新聞主題	發(fā)電機負荷功率與頻率特性

 

摘要：一個(gè)電力系統由發(fā)電廠(chǎng)、輸配電網(wǎng)絡(luò )和負荷組成，三個(gè)部分都是不可或缺的，電力系統的頻率由發(fā)電機發(fā)出有功功率、輸配電網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )的有功損耗（基波）與頻率（在50Hz左右）的變化大小無(wú)關(guān)，而發(fā)電機、負荷則有著(zhù)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(guān)。按有功功率與頻率關(guān)系可分為以下幾類(lèi)。

（1）與頻率變化無(wú)關(guān)（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(fā)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?yè)P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(wǎng)有功損耗中所占比重較??；

（4）與頻率的三次方成比例的負荷，如通風(fēng)機、靜水頭阻力不大的循環(huán)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(yè)中由于通風(fēng)、冷卻系統所用電動(dòng)機功率較大，與頻率三次方關(guān)系的負荷也占有一定的比例。

設α_i為與頻率成i次方關(guān)系的負荷占額定頻率時(shí)系統總負荷P_LN比例系數，則在頻率為f時(shí)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(shí)，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(guān)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(shuō)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(shí)刻的負荷功率一頻率特性是不可能精確確定的。但是通過(guò)多年來(lái)對大量運行數據的積累，我們經(jīng)過(guò)數據分析，了解了各類(lèi)負荷所占的百分比，仍然可以作出對一個(gè)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(shí)，負荷取用的有功功率將減少；當系統頻率上升時(shí)，負荷取用的有功功率將增加。這種現象稱(chēng)為負荷的頻率調節效應。當系統中發(fā)電機功率小于負荷時(shí)，系統頻率會(huì )下降，而負荷在頻率降低時(shí)會(huì )自動(dòng)少吸收有功功率，說(shuō)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(fā)電機負荷靜態(tài)頻率特性曲線(xiàn)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(lái)表示調節效應的大小。對負荷靜態(tài)頻率特性，即式（7-2）求導，得

 

 

其中，K_L*稱(chēng)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(gè)百分點(diǎn)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(dòng)調節過(guò)程時(shí)大都以小調節量為分析基礎，這里將有功負荷與頻率關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2）在額定頻率附近小范圍直線(xiàn)化斜率為

 

用有名值表示為

 

換算關(guān)系為

 

 

圖2 發(fā)電機有功負荷靜態(tài)頻率特性曲線(xiàn)圖

 

【例1】某電力系統中，與頻率無(wú)關(guān)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(shí)，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(shí)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(jiàn)對實(shí)際電力系統的負荷頻率調節效應系數不是一個(gè)常數，而是隨著(zhù)所選頻率點(diǎn)的不同而不同，如圖3所示。

 

圖3 發(fā)電機靜態(tài)頻率特性頻率點(diǎn)選取曲線(xiàn)圖

 

三、發(fā)電機組功率一頻率特性

 

一個(gè)大型電力系統由多臺發(fā)電機組并網(wǎng)運行，通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò )傳輸功率。電力系統負荷是一直在變動(dòng)的，由此影響系統的有功功率的平衡。負荷大于發(fā)電機組產(chǎn)生的有功功率時(shí)，發(fā)電機將減速，從而系統頻率會(huì )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(guò)±0.2Hz。為了維護系統頻率的穩定性，要求發(fā)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(guò)發(fā)電機組的原動(dòng)機調速器實(shí)現的。發(fā)電機組轉速（頻率）與輸出有功功率的關(guān)系如圖4所示，即發(fā)電機組功率一頻率特性。

 

發(fā)電機組功率-頻率特性曲線(xiàn)圖

 

從圖4可以得知，發(fā)電機組運行在ab段輸出有功功率增加時(shí)，轉速將有所降低，是一種有差調節特性。垂直線(xiàn)表達發(fā)電機組能夠輸出的最大有功功率，與轉速無(wú)關(guān)。發(fā)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(fā)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(chēng)為發(fā)電機組靜態(tài)功頻特性系數，即

 

K_G*表達了單位頻率變化，發(fā)電機的功率變化百分數，或稱(chēng)原動(dòng)機的單位調節功率。

一般發(fā)電機的調差系數或單位調節功率，可采用下列數值：

汽輪發(fā)電機組R_*＝4％～6％或K_G*＝16.6～25；

水輪發(fā)電機組R_*＝2％～4％或K_G*＝25～50。

 

四、調差特性與發(fā)電機組有功功率分配

 

根據發(fā)電機組調差系數，當系統中產(chǎn)生ΔP_∑需求時(shí)，發(fā)電機組進(jìn)行出力調整，轉速（頻率f) 的變化與之對應關(guān)系為

 

其中多臺發(fā)電機組的等值調差系數Rz為

 

對照第六章的無(wú)功調差系數可見(jiàn)，當若干臺發(fā)電機組并聯(lián)運行時(shí)，有功與無(wú)功、頻率與電壓有著(zhù)如表7-1所示的對偶關(guān)系。

表7-1                  多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行時(shí)存在的對偶關(guān)系

五、電力系統的頻率特性

 

當電力系統中發(fā)電機所發(fā)功率與負荷吸收功率平衡時(shí)，系統將運行在某個(gè)頻率上。當系統負荷變化時(shí)，發(fā)電機所發(fā)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(fā)電機組直接對系統頻率的調整稱(chēng)為一次調頻。一次調頻根據負荷和發(fā)電機的功率一頻率特性，運行點(diǎn)頻率f將出現變化。

如圖5所示，系統原運行點(diǎn)a點(diǎn)，頻率為f_a，負荷功率為P_L1。當發(fā)生負荷增量ΔP_L時(shí)，頻率將下降Δf，在c點(diǎn)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(fā)電機增加ΔP_L2平衡。發(fā)電機增加功率輸出是由調速器檢測到頻率下降而自動(dòng)完成的，稱(chēng)為一次調頻。

由于發(fā)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(fā)電機組電力系統的頻率特性曲線(xiàn)

圖6 發(fā)電機組次調頻的頻率下降動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線(xiàn)圖

 

一次調頻具有如下特點(diǎn)。

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

（2）系統有功功率平衡破壞時(shí)，有功功率變化量按一定比例在各調頻發(fā)電機組間分配。各調頻發(fā)電機組所承擔的有功功率變化量與該發(fā)電機組的調差系數成反比，改變調差系數可改變該調頻發(fā)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(jiàn)，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(fā)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(shí)，通過(guò)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(fā)電機承擔，稱(chēng)為二次調頻，見(jiàn)圖5中的b點(diǎn)。二次調頻的頻率動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖7所示。

 

圖7 發(fā)電機組二次調頻的頻率動(dòng)態(tài)變化過(guò)程曲線(xiàn)圖

 

系統中配置的能夠進(jìn)行二次調頻的發(fā)電機組稱(chēng)為調頻發(fā)電機組，在頻率出現偏差時(shí)，這些發(fā)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(dòng)調頻的內容，是由自動(dòng)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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