电力系统有功功率与频率调整_电力系统的频率调整

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郑州电力职业技术学院毕业生论文

题目： ＿浅谈电力系统有功功率与频率调整

系别＿＿＿电力工程系＿＿＿＿ 专业＿

继电保护及自动化

班级＿＿＿ 15 继电 3 班＿＿＿＿ 学号＿＿

15401020341

姓名＿＿＿＿ 张高原＿＿＿＿

论文成绩 答辩成绩 综合成绩

指导教师 主答辩教师 答辩委员会主任

1浅谈电力系统有功功率与频率调整

摘要

本文首先介绍了电力系统有功功率与频率调整的基本知识，有功功率的应 用、意义及；频率调整的必要性，电压频率特性，频率的一二次调整，以及互联 系统中的频率的一二次调整，调频与调压的关系，以及电力系统频率调整在个类电厂中得作用。

关键词： 有功功率 频率调整 互联系统

2目录电力系统有功功率与频率调整的意义

........................................................................................1 2 频率调整的必要性........................................................................................................................1 2.1 频率变化的危害.................................................................................................................1 2.2 电力系统负荷变动规律.....................................................................................................1 3 电力系统的频率特性....................................................................................................................2 3.1 负荷的有功功率－频率静态特性 3.2 电源的有功功率－频率静态特性

.....................................................................................2.....................................................................................4

3.2.1 同步发电机组的调试系统......................................................................................4

3.2.2 调速系统框图..........................................................................................................4

3.2.3 同步发电机组的有功功率-频率静态特性.............................................................4 4 电力系统的频率调整....................................................................................................................6 4.1 频率的一次调整.................................................................................................................6

4.1.1 基本原理..................................................................................................................6 4.1.2 基本关系..................................................................................................................6 4.1.3 多机系统的一次调频..............................................................................................7 4.2 频率的二次调整.................................................................................................................9

4.2.1 基本原理..................................................................................................................9 4.2.2 基本关系：............................................................................................................10 4.2.3 基本理论：............................................................................................................10 4.3 互联系统的（二次）频率调整.......................................................................................10

4.3.1 基本关系................................................................................................................10

4.3.2 注意要点：............................................................................................................10 4.4 调频与调压的关系...........................................................................................................11

4.4.1 频率变化对电压的影响........................................................................................11 4.4.2 电压变化会频率的影响........................................................................................11 4.4.3 注意........................................................................................................................11 5 电力系统的有功平衡与备用容量

..............................................................................................12 5.1 有功平衡关系...................................................................................................................12 5.2 备用容量...........................................................................................................................12 6 电力系统负荷在各类发电厂的合理分配

..................................................................................12 6.1 火力发电厂的主要特点...................................................................................................12 6.2 水力发电厂的主要特点...................................................................................................13 6.3 抽水蓄能水电厂的主要特点

...........................................................................................13 6.4 核能发电厂的主要特点...................................................................................................13 总结................................................................................................................................................14

致谢................................................................................................................................................15 参考书籍.........................................................................................................................................16

电力系统有功功率与频率调整的意义

发电机的输出电压和输出电流是有限制的，发电机的负荷是以伏安计算的（即电 流有效值乘以电压有效值，视在功率），当负载的功率因数为 时，发电机负荷可以

全部转换成有功功率输出。当负载的功率因数很低时，比如

0.5，这时，即使发电机

满负荷运行（输出电流达到其额定值），实际只能输出一般的功率，发电机效率很低。另一方面，功率因数很低时，电能不断地在负载和发电机之间交换，电流在线路上产 生损耗。发电机必须在一定频率下稳定运行，如果不对频率进行控制，会造成发电机 运行失速，造成电网频率崩溃。频率调整的必要性

2.1 频率变化的危害

(1)对用户：① IM 出力，受 f 影响→影响生产（产量、质量、安全）②电子通信 设备受 f 影响→可靠性、准确性和精度

(2)对系统：① 机组及辅机出力、效率受

f 影响—— f →→ PG→、η →→ PG→→→f →→② f →↑→机组应力、受命→；③ f →→变压器、IM 的 Xm→→ I0 ↑→↑↑→系统无功缺额↑→ V→；网损↑

(3)频率要求： 50 Hz ±(0.2 ～0.5)Hz —— △ f = ±(0.4~1.0)% 2.2 电力系统负荷变动规律

运行中综合用电负荷 PD变动特点：规律性 + 随机性

任何负荷功率的变化→ f 变化→ f 变化特点：规律性 + 随机性 三种负荷变动：

第一种负荷变动

P1：小幅随机波动，周期短（

1I02Xm

调频→机组调速器实现。

第二种负荷变动 P2：幅度较大，周期较长（10s～3min）→ f 偏移，二次调频，调频机组调频器——随机性←由大容量冲击负荷。

第三种负荷变动

P3：幅度大，周期长，变化缓慢→电厂按给定发电计划曲线发 电，三次调频——有规律←气候（季节性）、作息制度、生活规律。

负 荷

变 P3 动 三次 幅 调频

度

P 2

二次调频

P1

一次调频

负荷变动频率

图 2-2 电力系统负荷规律变动图电力系统的频率特性

3.1 负荷的有功功率－频率静态特性

(1)定义：稳态运行时的 PD(f)→有功－频率静态特性(2)描述：

P2

D*

a 0 + a1 f + a *

2f * + a 3f * +

a 0 + a 1f *

PD* = PD / P DN

& f

* = f/f

N 关于 f 各次方负荷：

① 零次方类负荷：照明、电弧炉、电阻炉、整流设备

② 一次方类负荷：机械转矩恒定的电动机——球磨机、切削机床、往复式 水泵

③ 二次方类负荷：变压器涡流损耗 ④ 三次方类负荷：通风机、循环水泵 ⑤ 高次方类负荷：静水头阻力很大的给水泵

-所占比例很小，忽略

(3)负荷的频率调节效应（频率调节系数、频率特性系数）

⑷KD的物理意义：

KＰD

D = tgβ

Δ

Δ ｆf

N

K D* =

ΔＰD*

= ΔＰD /PDN

Δ

Ｐ D f N

Δ f/f=

f N N Δｆ PDN

=K D

PDN

Δｆ

* f

* =1.0（a）

KD 反映 PD对 f 变化的自动调节能力： KD↑→调节能力 ↑——负荷的“频率调

节效应”或“单位频率调节功率”

（b）

K

D 取决于负荷本身的固有频率特性，有实验确定。一般 KD=1~3

（c）

如果 PD 与无功功率，KD=0←负荷不具有频率调节能力

PD

PDN

β P D

△ f

f N

-86

f

图 3-1 频率静态特性曲线图3.2 电源的有功功率－频率静态特性

3.2.1 同步发电机组的调试系统

作用：反映机组转速(系统频率)变化→调整 QF汽门或 SF导水叶开度 μ→原动机 进汽（水）量→原动机 Mm(Pm)→机组出力 PG→系统 f(ω)或 nG 概念：单机运行调 nG(f)，并列(网)运行调 PG 构成：调速器： f →→自动响应→ Pm↑→ PG↑→ f ↑→△ f →→△ f ≠0←一次调整

调频器：一次调整后，若△ f 过大→人为介入→ Pm→ →PGf ≠0←二次调

整

3.2.2 调速系统框图

二次调频信号

ω

+ ∑ + ∑+

0

K 1 T 1s K 2T 2s+K 3

T 2 s+1

△ μ

原动机

ω Pm

-ω

转速 传感器

图 3-2-⑵调速系统框图

3.2.3 同步发电机组的有功功率Δ/ >ＰG Δｆ0

（a）K D 不可调整，KG可调整

（b）K D、KG均为 f 每变化一个单位所引起的 PD或 PG的变化量

（c）F→(△ f ＜ 0)——△ PD＜0→P →；DPG＞O→PG↑→二者综合作用，减小功

率缺额→有利于频率稳定 4 电力系统的频率调整

4.1 频率的一次调整

4.1.1 基本原理

初始条件： A 点—— PG（f）＆ PD(f)交点： f1、PG(A)=PD(A)=P1 负荷扰动：△ PD0—— PD`（f）、B 点—— PD=PD(A)+PD0＞PG=PG(A)4.1.2 基本关系

△ PG=-K G f.△PD=K Df △PD0 = PG-△ PD=-(K G+KD)△f =-K S f KS=KG+KD=-△PD0/ △f △f =-△ PD0/K S 注意：

① 一次调整时机组与负荷共同作用、自动完成 ② 一次调频能减小△ f，但△ f ≠0 ③ KS——系统单位频率调节功率反映了系统的频率调节能力 ④ 机组具备有功备用才能参与一次调频，当 如图 4-1 所示

KG=0 时，△ P →更大的D0f，P

PG(f)

C F

P2 P1

B

△

PD

△ PG △ PD 0

A

PD(f)

△ f

0

f2 f1

f(ω)

图 4-1 频率一次调整示意图 ⑤ KS的标幺值：

KS=KG+KD=KG.P GN/F n+KD.P DN/F n=-△PD0/ △ f KG.P GN/P DN+KD=-△ PD0/ △f ←KS KS=KD+KXKG← KX=PGN/P DN=1+PX/P DN Pr :G 的有功备用容量

Kr ：备用系数 要求： Kr ＞1.0 频率调节系数的基准： KD→PDN；KG→ PGN；KS→ PGN 4.1.3 多机系统的一次调频

①运行状态分析

基本条件：机组数 n，均有一次调频能力；含网损 初始状态 ：PG∑ 0 ＝PD∑0、f ＝ f 0 负荷扰动：△ PD∑0 → PD∑0↑→ PD∑＝ PD∑0 ＋△ PD∑ 0 频率变化：→ PD∑(f 0)> PG ∑(f 0)＝PG∑0 → f →→ f ＝f 0 ＋△ f ； △ f

＝PG i 0 ＋△ PG i

△P∑ 的总负荷： PD∑0

； △ PG i > 0(i =1,2, ，n)

出力总增量：△

∑＝∑PGPG i ＝－∑(KG i △f)＝－(∑KG i)△f 系统总出力： PG∑(f)＝ PG∑0 ＋ △ PG∑ 负荷响应：△ P D∑ ＝KD △f

PD∑(f)＝ PG∑(f)→PD∑0 + △PD∑0 ＋△ P D∑＝ PG∑ 0 ＋△ PG∑ → △PD∑ ＝0 ∑－PGP D∑

△PD∑ 0＝－(∑KG i)△ f － KD △f ＝－(∑ KG i ＋KD)△f △PD∑ 0＝－ KS △f ② 等值机组的单位频率调节功率和调差系数(a)KG∑： KG ∑＝∑ KG i(MW / Hz)(b)KG

∑* ： Let PGN.∑＝∑

PGN.i

ΣΔＰ

G i

Σ

ΔＰGi

Δ ＰG i

P GN i

ΣΔＰG Σ＊

=（GA Δ

Ｐ

GB + Δ

＝－ Δ Ｐ－D

G

ΔＰ)

K K A + K B

ΔＰAB ＝ K A(ΔＰDB － ΔＰGB)ΔＰGA)

K

B

K A + K 4.3.2 注意要点：

①无差调节条件：联合系统无功率缺额△

PDA +PDB =PGA+PGB

②KA、KB 影响交换功率——△ PAB=0的条件：（△ PDA-△PGA）/K A=(△PDB-△ PGB)/K ③△ PAB最大的条件： 如果△ PGB=0 则△ PAB =PDB 与此相对应△ PGA =PDA + P →DBPAB =PDB-(△PD-△PGA)K B/(K A+KB)或者如果△ PGA=0 则△ PAB=-△PDA 与此相对应△ PGB =PDA + P →DBPAB=-△ PDA+(△PD-△PGB)K A/(K A+KB)

B

4.4 调频与调压的关系

4.4.1 频率变化对电压的影响

①当 f 降低时，QG 降低，Qm(IM)(≈V /X)升高、（I X）升高、（Ωcv）降低2QT.Y 升高；系统无功缺额升高导致电压降低

②当 f 升高时，QG 升高，Qm(IM)(≈V /X)降低、（I X）降低、（Ωcv）升高2QT.Y 降低；系统无功缺额降低导致电压升高

m2

m4.4.2 电压变化会频率的影响

电压升高，无功功率升高，功率变化量下降使得系统有功需求升高从而使得频率 降低，相反电压降低时，频率升高

4.4.3 注意

①频率（有功平衡）——全局的：调压（无功平衡）——可以是局部的有功电源 的分布不影响频率调整：无功电源的分布会电压调整影响很大

②系统 PG、QG 均不足，使得，V、f 均偏低，导致首先应解决有功平衡，最后有 利于电压的调整

电力系统的有功平衡与备用容量

5.1 有功平衡关系

P

G∑＝PLD∑ ＋△ P∑＋△ PPlant ＝PD∑→f = 0(要求： = f N)f

P

G∑ > P D∑ →f ↑； P

G∑

5.2 备用容量

①基本要求： PGN.∑ > P D∑ → P GN.∑ －PD∑ ＝ Pr ②备用容量分类：

备用方式：热备用(旋转备用)、冷备用 备用功能：

a 负荷备用：适应负荷短时波动，一二次调频所必须, 要求（2~5）

%PD∑ N

b 事故备用：保证运行中机组事故退出后的连续供电并维持，要求：

（5~10）∑ N＆不小于运行中最大单机容量

c 检修备用：保证机组计划检修时的连续供电并维持，要求：不小于系统中最大 单机容量

d 国民经济备用：满足国民经济和社会发展的负荷增长需求电力系统负荷在各类发电厂的合理分配

6.1 火力发电厂的主要特点

①运行成本高(燃料、厂用电)；维护复杂；运行条件不受自然条件影响 ②锅炉、汽轮机最小技术负荷限制→出力调整范围小

%PD

1锅炉——中温中压： PG.min≥25%PGN ； 高温高压： PG.min≥70%PGN 汽机—— PG.min≥(10~15)% PGN

③负荷增、减速度慢： PG?(0.5~1.0)PGN →爬坡速度(2~5)%PGN /min ④投入、退出运行：费时长、耗能多、设备易损坏

⑤效率与蒸汽参数有关→高温高压：最高；低温低压：最低

⑥热电厂因供热强迫功率(PG.min)大，出力调整范围更小；但效率较高 注意：蒸汽参数↑ →技术、经济综合指标↑→效率↑ 荷增减速度→→高温高压火电厂不宜带急剧变动负荷、出力调节范围→、负

6.2 水力发电厂的主要特点

①运行成本低；运行条件受自然条件影响→水库调节周期越长，影响越小 ②最小技术负荷主要受下要求游供水量限制，出力调整范围大：≥ ③负荷增、减速度快： PG=0↑ →PGN，≤ 1min ④投入、退出运行：费时短、无需额外耗费；运行操作简便安全 ⑤水利枢纽综合效益好

50%PGN 6.3 抽水蓄能水电厂的主要特点

特殊水电厂：上、下两级水库，作用：调峰——削锋填谷、调节峰谷差 运行方式：日负荷低谷：作为负荷运行，从电网吸收有功；日负荷高峰：电源，向系统发出有功

6.4 核能发电厂的主要特点

与常规火电厂比较，主要不同： 一次能源转换(→蒸汽)系统； 技术特点与火电厂 相同；容量大，经济、技术指标好；一次投资大，运行费用小，机组启、停：费 时长、耗能多；不宜带急剧变动负荷。

3总结

电力系统频率调整的结果与负荷变动的大致规律有关。

实际的负荷变动一般可分

解为三种有规律可循的负荷变动：第一种负荷变动：变化周期很短、变动幅度很小，这种负荷变动有很大的偶然性，是一种随机负荷。第二种负荷变动：变化周期较长、变动幅度较大，波动比第一种相对大一些，这种负荷主要有工业电炉、压延机械、电 气机车等带有冲击性的负荷变动。第三种负荷变动：变化缓慢、变动幅度最大，是由 生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。这种负荷变动基本上可以预测，阶梯形的 负荷曲线反映的基本上是这种负荷变动。

这三种负荷变动都将引起频率不同程度的偏移，电力系统频率调整的任务是要根据这三种负荷变动的特点，分别采取不同的手

段，调整电源的有功功率输出与之相适应，以保证频率偏移在允许范围内。

1致谢

本论文是在指导老师悉心指导下完成的。导师在我课题的选题、实现以及论文撰 写过程中，给予了悉心的指导和大量的帮助。导师广博的学识、敏锐的学术思维、勤 恳的敬业精神、忘我的工作热情是我学习的典范，不仅传授我如何获取知识的本领，更以严谨求实的治学精神深深感染着我，使我终身受益。

感谢我的家人多年来给予的支持和无私关爱，感谢学校领导的关心和照顾，有充足的时间来完成学业。

感谢所有我的任课老师及我们班的同学对我的帮助。向论文评审及答辩委员会的老师致以最诚挚的谢意!

让我15

参考书籍

夏道止。电力系统分析，中国电力出版社，2004 年 [2] 杨淑英。电力系统概论，中国电力出版社，2003 年

[3] 尹克宁。电力工程，中国电力出版社，2005 年

[4] 周容光。电力系统故障分析，清华大学出版社，1988 年 [5] 何仰赞。电力系统分析，华中理工大学出版社，1991 年

[6] 张炜。电力系统分析，水利水电出版社，1999 年

[7] 张伯明，陈寿孙。

高等电力网络分析，清华大学出版社，[8] 邹有明，王崇林。

供电技术，煤炭工业出版社，1997 年 年

1996