新聞主題	發電機負荷功率與頻率特性

 

摘要：一個電力系統由發電廠、輸配電網絡和負荷組成，三個部分都是不可或缺的，電力系統的頻率由發電機發出有功功率、輸配電網絡有功損耗、負荷吸收有功功率三部分之間的平衡確定。輸配電網絡的有功損耗（基波）與頻率（在50Hz左右）的變化大小無關，而發電機、負荷則有著各種不同的功率一頻率特性。

 

一、負荷功率一頻率特性

 

負荷功率一頻率特性往往與其機械（物理）特性相關。按有功功率與頻率關系可分為以下幾類。

（1）與頻率變化無關（零次方）的負荷，如照明、電弧爐、電阻爐、整流負荷等，物理特性是發熱；

（2）與頻率成正比的負荷，如切削機床、球磨機、往復式水泵、壓縮機、卷揚機等，往往表現為機械摩擦阻力損耗；

（3）與頻率的二次方成比例的負荷，如變壓器中的渦流損耗，但這種損耗在電網有功損耗中所占比重較小；

（4）與頻率的三次方成比例的負荷，如通風機、靜水頭阻力不大的循環水泵等；

（5）與頻率的更高次方成比例的負荷，如靜水頭阻力很大的給水泵等。

在電力系統中，以與頻率零、一次方負荷為主，在企業中由于通風、冷卻系統所用電動機功率較大，與頻率三次方關系的負荷也占有一定的比例。

設α_i為與頻率成i次方關系的負荷占額定頻率時系統總負荷P_LN比例系數，則在頻率為f時的負荷P_L為

 

 

同除額定頻率下總負荷P_LN，表示為標幺值形式為

P_L* =α₀+α₁f _*+α₂f2 *+α₃f3 * +···+α_nfn * .                          (7-2)

當頻率f為額定值50Hz時，有

P_L* =α₀+α₁+α₂+α₃+··+α_n=1                              (7-3)

可以看到，α_i為與頻率成i次方關系的負荷占總負荷比例系數，其總和為1，且α_i均大于0，說明負荷取用有功功率是隨頻率上升而增加的。

由于用電負荷的投切對電力系統是不可預知的、不可控的，因此，在某時刻的負荷功率一頻率特性是不可能精確確定的。但是通過多年來對大量運行數據的積累，我們經過數據分析，了解了各類負荷所占的百分比，仍然可以作出對一個系統的負荷功率一頻率特性的描述，如圖1所示。

當系統頻率下降時，負荷取用的有功功率將減少；當系統頻率上升時，負荷取用的有功功率將增加。這種現象稱為負荷的頻率調節效應。當系統中發電機功率小于負荷時，系統頻率會下降，而負荷在頻率降低時會自動少吸收有功功率，說明負荷的頻率調節效應的存在有利于系統在新的頻率下平衡。

 

圖1 發電機負荷靜態頻率特性曲線圖

 

二、負荷的頻率調節效應系數

 

通常用負荷調節效應系數K_L*來表示調節效應的大小。對負荷靜態頻率特性，即式（7-2）求導，得

 

 

其中，K_L*稱為負荷的頻率調節效應系數。K_L*表達負荷標幺值相對頻率標幺值的變化率。K_L*越大，表明頻率變化一個百分點的負荷變化百分數越大；K_L*越小，則表明負荷變化越小。

由于在討論自動調節過程時大都以小調節量為分析基礎，這里將有功負荷與頻率關系曲線（見圖2）在額定頻率附近小范圍直線化斜率為

 

用有名值表示為

 

換算關系為

 

 

圖2 發電機有功負荷靜態頻率特性曲線圖

 

【例1】某電力系統中，與頻率無關的負荷占20％，與頻率一次方成比例的負荷占50％，與頻率二次方成比例的負荷占10％，與頻率三次方成比例的負荷占20％。求系統頻率由50Hz下降到49.5Hz時，負荷功率變化的百分數及其相應的K_L*值。

解： 當頻率下降到49.5Hz時系統的負荷為

P_L*  = α₀+α₁f _*+α₂f2 *+α₃f3 *

                  = 0.2+0.5×0.99+0.1×0.99²+0.2×0.99³

= 0.987

即負荷的有功功率下降的百分數為

ΔP_L%=(1－0.987)×100=1.3

負荷頻率調節效應系數為

 

也可以采用對P_L*求導方式求K_L*，即

 

對比兩結果的不同，可見對實際電力系統的負荷頻率調節效應系數不是一個常數，而是隨著所選頻率點的不同而不同，如圖3所示。

 

圖3 發電機靜態頻率特性頻率點選取曲線圖

 

三、發電機組功率一頻率特性

 

一個大型電力系統由多臺發電機組并網運行，通過電力網絡傳輸功率。電力系統負荷是一直在變動的，由此影響系統的有功功率的平衡。負荷大于發電機組產生的有功功率時，發電機將減速，從而系統頻率會下降；反之頻率將上升。電力系統對頻率的要求很高，正常運行不能超過±0.2Hz。為了維護系統頻率的穩定性，要求發電機組能夠跟隨頻率的變化，調節有功功率的輸出，這種調整是通過發電機組的原動機調速器實現的。發電機組轉速（頻率）與輸出有功功率的關系如圖4所示，即發電機組功率一頻率特性。

 

發電機組功率-頻率特性曲線圖

 

從圖4可以得知，發電機組運行在ab段輸出有功功率增加時，轉速將有所降低，是一種有差調節特性。垂直線表達發電機組能夠輸出的最大有功功率，與轉速無關。發電機組功率-頻率特性ab段的斜率用調差系數R表示，即

 

調差系數R的標幺值表示為

 

其中，負號表示發電機輸出功率的變化和頻率的變化方向相反。

調差系數R的倒數稱為發電機組靜態功頻特性系數，即

 

K_G*表達了單位頻率變化，發電機的功率變化百分數，或稱原動機的單位調節功率。

一般發電機的調差系數或單位調節功率，可采用下列數值：

汽輪發電機組R_*＝4％～6％或K_G*＝16.6～25；

水輪發電機組R_*＝2％～4％或K_G*＝25～50。

 

四、調差特性與發電機組有功功率分配

 

根據發電機組調差系數，當系統中產生ΔP_∑需求時，發電機組進行出力調整，轉速（頻率f) 的變化與之對應關系為

 

其中多臺發電機組的等值調差系數Rz為

 

對照第六章的無功調差系數可見，當若干臺發電機組并聯運行時，有功與無功、頻率與電壓有著如表7-1所示的對偶關系。

表7-1                  多臺發電機組并聯運行時存在的對偶關系

五、電力系統的頻率特性

 

當電力系統中發電機所發功率與負荷吸收功率平衡時，系統將運行在某個頻率上。當系統負荷變化時，發電機所發有功功率將跟隨調整，力求使系統恢復到額定頻率運行，這種發電機組直接對系統頻率的調整稱為一次調頻。一次調頻根據負荷和發電機的功率一頻率特性，運行點頻率f將出現變化。

如圖5所示，系統原運行點a點，頻率為f_a，負荷功率為P_L1。當發生負荷增量ΔP_L時，頻率將下降Δf，在c點達到新的平衡。f_a頻率下的ΔP_L的增量由負荷減少ΔP_L1和發電機增加ΔP_L2平衡。發電機增加功率輸出是由調速器檢測到頻率下降而自動完成的，稱為一次調頻。

由于發電機和用電設備大都具有慣性，且調速器對頻率下降的調整響應有滯后，頻率的變化如圖6所示。

 

圖5 發電機組電力系統的頻率特性曲線

圖6 發電機組次調頻的頻率下降動態過程曲線圖

 

一次調頻具有如下特點。

（1）系統有功功率平衡破壞時，系統頻率要發生變化，各調頻發電機組同時參加對系統頻率的調整，沒有先后之分。

（2）系統有功功率平衡破壞時，有功功率變化量按一定比例在各調頻發電機組間分配。各調頻發電機組所承擔的有功功率變化量與該發電機組的調差系數成反比，改變調差系數可改變該調頻發電機組承擔的有功功率變化量。

（3）頻率調整的結果，由式（7-11）明顯可見，Δf≠0，即調整的結果不能保持原有系統頻率，調整是有差的，并且系統有功功率變化量ΔP_∑愈大，Δf也愈大。若發電機組的調差系數為5％，有功功率變化量ΔP_∑為15％；由式（7-11）可得到Δf為-0.75％，調整結果頻率仍然偏離額定頻率較大，頻差超出了合格范圍。

電力系統運行要求盡量維持系統頻率在額定頻率50Hz。當頻率出現偏差時，通過改變調節系統的給定值，增加ΔP_T＝ΔP_L，系統頻率將恢復為f_a，增量ΔP_L全部由發電機承擔，稱為二次調頻，見圖5中的b點。二次調頻的頻率動態變化過程如圖7所示。

 

圖7 發電機組二次調頻的頻率動態變化過程曲線圖

 

系統中配置的能夠進行二次調頻的發電機組稱為調頻發電機組，在頻率出現偏差時，這些發電機組（一部分）相應調整出力，維護系統頻率，使之恢復到額定頻率。二次調頻是屬于電力系統自動調頻的內容，是由自動調頻系統控制的，為保證系統頻率在合格范圍內，系統應具有足夠的旋轉備用容量。

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