电力系统有功功率与频率调整.docx
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电力系统有功功率与频率调整
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
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
指导教师
答辩成绩
主答辩教师
综合成绩
答辩委员会主任
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
1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2
3.2电源的有功功率－频率静态特性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
1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1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。
2频率调整的必要性
2.1频率变化的危害
（1）对用户：
①IM出力，受f影响f影响生产（产量、质量、安全）②电子通信
设备受f影响f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>>PGf、n>>PG>>
ff>>②ffff机组应力、受命>;③f>>变压器、IM的Xm>>I0I02Xm
Tff系统无功缺额ffV>；网损T
（3）频率要求：
50Hz±（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ff变化ff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（<10s）ff微小随机波动；一次调频T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）宀f偏移，二次调频，调频机组调频器随机性J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T电厂按给定发电计划曲线发
电，三次调频一一有规律J气候（季节性）、作息制度、生活规律。
图2-2电力系统负荷规律变动图
3电力系统的频率特性
3.1负荷的有功功率一频率静态特性
（1）定义：
稳态运行时的PD（f）f有功—频率静态特性
（2）描述：
片=[叫+叩ffJ十叱ffn/+Wf+]Dq■3
张时的负荷有功功率第f次方负荷怖血的
_23…
Pd*一ao+aif*+a2f*+a3f*+ao+aif*
Pd*=PD/PDN&f*=f/fN
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
-所占比例很小，忽略
高次方类负荷：
静水头阻力很大的给水泵
（3）负荷的频率调节效应（频率调节系数、频率特性系数）
Kn==KD-（fNPBN）
Ivjy=AjH-角Aj+2眄+3角｛+*…
⑷Kd的物理意义:
KD=tgX竿
△f|fN
（a）Kd反映Pd对f变化的自动调节能力：
Kd调节能力f――负荷的“频率调
节效应”或“单位频率调节功率”
（b）Kd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
3.2电源的有功功率一频率静态特性
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f调整QF汽门或SF导水叶开度yf原动机
进汽（水）量f原动机Mm（Pm）f机组出力PG宀系统
3.2.2调速系统框图
二次调频信号
T2s+1
图3-2-⑵调速系统框图
3.2.3同步发电机组的有功功率-频率静态特性
1特性曲线PG（f）:
图3-2-⑶频率静态特性曲线示意图
2静态调差系数定义:
8的物理意义分析：
（a）△f、△PG变化方向相反-8>0
（b）△反映机组的频率调节能力一一8—频率调节能力f
（c）△反映机组每增发单位出力引起的转速变化
片>/fON
llHfW
（d）若机组出力达到极限：
8=Wt机组已经不具有频率调节能力
3静态有功频率特性系数一一单位频率调节功率：
定义：
也&__锂匚-!
''■一■'.t=一,”,,j匕帛，
K林eOWh）MW/Hz
意义：
（a）Kg反映机组的频率调节能力：
Kgf-调节能力f――“单位频率调节
功率”
（b）Kg是机组本身的固有频率特性，可由实验确定
（c）若机组出力达到极限：
Kg=0-机组已经不具有频率调节能力
4PG（f）与Pd（f）之比较：
KD=△^△）f0Kg=-^/]>G△f0
（a）KD不可调整，Kg可调整
（b）KD、Kg均为f每变化一个单位所引起的Pd或Pg的变化量
（c）F—（△fV0）——△Pdv0—P—；DPg>O—Pgf—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：
fi、Pg（a）=Pd（a）=Pi
负荷扰动：
△PdoPd'（f）、B点Pd=Pd（a）+Pdo>Pg=Pg（a）
4.1.2基本关系
△pg=-KGf.△Pd=KDf
△Pdo=Pg-△Pd=-（Kg+Kd）△f=-KSf
Ks=Kg+Kd=-△Pdo/△f△f=-△Pdo/Ks
1一次调整时机组与负荷共同作用、自动完成
2一次调频能减小厶f，但△f工0
3Ks――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Kg=0时，△Pf更大的D0f,
如图4-1所示
图4-1频率一次调整示意图
5KS的标幺值：
KS=KG+KD=KG.PGN/Fn+KD.PDN/Fn=-△PD0/△f
Kg.Pgn/Pdn+Kd=-△Pdo/△fjKs
Ks=Kd+KxKgjKx=Pgn/Pdn=1+Px/Pdn
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△P刀的总负荷：
PD刀0
初始状态：
PG刀0=PD刀0、f=f0
负荷扰动：
△PD刀0—PD刀0t—PDE=PD刀0+△PD刀0
频率变化：
—PD刀（f0）>PG刀（f0）=PG刀0—f——f=f0+△f；f<0
机组响应：
—△PGi=-KGi△f;△PGi>0（i=1,2,,,n）
PGi（f）=pgi0+△PGi
出力总增量：
△E=EPGPGi=—刀（KGi△f）=-（刀KGi）△f
系统总出力：
PG刀（f）=PG刀0+△PG刀
负荷响应：
△PDE=KD△f<0
系统总负荷：
PDE（f）=PDE0+△PDE0+△PDE
频率f时的系统功率平衡方程：
PDE（f）=PGE（f）—PDE0+△PDE0+△pde=pgE0+△pge
—△PDE=0E-PGPDE
△PDE0=-（EKGi）△f-KD△f=-（EKGi+KD）△f
△PDE0=-Ks△f
2等值机组的单位频率调节功率和调差系数
（a）KG刀：
KGE=EKGi（MW/Hz）
（b）KG刀*:
LetPGN.E=EPGN.i
A]G艺
Kg艺*.：
-*
*
Af
Pgn.艺
Af/fN
〔A
E|
11
:
E
AEi
Pgni
（rTi.
e|
APGi*
Pgn.ef
Xjr
1
Pgni
A*f丿
A*f
A*fPgn.艺Pgn.艺
Pgni
艺（KGi*PGNi）
PGN.工
fN
EKg
Pgn.e
注意基准功率：
KGi
PGN.iKG
Pgn
（C）调差系数
占E=1
3系统的等值单位频率调节功率KS:
=—KSPD刀0/△f=KGE+（MW/Hz）KD
KS*=—△PD刀0*/△f*
fN
KS*=（KGE+KD）
Pdn
fN
fN
fN
KGE
+Kd
=Kge+Kd
Pdn
Pdn
Pdn
J功率基准：
pdn
PGN.E
=K
PGN.E
KGE（fN/PGN.E）
KGEfN
PDN
Pgn.e
PDN+PGr.E
.EPGr.i
=
=1+
Pdn
Pdn
Pdn
=（
Kge
E）fN
fN
pDN
GE*
pDN
Kr=
PDr刀=刀PGr.t一一系统总有功备用容量
Kr:
系统备用系数一一Kr>1.0
注意功率基准：
Kg刀fPgn刀；Kd宀Pdn;KstPdn
4多机系统一次调频应当注意的基本问题
（i）一次调频计算的基本内容
KGi、（8i）、KD、△PD刀0f△f、△PGi:
KGE=EKGiKS=KGE+KD
△f=—△PD刀0/KS;△PGi=—KGi△f=—△f/8i
Note:
△f/8i=PGNi（△f*/8i*）
△PGi/PGNi=△f*/
KGi、（8i）、KD、△ff△PD刀、OPGi:
△PD刀0=—KS△f=—（KGE+KD）△f
△PGi=—KGi△f
（ii）一次调频的基本特点
（a）系统必须具有足够的热备用容量，保证Kr>1
（b）ifPGi=PGNithenPGr.i=0;KGi=0
（c）
各机组间功率分
机组应有合理的8i――8过大fKG刀小；8过小fKG刀小；配不稳定
（d）系统机组多、装机容量大f负荷扰动引起的厶f小;
（e）
变动频繁的负
一次调频有差，只能减小厶f、但不能使△f=0对小幅度、
荷变化引起的频率偏移进行调整
4.2频率的二次调整
4.2.1基本原理：
如图4-2-1所示
图4-2-1频率的二次调整基本原理图
422基本关系:
△Pdo=Pg+Pg'-△Pd'
△Pdo-△Pg=-（Kg+Kd）△f=-KSf
△f=f2'-fi=-（△Pdo-△Pg）/Ks
4.2.3基本理论：
1二次调频缩小了频率偏移：
△f-Of
实质强制G增加出力，减小了功率缺额：
△Pdo—（Pdo-△Pg）
2二次调频可以实现无差调节：
if（Pdo=Pg）—then△f=O
3系统中只有部分G参与二次调频一一调频机组
4.3互联系统的（二次）频率调整
4.3.1基本关系
SystemA:
△Pda+Pab-△Pga=-KAFa
SystemB:
△Pdb-△Pab-△Pga=-KBFb
△Fa=△Fb=△f
一（△EA+AbP）-GA△Pgb+△—4P
△土p）=—
-p丿K
KA+KB
KA（APDB—APGB）-B（APDA-aPGA）
APab=k
△P尸APd卄AFjb△牝認gJAPqjK=Ka+K5
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=O的条件：
（△PDA-△PGA）/KA=（△PDB-△B
PGB）/K
3厶Pab最大的条件：
如果△Pgb=0则厶Pab=Pdb
与此相对应△Pga=Pda+PtDBPab=Pdb-（△Pd-△Pga）Kb/（Ka+Kb）
或者如果厶Pga=0则厶Pab=-△Pda
与此相对应△Pgb=Pda+PtDBPab=-△Pda+（△Pd-△Pgb）Ka/（Ka+Kb）
4.4调频与调压的关系
4.4.1频率变化对电压的影响
22
1当f降低时，Qg降低，Qm（IM）（〜V/Xm）升高、（IX）升高、（Qcv）降低2Qt.Y升高；系统无功缺额升高导致电压降低
22
2当f升高时，Qg升高，Qm（IM）（〜V/Xm）降低、（IX）降低、（Qcv）升高2Qt.y降低；系统无功缺额降低导致电压升高
4.4.2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
5电力系统的有功平衡与备用容量
5.1有功平衡关系
PgE=PlD刀+△P”+△Ppiant=Pd刀Tf=0（要求：
=fn）
Pg刀>PdeTff；Pge5.2备用容量
1基本要求：
PGN.E>PDETPGN.E－PDE=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）%PDEN
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）%PD
EN＆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
6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T出力调整范围小
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f—技术、经济综合指标f—效率f、出力调节范围—、负
荷增减速度——高温高压火电厂不宜带急剧变动负荷
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：
》50%PGN
3负荷增、减速度快：
PG=0f—PGN1min
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
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。
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。
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，让我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!
参考书籍
[1]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，1996年
[8]邹有明，王崇林。
供电技术，煤炭工业出版社，1997年
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