農業(yè)超計劃增長而設置的備用。綜上所述，負荷備用、事故備用、檢修備用、國名經濟備用歸納起來仍是以熱備用和冷備用形式存在于系統(tǒng)中，熱備用中至少應包括全部負荷備用和一部分事故備用，而將部分事故備用處于停機狀態(tài)，一般檢修備用、國民經濟備用及部分事故備用采用冷備用狀態(tài)。6.火電廠的主要特點

火力發(fā)電廠是電力系統(tǒng)有功功率電源的一個重要組成部分，在世界上大部分國家，包括我國在內，火力發(fā)電廠裝機容量占總裝機容量的一半以上，因而在系統(tǒng)中具有重要地位?；鹆Πl(fā)電廠還可以進一步分類。按其燃料，可分為燃油火力發(fā)電廠、燃氣（天然氣）火力發(fā)電廠、燃煤火力發(fā)電廠；按蒸汽參數(shù)，可分為低溫低壓（蒸汽溫度450°C，壓力35大氣壓），中溫中壓（500-520°C，100大氣壓），高溫高壓（550°C，180大氣壓），以及超臨界機組（575°C，200大氣壓）。一般來講，運行效率與蒸汽參數(shù)有關，高溫高壓熱電廠運行效率大于中溫中壓熱電廠。

火力發(fā)電廠的運行特點：火電廠運行時要消耗大量的燃料，需要支付燃料費用，但運行不受自然條件影響?；痣姀S的鍋爐和汽輪機都受最小技術負荷的限制，可調范圍小。(2)火電廠機組的投入、退出或承擔急劇變動的負荷時，既額外耗費能量，又花費時間，且易損壞設備。(3)帶有熱負荷的火電廠稱為熱電廠，如圖3-28所示，熱負荷輸出功率是強迫功率，通過熱力網向附近工業(yè)區(qū)和居民住宅供熱，它采用抽汽供熱，其總效率要高于一般的凝汽式火電廠。

圖6-9熱電廠承擔熱負荷7.水電廠的主要特點

水力發(fā)電廠是電力系統(tǒng)中又一中重要的有功功率電源，我國是水力資源十分豐富的國家，有效地開發(fā)和合理利用水資源對我國經濟建設具有重要意義。建國60年來，我國一直十分重視水電發(fā)展。1949年全國水電裝機只有16.3萬千瓦，2008年全國水電裝機容量達到1.73億千瓦，年發(fā)電量已達5655.5億千瓦時。根據水力資源的不同，水力發(fā)電廠可分為多年調節(jié)庫容水力發(fā)電廠、日調節(jié)庫容水力發(fā)電廠、徑流式水力發(fā)電廠、抽水蓄能水力發(fā)電廠等。

水電廠的運行特點：(1)水廠不需要支付燃料費用，且水能是可以再生的資源。(2)受水庫容量限制，水電廠的水輪機沒有嚴格的最小技術負荷要求，發(fā)電機出力的調整范圍較寬。(3)水力樞紐往往兼有防洪、發(fā)電、航運、灌溉、養(yǎng)殖、供水和旅游等多方面的效益。

(4)可調范圍大。水電廠機組的投入、退出或承擔急劇變動的負荷時，所需時間短，不增加能耗，操作簡單，無需額外的耗費。有強迫功率，視不同水電廠而定，一般可充當調峰機組，如圖4-2所示，由圖可見，抽水蓄能發(fā)電廠減小了系統(tǒng)符合的峰谷差。圖6-10抽水蓄能水電廠承擔的調峰作用8.核能發(fā)電廠的特點、風力發(fā)電廠的特點

核能發(fā)電廠利用原子能裂變反應所釋放的能量進行發(fā)電。雖然核能發(fā)電廠的一次性投資大，但一旦建成投產，其運行費用要較火電廠低得多，因而在系統(tǒng)日常運行中應可能利用它的容量。核電站的運行特點：(1)核電廠一次性投資大，運行費用低。(2)核電廠的反應堆和汽輪機投入、退出或承擔急劇變動負荷時，需耗費能量，花費時間，且設備易損壞。

(3)一般承擔基荷。目前，由于可再生能源的大力發(fā)展，在世界上已分布了十大可再生能源工程，分別在美國、中國、英國和法國等地，主要包括水電站、風電場、潮汐能電站、太陽能熱電廠、生物能電廠、波浪能電廠等。在我國很多地區(qū)開始建設風力發(fā)電場，風力發(fā)電場是將風能轉換為機械能，再將機械能轉換為電能的發(fā)電方式。風力發(fā)電利用的是自然能源。風力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可