电力系统的频率特性

《电力系统自动化》主讲教师：胡志坚武汉大学电气工程学院第一节电力系统的频率特性一、概述1)并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为：f=Pn/60（3-1）式中：P——发电机组转子极对数n——发电机组的转数（r/min）f——电力系统频率（Hz）显然，电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速。第一节电力系统的频率特性2)电力系统频率一致。3)任一时刻，发供平衡。4)负荷增加时，系统出现了功率缺额，机组的转速下降，整个系统的频率降低。5)调频与有功功率调节是不可分开的。6)调频是一个要有整个系统来统筹调度与协调的问题，不允许任何电厂有一点“各自为政”的趋向。7)调频与运行费用的关系也十分密切。8)力求使系统负荷在发电机组之间实现经济分配。9）负荷的变动情况可以分成几种不同的分量：一是变化周期一般小于10s的随机分量；二是变化周期在10s～3min之间的脉动分量；三是变化周期在3min以上的持续分量，负荷预测预报这一部分。10）第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。11）第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。12）第三种负荷变化，调度部门的计划内负荷，这称为频率的三次调整。第一节电力系统的频率特性二、电力系统负荷的调节效应1）当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变，即：PL=F(f)这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率—频率特性，是负荷的静态频率特性，也称作负荷的调节效应。2）电力系统中各种有功负荷与频率的关系：（1）与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等；（2）与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机等；3）与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗，但这种损耗在电网有功损耗中所占比重较小；4）与频率的三次方成比例的负荷，如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等；5）与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。第一节电力系统的频率特性负荷的功率—频率特性一般可表示为(3-2)式中：fe—额定频率Pl—系统频率为f时，整个系统的有功负荷Ple—系统频率为额定值fe时整个系统的有功负荷a0，a1，an,,……—为上述各类负荷占Ple的比例系数将上式除以Ple，则得标么值形式，即Pl*=a0+a1f*+a2f*2+......anf*n通常与频率变化三次方以上成正比的负荷很少，如忽略其影响，并将上式对频率微分，得或写成：KL*称为负荷的调节效应系数。第一节电力系统的频率特性说明：1）负荷的频率效应起到减轻系统能量不平衡的作用。2）称KL∗为负荷的频率调节效应系数。3）电力系统允许频率变化的范围很小，为此负荷功率与频率的关系曲线可近似地视为具有不变斜率的直线。这斜率即为KL∗。4）KL∗表明系统频率变化1%时，负荷功率变化的百分数。5）对于不同的电力系统，KL∗值也不相同。一般KL∗=1~3。即使是同一系统的KL∗，也随季度及昼夜交替导致负荷组成的改变而变化。第一节电力系统的频率特性•例3-1。某电力系统中，与频率无关的负荷占30％，与频率一次方成比例的负荷占40％，与频率二次方成比例的负荷占10％，与频率三次方成比例的负荷占20％。求系统频率由50Hz下降到47Hz时，负荷功率变化的百分数及其相应的KL∗值。解：由(3-3)式可求出频率下降到47Hz时系统的负荷为Pl*=a0+a1f*+a2f*2+......anf*n=0.3+0.4×0.94+0.1×0.942+0.2×0.943=0.3+0.376+0.088+0.166=0.930则ΔPL%=（1-0.930）×100=7于是KL*=ΔPL%/Δf%=7/6=1.172*12*3*223=0.4+2*0.1*0.94+3*0.2*0.941.11816lLdpKaafafdf例3-2某电力系统总有功负荷为3200MW（包括电网的有功损耗），求负荷频率调节效应系数KL值。系统的频率为50Hz。若KL*=1.5，负荷增长到3650MW时，KL又是多少？解：KL=KL*×PLN/fN=1.5×3200/50=96（MW/Hz）系统的KL*值不变，负荷增长到3650MW时，则KL=1.5×3650/50=109.5（MW/Hz）即频率降低1Hz，系统负荷减少l09.5MW，由此可知，KL的数值与系统的负荷大小有关。第一节电力系统的频率特性三、发电机组的功率—频率特性a)发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。b)通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率—频率特性或调节特性。c)发电机组的功率—频率特性取决于调速系统的特性。第一节电力系统的频率特性第一节电力系统的频率特性2）转速上升时——重锤开度增加——A、B、E、F各点也随之不断改变；这个过程要到C点升到某一位置时，比如C，即汽门开大到某一位置时，机组的转速通过重锤的开度使杠杆DEF重新回复到使Ⅱ的活门完全关闭的位置时才会结束，这时B点就回到原来的位置。3）由于C上升了，所以A必定低于A。这说明调速过程结束时，出力增加，转速稍有降低。4）调速器是一种有差调节器。5）通过伺服马达改变D点的位置，就可以达到将调速器特性上下平移的目的。（二）发电机的调差系数同步发电机的频率调差系数RR=−Δf/ΔPG负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化符号相反。调差系数R的标幺值表示为或写成：Δf*+R*ΔPG*=0上式又称为发电机组的静态调节方程。在计算功率与频率的关系时，常常采用调差系数的倒数，KG*=1/R=-ΔPG*/Δf*KG*——发电机的功率-频率特性系数，或原动机的单位调节功率。一般发电机的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值：对汽轮发电机组：R*=(4~6)%或KG*=16.6~25；对水轮发电机组：R*=(2~4)%或KG*=25~50。KL*称为负荷的调节效应系数。对于不同的电力系统，KL∗值也不相同。一般KL∗=1~3。(三）调差特性与机组间有功功率分配的关系曲线①代表1号发电机组的调节特性。曲线②代表2号发电机组的调节特性。系统频率为fe：线段CB的长度所示系统总负荷ΣPL。1号机承担的负荷为P1，2号机承担的负荷为P2，于是有P1+P2=∑PL第一节电力系统的频率特性（四）调节特性的失灵区由于测量元件的不灵敏性，对微小的转速变化不能反应，调速器具有一定的失灵区，因而调节特性实际上是一条具有一定宽度的带子。不灵敏区的宽度可以用失灵度ε来描述，即式中：ΔfW—调速器的最大频率呆滞。由失灵区产生的分配功率误差为（用标幺值表示）：ΔPw*=ε/R*•1）ΔPW*与失灵度ε成正比，而与调差系数R*成反比。过小的调差系数将会引起较大的功率分配误差，所以R*不能太小。2）如果不灵敏区太小或完全没有，那么当系统频率发生微小波动时，调速器也要调节，这样会使阀门的调节过分频繁。3)汽轮发电机组调速器的不灵敏区为0.1~0.5%，水轮发电机组调速器的不灵敏区为0.1~0.7%。•四、电力系统的频率特性发电机组的功率—频率特性与负荷的功率—频率特性曲线的交点就是电力系统频率的稳定运行点。(a)电力系统功率—频率关系；第一节电力系统的频率特性a点：fe，PLb点：负荷增加ΔPL，负荷静态频率特性变为PL1，无调速器，频率稳定值下降到f3，取用功率仍然为原来的PL值c点：调速器一次调节，增加机组的输入功率PT。频率稳定在f2d点：调频器二次调节，增加机组的输入功率PT。频率稳定在fe