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1、电 力 系 统 频 率 稳 定 论摘 要：电力系统频率调整是电力系统中维持有功功率供需平衡的 主要措施，其 基本目的是保证电力系统的频率稳定。电力系统频率 调整的主要方法是调整发电功率和进展负荷管理。一次调频是指当电 力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反响，调 整有功出力以维持电力系统频率稳定。二次调频也称为自动发电控 制，是指发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许 的调节偏差下实时跟踪频率，以满足系统频率稳定的要求。三次调频 就是协调各发电厂之间的负荷经济分配，从而到达电网的经济、稳定 运行。关键词：电力系统，一次调频，二次调频，三次调频，综述引言“频率概念源
2、于针对周期性变化的事物的经典物理学定义，由于电力系统中 许多物理变量具有（准）周期性特征，故这一概念在电业技术中得到广泛的应 用。电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需加以动态监测；另一方面 作为实施安全稳定控制的重要状态反响量，要求能实时重构。因此，电力系统频 率控制是电力系统运行的一项重要内容，系统频率的变化对用户、发电机组和电 力系统本身都有着重大影响，当今电力系统安全运行的目标之一便是将频率变化 控制在较小的范围内。一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动 反响，调整有功出力以维持电力系统频率稳定。一次调频的特点是响应速度快， 但是只能做到有差控制。二
3、次调频也称为自动发电控制（AGO,是指发电机组提 供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟踪频率，以 满足系统频率稳定的要求。二次调频可以做到频率的无差调节，且能够对联络线 功率进展监视和调整。三次调频就是协调各发电厂之间的负荷经济分配，从而到 达电网的经济、稳定运行。其实质是完成在线经济调度，其目的是在满足电力系 统频率稳定和系统安全的前提下合理利用能源和设备，以最低的发电成本或费用 获得更多的、优质的电能。本文在平时课堂上的认真学习和课下的资料查阅下详 细介绍了电力系统的各次调频概念以及相关实际应用，侧重于一次和二次调频以 供参考研究学习。1 .一次调频1.1 概念一次
4、调频是指由发电机调速系统频率静态特性而增减发电机的出力所起到的 调频作用。机组一次调频的投入是稳定系统频率的一项重要技术措施，对于实现 电网发电自动调度、提高电能质量、维持电网安全稳定运行能够起到重要作用。 一次调频即利用系统固有的负荷频率特性以及发电机调速器的作用，阻止系统频 率偏离标准的调节方式。当系统频率发生变化时，系统中所有发电机的转速随即 发生变化，如转速的变化超出发电机组规定的不灵敏区，该发电机组的调速器就 会动作，改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率，力求改善原动机功率或 负荷功率的不平衡状态。一次调频功能是维护电网稳定的重要手段。由于负荷突增，发电机组功率不能及时变动而使机
5、组减速，系统频率下降，同 时，发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大，负荷功率因其本身的调节 效应而减少，经过一个衰减的振荡过程，到达新的平衡。1）取功率的增大或频率的上升为正；2）为保证调速系统本身运行的稳定，不能采用过大的单位调节功率;13）对于满载机组，不再参加调整。对于系统有假设干台机参加一次调频：具有一次调频的各机组间负荷的分配，按其调差系数即下降特性自然分配。1.3 特性分析由于电网周波是随时间动态变化的随机变量，含有不同的频率成分，因此电网 的一次调频是一个随机过程。整个系统负荷可看作由如下3种具有不同变化规律 的变动负荷所组成：（1）变化幅度较小，变化周期较短，一般为10s
6、以内的随机 负荷分量；（2）变化幅度较大，变化周期较长，一般为10s到3min的负荷分量， 属于这类负荷的主要有电炉、轧钢机械等；（3）变化缓慢的持续变动负荷，引起负 荷变化的主要原因是工厂的作息制度，人们的生活规律等。一次调频所调节的正 是叠加在长周期变化分量上的随机分量,这就决定了电网一次调频的随机性。通 常所采用的一次调频对策是建设在静态范畴内的，所谓静态范畴的一次调频特性 是把电网中的各台机组负荷分配规律简单的归结成不等率的反比例关系，在系统 规模不大时，电力系统的调峰和调频问题的研究可以从静态的角度来考虑。从20 世纪80年代开场，一直都把电厂的负荷静态经济分配、安全调度、静态潮流作
7、 为考虑的重点，而对时间方向上的各类动态信息关心不够。随着系统规模和负荷 的迅速开展，电网的调峰和调频出现了许多新的问题，静态的分析方法已经不能 满足实际生产的需要，比方在考察汽轮发电机组对周波变化的一次调频响应时， 不仅要看周波的变化幅度，还要看周波的变化速度，这些都涉及到不同机组对不 同频率的负荷扰动适应能力的差异（如再热机组与非再热机组），而这一点用静态 特性的概念是无法描述的。另外，汽轮机调节对周波变化的各频率分量的响应也 是不同的（如设计有高压调节阀动态过开能力与没有此能力的再热机组）。因此， 这都需要从动态的角度重新考虑一次调频策略的问题。1.4 控制策略分析一次调频的功能是将电网
8、频差因子转换成负荷增量信号后，一方面将其叠加于 汽轮机调节阀控制指令，以改变调节阀开度，并利用锅炉蓄热快速增减机组负荷, 以满足电网频率要求；另一方面改变锅炉负荷指令，将主蒸汽压力维持在安全范 围内。一次调频包含汽轮机侧的数字式电液控制系统（DEH） 一次调频和机组协调 控制（UCC）一次调频。DEH一次调频具有响应速度快的特点，但因是有差调节，调 频目标负荷与实际负荷存在一定偏差。UCC一次调频能够实现机组能量平衡，但 不能快速响应电网频率变化。因此，UCC和DEH的联合一次调频是满足电网一次调 频要求的最正确方式。DEH通常包括转速/功率回路、调节级压力回路和阀门管 理程序。DEH一次调频
9、的频差因子通常叠加在功率信号上，如果DEH功率回路和调 节级压力回路未投人运行，则一次调频的频差因子直接叠加到阀门管理程序中， 以便迅速转变为汽轮机调节阀开度。图1所示为DEH一次调频系统。图1 DEH一次调频控制系统UCC包括锅炉主控和汽轮机主控，UCC一次调频的频差因子可以叠加在锅炉主控 和汽轮机主控回路中。由于汽轮机主控通过DEH控制汽轮机调节阀，这样会出现 DEH和汽轮机主控一次调频的频差因子重复叠加的现象，因此通常采取锅炉主控 叠加一次调频的频差因子而汽轮机主控保持不变的控制方式，或采用切换开关以 防止DEH或汽轮机主控一次调频的频差因子重复叠加。图2所示为UCC一次调频系 统。图2
10、 UCC一次调频控制系统1.5 优化控制策略1.6 . 1负荷速率限制因素为确保机组参与一次调频时，将频率变化引起的负荷变化控制在机组安全运行 允许范围内，机组在高负荷工况下，系统频率降低时，响应后的机组负荷不应高 于机组正常运行的最大出力；机组在低负荷工况下，系统频率升高时，响应后的 机组负荷不应低于机组最低稳燃负荷，以防止：（1）机组在高负荷下运行（一般已 到达额定参数）时出现电网频率下降，因一次调频导致机组过负荷；（2）机组在低 负荷运行时出现电网频率上升，因一次调频导致机组低于稳燃负荷运行、燃烧不 稳定等危及机组及电网安全运行的事故发生。为了保证主蒸汽压力在一定范围之 内，一次调频负荷
11、增量的变化应受到速率限制。1.7 . 2策略优化首先是单阀控制的优化。机组在单阀控制方式下进展一次调频时，DEH处于开 环控制状态，调频效果取决于调节阀流量特性。投产初期，由于汽轮机组普遍存 在蒸汽流量与调节阀开度不完全对应的现象，因此需通过外部修正保证一次调频 效果。在不影响UCC 一次调频根基上，对DEH 一次调频的频差因子按调频实际效 果进展系数修正：先选取几个具有代表性的额定工况，将调频幅度与设定值的比 值作为修正系数，再确定整条一次调频修正曲线，得到最终的一次调频的频差因 子。其次是顺序阀控制的优化。机组在顺序阀控制方式下，根据流量指令逐个或 多个开启调节阀，在不影响UCC 一次调频
12、根基上，可以选取几个具有代表性的额 定流量工况和多阀流量切换点，将调频幅度与设定值的比值作为修正系数，得到 最终的调频因子，再确定DEH侧一次调频修正曲线。2二次调频2.1概念二次调频是指当电力系统负荷或发电出力发生较大变化时，一次调频不能恢复 频率至规定范围时采用的调频方式。二次调频也称为自动发电控制（AGC，是指 发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟 踪频率，以满足系统频率稳定的要求。2. 1. 1实现方法二次调频的实现方法有以下两种：（1）电网调频由中心调度所调度员根据负荷 潮流及电网频率，给各厂下达负荷调整命令，由各发电单位进展调整，实现全网 的二次调
13、频。2）采用自动控制系统（AGC，由计算机电脑调度员）对各厂机 组进展遥控，来实现调频全过程，参与该系统的各机组必须具有几路协调控制系 统。调频分类二次调频分为手动调频及自动调频：1手动调频:在调频厂，由运行人员根据系统频率的变动来调节发电机的出 力,使频率保持在规定范围内，手动调频的特点是反映速度慢,在调整幅度较大时, 往往不能满足频率质量的要求，同时值班人员操作频繁,劳动强度大。（2自动调频:这是现代电力系统采用的调频方式，自动调频是通过装在发 电厂和调度中心的自动装置随系统频率的变化自动增减发电机的发电出力，保持 系统频率在较小的范围内波动，自动调频是电力系统调度自动化的组成局部,它 具
14、有完成调频、系统间联络线交换功率控制、和经济调度等综合功能。2. 1.3调频特点二次调频是由发电机的同步器来实现的。和自发的有调速器参与的一次调频不 同的是二次调频是在人工或自动装置的控制下利用同步器平行移动机组的频率 调整静态特性也就是就是改变表达式P=a+bf中的a的大小来实现分配机组有功功 率的任务，这就是我们所通常说的“频率调整。二次调频不能改变系统的调差 系数,但是二次调频增加了系统有功出力的变动范围,在同样的频率变动下,让系 统的负荷总变化量加大了。反过来在有功变化量一样的时候,通过平移特性曲线, 使得系统的频率变化范围变小。另外二次调频如果调整的有功增减量完全能抵挡 负荷的增减量
15、,这时候可以实现频率变化量等于零,这就是无差调节的概念。而这 种情况一次调频是没法完成的。在并联运行的电力系统中,参与频率调整的发电 机组特别多,但是只有少数机组参与二次调频,而所有的装有调速器的机组都会 参与一次调频。复杂电力系统中二次调频都是由调度规定的主调频厂来进展的， 这些电厂一般都投入了电网自动发电控制系统AGC,按照“等微增率准则来合理 分配有功功率。2. 2调频过程当系统负荷增加时，如不进展二次调整，二次调频后：图3频率的二次调整由图3可知，系统负荷增量由冬腌鄢组成：由于调速器的调整作用而增大的发电机组功率：（一次调频）由于调频器的调整作用而增大的发电机组功率：二次调频由于负荷负
16、荷本身的调节作用而减少的负荷功率：（f为负值）当4。= 匕。时，即二次调频增发的功率与系统的负荷增量相等时，则 v二,频率将始终不变，亦即实现了无差调节。假设系统中有n台机组.且由第n台机组担负二次调整任务，即只有一台机组进展 二次调整、n台机组进展一次调整，则有：经对比可见，由于n台机组的单位调节功率KGN远大于一台机组的单位调节功率 KG,因此，在同样的功率盈亏A玲）下，系统的频率变化要比仅有一台 机组时小得多。需要指出的是电力系统中各发电机均装有调速器，因此每台机组都参与一次调频 除机组满载）；而二次调频只有极少数的发电厂（调频厂）参与。调频厂应满足的条件：(1调整的速度应足够快；(2)
17、调整的容量应足够大；(3)调整范围内的经济性能应该好；同时要注意系统内及互联系统的协调问题。调频厂的选择原则：(1系统中有水电厂时，选择水电厂做调频厂；(2)当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂。3三次调频三次调频就是协调各发电厂之间的负荷经济分配，从而到达电网的经济、稳定 运行！其实质是完成在线经济调度，其目的是在满足电力系统频率稳定和系统安 全的前提下合理利用能源和设备，以最低的发电成本或费用获得更多的、优质的 电能。4结语文中所述的一次调频、二次调频和三次调频都是为了保证电力系统的频率稳 定。一次调频通常是自发的，当系统输出有功小于负荷需求有功时，系统频率会 降低，因为系统
18、中有大量的电动机负荷，这类负荷会随着频率的降低而降低负荷 消耗，当频率降到一定程度后，负荷需求下降到等于系统输出有功的值，系统供 需平衡，频率稳定在一个值，但已经偏离50Hz 了。所以一次调频是系统特性的 自发动作，现在也有发电厂的调速器参与到一次调频，当频率较大幅度降低或升 高时，调速器快速响应做出响应调整，以便于电力系统尽快恢复到平衡状态，同 时让频率变化尽可能小。二次调频则是系统自动跟踪50Hz频率或者由调度员人 工调整有功输出，从而调整系统频率，重新回到50Hzo我们都知道供电也是有 质量要求的，其中对于其频率就要求变化范围不超过5%,否则对于一些与频率 有密切关系的工业就不能正常运行。频率调整就是干这个的，要通过调度电网上 的电力供给与负荷的平衡，来保证电网的运行频率变化在额定范围内。由此可见电力系统的几个阶段的频率调节对整个系统来讲起着非常重要的作 用，并以此来保证我们日常生活中的用电可靠性，所以，对于我们而言有着重要 的意义。