“电力系统稳态分析”课程频率教学内容探讨
2016-03-03顾秀芳韩如月周志霞郭力萍
顾秀芳, 徐 涛, 韩如月, 周志霞, 郭力萍
(内蒙古工业大学 电力学院， 内蒙古 呼和浩特 010080)
“电力系统稳态分析”课程频率教学内容探讨
顾秀芳, 徐 涛, 韩如月, 周志霞, 郭力萍
(内蒙古工业大学 电力学院， 内蒙古 呼和浩特 010080)
频率调整是“电力系统稳态分析”课程的重要内容。借助于发电机组自动调速系统进行的频率一、二次调整，可以保证负荷波动引起的频率变化在允许范围之内。在该课程教学过程中，应充分理解频率一、二次调整的原理、相互关系及作用。本文将发电机组自动调速系统的工作原理和功频特性结合在一起，讨论了这二者变量变化规律表达不同的原因，并在发电机组一、二次调整特性基础上讨论了二者的配合和相互作用。
频率调整；自动调速系统；功频特性
0 引言
频率是电能质量的重要指标，电力系统运行中通过发电机组配置的自动调速系统实现频率的调整。具体来说，由自动调速系统中的调速器实现对变动幅度很小、周期又很短的负荷变动引起的频率调节，即为一次调整。由调频器实现对变动幅度较大、周期也较长的负荷变动引起的频率调节，即为二次调整。
自动调速系统以频率变化作为检测量，当负荷波动引起频率变化时，能自动调节进汽量实现对频率的调节。但是在教学过程中，我们发现理解上存在一些误区：
如自动调速系统在调节过程中表现出的电气量的变化规律无法在功频特性坐标中完全对应；参与频率一、二次调整的机组，其配合关系及相互作用不很明确，导致由计算得出的结果与实际不符。本文将就这些问题做初步的分析，以期对频率调整的教学内容有一个系统的梳理。
1 自动调速系统调节特性与功频特性
图1 考虑调节过程的功频特性
如果我们将发电机组功频特性与上述调节过程结合起来看的话，可能就会发生疑问。因为从发电机组的功频特性可知，当系统频率降低时，发电机机组有功功率增加。这是否与调速系统调节过程中随着机组有功出力的增加系统频率不断回升相矛盾呢？另外在功频特性无法对应自动调速系统的整个调节过程，如负荷增加时，系统频率降低，在功频特性上找不到相应的位置？如何在功频特性上找到发电机组调节作用的变化轨迹。
要解决这些问题，首先要了解参与一次调整的发电机组的调节特性。一次调整要求机组对电网频率变化的响应要快，其响应特性可视作一个一阶惯性环节，时间常数一般在10 s左右[2]。当电力系统频率发生变化时，系统中所有发电机的转速发生变化。为防止机组在频率波动时频繁调整，规定了调速器动作的死区，即只有当转速的变化超出发电机组规定的不灵敏区时，该发电机的调速器才会动作，改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率。死区值越大，机组一次调频性能越差，反之，机组一次调频性能越好。由此可以看出，在负荷增加引起频率下降到发电机组增加出力前，发电机组相当于未配置调速系统的情况，其功频特性如图1中PG0曲线所示。
当负荷增加到PDE时，由于调速系统调节的滞后性使发电机组有功功率不变，功率不平衡造成系统频率下降。若定义频率偏差|fB-fA|为调速系统频率调节的死区范围，则在频率由fA下降到fB的过程中，发电机组有功功率沿着PG0曲线转移到PGB对应的B点,负荷沿着自身的功频特性转移到PDB′对应的B′点。若频率偏差|fB-fA|超过发电机组调速系统频率调节的死区，则调速器开始动作，发电机组的有功功率将不断地从一根PG0曲线向另一根位置更高的PG0曲线移动(虚线所示)，移动轨迹对应着BDC曲线。调节过程中发电机组有功功率增加，频率回升，而负荷的功率随着频率的回升而增加。调节结束后，发电机组有功功率和负荷功率在C点平衡，频率从fB上升到fC。这一过程的分析与自动调速系统工作原理完全吻合。
若这里忽略中间的调节过程，只考虑一次调整的两个点：起点A和终点C(A是负荷增加前的点，C是一次调整结束的点)，会得到调节后频率低于初始值，即fC
结合上述两方面的分析可以看出，自动调速系统中发电机组的有功功率和频率变化规律与功频特性是不矛盾的。因为这两种表述对应的其实是同一过程的两种状态，由于观察者的视角不同而有所不同。一次调整对应的自动调速系统着重分析调节过程所表现出来的功率、频率的变化规律，即负荷增加后，发电机组动作前系统频率首先发生改变，调速系统借助于调节作用增加有功出力而使得频率得以回升。而功频特性分析中只关心频率调整的开始和结束，开始时对应负荷增加前的状态，发电机组功率、负荷功率和频率均为初始值；调节结束后，与初始状态相比较，发电机组功率增加了，但是频率较初始状态要低。功频特性分析中看不到调节过程中发电机组功率和频率的变化，所以若一定将调节过程中功率、频率的变化与初始、结束状态相对应就会造成误解。
2 关于一、二次调整相互配合分析
如图1所示，一次调整的功频特性表现为与横轴夹角α(90°<α<180°)，这样一次调整必然为有差调节。同时由于与-tgα对应的单位调节功率KG存在上限而使一次调整能够调节的负荷有限，所以必须借助于二次调整才可以实现频率的无差调节。另一方面，参与一次调整的各发电机组的调节作用相互独立，按照ΔPGi=-KGiΔf的关系确定各自增加的有功出力。那么若在二次调整参与的条件下实现了无差调节(Δf=0)后，参与一次调整机组增发功率ΔPGi=0，那么是否意味着一次调整的作用就不存在了？其实不然，这里面存在一个如何理解发电机组参与二次调节作用及相互配合的问题。
一次调整对系统频率变化的响应快，根据IEEE的统计，电力系统综合的一次调整特性时间常数一般在10 s左右[2]。由于发电机的一次调整仅作用于原动机的阀门位置，而未动作于火力发电机组的燃烧系统。当阀门开度增大时，锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功率，由于燃烧系统的化学能量没有发生变化，随着蓄热量的减少，原动机的功率又会回到原来的水平，因而火力发电机组的一次调整的作用时间是短暂的。不同类型的火力发电机组，由于蓄热量的不同，一次调整的作用时间为0.5～2 min不等。而二次调整借助于协调控制系统，自动控制来改变原动机的基准值，达到改变发电机组调差特性曲线的位置，实现频率的无差调节。由于二次调整的响应时间较慢，所以只能有效地调整分钟级或更长周期的负荷波动。从这里可以看出，频率的一、二次调整发挥作用的时间是不同的。不论负荷波动大小，频率变化首先由一次调整进行快速响应和调节，若频率波动超出允许范围，再由二次调整做后续的慢速调整以使频率恢复较高水平或实现无差调节。
频率的二次调整的调节作用发挥的时间与频率的一次调整作用开始逐步失去的时间基本相当，因此两者在时间上的良好配合是实现系统发生大扰动后快速恢复频率的重要保障。
图2 含一次调整机组的功频特性
图3 含二次调整机组的功频特性
在频率回升的过程中，参与一次调整的发电机组的有功功率下降，即沿着功频特性下移，也就意味着将初始调节过程启用的备用容量得以恢复。备用容量恢复的多少与频率恢复的程度有关，频率恢复越多，备用容量恢复得越多。若频率完全恢复，则备用容量得以完全恢复。而参与二次调整的机组则不同，它在一次调整中调用的备用并不会因为二次调整而得以恢复，相反从整个调整过程来看，机组增发的功率一定大于一次调整增发的功率。
从上述分析可以看出，二次调整是在一次调整的基础上进行的频率调整，同时二次调整通过自身发电机组增加的有功功率实现频率在一次调整结束后的继续回升，保证系统有更好的频率质量。另一方面通过频率恢复也使其它非调频厂备用容量得以恢复，保证整个系统运行的安全性。由此可见，系统配置调频厂对保证系统频率质量和安全性都是至关重要的。
同时也要注意，若从计算的角度看，实现无差调节，即Δf=0，意味着参加一次调整机组的有功功率的变化量ΔPG=0，但是不能简单地认为在整个过程中参加一次调整的机组的作用不存在。这是因为：从上面的分析可以看出，发电机机组一次调整的作用在负荷增加、频率下降阶段表现为增加有功功率，而在二次调整发挥作用频率回升过程中又不断降低有功功率，出现ΔPG=0是因为只考虑调节过程的初始点和终点。若不考虑一、二次调整的过程及特性，只从计算的角度就会认为机组不参加一次调整，这显然与实际不符。
3 结语
本文结合自动调速系统工作原理、频率一、二次调整的配合关系，重点对以下问题进行了分析和讨论：
(1)自动调速系统与发电机功频特性关系不一致的问题。自动调速系统反映了发电机组在越过频率调节死区范围后的调节作用，通过增加机组出力使频率得以恢复。若只考虑频率调节的起点和终点，则对应于发电机的功频特性。两者并不矛盾，只是考虑问题的角度不同而已。
(2)关于无差调节与参与一次调整机组作用的问题。通过频率一、二次调整发挥作用的特性分析可知，负荷波动引起的频率偏差首先由一次调整进行快速调节，而二次调整发挥作用的时间更长。二次调整通过改变原动机的基准功率实现无差调节，在二次调整进一步恢复频率的过程中同时恢复非调频厂的备用容量(负荷增加的情况)保证系统运行的安全性。一、二次调频缺一不可，联合作用才能实现完备的系统频率调节。
通过本文的分析可以体会到：不论在教师教学还是学生学习过程中，必须要深入体会教材内容，同时要善于结合各种资料，融会贯通，才能对研究对象有一个清晰、透彻的理解，否则会造成学习的僵化和片面化，形成理解上的误区。
[1] 陈珩. 电力系统稳态分析(第三版)[M]. 北京：中国电力出版社. 2007年6月
[2] 高翔等. 现代电网频率控制应用技术[M]. 北京：中国电力出版社. 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
顾秀芳(1974-)，硕士，副教授，主要从事电力系统分析课程的教学以及电力系统运行优化与设计， E-mail：1142418500@qq.com
G426
B
1008-0686(2016)05-0040-04
