第四章 有功功率平衡和频率调整
4-1 电力系统频率偏离额定值对用电设备和电力系统都十分有害。
1、 频率变化对用电设备的影响 工业中大量应用异步电动机，其转速和输出功率均与频率有关。频率变化时，电动机的转速和输出功率随之变化，因而严重地影响到所拖动机械设备的正常工作和产品的质量。
现代工业、国防和科学研究部门广泛应用各种电子设备，当频率变化时，电子设备的精确性会受到影响。
2、 频率变化对发电机组和电力系统的影响 汽轮发电机组在额定频率下运行时效率最佳，频率偏高或偏低对叶片都有不 良的影响。频率过高，旋转设备的离心力过大，影响其机械强度；频率过低，容易引起汽轮机叶片振动，造成其寿命缩短或叶片断裂。
电厂用的许多机械（如给水泵、循环水泵、风机等）在频率降低时都要减小出力、降低效率，因而影响发电设备的正常运行，是整个发电厂的有功出力减小，从而导致系统频率的进一步下降。若频率下降过多，还会导致机组解列停运。
频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流增大，无功功率损耗增加，这些都会使电力系统无功功率和电压调整增加困难。
4-2 频率的变化与电力系统的有功功率平衡之间有密切的关系。因为频率与
发电机组的转速之间为线性关系，转速的变化取决于作用于发电机转子上的驱动转矩与制动转矩的平衡，而转矩的平衡受发电机输入机械功率与输出电磁功率的平衡关系的影响。发电机输入的功率减去励磁损耗和各种机械损耗后，如果能与发电机输出的电磁功率严格地保持平衡，则发电机的转速就能保持恒定不变，系统的频率就能保持恒定不变。
当发电机组的输入有功功率大于负荷的有功功率需求时，频率将升高；反之，则频率下降。因此，需要动态的调整的发电机输入机械功率，保持有功功率的动态平衡，从而使频率不超出允许偏差范围。
4-3 有功负荷有三种分量：第一种是变化幅度很小、变化周期较短（一般10s
以内）的负荷分量；第二种是变化幅度较大、变化周期较长（一般为10s~3min）的负荷分量；第三种是变化缓慢的持续变动负荷。
第一种变化负荷引起的频率偏移将由发电机组的调速器进行调整，称为频率的一次调频；第二种变化负荷引起的频率变动仅靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制在容许的范围之内，这是必须有调频器参与频率调整，称为频率的二次调频。第三种变化负荷将在有功功率平衡的基础上，按照最优化原则在各发电厂之间进行分配。
4-4 电力系统运行中，在任何时刻，所有发电厂发出的有功功率的总和PG都
与系统的总负荷PD相平衡。PD包括用户的有功负荷PLD?、厂用电有功负荷PS?以及网络的有功损耗?PL?，即
PG?PD?PLD??PS???PL?
为保证供电可靠性和电能质量，电力系统的有功功率平衡必须在额定运行参数下确立，而且还应具有一定的备用容量。备用容量是指系统电源总额定容量大于系统最大负荷的部分。
4-5 备用容量按其作用分类：
（1） 负荷备用。为满足一日中计划外的负荷增加和适应系统中的短时负荷 波动而留有的备用称为负荷备用。负荷备用容量的大小应根据系统总负荷大小、运行经验以及系统中各类用户的比重来确定，一般为系统最大负荷的2%~5%。
（2） 事故备用。当系统的发电机组由于偶然性事故退出运行时，为保证连 续供电所需要的备用称为事故备用。事故备用容量的大小可根据系统中机组的台数、机组容量的大小、机组的故障率以及系统的可靠性指标等来确定，一般为系统最大负荷的5%~10%，但不应小于运转中最大一台发电机组的容量。
（3） 检修备用。当系统中发电设备计划检修时，为保证对用户供电而留有 的备用称为检修备用。 （4） 国民经济备用。为满足工农业生产超计划增长对电力的需求而设置的 备用称为国民经济备用。
备用容量按其存在形式分类：
（1） 热备用。在任何时刻，运转中的所有发电机组的最大可能出力之和都 应大于该时刻的总负荷，这两者的差值通常称为热备用容量。
（2） 冷备用。系统中处于停机状态，但可随时待命启动的发电设备可能发 出的最大功率称为冷备用容量。
4-6
解：
在丰水期，水量充足，为了充分利用水力资源，水电厂应带基本负荷，其输出电功率基本上属于不可调功率。凝气式发电厂应带尖峰负荷。如图1 所示。
在枯水期，来水较少，水电厂的不可调功率明显减少，仍带基本点和，水电厂的可调功率应安排在日负荷曲线的尖锋部分，其余各类电厂的安排水需不变。如图2 所示。
F B
E F
E D D C
C A B A
丰水期 枯水期 A：水电厂的不可调功率； B：水电厂的可调功率；
C：热电厂； D：核电厂
E：高温高压凝汽式火电厂； F：中温中压凝汽式火电厂；
4-7 电力系统综合负荷的有功功率与频率的关系可表示为：
PD?a0PDN?f??f??f???????a1PDN??aP?aP??????? 2DN?3DN??f????N??fN??fN?23式中，PD为频率为f时系统的综合负荷，PDN为频率为fN(50Hz)时系统的综合负荷，ai为各类负荷的权重，且
a0?a1?a2?a3?????1
因与频率的更高次方成正比的负荷所占比重很小，可以忽略，当频率偏离额
定值不大时，负荷的有功功率-频率静态特性常用一条直线近似表示。称为负荷的有功功率-频率静态特性。
PDPDN?fNf
图中直线的斜率KD称为负荷的频率调节效应系数或简称为负荷的频率调节效应。
KD?tan???PD ?f4-8 反应调整过程结束后发电机组输出有功功率与频率之间的关系的曲线称
为发电机组的有功功率-频率静态特性。
PGPGNfNf
发电机组有功功率-频率静态特性曲线的斜率KG称为发电机组的单位调节功率。
KG???PG ?f 发电机组的静态调差系数为
????f ?PG4-9
解：
频率的一次调整：
离心式机械液压调速系统示意图
当负荷增加时，发电机组的有功功率输出也随之增加，原动机的转速降低，而是飞摆的离心力减小。在弹簧力和重力的作用下，飞白靠拢到新的位置才能重新达到受力平衡，于是套筒从B点下移到B?点。此时，油动机还未动作，故杠杆ACB的A点让在原处不动，整个杠杆便以A点为支点转动，使C点下降到C?点。杠杆DEF的D点是固定的，于是F点下移，错油门的活塞随之向下移动，打开了通向油动机的油孔，压力油便进入油动机活塞的下部，将活塞上推，增大调速气门的开度，增加进汽量，是原动机的输入功率增加，机组的转速便开始回升。随着转速的上升，套筒开始从B?点回升，与此同时油动机活塞上移，使杠杆ACB的A点也跟着上升，于是整个杠杆ACB便向上移动，并带动杠杆DEF以D为支点逆时针方向转动。当C点及杠杆DFE恢复到原来位置时，错油门活塞重新堵住两个油孔，抽动及活塞的上下两侧油压相互平衡，它就在一个新的位置稳定下来，调整过程结束。这时，杠杆ACB的A点由于汽门已开大而略有上升，到达A?点，而C点仍将保持原来位置，相应的，B点将略有下降，到达B??点位置，与这个位置相对应的转速将略低于原来的转速，这就是频率的一次调整。
4-10
?PD?f??PG2?PDP?PD0B?PD?f?P2P1?PG1BA?PG?f?PG?f?f2f3f1f
原始运行点为负荷的有功功率-频率静态特性PD?f?与发电机组的有功功率-频率静态特性PG?f?的交点A，系统的频率为f1。假定系统的负荷增加了?PD0，仅经过频率的一次调整，运行点将移到B点，系统的频率为f2。由于f2不满足对系统频率的要求，需要进行频率的二次调频。
在同步器作用下，发电机组输出的有功功率增加?PG，发电机组有功功率-?频率静态特性上移为PG?f?，运行点也随之转移到负荷的有功功率-频率静态特?性PD?f?与发电机组有功功率-频率静态特性PG?f?的交点B?。此时，系统的频
率为f3，发电机组输出有功功率与系统负荷的有功功率需求之间的平衡，即
PD?PG?P2。
可见，系统负荷的初始增量?PD0由三部分承担：由二次调整而得到的发电机组的功率增量?PG；由一次调整而得到的发电机组的功率增量-KG?f；由负荷本身的调节效应所得到的功率增量-KD?f。即
?PD0??PG?KG?f?KD?f
而经过二次调整后，频率f的偏移值为
?f?f3?f1
它小于仅靠一次调整时的频率偏移。
第4章作业答案有功平衡频率调整（已修订）
