电力系统频率调整

电力系统负荷可分为三种。第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动由很大的偶然性。第二种变动幅度较大，周期较长，属于这类负荷的主要有电炉、电气机车等带有冲击性的负荷。第三种负荷变动幅度最大，周期也最长，这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。电力系统的有功功率和频率调整大体可分为一次、二次、三次调整三种。一次调整或频率的一次调整指由发电机的调速器进行的，对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整。二次调整或频率的二次调整指由发电机的调频器进行的，对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整。三次调整其实就是指按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。在潮流计算中除平衡节点外其他节点的注入有功功率之所以可以给定，就是由于系统中大部分电厂属于这种类型。这类发电厂又称为负荷监视。至于潮流计算中的平衡节点，一般可取系统中担负调频任务的发电厂母线，这其实是指担负二次调频任务的发电厂母线。一：调整频率的必要性电力系统频率变动时，对用户的影响：用户使用的电动机的转速与系统频率有关。系统频率的不稳定将会影响电子设备的工作。频率变动地发电厂和系统本身也有影响：火力发电厂的主要厂用机械—风机和泵，在频率降低时，所能供应的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。低频运行还将增加汽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。低频运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正常电压，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。为了不超越温升限额，不得不降低发电机所发功率。低频运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损耗和励磁电流都将增大。也为了不超越温升限额，不得不降低变压器的负荷。频率降低时，系统中的无功功率负荷将增大。而无功功率负荷的增大又将促使系统电压水平的下降。频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。调整系统频率的主要手段是发电机组原动机的自动调节转速系统，或简称自动调速系统，特别时其中的调速器和调频器（又称同步器）。二：发电机原动机有功功率静态频率特性电源有功功率静态频率特性通常可以理解为就是发电机中原动机机械功率的静态频率特性。原动机未配置自动调速时，其机械功率与角速度或频率的关系：221212mPCCCfCf式中各变量都是标幺值；通常122CC。解释如下：机组转速很小时，即使蒸汽或水在它叶轮上施加很大转矩mM，它的功率输出mP仍很小，因功率为转矩和转速的乘积；机组转速很大时，由于进汽或进水速度很难跟上叶轮速度，它们在叶轮上施加的转矩很小，功率输出仍然很小；只有在额定条件下，转速和转矩都适中，它们的乘积最大，功率输出最大。调速系统中调频器的二次调整作用在于：原动机的负荷改变时，手动或自动地操作调频器，使有一次调整的静态频率特性曲线平行移动，有调频器的二次调整后，原动机的运行点就从一根仅有一次调整的静态频率特性曲线过渡到另一根曲线。三：频率的一次调整/GGKPf称为发电机的单位调节功率，以MW/Hz或MW/（0.1Hz）为单位。它的标幺值则是*/GNGGNGNGNPfKKfPPf发电机的单位调节功率标志了随频率的升降发电机组发出功率较少或增加的多少。这个单位调节功率和机组的调差系数互为倒数。1100%GNGNPKf或*1100%GK调差系数%或与之对应的发电机的单位调节功率是可以整定的，一般整定为：汽轮机组*%3533.320GK或水轮机组*%245025GK或综合负荷的静态频率特性/LLKPf称为负荷的单位调节功率，也以MW/Hz或MW/（0.1Hz）为单位。它的标幺值则是*/LNLLNLNLNPfKKfPPf负荷的单位调节功率标志了随频率的升降负荷消耗功率增加或较少的多少。它的标幺值在数值上就等于额定条件下负荷的频率调节效应。所谓负荷的频率调节效应系数系指一定频率下负荷随频率变化的变化率*****/LLLdPPfKdf显然，负荷的单位调节功率不能整定。电力系统综合负荷的单位调节功率*LK大致为1.5。发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点。设负荷突然增加LOP，则由于负荷突增时发电机功率不能即使随之变动，机组将减速，系统频率将下降。而在系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将因本身的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向上增加，后者沿负荷的频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程抵达一个新的平衡点。()LOGLPKKf或/LOGLSPfKKKSK称为系统的单位调节功率，也以MW/Hz或MW/(0.1Hz)为单位。系统的单位调节功率也可以用标幺值来表示。以标幺值表示时的基准功率通常就取系统原始运行状态下的总负荷。系统的单位调节功率标志了系统负荷增加或减少时，在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。因此，从这个系统的单位调节功率SK可求取在允许的频率偏移范围内系统能承受多少负荷增减。可见，系统的单位调节功率取决于两个方面，即发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功率。因为负荷的单位调节功率不可调，要控制、调节系统的单位调节功率只能从控制、调节发电机的单位调节功率或调速器的调差系统入手。看来主要将调差系数整定得小些或发电机的单位调节功率整定得大些就可以保证频率质量。但从实际上，系统中不止一台发电机组，调差系统不能整定得过小。如某台机组已经满载，可认为该机组已不能参加调整，它的调差系数无穷大。系统的单位调节功率SK不可能很大，所以依靠调速器进行的一次调整只能限制周期较短、幅度较小的负荷变动引起的频率偏移。负荷变动周期更长、幅度更大的调频任务自然落到了二次调整上。四：频率的二次调整频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机的频率特性平行地上下移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。在一次调整的基础上进行二次调整就是在负荷变动引起的频率下降越出允许范围时，操作调频器，增加发电机组发出的功率，使频率特性向上移动。只进行一次调整时，负荷的增量LOP可分解为两部分：一部分是因调速器的调整作用而增大的发电机组功率'GKf，另一部分是因负荷本身的调节效应而减少的负荷功率'LKf。不仅进行一次调整而且进行二次调整时，这个负荷增量LOP可分解为三个部分：一部分是由于进行了二次调整，发电机组增发的功率GOP；另一部分仍是由于调速器的调整而增发的发电机功率''GKf；第三部分仍是由于负荷本身的调节效应而减少的负荷功率''LKf。则：()LOGOGLPPKKfLOGOGLSPPKKKf如LOGOPP，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量LOP，则0f，亦即实现了所谓的无差调节。进行二次调整时，系统中负荷的增减基本上要靠调频机组或调频厂承担。虽可适当增加其他机组或电厂的单位调节功率以减少调频机组或调频厂的负担，但数值毕竟有限。这就使调频厂的功率变动幅度远大于其他电厂。如调频厂不位于负荷中心，则这种情况可能使调频厂与系统其他部分联系的联络线上流通的功率超出允许值。这样，就出现了在调整频率的同时控制联络线上流通功率的问题。图中,ABKK分别为联合前A、B两系统的单位调节功率。设A、B两系统中都设有二次调整的电厂，它们的功率变量分别为,GAGBPP；A、B两系统的负荷变量则分别为,LALBPP。设联合线上的交换功率ABP，由A流向B为正值。联合前，对A系统LAGAAAPPKf对B系统LBGBBBPPKf联合后，通过联络线A流向B的交流功率，对A来说，可以看做一个负荷LAABGAAAPPPKf对B来说，这交换功率看做一个电源LBABGBBBPPPKf联合后，系统频率一致，ABfff可得，()()()LAGALBGBABPPPPKKf或()()()LAGALBGBABPPPPfKKAKGAPLAPBKGBPLBPABP代入上式，()()ALBGBBLAGAABABKPPKPPPKK令：,LAGAALBGBBPPPPPP,ABPP分别为两系统的功率缺额，则：()ABABPPfKKABBAABABKPKPPKK可见，联合系统频率的变化取决于这系统总的功率缺额和总的系统单位调节功率。这理应如此，因两系统联合后，应看做一个系统。且如A系统没有功率缺额，即0AP，则联络线由A流向B的功率要增大；而如果B系统的功率缺额完全由A系统增发的功率所抵偿，即BAPP，则0f，ABBAPPP。这种情况下，虽可保持系统频率不变，B系统的功率缺额BP或A系统增发的功率AP却要如数通过联络线由A流向B传输。这就是调频厂设在远离负荷中心而且要实现无差调节的情况。五：频率调整厂的选择这种调频厂必须满足一定的要求，如调整容量应足够大，调整速度应足够快，调整范围内的经济性好，调整时不至引起系统内部或系统间联络线工作的困难，等。调整速度也是一个重要的问题。一个容量为5000MW的系统中，负荷上升的速度可达15-20MW/min。但急剧的负荷变动将使火电厂的锅炉、汽轮机受损伤或因燃烧不稳定而熄火。一般，高温高压锅炉从70%-80%额定负荷上升至满负荷约1-5min；中温中压锅炉从50%额定负荷上升至满负荷仅需1min，比较快；汽轮机很慢，在50%-100%额定负荷范围内，每分钟仅达2%-5%。因此，火电厂中限制调整速度的主要是汽轮机。水电厂水轮机负荷变动的速度要高得多，每分钟可达50%-400%。当然，过分急剧的负荷变动也会损坏水电厂的设备。从调整容量和调整速度这两个对调频厂的基本要求出发，系统中有水电厂时，一般应选择水电厂作为调频厂；没有水电厂或水电厂不宜承担调频任务时，例如洪水季节，则选择中温中压火电厂作调频厂。一般，由调速器完成的一次调频响应时间为2-20s，按ACE进行的二次调频响应时间约为1min，三次调频或经济调度的周期长达5min以上。