顧秀芳, 徐 濤, 韓如月, 周志霞, 郭力萍

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 電力學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析”課程頻率教學內(nèi)容探討

顧秀芳, 徐 濤, 韓如月, 周志霞, 郭力萍

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 電力學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

頻率調(diào)整是“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析”課程的重要內(nèi)容。借助于發(fā)電機組自動調(diào)速系統(tǒng)進行的頻率一、二次調(diào)整，可以保證負荷波動引起的頻率變化在允許范圍之內(nèi)。在該課程教學過程中，應充分理解頻率一、二次調(diào)整的原理、相互關系及作用。本文將發(fā)電機組自動調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和功頻特性結(jié)合在一起，討論了這二者變量變化規(guī)律表達不同的原因，并在發(fā)電機組一、二次調(diào)整特性基礎上討論了二者的配合和相互作用。

頻率調(diào)整；自動調(diào)速系統(tǒng)；功頻特性

0 引言

頻率是電能質(zhì)量的重要指標，電力系統(tǒng)運行中通過發(fā)電機組配置的自動調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)頻率的調(diào)整。具體來說，由自動調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)速器實現(xiàn)對變動幅度很小、周期又很短的負荷變動引起的頻率調(diào)節(jié)，即為一次調(diào)整。由調(diào)頻器實現(xiàn)對變動幅度較大、周期也較長的負荷變動引起的頻率調(diào)節(jié)，即為二次調(diào)整。

自動調(diào)速系統(tǒng)以頻率變化作為檢測量，當負荷波動引起頻率變化時，能自動調(diào)節(jié)進汽量實現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)。但是在教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)理解上存在一些誤區(qū)：

如自動調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中表現(xiàn)出的電氣量的變化規(guī)律無法在功頻特性坐標中完全對應；參與頻率一、二次調(diào)整的機組，其配合關系及相互作用不很明確，導致由計算得出的結(jié)果與實際不符。本文將就這些問題做初步的分析，以期對頻率調(diào)整的教學內(nèi)容有一個系統(tǒng)的梳理。

1 自動調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性與功頻特性

圖1 考慮調(diào)節(jié)過程的功頻特性

如果我們將發(fā)電機組功頻特性與上述調(diào)節(jié)過程結(jié)合起來看的話，可能就會發(fā)生疑問。因為從發(fā)電機組的功頻特性可知，當系統(tǒng)頻率降低時，發(fā)電機機組有功功率增加。這是否與調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中隨著機組有功出力的增加系統(tǒng)頻率不斷回升相矛盾呢？另外在功頻特性無法對應自動調(diào)速系統(tǒng)的整個調(diào)節(jié)過程，如負荷增加時，系統(tǒng)頻率降低，在功頻特性上找不到相應的位置？如何在功頻特性上找到發(fā)電機組調(diào)節(jié)作用的變化軌跡。

要解決這些問題，首先要了解參與一次調(diào)整的發(fā)電機組的調(diào)節(jié)特性。一次調(diào)整要求機組對電網(wǎng)頻率變化的響應要快，其響應特性可視作一個一階慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)一般在10 s左右[2]。當電力系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，系統(tǒng)中所有發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。為防止機組在頻率波動時頻繁調(diào)整，規(guī)定了調(diào)速器動作的死區(qū)，即只有當轉(zhuǎn)速的變化超出發(fā)電機組規(guī)定的不靈敏區(qū)時，該發(fā)電機的調(diào)速器才會動作，改變其原動機的閥門位置，調(diào)整原動機的功率。死區(qū)值越大，機組一次調(diào)頻性能越差，反之，機組一次調(diào)頻性能越好。由此可以看出，在負荷增加引起頻率下降到發(fā)電機組增加出力前，發(fā)電機組相當于未配置調(diào)速系統(tǒng)的情況，其功頻特性如圖1中PG0曲線所示。

當負荷增加到PDE時，由于調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的滯后性使發(fā)電機組有功功率不變，功率不平衡造成系統(tǒng)頻率下降。若定義頻率偏差|fB-fA|為調(diào)速系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的死區(qū)范圍，則在頻率由fA下降到fB的過程中，發(fā)電機組有功功率沿著PG0曲線轉(zhuǎn)移到PGB對應的B點,負荷沿著自身的功頻特性轉(zhuǎn)移到PDB′對應的B′點。若頻率偏差|fB-fA|超過發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的死區(qū)，則調(diào)速器開始動作，發(fā)電機組的有功功率將不斷地從一根PG0曲線向另一根位置更高的PG0曲線移動(虛線所示)，移動軌跡對應著BDC曲線。調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機組有功功率增加，頻率回升，而負荷的功率隨著頻率的回升而增加。調(diào)節(jié)結(jié)束后，發(fā)電機組有功功率和負荷功率在C點平衡，頻率從fB上升到fC。這一過程的分析與自動調(diào)速系統(tǒng)工作原理完全吻合。

若這里忽略中間的調(diào)節(jié)過程，只考慮一次調(diào)整的兩個點：起點A和終點C(A是負荷增加前的點，C是一次調(diào)整結(jié)束的點)，會得到調(diào)節(jié)后頻率低于初始值，即fCPGA。負荷增加越多，頻率下降越多，而發(fā)電機組功率與初始值比較會增加越多。反之也可知道：如負荷減少，頻率上升，發(fā)電機組的有功功率會下降。這樣分析得出的結(jié)論與功頻特性的變量的變化規(guī)律一致。

結(jié)合上述兩方面的分析可以看出，自動調(diào)速系統(tǒng)中發(fā)電機組的有功功率和頻率變化規(guī)律與功頻特性是不矛盾的。因為這兩種表述對應的其實是同一過程的兩種狀態(tài)，由于觀察者的視角不同而有所不同。一次調(diào)整對應的自動調(diào)速系統(tǒng)著重分析調(diào)節(jié)過程所表現(xiàn)出來的功率、頻率的變化規(guī)律，即負荷增加后，發(fā)電機組動作前系統(tǒng)頻率首先發(fā)生改變，調(diào)速系統(tǒng)借助于調(diào)節(jié)作用增加有功出力而使得頻率得以回升。而功頻特性分析中只關心頻率調(diào)整的開始和結(jié)束，開始時對應負荷增加前的狀態(tài)，發(fā)電機組功率、負荷功率和頻率均為初始值；調(diào)節(jié)結(jié)束后，與初始狀態(tài)相比較，發(fā)電機組功率增加了，但是頻率較初始狀態(tài)要低。功頻特性分析中看不到調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機組功率和頻率的變化，所以若一定將調(diào)節(jié)過程中功率、頻率的變化與初始、結(jié)束狀態(tài)相對應就會造成誤解。

2 關于一、二次調(diào)整相互配合分析

如圖1所示，一次調(diào)整的功頻特性表現(xiàn)為與橫軸夾角α(90°<α<180°)，這樣一次調(diào)整必然為有差調(diào)節(jié)。同時由于與-tgα對應的單位調(diào)節(jié)功率KG存在上限而使一次調(diào)整能夠調(diào)節(jié)的負荷有限，所以必須借助于二次調(diào)整才可以實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)。另一方面，參與一次調(diào)整的各發(fā)電機組的調(diào)節(jié)作用相互獨立，按照ΔPGi=-KGiΔf的關系確定各自增加的有功出力。那么若在二次調(diào)整參與的條件下實現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)(Δf=0)后，參與一次調(diào)整機組增發(fā)功率ΔPGi=0，那么是否意味著一次調(diào)整的作用就不存在了？其實不然，這里面存在一個如何理解發(fā)電機組參與二次調(diào)節(jié)作用及相互配合的問題。

一次調(diào)整對系統(tǒng)頻率變化的響應快，根據(jù)IEEE的統(tǒng)計，電力系統(tǒng)綜合的一次調(diào)整特性時間常數(shù)一般在10 s左右[2]。由于發(fā)電機的一次調(diào)整僅作用于原動機的閥門位置，而未動作于火力發(fā)電機組的燃燒系統(tǒng)。當閥門開度增大時，鍋爐中的蓄熱暫時改變了原動機的功率，由于燃燒系統(tǒng)的化學能量沒有發(fā)生變化，隨著蓄熱量的減少，原動機的功率又會回到原來的水平，因而火力發(fā)電機組的一次調(diào)整的作用時間是短暫的。不同類型的火力發(fā)電機組，由于蓄熱量的不同，一次調(diào)整的作用時間為0.5～2 min不等。而二次調(diào)整借助于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，自動控制來改變原動機的基準值，達到改變發(fā)電機組調(diào)差特性曲線的位置，實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)。由于二次調(diào)整的響應時間較慢，所以只能有效地調(diào)整分鐘級或更長周期的負荷波動。從這里可以看出，頻率的一、二次調(diào)整發(fā)揮作用的時間是不同的。不論負荷波動大小，頻率變化首先由一次調(diào)整進行快速響應和調(diào)節(jié)，若頻率波動超出允許范圍，再由二次調(diào)整做后續(xù)的慢速調(diào)整以使頻率恢復較高水平或?qū)崿F(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

頻率的二次調(diào)整的調(diào)節(jié)作用發(fā)揮的時間與頻率的一次調(diào)整作用開始逐步失去的時間基本相當，因此兩者在時間上的良好配合是實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)生大擾動后快速恢復頻率的重要保障。

圖2 含一次調(diào)整機組的功頻特性

圖3 含二次調(diào)整機組的功頻特性

在頻率回升的過程中，參與一次調(diào)整的發(fā)電機組的有功功率下降，即沿著功頻特性下移，也就意味著將初始調(diào)節(jié)過程啟用的備用容量得以恢復。備用容量恢復的多少與頻率恢復的程度有關，頻率恢復越多，備用容量恢復得越多。若頻率完全恢復，則備用容量得以完全恢復。而參與二次調(diào)整的機組則不同，它在一次調(diào)整中調(diào)用的備用并不會因為二次調(diào)整而得以恢復，相反從整個調(diào)整過程來看，機組增發(fā)的功率一定大于一次調(diào)整增發(fā)的功率。

從上述分析可以看出，二次調(diào)整是在一次調(diào)整的基礎上進行的頻率調(diào)整，同時二次調(diào)整通過自身發(fā)電機組增加的有功功率實現(xiàn)頻率在一次調(diào)整結(jié)束后的繼續(xù)回升，保證系統(tǒng)有更好的頻率質(zhì)量。另一方面通過頻率恢復也使其它非調(diào)頻廠備用容量得以恢復，保證整個系統(tǒng)運行的安全性。由此可見，系統(tǒng)配置調(diào)頻廠對保證系統(tǒng)頻率質(zhì)量和安全性都是至關重要的。

同時也要注意，若從計算的角度看，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，即Δf=0，意味著參加一次調(diào)整機組的有功功率的變化量ΔPG=0，但是不能簡單地認為在整個過程中參加一次調(diào)整的機組的作用不存在。這是因為：從上面的分析可以看出，發(fā)電機機組一次調(diào)整的作用在負荷增加、頻率下降階段表現(xiàn)為增加有功功率，而在二次調(diào)整發(fā)揮作用頻率回升過程中又不斷降低有功功率，出現(xiàn)ΔPG=0是因為只考慮調(diào)節(jié)過程的初始點和終點。若不考慮一、二次調(diào)整的過程及特性，只從計算的角度就會認為機組不參加一次調(diào)整，這顯然與實際不符。

3 結(jié)語

本文結(jié)合自動調(diào)速系統(tǒng)工作原理、頻率一、二次調(diào)整的配合關系，重點對以下問題進行了分析和討論：

(1)自動調(diào)速系統(tǒng)與發(fā)電機功頻特性關系不一致的問題。自動調(diào)速系統(tǒng)反映了發(fā)電機組在越過頻率調(diào)節(jié)死區(qū)范圍后的調(diào)節(jié)作用，通過增加機組出力使頻率得以恢復。若只考慮頻率調(diào)節(jié)的起點和終點，則對應于發(fā)電機的功頻特性。兩者并不矛盾，只是考慮問題的角度不同而已。

(2)關于無差調(diào)節(jié)與參與一次調(diào)整機組作用的問題。通過頻率一、二次調(diào)整發(fā)揮作用的特性分析可知，負荷波動引起的頻率偏差首先由一次調(diào)整進行快速調(diào)節(jié)，而二次調(diào)整發(fā)揮作用的時間更長。二次調(diào)整通過改變原動機的基準功率實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，在二次調(diào)整進一步恢復頻率的過程中同時恢復非調(diào)頻廠的備用容量(負荷增加的情況)保證系統(tǒng)運行的安全性。一、二次調(diào)頻缺一不可，聯(lián)合作用才能實現(xiàn)完備的系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。

通過本文的分析可以體會到：不論在教師教學還是學生學習過程中，必須要深入體會教材內(nèi)容，同時要善于結(jié)合各種資料，融會貫通，才能對研究對象有一個清晰、透徹的理解，否則會造成學習的僵化和片面化，形成理解上的誤區(qū)。

[1] 陳珩. 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析(第三版)[M]. 北京：中國電力出版社. 2007年6月

[2] 高翔等. 現(xiàn)代電網(wǎng)頻率控制應用技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社. 2010年9月

Discussion on Frequency Adjustment in Steady-State Analysis of Electric Power System

GU Xiu-fang, XU Tao, HAN Ru-yue, ZHOU Zhi-xia, GUO Li-ping

(SchoolofElectricalEngineering,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010080,China)

Frequency control is an important content of Steady-State Analysis of Electric Power System course. Primary and secondary frequency control is implemented with the aid of automatic speed governor system equipped in generator units to control frequency variation caused by load wave within permissible range. During the teaching process, the basic law, relationship and function of primary and secondary frequency control should be fully understood . The operating principle of automatic speed governor system of generator units should be combined with characteristic of active power and frequency. And the reason why there is a different statement on the law of parameter variation is discussed. And coordination and interaction of the first and the second frequency regulation are discussed based on their regulation characteristics.

frequency control; automatic speed governor system; characteristic of active power and frequency

2015-10-20;

2016-01-27

顧秀芳(1974-)，碩士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)分析課程的教學以及電力系統(tǒng)運行優(yōu)化與設計， E-mail：1142418500@qq.com

G426

B

1008-0686(2016)05-0040-04