郑州电力职业技术学院毕业生论文
题目：＿浅谈电力系统有功功率与频率调整
系别＿＿＿电力工程系＿＿＿＿ 专业＿ 继电保护及自动化 班级＿＿＿09 继电3班＿＿＿＿ 学号＿＿ 09401020341 姓名＿＿＿＿ 王玲玲＿＿＿＿
论文成绩 答辩成绩 综合成绩 指导教师 主答辩教师 答辩委员会主任 1
浅谈电力系统有功功率与频率调整
摘要
本文首先介绍了电力系统有功功率与频率调整的基本知识，有功功率的应用、意义及；频率调整的必要性，电压频率特性，频率的一二次调整，以及互联系统中的频率的一二次调整，调频与调压的关系，以及电力系统频率调整在个类电厂中得作用。
关键词：有功功率 频率调整 互联系统
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目录
1电力系统有功功率与频率调整的意义 ........................................................................................ 1 2频率调整的必要性 ........................................................................................................................ 1
2.1频率变化的危害 ................................................................................................................. 1 2.2电力系统负荷变动规律 ..................................................................................................... 1 3电力系统的频率特性 .................................................................................................................... 2
3.1负荷的有功功率－频率静态特性 ..................................................................................... 2 3.2电源的有功功率－频率静态特性 ..................................................................................... 4
3.2.1同步发电机组的调试系统 ...................................................................................... 4 3.2.2调速系统框图 .......................................................................................................... 4 3.2.3同步发电机组的有功功率-频率静态特性 ............................................................. 4
4电力系统的频率调整 .................................................................................................................... 6
4.1频率的一次调整 ................................................................................................................. 6
4.1.1基本原理 .................................................................................................................. 6 4.1.2基本关系 .................................................................................................................. 6 4.1.3多机系统的一次调频 .............................................................................................. 7 4.2频率的二次调整 ................................................................................................................. 9
4.2.1基本原理 .................................................................................................................. 9 4.2.2基本关系： ............................................................................................................ 10 4.2.3基本理论： ............................................................................................................ 10 4.3互联系统的（二次）频率调整 ....................................................................................... 10
4.3.1基本关系 ................................................................................................................ 10 4.3.2注意要点： ............................................................................................................ 10 4.4调频与调压的关系 ........................................................................................................... 11
4.4.1频率变化对电压的影响 ........................................................................................ 11 4.4.2电压变化会频率的影响 ........................................................................................ 11 4.4.3注意 ........................................................................................................................ 11
5电力系统的有功平衡与备用容量 .............................................................................................. 12
5.1有功平衡关系 ................................................................................................................... 12 5.2备用容量 ........................................................................................................................... 12 6电力系统负荷在各类发电厂的合理分配 .................................................................................. 12
6.1火力发电厂的主要特点 ................................................................................................... 12 6.2水力发电厂的主要特点 ................................................................................................... 13 6.3抽水蓄能水电厂的主要特点 ........................................................................................... 13 6.4核能发电厂的主要特点 ................................................................................................... 13 总结 ................................................................................................................................................ 14 致谢 ................................................................................................................................................ 15 参考书籍......................................................................................................................................... 16
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1电力系统有功功率与频率调整的意义
发电机的输出电压和输出电流是有限制的，发电机的负荷是以伏安计算的（即电流有效值乘以电压有效值，视在功率），当负载的功率因数为1时，发电机负荷可以全部转换成有功功率输出。当负载的功率因数很低时，比如0.5，这时，即使发电机满负荷运行（输出电流达到其额定值），实际只能输出一般的功率，发电机效率很低。另一方面，功率因数很低时，电能不断地在负载和发电机之间交换，电流在线路上产生损耗。发电机必须在一定频率下稳定运行，如果不对频率进行控制，会造成发电机运行失速，造成电网频率崩溃。
2频率调整的必要性
2.1频率变化的危害
(1)对用户：①IM出力，受f影响→影响生产（产量、质量、安全）②电子通信设备受f影响→可靠性、准确性和精度
(2)对系统：① 机组及辅机出力、效率受f影响—— f↓→PG↓、η↓→PG↓↓→f↓↓②f↓↑→机组应力、受命↓；③f↓→变压器、IM的Xm↓→I0↑→I02Xm↑↑→系统无功缺额↑→V↓；网损↑
(3)频率要求：50 Hz ± (0.2～0.5)Hz——△ f = ±(0.4~1.0)%
2.2电力系统负荷变动规律
运行中综合用电负荷PD变动特点：规律性 +随机性
任何负荷功率的变化→f变化→f变化特点：规律性 + 随机性 三种负荷变动：
第一种负荷变动P1：小幅随机波动，周期短（<10s）→f 微小随机波动；一次
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调频→机组调速器实现。
第二种负荷变动P2：幅度较大，周期较长（10s～3min）→f 偏移，二次调频，调频机组调频器——随机性←由大容量冲击负荷。
第三种负荷变动P3：幅度大，周期长，变化缓慢→电厂按给定发电计划曲线发电，三次调频——有规律←气候（季节性）、作息制度、生活规律。
负荷变P3动三次幅调频P2度二次调频P1一次调频负荷变动频率图2-2电力系统负荷规律变动图
3电力系统的频率特性
3.1负荷的有功功率－频率静态特性
(1)定义：稳态运行时的 PD( f ) →有功－频率静态特性 (2)描述：
23 PD*?a0+a1f*+a2f*+a3f*+??a0+a1f*PD*=PD / PDN & f*=f / fN
关于f各次方负荷：
① 零次方类负荷：照明、电弧炉、电阻炉、整流设备
② 一次方类负荷：机械转矩恒定的电动机——球磨机、切削机床、往复式
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水泵
③ 二次方类负荷：变压器涡流损耗 ④ 三次方类负荷：通风机、循环水泵
⑤ 高次方类负荷：静水头阻力很大的给水泵-所占比例很小，忽略
(3) 负荷的频率调节效应（频率调节系数、频率特性系数）
⑷KD的物理意义： KD*= （a）
KD=tgβ?ΔPDΔffNΔPD*Δf*=f*=1.0ΔPD/PDNΔPDfNf=?=KD?NΔf/fNΔfPDNPDNKD反映PD对f变化的自动调节能力：KD↑→调节能力↑——负荷的“频率调
节效应”或“单位频率调节功率”
（b） （c）
KD取决于负荷本身的固有频率特性，有实验确定。一般KD=1~3 如果PD与无功功率，KD=0←负荷不具有频率调节能力
PDPDN△ffN△PDβf图3-1频率静态特性曲线图
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3.2电源的有功功率－频率静态特性
3.2.1同步发电机组的调试系统
作用：反映机组转速(系统频率)变化→调整QF汽门或SF导水叶开度μ→原动机进汽（水）量→原动机Mm (Pm)→机组出力PG→系统f (ω) 或 nG 概念：单机运行调nG ( f )，并列(网)运行调PG
构成：调速器：f↓→自动响应→Pm↑→PG↑→f↑→△f↓→△f≠0←一次调整
调频器：一次调整后，若△f过大→人为介入→Pm→PG→△f≠0←二次调整
3.2.2调速系统框图
图3-2-⑵调速系统框图
二次调频信号+∑+∑+ω0-ωK1T1sK2T2s+K3T2s+1△μ原动机ωPm转速传感器3.2.3同步发电机组的有功功率-频率静态特性
① 特性曲线PG( f )：
图3-2-⑶频率静态特性曲线示意图
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② 静态调差系数定义：
δ的物理意义分析：
（a） △f、△PG变化方向相反→δ﹥0
（b） Δ反映机组的频率调节能力——δ↓→频率调节能力↑ （c） Δ反映机组每增发单位出力引起的转速变化
（d） 若机组出力达到极限：δ=∞→机组已经不具有频率调节能力 ③ 静态有功频率特性系数——单位频率调节功率： 定义：
意义：（a）KG反映机组的频率调节能力：KG↑→调节能力↑——“单位频率调节功率”
（b）KG是机组本身的固有频率特性，可由实验确定
（c）若机组出力达到极限：KG=0→机组已经不具有频率调节能力 ④ PG(f)与PD（f）之比较：
KD=ΔPD/Δf>0 KG=-ΔPG/Δf>0（a） KD不可调整，KG可调整
（b） KD、KG均为f每变化一个单位所引起的PD或PG的变化量
（c） F↓(△f＜0)——△PD＜0→PD↓；△PG＞O→PG↑→二者综合作用，减小功
率缺额→有利于频率稳定
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4电力系统的频率调整
4.1频率的一次调整
4.1.1基本原理
初始条件：A点——PG（f）＆PD(f)交点：f1、PG(A)=PD(A)=P1 负荷扰动：△PD0——PD`（f）、B点——PD=PD(A)+△PD0＞PG=PG(A)
4.1.2基本关系
△PG=-KG△f.△PD=KD△f △PD0=△PG-△PD=-(KG+KD)△f=-KS△f KS=KG+KD=-△PD0/△f △f=-△PD0/KS 注意：
① 一次调整时机组与负荷共同作用、自动完成 ② 一次调频能减小△f，但△f≠0
③ KS——系统单位频率调节功率反映了系统的频率调节能力
④ 机组具备有功备用才能参与一次调频，当KG=0时，△PD0→更大的△f，如图4-1所示
PP2P1PG( f )CBFA△f△PD△PG△PD 0PD( f )0f2f1f(ω)6
图4-1频率一次调整示意图
⑤ KS的标幺值：
KS=KG+KD=KG.PGN/Fn+KD.PDN/Fn=-△PD0/△f KG.PGN/PDN+KD=-△PD0/△f←KS KS=KD+KXKG←KX=PGN/PDN=1+PX/PDN Pr:G的有功备用容量 Kr：备用系数 要求：Kr＞1.0
频率调节系数的基准：KD→PDN；KG→PGN；KS→PGN
4.1.3多机系统的一次调频
①运行状态分析
基本条件：机组数n，均有一次调频能力；含网损 △P∑ 的总负荷：PD∑0 初始状态 ：PG∑0 ＝PD∑0 、 f ＝f0
负荷扰动：△PD∑0 → PD∑0↑→PD∑＝PD∑0 ＋△PD∑0
频率变化：→ PD∑( f0 ) > PG∑( f0 )＝PG∑0 → f↓→f ＝f0 ＋△f ；f < 0
机组响应：→△PG i ＝－KG i △f ； △PG i > 0 ( i=1,2, ?,n) PG i (f)＝PG i 0 ＋△PG i
出力总增量：△PG∑＝∑△PG i ＝－∑(KG i △f)＝－(∑KG i) △f 系统总出力：PG∑(f)＝PG∑0 ＋ △PG∑ 负荷响应：△P D∑ ＝KD △f < 0
系统总负荷： PD∑(f)＝PD∑0 ＋ △PD∑0 ＋△P D∑ 频率f时的系统功率平衡方程：
PD∑(f)＝PG∑(f) →PD∑0 + △PD∑0 ＋△P D∑＝PG∑0 ＋△PG∑ → △PD∑0＝△PG∑－△P D∑
△PD∑0＝－(∑KG i)△f－KD △f ＝－(∑KG i ＋KD )△f △PD∑0＝－KS △f
② 等值机组的单位频率调节功率和调差系数
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(a)KG∑： KG∑＝∑KG i (MW / Hz) (b)KG∑*：Let PGN. ∑＝∑PGN. i ?ΔPGi??ΔPG iPGN i??ΔPGi*?ΣΔPG iΣ?Σ?Σ-?P????GN i?KΔPGΣ*=-PGN.ΣPGN.ΣGΣ*?-?PGN iΔf*?ΔfΔf*Δf/f=-?=-?=?*NΔf*PGN.ΣPGN.Σ
KΣ(KG i*PGN i)GΣ*=P ?fNΣKG iGN.ΣPGN.Σ注意基准功率：KGi——PGN.i KG——PGN (C)调差系数
③ 系统的等值单位频率调节功率 KS ： KS＝－△PD∑0 /△f ＝KG∑＋KD (MW / Hz) KS*＝－△PD∑0* /△f* ←功率基准：PDN K (KfNS*＝GΣ＋KD)P＝KfNfP＝KfNGΣ＋KNDGΣ＋KD*
DNPDNDNPDNKGΣ*=KfN＝(KPGN.Σ)fNGN.ΣKGΣPP＝KPGΣ*GΣ*＝KrKGΣ*GΣ( fN/PGN.Σ)DNfNDNPDN
KP ΣP＝PDN＋PGr.Σ＝1＋ΣPGr . ir＝GN.DNPDNPDNPDr∑=∑PGr.t——系统总有功备用容量 Kr：系统备用系数——Kr＞1.0
注意功率基准：KG∑→PGN∑；KD→PDN；KS→PDN ④ 多机系统一次调频应当注意的基本问题 (i) 一次调频计算的基本内容
KG i 、(δi )、KD 、△PD∑0 → △f 、△P G i ： KG∑＝∑KG i KS＝KG∑＋KD
△f ＝－△PD∑0 / KS;△P G i＝－KG i △f ＝－△f / δi Note： △f /δi ＝P GN i (△f* / δi*) △P G i / P GN i ＝△f* / δi*
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KG i 、(δi )、KD 、△f → △PD∑0、△P G i ： △PD∑0＝－KS △f ＝－(KG∑＋KD) △f △P G i ＝－KG i △f (ii) 一次调频的基本特点
(a)系统必须具有足够的热备用容量，保证Kr >1 (b)if PG i ＝PGN i then PGr. i ＝0 ; KG i ＝0
(c)机组应有合理的δi——δ过大→KG∑小；δ过小→KG∑小；各机组间功率分配不稳定
(d)系统机组多、装机容量大→负荷扰动引起的△f小；
(e)一次调频有差，只能减小△f、但不能使△f＝0——对小幅度、变动频繁的负荷变化引起的频率偏移进行调整
4.2频率的二次调整
4.2.1基本原理：如图4-2-1所示
KD△f0PP2＝KD△f＝KG△fP1KG △f0PD( f )(调频器)0f2 f1f(ω)图4-2-1频率的二次调整基本原理图
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4.2.2基本关系：
△PD0=△PG+PG`-△PD`
△PD0-△PG=-(KG+KD)△f=-KS△f △f=f2`-f1=-(△PD0-△PG)/KS
4.2.3基本理论：
①二次调频缩小了频率偏移：△f0→△f
实质强制G增加出力，减小了功率缺额：△PD0↓→(PD0-△PG) ②二次调频可以实现无差调节：if(PD0=△PG)→then △f =0 ③系统中只有部分G参与二次调频——调频机组
4.3互联系统的（二次）频率调整
4.3.1基本关系
SystemA:△PDA+△PAB-△PGA=-KA△FA SystemB:△PDB-△PAB-△PGA=-KB△FB △ Fa=△Fb=△f Δf＝－(ΔPDA+ΔPDB)-(ΔPGA+ΔPGB)＝－ΔPD－ΔPG
KA+KBK ΔPKA(ΔPDB－ΔPGB)-KB(ΔPDA-ΔPGA)AB＝KA+KB
4.3.2注意要点：
①无差调节条件：联合系统无功率缺额△PDA+△PDB=△PGA+PGB
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②KA、KB影响交换功率——△PAB=0的条件： （△PDA-△PGA）/KA=(△PDB-△PGB)/KB ③△PAB最大的条件： 如果△PGB=0则△PAB=△PDB
与此相对应△PGA=△PDA+△PDB→△PAB=△PDB-(△PD-△PGA)KB/(KA+KB) 或者如果△PGA=0则△PAB=-△PDA
与此相对应△PGB=△PDA+△PDB→△PAB=-△PDA+(△PD-△PGB)KA/(KA+KB)
4.4调频与调压的关系
4.4.1频率变化对电压的影响
①当f降低时，QG降低，Qm(IM)(≈V/Xm)升高、（IX）升高、（Ωcv）降低△QT.Y升高；系统无功缺额升高导致电压降低
②当f升高时，QG升高，Qm(IM)(≈V/Xm)降低、（IX）降低、（Ωcv）升高△QT.Y降低；系统无功缺额降低导致电压升高
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4.4.2电压变化会频率的影响
电压升高，无功功率升高，功率变化量下降使得系统有功需求升高从而使得频率降低，相反电压降低时，频率升高
4.4.3注意
①频率（有功平衡）——全局的：调压（无功平衡）——可以是局部的有功电源的分布不影响频率调整：无功电源的分布会电压调整影响很大
②系统PG、QG均不足，使得，V、f均偏低，导致首先应解决有功平衡，最后有利于电压的调整
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5电力系统的有功平衡与备用容量
5.1有功平衡关系
PG∑＝PLD∑＋△P∑＋△PPlant＝PD∑→f = f 0 (要求：= f N) PG∑ > PD∑→f↑；PG∑ < PD∑→f↓
5.2备用容量
①基本要求：PGN.∑ > PD∑ → PGN.∑－PD∑＝Pr ②备用容量分类：
备用方式：热备用(旋转备用)、冷备用 备用功能：
a负荷备用：适应负荷短时波动，一二次调频所必须,要求（2~5）%PD∑N b事故备用：保证运行中机组事故退出后的连续供电并维持，要求：（5~10）%PD
∑N＆不小于运行中最大单机容量
c检修备用：保证机组计划检修时的连续供电并维持，要求：不小于系统中最大单机容量
d国民经济备用：满足国民经济和社会发展的负荷增长需求
6电力系统负荷在各类发电厂的合理分配
6.1火力发电厂的主要特点
①运行成本高(燃料、厂用电)；维护复杂；运行条件不受自然条件影响 ②锅炉、汽轮机最小技术负荷限制→出力调整范围小
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锅炉——中温中压：PG.min≥25%PGN ； 高温高压：PG.min≥70%PGN 汽机——PG.min≥(10~15)% PGN
③负荷增、减速度慢：PG?(0.5~1.0) PGN →爬坡速度 (2~5)%PGN /min ④投入、退出运行：费时长、耗能多、设备易损坏
⑤效率与蒸汽参数有关→高温高压：最高；低温低压：最低
⑥热电厂因供热强迫功率(PG.min)大，出力调整范围更小；但效率较高 注意：蒸汽参数↑ →技术、经济综合指标↑→效率↑ 、出力调节范围↓、 负荷增减速度↓→高温高压火电厂不宜带急剧变动负荷
6.2水力发电厂的主要特点
①运行成本低；运行条件受自然条件影响→水库调节周期越长，影响越小 ②最小技术负荷主要受下要求游供水量限制，出力调整范围大：≥50%PGN ③负荷增、减速度快：PG=0↑ →PGN ，≤1min
④投入、退出运行：费时短、无需额外耗费；运行操作简便安全 ⑤水利枢纽综合效益好
6.3抽水蓄能水电厂的主要特点
特殊水电厂：上、下两级水库，作用：调峰——削锋填谷、调节峰谷差 运行方式：日负荷低谷：作为负荷运行，从电网吸收有功；日负荷高峰：电源，向系统发出有功
6.4核能发电厂的主要特点
与常规火电厂比较，主要不同：一次能源转换(→蒸汽)系统；技术特点与火电厂相同；容量大，经济、技术指标好；一次投资大，运行费用小，机组启、停：费时长、耗能多；不宜带急剧变动负荷。
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总结
电力系统频率调整的结果与负荷变动的大致规律有关。实际的负荷变动一般可分解为三种有规律可循的负荷变动：第一种负荷变动：变化周期很短、变动幅度很小，这种负荷变动有很大的偶然性，是一种随机负荷。第二种负荷变动：变化周期较长、变动幅度较大，波动比第一种相对大一些，这种负荷主要有工业电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷变动。第三种负荷变动：变化缓慢、变动幅度最大，是由生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。这种负荷变动基本上可以预测，阶梯形的负荷曲线反映的基本上是这种负荷变动。 这三种负荷变动都将引起频率不同程度的偏移，电力系统频率调整的任务是要根据这三种负荷变动的特点，分别采取不同的手段，调整电源的有功功率输出与之相适应，以保证频率偏移在允许范围内。
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致谢
本论文是在指导老师悉心指导下完成的。导师在我课题的选题、实现以及论文撰写过程中，给予了悉心的指导和大量的帮助。导师广博的学识、敏锐的学术思维、勤恳的敬业精神、忘我的工作热情是我学习的典范，不仅传授我如何获取知识的本领，更以严谨求实的治学精神深深感染着我，使我终身受益。
感谢我的家人多年来给予的支持和无私关爱，感谢学校领导的关心和照顾，让我有充足的时间来完成学业。
感谢所有我的任课老师及我们班的同学对我的帮助。 向论文评审及答辩委员会的老师致以最诚挚的谢意!
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参考书籍
[1] 夏道止。电力系统分析，中国电力出版社，2004年 [2] 杨淑英。电力系统概论，中国电力出版社 ，2003年 [3] 尹克宁。电力工程，中国电力出版社，2005年 [4] 周容光。电力系统故障分析，清华大学出版社，1988年 [5] 何仰赞。电力系统分析，华中理工大学出版社，1991年 [6] 张炜。电力系统分析，水利水电出版社，1999年
[7] 张伯明，陈寿孙。 高等电力网络分析，清华大学出版社，1996年 [8] 邹有明，王崇林。 供电技术，煤炭工业出版社，1997年
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电力系统有功功率与频率调整
