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电力系统有功功率和频率调整1. 引言在电力系统中，有功功率和频率是两个关键的电能参数。
有功功率是指电力系统中实际提供给负载的电能，而频率则表示电力系统中电压和电流的周期性变化。
准确地调整有功功率和频率可以保证电力系统的稳定运行，提高能源利用率，保障用电的安全和可靠性。
2. 电力系统有功功率调整电力系统的有功功率调整主要通过控制发电机输出功率来实现。
有功功率调整的目标是使电力系统的供需平衡，以满足用户的用电需求。
有功功率调整可以通过控制发电机的机械输入来实现，也可以通过调整发电机的励磁电流来实现。
2.1 机械输入调整机械输入调整是通过控制发电机的机械输入来调整有功功率。
机械输入调整的方式包括调速和负载调整两种。
2.1.1 调速调整调速是通过调整发电机的键合阻抗或者转子的绕组来改变发电机的转速，从而改变机械输入功率。
调速调整的原理是根据负荷需求，通过调整发电机的转速来保持有功功率的平衡。
2.1.2 负载调整负载调整是通过调整发电机的输出负载来改变发电机的有功功率。
负载调整的方式包括直接调整负载阻抗、调整发电机馈线阻抗、调整发电机并联等。
2.2 励磁调整励磁调整是通过调整发电机的励磁电流来改变发电机的有功功率。
励磁调整的原理是控制发电机的磁场强度，从而改变发电机的输出电压和电流。
励磁调整可以通过调整励磁电流的大小、相位和波形等来实现。
3. 电力系统频率调整电力系统的频率调整主要通过控制发电机输出的机械输入来实现。
频率调整的目标是使电力系统的供电频率保持在额定值附近，以满足用户的用电需求。
3.1 负荷频率特性负荷频率特性是指负载的电流和供电频率之间的关系。
负荷频率特性可以分为正负荷频率特性和正负荷功率频率特性两种。
正负荷频率特性描述了负载对供电频率变化时的功率响应。
3.2 机械输入调整机械输入调整是通过调整发电机的机械转速来调整电力系统的频率。
机械输入调整的方式包括调速和负载调整两种。
3.2.1 调速调整调速调整是通过改变发电机的转速来调整电力系统的频率。
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1频率与有功功率平衡电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗（包括网损）的有功功率总和之间的平衡来维持的。
但是,电力系统的负荷是时刻变化的，从而导致系统频率变化。
为了保证电力系统频率在允许范围之内，就需要及时调节系统内并联运行机组的有功功率。
频率质量是电能质量的一个重要指标。
中国《电力工业技术管理法规》规定，大容量电力系统的频率偏差不得超过，一些工业发达国家规定频率偏差不得超过.说明电力系统元件及整个系统的频率特性，介绍电力系统调频的基本概念。
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1.2.1负荷频率特性负荷的频率静态特性：在没有旋转备用容量的电力系统中，当电源与负荷推动平衡时，则频率将立即发生变化。
由于频率的变化，整个系统的负荷也将随着频繁率的的变化而变化。
这种负荷随频率的变化而变化的特性叫做负荷的频率静态特性.综合负荷与频率的关系可表示成：由于电力系统运行中，频率一般在额定频率附近，频率偏移也很小，因此可将负荷的静态频率特性近似为直线，如下图所示。
12.1.2.2发电机组频率特性发电机组的频率静特性：当系统频率变化时，发电机组的高速系统将自动地改变汽轮机的进汽量或水轮机的进水量以增减发电机组的出力，这种反映由频率变化而引起发电机组出力变化的关系,叫发电机调速系统的频率静态特性.发电机组的功率频率静态特性如下图：在不改变发电机调速系统设定值时，发电机输出功率增加则频率下降,而当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。
图中向下倾斜的直线即为发电机频率静态特性,而①和②表示发电机出力分别为PG1和PG2时对应的频率。
等值发电机组（电网中所有发电机组的等效机组）的功率频率静态特性如下图所示，它跟发电机组的功率频率静态特性相似。
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3电力系统频率特性电力系统的频率静态特性取决于发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性,由发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性可以经推导得出：式中――电力系统有功功率变化量的百分值：――系统频率变化量百分值；――为备用容量占系统总有功负荷的百分值.12.1.2.4一次调频一次调频：由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化,使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。
简述电力系统频率一次调整和二次调整的基
本原理。
电力系统频率一次调整是指在电网负荷发生突变时，通过控制发电机组的输出功率来维持电力系统的频率稳定。
其基本原理是根据频率与负荷之间的关系，通过调节负荷和发电机组的输出来平衡供需关系，从而使得系统频率保持恒定。
一次调整中，当负荷增加时，电力系统频率下降。
为了使频率恢复到额定值，需要增加发电机组的输出功率。
系统通过频率保护装置检测频率下降，然后发出信号给发电机组调速器，调整发电机的机械输入。
如果频率下降较小，则调速器使发电机提供更多的功率；如果频率下降较大，则调速器使发电机提供最大功率。
电力系统频率二次调整是指在电力系统频率下降或上升到一定范围内时，通过发电机组与负荷之间的功率交换来调整频率。
其基本原理是利用电力系统的惯性效应和动态响应特性来实现频率的稳定。
二次调整中，当频率下降时，发电机组的机械输入超过负荷需求，此时就有多余的功率可以反馈到电力系统中。
这些功率会使频率上升，直到达到额定频率为止。
同样地，当频率上升时，发电机组的机械输入小于负荷需求，此时电力系统需要额外的功率。
这些功率由电力系统中负荷释放，从而使频率下降，直到达到额定频率为止。
总体而言，一次调整通过控制发电机组的输出功率来维持电力系统的频率稳定，二次调整则通过发电机组与负荷之间的功率交换来调整频率。
两者相互配合，使得电力系统能够在负荷变化时保持频率稳定。
电力系统的频率稳定与调节电力系统是现代社会中至关重要的基础设施之一。
为了保证电力系统的稳定运行，频率的稳定与调节是最为关键的因素之一。
本文将探讨电力系统频率的稳定与调节机制，并分析影响频率稳定的因素以及调节的方法和技术。
一、频率稳定的重要性频率是电力系统中最基本的参数之一，通常以赫兹（Hz）为单位表示。
电力系统的稳定运行需要保持合适的频率范围，一般为50Hz或60Hz。
频率的稳定性直接影响到电力系统的供电质量和用户的正常用电。
如果频率不稳定，会导致电压波动、设备故障以及电力系统的不可靠性，甚至可能引发停电事故，给社会经济发展带来严重影响。
二、频率稳定的主要因素1. 负荷变化：负荷的增加或减少将直接影响到电力系统的频率。
当负荷增加时，电力需求增大，如果供电能力无法满足需求，则会导致频率下降。
反之，当负荷减少时，供电能力大于需求，可能会导致频率上升。
因此，负荷变化是影响频率稳定的主要因素之一。
2. 发电机调节能力：发电机作为电力系统的核心组成部分，其调节能力对频率稳定至关重要。
通过调整发电机的励磁和机械控制，可以控制输出功率和频率。
发电机的调节能力越强，频率调节越稳定。
3. 动力系统的机械阻尼：电力系统中的机械阻尼是通过转子惯性和机械负载实现的。
机械阻尼能够吸收短期负荷波动对频率的影响，提高系统的稳定性。
4. 频率调节器的准确性：频率调节器是用来监测并调节电力系统的频率的重要设备。
调节器的准确性越高，调节频率的效果越好。
三、频率调节的方法和技术1. 发电机速度调整：通过调整发电机的转速来改变其输出频率。
这需要精确的发电机控制系统，并配备高效的调速装置，以实现快速而准确的频率调节。
2. 发电机励磁调整：通过调整发电机的励磁电流来改变其输出频率。
励磁系统的优化设计和高精度的励磁调节装置可以实现精确的频率控制。
3. 负荷控制：通过调整负荷的供电方式和运行模式，实现对电力系统频率的调节。
例如，在面临频率下降的情况下，可以通过优化负荷分配和控制负荷的投入时间，来保持频率稳定。
4 电力系统的有功功率平衡与频率调整4.1 概述一、频率调整的必要性电力系统运行的根本目的是在保证电能质量符合标准的条件下，持续不断地供给用户所需要的功率，维持电力系统的有功功率和无功功率的平衡，保证系统运行的经济性。
衡量电能质量的主要指标是频率、电压和波形。
电力系统运行中频率和电压变动时，对用户，发电厂和电力系统本身都会产生不同程度的影响。
为保证良好的电能质量，电力系统运行时，必须将系统的频率和电压控制、调整在允许的范围内。
我国频率规定：f N ＝50Hz ，频率偏差范围为±0.2～0.5Hz二、频率调整的方法 第一种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调速器（governor ）进行，称为频率的一次调整。
第二种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调频器（frequency modulator ）j 进行，称为频率的二次调整。
第三种负荷的变化是可预测的，调度部门按经济调度的原则事先给各发电厂分配发电任务，各发电厂按给定的任务及时地满足系统负荷的需求，就可以维持频率的稳定。
4.2自动调速系统一、调速器的工作原理——实现频率的一次调整对应负荷的增大，发电机输出功率增加，频率略低于原来值；如果负荷降低，调速器调整作用将使输出功率减小，频率略高于原来值。
这就是频率的一次调整，频率的一次调整由调速器自动完成的。
调整的结果，频率不能回到原来值，因此一次调整为有差调节(droop control )。
二、调频器的工作原理——实现频率的二次调整由调频器来完成的调节，称为频率的二次调整。
由于调整的结果，频率能回到原来值，因此二次调整为无差调节(isochronous control )。
4.2 电力系统有功功率平衡和频率调整 一、频率的影响1、影响产品质量：异步电动机转速与输出功率有关2、影响精确性：电子技术设备3、影响汽轮发电机叶片 二、频率负荷机制三、、有功功率负荷的变动及其分类控制1、系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动负荷组成： 1）变动周期小于10s ，变化幅度小 调速器频率的一次调整 2）变动周期在（10s ，180s ），变化幅度较大调频器频率的二次调整3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配频率的三次调整 四、有功功率平衡与备用容量1、功功率平衡：2、备用容量：1）作用 为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷2fωπ=T GP P ≡发电机输出电磁功率原动机输入功率T G T GP P P P ≥⎧⎨≤⎩,GiLi Loss PP P ∑=+∑∑2）定义 备用容量 ＝ 系统可用电源容量 － 发电负荷 3）分类按作用分：负荷备用：满足负荷波动、计划外的负荷增量事故备用：发电机因故退出运行能顶上的容量 检修备用：发电机计划检修国民经济备用：满足工农业超计划增长按其存在形式分： 热备用冷备用4．3 电力系统无功功率平衡和电压管理电力系统中无功功率电源不足，系统结点电压就要下降。
电力系统负荷可分为三种。
第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动由很大的偶然性。
第二种变动幅度较大，周期较长，属于这类负荷的主要有电炉、电气机车等带有冲击性的负荷。
第三种负荷变动幅度最大，周期也最长，这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。
电力系统的有功功率和频率调整大体可分为一次、二次、三次调整三种。
一次调整或频率的一次调整指由发电机的调速器进行的，对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整。
二次调整或频率的二次调整指由发电机的调频器进行的，对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整。
三次调整其实就是指按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。
在潮流计算中除平衡节点外其他节点的注入有功功率之所以可以给定，就是由于系统中大部分电厂属于这种类型。
这类发电厂又称为负荷监视。
至于潮流计算中的平衡节点，一般可取系统中担负调频任务的发电厂母线，这其实是指担负二次调频任务的发电厂母线。
一：调整频率的必要性电力系统频率变动时，对用户的影响：用户使用的电动机的转速与系统频率有关。
系统频率的不稳定将会影响电子设备的工作。
频率变动地发电厂和系统本身也有影响：火力发电厂的主要厂用机械—风机和泵，在频率降低时，所能供应的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。
低频运行还将增加汽轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。
低频运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正常电压，又要求增加励磁电流，以致使发电机定子和转子的温升都将增加。
为了不超越温升限额，不得不降低发电机所发功率。
低频运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损耗和励磁电流都将增大。
也为了不超越温升限额，不得不降低变压器的负荷。
频率降低时，系统中的无功功率负荷将增大。
而无功功率负荷的增大又将促使系统电压水平的下降。
频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。
调整系统频率的主要手段是发电机组原动机的自动调节转速系统，或简称自动调速系统，特别时其中的调速器和调频器（又称同步器）。
二：发电机原动机有功功率静态频率特性电源有功功率静态频率特性通常可以理解为就是发电机中原动机机械功率的静态频率特性。
原动机未配置自动调速时，其机械功率与角速度或频率的关系：221212m P C C C f C f ωω=-=-式中各变量都是标幺值；通常122C C =。
解释如下：机组转速很小时，即使蒸汽或水在它叶轮上施加很大转矩m M ，它的功率输出mP 仍很小，因功率为转矩和转速的乘积；机组转速很大时，由于进汽或进水速度很难跟上叶轮速度，它们在叶轮上施加的转矩很小，功率输出仍然很小；只有在额定条件下，转速和转矩都适中，它们的乘积最大，功率输出最大。
调速系统中调频器的二次调整作用在于：原动机的负荷改变时，手动或自动地操作调频器，使有一次调整的静态频率特性曲线平行移动，有调频器的二次调整后，原动机的运行点就从一根仅有一次调整的静态频率特性曲线过渡到另一根曲线。
三：频率的一次调整/G G K P f =-∆∆称为发电机的单位调节功率，以MW/Hz 或MW/（）为单位。
它的标幺值则是*/G N G G N GN GN P f K K f P P f∆=-=∆ 发电机的单位调节功率标志了随频率的升降发电机组发出功率较少或增加的多少。
这个单位调节功率和机组的调差系数σ互为倒数。
1100%GN G N P K f σσ==⨯ 或 *1100%G K σ=⨯ 调差系数%σ或与之对应的发电机的单位调节功率是可以整定的，一般整定为： 汽轮机组 *%3533.320G K σ==或 水轮机组 *%245025G K σ==或综合负荷的静态频率特性/L L K P f =-∆∆称为负荷的单位调节功率，也以MW/Hz 或MW/（）为单位。
它的标幺值则是*/L N L L N LN LN P f K K f P P f∆=-=∆ 负荷的单位调节功率标志了随频率的升降负荷消耗功率增加或较少的多少。
它的标幺值在数值上就等于额定条件下负荷的频率调节效应。
所谓负荷的频率调节效应系数系指一定频率下负荷随频率变化的变化率*****/L L L dP P f K df =∆∆= 显然，负荷的单位调节功率不能整定。
电力系统综合负荷的单位调节功率*L K 大致为。
发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点。
设负荷突然增加LO P ∆，则由于负荷突增时发电机功率不能即使随之变动，机组将减速，系统频率将下降。
而在系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将因本身的调节效应而减少。
前者沿原动机的频率特性向上增加，后者沿负荷的频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程抵达一个新的平衡点。
()LO G L P K K f ∆=-+∆或/LO G L S P f K K K -∆∆=+=S K 称为系统的单位调节功率，也以MW/Hz 或MW/为单位。
系统的单位调节功率也可以用标幺值来表示。
以标幺值表示时的基准功率通常就取系统原始运行状态下的总负荷。
系统的单位调节功率标志了系统负荷增加或减少时，在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。
因此，从这个系统的单位调节功率S K 可求取在允许的频率偏移范围内系统能承受多少负荷增减。
可见，系统的单位调节功率取决于两个方面，即发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功率。
因为负荷的单位调节功率不可调，要控制、调节系统的单位调节功率只能从控制、调节发电机的单位调节功率或调速器的调差系统入手。
看来主要将调差系数整定得小些或发电机的单位调节功率整定得大些就可以保证频率质量。
但从实际上，系统中不止一台发电机组，调差系统不能整定得过小。
如某台机组已经满载，可认为该机组已不能参加调整，它的调差系数无穷大。
系统的单位调节功率S K 不可能很大，所以依靠调速器进行的一次调整只能限制周期较短、幅度较小的负荷变动引起的频率偏移。
负荷变动周期更长、幅度更大的调频任务自然落到了二次调整上。
四：频率的二次调整频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机的频率特性平行地上下移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。
在一次调整的基础上进行二次调整就是在负荷变动引起的频率下降越出允许范围时，操作调频器，增加发电机组发出的功率，使频率特性向上移动。
只进行一次调整时，负荷的增量LO P ∆可分解为两部分：一部分是因调速器的调整作用而增大的发电机组功率'G K f -∆，另一部分是因负荷本身的调节效应而减少的负荷功率'L K f ∆。
不仅进行一次调整而且进行二次调整时，这个负荷增量LO P ∆可分解为三个部分：一部分是由于进行了二次调整，发电机组增发的功率GO P ∆；另一部分仍是由于调速器的调整而增发的发电机功率''G K f -∆；第三部分仍是由于负荷本身的调节效应而减少的负荷功率''L K f ∆。
则： ()LO GO G L P P K K f ∆-∆=-+∆LO GO G L S P P K K K f∆-∆-=+=∆ 如LO GO P P ∆=∆，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量LO P ∆，则0f ∆=，亦即实现了所谓的无差调节。
进行二次调整时，系统中负荷的增减基本上要靠调频机组或调频厂承担。
虽可适当增加其他机组或电厂的单位调节功率以减少调频机组或调频厂的负担，但数值毕竟有限。
这就使调频厂的功率变动幅度远大于其他电厂。
如调频厂不位于负荷中心，则这种情况可能使调频厂与系统其他部分联系的联络线上流通的功率超出允许值。
这样，就出现了在调整频率的同时控制联络线上流通功率的问题。
图中,A B K K 分别为联合前A 、B 两系统的单位调节功率。
设A 、B 两系统中都设有二次调整的电厂，它们的功率变量分别为,GA GB P P ∆∆；A 、B 两系统的负荷变量则分别为,LA LB P P ∆∆。
设联合线上的交换功率AB P ∆，由A 流向B 为正值。
联合前，对A 系统LA GA A A P P K f ∆-∆=-∆对B 系统 LB GB B B P P K f ∆-∆=-∆联合后，通过联络线A 流向B 的交流功率，对A 来说，可以看做一个负荷LA AB GA A A P P P K f ∆+∆-∆=-∆对B 来说，这交换功率看做一个电源LB AB GB B B P P P K f ∆-∆-∆=-∆联合后，系统频率一致， A B f f f ∆=∆=∆ 可得，()()()LA GA LB GB A B P P P P K K f ∆-∆+∆-∆=-+∆或 ()()()LA GA LB GB A B P P P P f K K ∆-∆+∆-∆∆=-+代入上式，()()A LB GB B LA GA AB A B K P P K P P P K K ∆-∆-∆-∆∆=+ 令：,LA GA A LB GB B P P P P P P ∆-∆=∆∆-∆=∆,A B P P ∆∆分别为两系统的功率缺额，则：()A B A B P P f K K ∆+∆∆=-+ A B B A AB A B K P K P P K K ∆-∆∆=+ 可见，联合系统频率的变化取决于这系统总的功率缺额和总的系统单位调节功率。
这理应如此，因两系统联合后，应看做一个系统。
且如A 系统没有功率缺额，即0A P ∆=，则联络线由A 流向B 的功率要增大；而如果B 系统的功率缺额完全由A 系统增发的功率所抵偿，即B A P P ∆=-∆，则0f ∆=，AB B A P P P ∆=∆=-∆。
这种情况下，虽可保持系统频率不变，B系统的功率缺额B P ∆或A 系统增发的功率A P -∆却要如数通过联络线由A 流向B 传输。
这就是调频厂设在远离负荷中心而且要实现无差调节的情况。
五：频率调整厂的选择这种调频厂必须满足一定的要求，如调整容量应足够大，调整速度应足够快，调整范围内的经济性好，调整时不至引起系统内部或系统间联络线工作的困难，等。
调整速度也是一个重要的问题。
一个容量为5000MW 的系统中，负荷上升的速度可达15-20MW/min 。
但急剧的负荷变动将使火电厂的锅炉、汽轮机受损伤或因燃烧不稳定而熄火。
一般，高温高压锅炉从70%-80%额定负荷上升至满负荷约1-5min ；中温中压锅炉从50%额定负荷上升至满负荷仅需1min ，比较快；汽轮机很慢，在50%-100%额定负荷范围内，每分钟仅达2%-5%。
因此，火电厂中限制调整速度的主要是汽轮机。
水电厂水轮机负荷变动的速度要高得多，每分钟可达50%-400%。
