电力系统有功功率和频率调整

会员1066849

　　频率是衡量电能质量的一个重要指标，保证电力系统频率偏移是电力系统调整的基本任务。
　　为什么进行频率调整
　　系统在稳态运行时，设备额定出力所需的有功功率与频率相关。图1为负载有功和频率的静态特性曲线：

图1负荷的频率特性曲线

　　图中曲线根为负荷与频率关系的实际曲线，实线为近似曲线。据有功功率与频率的关系可以将设备分为以下几类：

　　所需有功功率与频率无关的负荷：如照明，纯阻性负荷或近似纯阻性负荷等；

　　所需有功功率与频率的一次方成正比的负荷：设备的阻力矩等于常数，如压缩机，某些机床等；

　　所需有功功率与频率的二次方成正比的负荷：如变压器的涡流损耗等；

　　所需有功功率与频率的三次方成正比的负荷：静水头阻力不大的水泵等；

　　所需有功功率与频率的高次方成正比的负荷：静水头阻力较大的水泵等。

　　所以电力系统的运行要保持频率在一个稳定值或一个有限小的稳定区域。频率的降低会使得一些设备出力严重下降，频率升高会使得叶轮叶片磨损严重。

　　频率调整的原则
　　频率的变化会引起设备出力的变化，反过来，负荷的变化会引起频率的变化，稳态运行必须遵循功率的频率平衡原则，即系统输入有功必须和输出有功相等：

　　PG=PL+P;

　　发电机发出的有功是负荷消耗的有功和损耗之和，对于电力网络而言，吸收的有功大于消耗有功，会引起频率的上升，反之，频率会下降。对于发电厂而言，发出的频率与发电机转速严格相关：

　　f=n/60p

　　其中n为发电机（其转速等同于汽轮机）转速，p为发电机极对数，对隐极机而言为p=1。有上式可知，频率的调整，对于发电厂而言，归根结底是汽轮机的转速问题。图2为发电机的频率特性。

图2发电机频率特性曲线

　　图中曲线为发电机有功与频率关系曲线，实线部分为其近似线。

频率调整方法

　　负荷的变化引起频率的变化，根据负荷变化的大小和变化的快慢可将负荷分为三类，第一类负荷变化很小，时间也很短暂。通常是秒级。第二类负荷变化稍大，时间也稍长，通常是分钟级。第三类负荷变化较大，时间也是周期性长的，通常与生产作息或者人们生活规律相关。针对第一种负荷的变化，通常是使用汽轮机调速器，调整汽轮机转速，从而实现调频功能。这就是电力系统的一次调频。针对第二种负荷，靠单纯的汽轮机调速系统无法满足，需要增加调频器进行调频。这种频率的调整是电力系统的二次调频。针对第三种负荷，为人们生活习惯，作息时间引起的负荷变化，这上两种调频方法都无法满足，这需要电力系统调度针对这一类负荷进行预测，然后进行功率的优化分配。为系统的三次调频。

　　一次调频
　

图3 一次调频频率特性曲线

　　系统初试时刻时，系统处于稳定状态，如图所示，发电机功率曲线和负荷曲线交于点1，频率为f1，负荷功率和发电机功率为P01。当负荷功率增加的时候，增加到P02此时，发电机功率依旧是P01，小于系统的功率需要，频率就会下降，系统存在功率差额，这是调速系统会增加汽轮机的进气调门，发电机有功增加，增加到P02，发电机发出功率重新和负荷功率达到一致。但是此时功率平衡在新的频率点f2处，由上可以看出，一次调频针对系统的功率差额进行调整，即可以认为一次调频是有功调整，而且，一次调频的结果是系统的频率会出现偏差，所以，一次调频又是有差调频。简而言之，系统单纯靠一次调频，无法回到初始状态。

图4 调速系统原理

　　如图4所示，为频率调整的原理图，图中包含一次二次调频，采用2个负反馈形成闭环调整，一次调频是采用内环，采用惯性环节控制，积分环节负反馈，以减小频差。二次调频采用外环，负反馈控制。涉及调度的指令控制。

图5 一次调频汽轮机调速器

　　图5为汽机调速器机构图，由转速自动控制，频率上升时飞轮离心力大，压动杠杆，向上运动，关小进油，降低汽机转速，从而起到降低频率的作用。反之，离心力减小，杠杆向下压，增大进油，增大汽机转速，使频率得到有效调整。

　　二次调频
　　一次调频是通过汽轮机的调速系统进行频率调整，实现有差调频，但是频率的调整并不改变发电机的频率特性，即发电机的功率调整都是基于同一条频率特性曲线。二次调频则不然，如图6所示为系统的二次调频：

图6二次调频频率特性曲线

　　系统初试状态稳定运行处于点1，当负荷功率增加时，如一次调频中所示，系统经过一次调频，稳定运行于点2，此时系统存在频率偏差，此时进行系统的二次调频，即调频器（同步器）使得发电机频率特性曲线改变为PG‘，系统将运行与点3处，此时系统的频率偏差将减小，经过系统的二次调频，系统最终将稳定运行在点4处，此时频率回到初始频率，由此可知，系统的二次调频将会改变发电机的频率特性，且主要是针对系统的频率偏差进行调整，所以二次调频是频率调整，而且，系统最终可以稳定运行于初始频率，所以可以实现系统的无差调压。

　　系统的一次调频是系统中只要具有调频能力的机组都需要进行调整，二次调频则是特定的机组，称为调频机组或者调峰机组。通常情况下，水力发电机组具有较好的调频能力，所以在枯水季节选择水力发电机组作为调频机组，而当丰水季节，以提高水资源利用率，选择效率不高的火电机组作为调频机组。

图7 同步器工作原理示意图

　　同步器可手动控制或自动控制，通过伺服电机的正反转，拉动杠杆的上下移动，从而实现频率的调整和控制。

　　三次调频
　　三次调频是针对变化缓慢，有规律的负荷，比如某一时段，电力需求变小，调度根据规律，对电力市场进行预测，然后根据经济新进行电力分配。

　　三次调频的主要任务为经济性，这和发电厂的煤耗等输入量的需求相关，图5为发电厂的原料需求和发出功率之间的曲线，称为耗量特性：

图5 发电厂耗量特性曲线

　　比耗量u=w/p，反应发电厂输入与输出之比，其倒数即为发电厂效率，特性曲线的斜率为dw/dp，称为耗量微增率，若两台机组之间进行功率的经济分配，满足PG1+PG2=PL。且要使得F=F(PG1)+F(PG2)最小。有等耗量微增率从可知，当两台机组的耗量微增率相等时，经济性最好（可查看等耗量微增率推导过程）。这就是频率的三次调整--三次调频。三次调频是针对全网或者局域网的整体的功率分配。

　　频率调整与电压的关系
　　有功无功需求既和频率相关，又和系统电压相关，频率或电压的变化将通过系统负荷特性呈现，同时又会影响有功无功的平衡，当频率减小时，发电机的电势会因励磁系统接线的不同与频率成二次方或三次方关系进行微小的变化，导致发电机无功功率的下降，此时要增加励磁，尽管电容、电抗的无功需求略减少，但总体无功需求增大，发电机将需要更多的无功输出。频率增大时，变化趋势相反。而当电压上升时，有功的需求也会增大，损耗会下降，更容易导致频率的升高。故当有功无功都缺失时，首先应提高有功，这样会弥补部分无功的缺失，对电压调节和频率调节是双向有利的。