电力系统自动低频减载(整理)

1电力系统自动低频减载电力系统频率及有功功率的自动调节1．电力系统自动调频1.1电力系统频率波动的原因频率是电能质量的重要指标之一，在稳态条件下，电力系统的频率是一个全系统一致的运行参数。系统频率的波动直接原因是发电机输入功率＆输出功率之间的不平衡，众所周知，单一电源的系统频率是同步发电机转速的函数：60npfn――电机的转速，r/min；f――电力系统的频率，HZ；p――电机的极对数；对于一般的火力发电机组，发电机的极对数为1，额定转速为3000r/min，亦即额定频率为50HZ。此时，系统频率又可以用同步发电机的角速度的函数来表示：2wf为了研究系统频率变换的规律，需要研究同步发电机的运动规律。同步发电机组的运动方程为：dtdwJTTTemmT――输入机械转距；eT――输出电磁转距（忽略空载转距，即负荷转距）；J――发电机组的转动惯量；dtdw――发电机组的角加速度；由于功率和力矩之间存在转换关系（P=wT）上式经过规格化处理和拉氏变换后，可得传递函数：wHPPSem22mP――原动机功率（发电机的输入功率）；eP――发电机电磁功率；SH――发电机组的惯性常数；w――角速度变化量；由此可知，当原动机功率和发电机电磁功率之间产生不平衡的时候，必然引起发电机转速的变化，即引起系统频率的变化。在众多发电机组并联运行的电力系统中，尽管原动机功率mP不是恒定不变的，但它主要取决与本台发电机的原动机和调速器的特性，因而是相对容易控制的因素；而发电机电磁功率eP的变化则不仅与本台发电机的电磁特性有关，更取决于电力系统的负荷特性，是难以控制的因素，而这正是引起电力系统频率波动的主要原因。1.2调频的必要性电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不良的影响，所以必须保持频率在额定值50hz上下，且其偏移量不能超过一定范围。电力系统频率波动时，对用户的影响：（1）频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品的质量。例如，纺织工业、造纸工业等都将因频率变化而出现次品。（2）近代工业、国防和科学技术都已经广泛使用电子设备，频率不稳将会影响电子设备的工作。雷达、电子计算机等重要设施将会因为频率过低而无法运行。（3）频率变动对发电厂和系统本身也有影响：（a）火力发电厂的主要厂用机械――风机和泵，在频率降低时，所能供应的风量＆水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。（b）低频运行还将增加气轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。（c）低频运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正常的电压，又要求增加励磁电流，以致使发电机定子和转子的温升都将增加。为了不超过温升限额，不得不降低发电机所发的功率。（d）低频运行时，由于磁通密度增大，变压器铁芯损耗＆励磁电流都增大。也3为了不超过温升限额，不得不降低变压器的负载。（e）低频运行时，系统中无功功率负荷将增大，而无功功率负荷将增大又将促使系统电压水平的下降。（f）发生频率崩溃现象：当频率下降到47～48hz时，火电厂的厂用机械（如给水泵等）的处理明显降低，使锅炉出力减少，导致发电厂发电功率进一步减少，致使功率缺额更为严重。于是系统频率进一步下降，这样恶性循环将使发电厂运行受到破坏，从而造成所谓的“频率崩溃”现象。（g）发生电压崩溃现象：总之，由于所有设备都是按照系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业，而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。1.3调频方法系统频率的波动主要是由于负荷的变化引起的，调频与有功功率的调节是分不开的。调频问题实质上是电力系统载正常运行中，控制发电机的输入功率使之与负荷所需功率之间的平衡问题。调频是二次调节，是通过调整机组的输入功率来实现的。当系统机组输入功率与负荷功率失去平衡而使频率偏离额定值时，控制系统必须调节机组的出力，以保证电力系统频率的偏移在允许范围之内（一般允许偏差不得超过2.0HZ）。调节频率或调节发电机转速的基本方法是改变单位时间内进入原动机的动力元素（即蒸汽或水）。当一台或几台机组来调节频率时还会引起机组间负荷分配的改变，这就涉及到电力系统经济运行问题。因此，频率的调节和电力系统负荷的经济分配有密切的关系。机组功率改变时，它所需要的燃料费用也就跟着改变，同时，全电网的潮流分布以至系统中的网损也都随着改变。在电力系统中，燃料费用和线路网损是考虑经济运行的重要因素，所以现代电力系统调频的主要任务有二：（1）维持系统频率在给定水平；（2）同时还要考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性。调度在确定各个发电厂的发电计划和安排调频任务时，一般降运行电厂分为调频厂、挑峰厂和带基频负荷的发电厂三类。4基本负荷峰值负荷PT日负荷曲线如图所示的日负荷曲线，其中全天不变的基本负荷又带基本负荷的发电厂承担，这类电厂一般为经济性能好的高参数电厂、热电厂及核电厂。负荷变动部分按计划下达给调峰电厂，调峰电厂一般由经济性能较差的机组担任。在实际运行中，计划负荷与实际负荷不可能完全一致，其差值部分称为计划外负荷，由调频电厂担任。为了保证调频任务的完成，系统中需要备有足够容量的调频机组来应付计划外负荷的变动，而且还须具有一定的调整速度以适应负荷的变化，当电网容量较大，一个调频电厂不能满足调节要求时，则选择几个电厂共同完成调频任务。2.电力系统的频率特性2.1电力系统负荷的功率-频率特性当系统的频率发生变化时，整个系统的有功负荷也要随之发生变化，即PL=F（f）。这种有功负荷随着频率变化的特性叫做负荷的功率-频率特性，是负荷的静态频率特性。电力系统中，各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为以下几类：（4）与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等；（5）与频率变化成正比的负荷，如切削机床，压缩机、卷扬机等；（6）与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗（但比重很小）；（7）与频率的三次方成正比的负荷，如通风机、静水头阻力不达的给水泵等；（8）与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。负荷的功率-频率特性一般表达式为：neLeneLeeLeeLeLeLffPaffPaffPaffPaPaP...3322105式中：ef――额定频率；LP――系统频率为f时，整个系统的有功负荷；LeP――系统频率为额定值时，整个系统的有功负荷；0a…na――各类负荷的比例系数。将上式等式两边除以LeP，得到标么值形式，即：nnLfafafafaaP*3*32*2*10*...显然，当系统的频率为额定值时，*LP＝1，*f＝1，于是1...32*10naaaaa一般情况下，应用上面的两个式子进行计算的时候，通常取到三次方即可，因为系统中与频率高次方成正比的负荷很小，一般可以忽略。上面的两个式子称为电力系统的有功负荷的静态频率特性方程。当系统负荷的组成和性质确定后，负荷的静态频率特性方程也就确定了，因此也可以用曲线来表示。如右图所示。由图可知，在额定频率fe时系统负荷功率为PLe（图中a点），当频率下降到fb时，系统的负荷功率由PLe下降到PLb（图中b点）。如果系统的频率升高，负荷功率将增大，也就是说，当系统内机组的输入功率和负荷失去平衡时，系统负荷也参与了调节作用，它的特性有利于系统中有功功率在另一频率值下重新平衡。这种现象称为负荷的频率调节效应。通常用：***LLKdfdP来衡量调节效应的大小。*LK称为负荷的频率调节效应系数（或称为负荷的单位调节功率）。1*11*2*3*21***...32mnmmnnLLfmafnafafaadfdPK由上式可知，系统的*LK取决与负荷的性质，它与各类负荷所占总负荷的比例有关。在电力系统运行中，允许频率变化范围是很小的，在此较小的频率变化范围内，根据国内外一些系统的是实测，有功负荷与频率的关系曲线接近于一条直线，直线的斜率为：6***fPKLL（KL*是一个无纲的常数，它表明系统频率变化1％时负荷功率变化的百分比。）也可以用有名值表示为：fPKLL（MW/HZ），有名值与标么值之间的换算关系为LeeLLPfKK*。KL*和KL都是负荷的频率调节效应系数，是系统调度部门要求掌握的一个数据。在实际系统中，需要经过测试求得，也可以根据负荷统计资料分析估算确定。对于不同的电力系统，因负荷的组成不同，KL*的值也不同，一般在1～3之间。同时，每个系统的KL*值也随着季节和昼夜的交替而变化。2.2发电机组的功率-频率特性发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。因此，发电机组的功率-频率特性取决与调速系统的特性。当系统的负荷变化引起频率改变时，发电机组的调速系统工作，改变原动机进气量（或进水量），调节发电机的输入功率以适应负荷的需求。通常把由于频率变化而引起的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。2.2.1发电机的功率-频率特性1．未配置调速器的功率-频率特性。为了便于说明问题，先讨论发电机组假定未配置调速器的功率-频率特性。发电机的转距方程可以近似的表示为：**BwAMG故功率方程式为：2*'2*'1*wCwCPG或2*2*1*wCwCPG其中，ABC都是常数，通常C1=2C2。上式可以用曲线来表示如图1：7由图1可见，输出功率最大值是在额定条件下。即转速和转距都是额定值时出现。2．有调速器时的静态功率-频率特性当发电机配有调速系统的时候，情况就发生了变化。由于调速系统的作用，随着转色的变动而不断的改变进气或进水量，是原动机的运行点不断的从一根静态特性向另一根静态特性过渡，如图2所示，由a1到a2等等。连接这些不同曲线上的运行点所构成的曲线（图中虚线）就是有调速器时的静态功率-频率特性。一般近似的以直线代替。即发电机调速系统的静态功率-频率特性反映的是频率变化而引发的发电机组出力的变化的关系。配有调速系统的发电机组的静态功率-频率特性，如图3所示。如果发电机以额定频率fe运行（图中a点），其输出功率为PGb；当系统负荷增加而使频率下降到f1时，则发电机组由于调速器的作用，使输出功率增加到PGa（图中b点）。可见，对应于频率下降△f，发电机组的输出功率增加了△PG。很显然，这是一种有差调节，其特性称为有差调节特性。特性曲线的斜率为：GPfR，R是发电机组的调差系数。负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化是相反的。调差系统R的标么值表达式为：***//GGeGePfPPffR，或写成0***GPRf（发电机组的静态调节方程）。在计算功率＆频率的关系的时候，常常采用调差系数的倒数：****1fPRKGG即0***GGPfK，其中KG*是发电机组的功率-频率特性静态系数，或原动机的单位调节功率。8它也可以用有名值表示fPKGG。一般发电机组的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值：对于汽轮发电机组R*＝（4～6）％或KG*＝16.6～25对于水轮发电机组R*＝（2～4）％或KG*＝25～50发电机组的功率-频率特性的调差系数主要取决于调速器的静态调节特性，它与机组间的有功功率的分配密切相关。2.2.2调差特性与机组间有功功率的分配关系两台发电机并联允许时，有*2*1*1*2PPRR，即发电机组的功率增量用各自的标么值表述时，在发电机组的功率分配与机组的调差系数成反比。调差系数小的机组承担的负荷增长标么值要大，而调差系数大的机组承担的负荷增长标么值要小。间这个结论可以推广到系统中多台发电机组并联运行的情况，由0***GPRf，可得第i台发电机组的调节方程为：GeieiGiPffRP*1，i＝1，2，…n对上式求和，并考虑到稳态时整个系统内的频率的变化△f是相同的，则得：niiGeieniGiRPffPP1*1如果用一台等值机来代替时，则有：eePffRP1，n