电力系统有功功率与频率调整

电力系统有功功率与频率

调整

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＿＿＿ 15 继电 3 班＿＿＿＿

学号＿＿

姓名＿＿＿＿张高原＿＿＿＿

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

2

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)

频率变化的危

害 ....................................................................................................

(1)

电力系统负荷变动规律.............................................................................

(1)

3 电力系统的频率特性......................................................................................

(2)

负荷的有功功率－频率静态特性电源的有功功率－频率静态特性同步发电机组的调试系统

.................................................................... .. (2)

.................................................................... .. (4)

..................................................................... .. (4)

调速系统框

图 ................................................................................................

(4)

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)

频率的一次调

整 ....................................................................................................

(6)

基本原

理 ................................................................................................

(6)

基本关

系 ................................................................................................

(6)

多机系统的一次调频.........................................................................

(7)

频率的二次调

整 ....................................................................................................

(9)

基本原

理 ................................................................................................

(9)

基本关

系： ..............................................................................................

(10)

基本理

论： ..............................................................................................

(10)

互联系统的（二次）频率调整

......................................................................

(10)

基本关

系 ................................................................................................

(10)

注意要

点： ..............................................................................................

(10)

调频与调压的关系

..................................................................................

(11)

频率变化对电压的影响电压变化会频率的影响....................................................................... .. (11)

....................................................................... .. (11)

注

意 ................................................................................................

(11)

5 电力系统的有功平衡与备用容量..........................................................................

(12)

有功平衡关

系 ....................................................................................................

(12)

备用容

量 ....................................................................................................

(12)

6 电力系统负荷在各类发电厂的合理分配

....................................................................

(12)

火力发电厂的主要特点水力发电厂的主要特点............................................................................. . (12)

............................................................................. . (13)

抽水蓄能水电厂的主要特点.........................................................................

(13)

核能发电厂的主要特点.............................................................................

(13)

总

结 ......................................................................................................... (14)

致

谢 ......................................................................................................... (15)

参考书

籍 ......................................................................................................... .. (16)

3

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

全部转换成有功功率输出。当负载的功率因数很低时，比如 1 时，发电机负荷可以

，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

频率变化的危害

(1) 对用户：① IM 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 ↓↓② f ↓↑→机组应力、受命↓；③ f ↓→变压器、 IM 的 Xm↓→ I0 ↑→ I02Xm ↑↑→系统无功缺额↑→ V↓；网损↑

(3) 频率要求： 50 Hz ±～Hz ——△ f

= ± ~%

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

1

P1：小幅随机波动，周期短（ <10s）→ f 微小随机波动；一次

P 3

P 2

a 0 + a 1 f + a 2f * + a 3f * + 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

动 三次

幅 调频

度 二次调频

P 1

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

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：P D* * 2 3 a 0 + a 1f *

P D* = P D / P DN & f * = f/f N

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

2

D

D* *D D

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）

⑷K D的物理意义：

K D = tgβΔＰ

Δｆf

N

K D* =

ΔＰ

Δｆ

f *==ΔＰ/P DN

Δ f/f N

=ΔＰ f

N

Δｆ P DN

=K D f N

P DN

（a）

K D反映 P D对 f 变化的自动调节能力： K D↑→调节能力↑——负荷的“频率调

节效应”或“单位频率调节功率”

（b）

（c）K D取决于负荷本身的固有频率特性，有实验确定。一般如果 P D与无功功率， K D=0←负荷不具有频率调节能力

P D

P DN

β P D

△ f

f N

-86f K D=1~3

图 3-1 频率静态特性曲线图

3

电源的有功功率－频率静态特性

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→→PGf ≠0←二次调整

调速系统框图

二次调频信号

+∑ +∑+ω 0

-ω

K 1

T 1s

△μ原动机

转速

ω P m

K 2T 2s+K 3传感器T 2 s+1

图 3-2- ⑵调速系统框图

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

4

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）K G反映机组的频率调节能力： K G↑→调节能力↑——“单位频率调节

功率”

（b）K G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： K G=0→机组已经不具有频率调节能力

④ P G( f ) 与 P D（ f ）之比较：

K D =ΔＰΔｆ0K

G = -ΔＰΔｆ0

（a） K D不可调整， K G可调整

（b） K D、K G均为 f 每变化一个单位所引起的

P D或 P G的变化量

（c） F↓ ( △ f ＜ 0) ——△ P D＜0→P ↓；DP G＞O→P G↑→二者综合作用，减小功率缺额→有利于频率稳定

5

/ >D/ >G

4 电力系统的频率调整

频率的一次调整

基本原理

初始条件： A 点—— P G（ f ）＆ P D( f ) 交点： f 1、P G(A) =P D(A) =P1

负荷扰动：△ P D0—— P D` （f ）、B 点—— P D=P D(A) +P D0＞P G=P G(A)

基本关系

△ PG=-K G f . △P D=K Df

△P D0 = P G- △ P D=-(K G+K D) △f =-K S f

K S=K G+K D=- △P D0/ △f

△f =- △ P D0/K S

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 K S——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

如图 4-1 所示K G=0 时，△ P →更大的D0f ，P

C

P G( f )

P2B F

△ P D 0

△ P D

△ P G

P1P

D( f )△ f A

f2f1f(ω )

图 4-1 频率一次调整示意图

6

⑤ KS的标幺值：

K S=K G+K D= GN/F n+ DN/F n=- △P D0/ △ f

GN/P DN+K D=- △ P D0/ △f ←K S

K S=K D+K X K G← K X=P GN/P DN=1+P X/P DN

P r :G 的有功备用容量

K r：备用系数要求： K r＞

频率调节系数的基准： K D→P DN；K G→ P GN；K S→ P GN

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 ＝ f 0

负荷扰动：△ PD∑0 → PD∑0↑→ PD∑＝ PD∑0 ＋△ PD∑ 0

频率变化：→ PD∑( f 0 ) > PG ∑( f 0 ) ＝PG∑0 → f ↓→ f ＝f 0 ＋△ f ；△

f <0

机组响应：→△ PG i ＝－ KG i △f

PGi (f)＝PG i 0 ＋△ PG i；△ PG i > 0 ( i =1,2, ,,n)

出力总增量：△∑＝∑PGPG 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 ∑－PGP 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

7

G *G i Gi

*

G

**

(a)KG∑： KG ∑＝∑ KG i (MW / Hz)

(b)KG∑* ：Let PGN. ∑＝∑ PGN. i

K

GΣ＊-ΔＰΣ

＊

Δｆ= -ΣΔＰ

P GN.Σ

Δ f/f N

=-ΣΔＰ

P GN.Σ

Δｆ

=-ΣΔＰi

P GN i

P GN.Σ

P GN i

Δｆ

=Σ -ΔＰGi*

Δｆ

P GN.Σ

P GN i

K

GΣ＊ =Σ (K G i*

P GN.P GN i )

Σ

f N

P GN.Σ

ΣＫ G i

注意基准功率： K Gi——

(C) 调差系数K G—— P GN

③系统的等值单位频率调节功率

KS ：＝－KSPD∑ 0 / △f ＝ KG∑＋ KD(MW / Hz) KS*＝－△ PD∑0* / △f*

←功率基准： PDN

K

S*＝ (K GΣ＋ K D )f N

P DN ＝ K GΣf

N

P DN

＋ K D f

N

P DN

＝ K GΣf

N

P DN

＋ K D*

K GΣ＊=

K GΣ(f N /P GN.Σ )K GΣf N

P DN ＝（ K GΣ＊P GN.

f N

Σ)f N

P DN

＝ K GΣ＊P GN.Σ

P DN

＝ K r K GΣ＊

K r＝P

GN.

P DN Σ＝P DN＋ P Gr.Σ

P DN

＝ 1＋ΣＰGr . i

P DN

P Dr∑=∑——系统总有功备用容量

Kr：系统备用系数—— K r＞

注意功率基准： K G∑→P GN∑；K D→P DN；K S→P DN

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

/δ i

Note：

△f / δ i ＝P GN i ( △f*

/

δi* )

△P G i / P GN i ＝△ f* /

δi*

8

KG i 、( δi ) 、 KD 、△ f →△PD∑、0P 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 ＝PGNi then P Gr. 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

频率的二次调整

基本原理：如图 4-2-1 所示

K D△ f 0 P

P2

P1

K G△ f0P D ( f )＝ K D△ f

＝ K G△ f

( 调频器）

f 2f 1f(ω )

图 4-2-1 频率的二次调整基本原理图

9

基本关系：

△P D0 = P G+P G`- △P D`

△P D0- △ P G=-(K G+K D) △f =-K S f

△f=f 2`-f 1=-( △P D0- △

P G)/K

基本理论：

S

①二次调频缩小了频率偏移：△

f →0f

实质强制 G增加出力，减小了功率缺额：△

P D0↓→ (P D0- △P G)

②二次调频可以实现无差调节：if(P

D0 = P G) → then △f =0

③系统中只有部分 G参与二次调频——调频机组

互联系统的（二次）频率调整

基本关系

SystemA:△P DA +P AB- △P GA=-K AF A

SystemB:△P DB- △P AB- △P GA=-K BF B

△ Fa=△Fb=△ f

Δｆ

－(ΔＰ +ΔＰ ) - (ΔＰ +ΔＰ )

K A + K B ＝－ΔＰ－ΔＰ

K

ΔＰAB＝

K A(ΔＰDB－ΔＰGB )

- K

K A + K B

B(ΔＰDA -ΔＰGA )

注意要点：

①无差调节条件：联合系统无功率缺额△

P DA +P DB =P GA+P GB10

＝DA DB GA GB D G

②K A、 K B影响交换功率——△ PAB=0的条件：

（△ P DA- △P GA） /K A=( △P DB- △ P GB)/K

B

③△ P AB最大的条件：

如果△ P GB=0 则△ P AB =P DB

与此相对应△ P GA =P DA + P →DBP AB =P DB-( △P D- △P GA)K B/(K A+K B)

或者如果△ P GA=0 则△ P AB=- △P DA

与此相对应△ P GB =P DA + P →DBP AB=- △ P DA+( △P D- △P GB)K A/(K A+K B)

调频与调压的关系

频率变化对电压的影响

2 2

①当 f 降低时， Q G降低， Q m(IM) ( ≈V /X m) 升高、（I X）升高、（Ωcv ）降低

升高；系统无功缺额升高导致电压降低

2 2

②当 f 升高时， Q G升高， Q m(IM) ( ≈V /X m) 降低、（I X）降低、（Ωcv ）升高

降低；系统无功缺额降低导致电压升高

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

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 P G、 Q G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

11

5 电力系统的有功平衡与备用容量有功平衡关系

P G∑＝P LD∑＋△ P∑＋△ P Plant＝P D∑→f =

f0 ( 要求： =

f N)

P G∑ > P

D∑→f ↑； P G∑ < P D∑→f ↓

备用容量

①基本要求： P GN.∑ > P D∑→ P GN.∑－P D∑＝ P r

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） %P D∑ 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）%P D ∑ 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

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

12

锅炉——中温中压：≥25%PGN ；高温高压：≥70%PGN

汽机——≥(10~15)% PGN

③负荷增、减速度慢： PG ~ 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

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

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

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。

14

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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