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频率控制

电力学名词

频率控制，又称频率调整，是使输出信号频率与给定频率保持确定关系的自动控制方法。频率控制是电力系统中维持有功功率供需平衡的主要措施，其根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行负荷管理。按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次调频、二次调频和三次调频。电力系统频率调整也是电力市场的重要组成部分。

电网调度机构负责指挥电网的频率调整,并使电网运行在规定的频率范围内。
电网调频厂根据系统调频要求和电厂调整能力确定,在并网调度协议中明确。
在正常运行时,电网调度机构应安排适当的备用容量,并组织备用容量的分配。
电网调度机构按照有关原则(如CPS1、CPS2或A1、A2)控制互联电网间的联络线功率。
控制电网频率的手段有:一次调频、二次调频、高频切机、自动低频减负荷、机组低频自启动、负荷控制,以及直流调制等。
电网必须具有适当的高频切机容量、低频自启动机组容量和自动低频切负荷容量,并由电网调度机构负责管理。
频率异常的处理:
a)当系统频率高于正常频率范围的上限时,电网调度机构可采取调低发电机出力、解列部分发电机组等措施。
b)当系统频率低于正常频率范围的下限时,电网调度机构可采取调高发电机出力、调用系统备用容量、进行负荷控制等措施。
——引自GB/T 31464-2015《电网运行准则》
必要性
电力系统频率控制的必要性
（1）频率对电力用户的影响：
1)电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，出现次品和废品。
2)电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。
3)电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和出力降低，影响电力用户设备的正常运行。
（2）频率对电力系统的影响：
1)频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大。
2)频率下降到47-48Hz时，火电厂由异步电动机驱动的辅机(如送风机)的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。不能及时制止，出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。
3)发电厂的厂用机械多使用异步电动机带动的，系统频率降低将使电动机功率降低，影响电厂正常运行。
4)电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使无功消耗增加，引起系统电压下降。
电力系统有功功率控制的必要性
（1）维持电力系统频率在允许范围之内：
电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发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，就是要及时调节系统内并联运行机组有功功率。
（2）提高电力系统运行的经济性：
当系统频率在额定值附近时，虽然频率满足要求，但没有说明哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应该发多少有功功率。电力系统有功功率控制的任务之一就是要解决这个问题。这就是电力系统经济调度问题。
（3）保证联合电力系统的协调运行：
电力系统的规模在不断地扩大，已经出现了将几个区域电力系统联在一起组成的联合电力系统，有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。
基本任务和要求
调整发电功率进行频率调整，即频率的三次调整控制。而电力系统频率控制与有功功率控制密切相关，其实质就是当系统机组输入功率与负荷功率失去平衡而使频率偏离额定值时，控制系统必须调节机组的出力，以保证电力系统频率的偏移在允许范围之内。为了实现频率控制，系统中需要有足够的备用容量来应对计划外负荷的变动，而且还须具有一定的调整速度以适应负荷的变化。
现代电力系统频率控制的研究主要有两方面的任务：①分析和研究系统中各种因素对系统频率的影响，如发电机出力、其本身的特性及相应的调速装置、负荷波动和旋转备用容量等，从而可以准确地寻找有效进行调频的切入点。②建立频率控制模型，即在某一特定的系统条件下，选择恰当的发电机和负荷模型(在互联系统中还应考虑多系统互联的模型)，并采用最优算法确定模型参数，在维持系统频率在给定水平的同时，考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性。根据 GB/T 15945-1995，我国电力系统的额定频率fN为 50Hz，电力系统正常频率允许偏差为±0.2Hz（该标准适用于电力系统，但不适用于电气设备中的频率允许偏差），系统容量较小时可放宽到±0.5Hz。
分类
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应，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。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行监视和调整。
三次调频的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。
频率控制措施
频率控制可采用以下两种措施：
（1）正常运行时，采用自动频率控制(AFC)或自动发电控制AGC)，其主要是在负荷缓慢变化时，调节发电机的输出功率，以保持频率恒定，保持系统中联络线上的功率小于规定值，同时调节发电机功率时，还要考虑按最优经济原则分配机组出力。
（2）紧急状态下频率控制，在系统中有功功率出现大扰动，频率出现大偏差时，尽快恢复频率至正常值，以保证电力系统的安全。
一次调频
一次调频的概念
系统中所有的发电机都装有调速器，当负荷变动导致频率变化时，调速器能感知发电机频率的变化，自动调节进汽阀开度或导水叶的开度，改变发电机的有功出力，力求系统功率平衡。
一次调频中原动机的作用为：当原动机配置自动调速系统，它的调速器随机组转速的变化不断改变进汽量或进水量，使原动机的运行点不断从一根频率特性曲线向另一根频率特性曲线过渡。
需注意的是：
（1）频率的一次调整是有限的，其只限于周期短、幅度小、频率高的随机负荷变动引起的频率偏移(负荷的变化周期在10s内)。
（2）频率的一次调整是所有发电机组都可以参加的调频任务。
一次调频的原理
如图1所示，
（1）原始运行点在O点；
（2）在负荷突然增加，发电机组的出力不能及时跟上机组将 减速，系统的频率将下降。
（3）在系统频率下降的同时，发电机组的功率将调速器的一 次调整作用而增大(OB')，负荷功率也因本身的调节 效应而减少(B’A’)，经过衰减振荡过程，达到新的平 衡点O’。
(4)实现有差调节。
二次调频
二次调频的概念
自动或手动操作调频器，当负荷变动导致频率变化时，使发电机组的频率特性平衡地移动，从而使负荷变动引起的频率偏移缩小在允许的波动范围内。
需注意的是：
（1）二次调频适用于调整负荷变化周期长、变化幅度大、频率较低的脉冲负荷。(冲击性、间隙性负荷)(变化周期10s-3分钟)
（2）二次调频的作用较一次调频作用大，提高了发电机的发电功率，缩小频率偏差。二次调频是调频的重要手段。
（3）二次调整不是系统中所有的发电机组都参加，一般由系统中较少的电厂承担，承担调频任务的电厂称为调频厂，调频厂可以分为主调频厂和辅助调频厂。主调频厂调节后，若频率还不能恢复正常时，启用辅助调频厂，而非调频厂只能按分配的负荷发电。
（4）当调频厂不位于负荷中心时，在调频同时，还应考虑控制调频厂与系统其他部分联系的联络线上流通的功率不要超过允许值。
二次调频的原理
如图2所示，
（1）运行点O-O'-O''；
（2）二次调频分为三部分：
1)由于调速器的作用而增大发电机组的功率；
2)因负荷本身的调节效应而减少的功率；
3)由于二次调整发电机增发的功率；
（3）可以实现是无差调节。
三次调频
三次调频的概念
频率的三次调整指各发电厂执行系统调度预先下达的发电计划，定时调控发电机的有功出力，和在非预计的负荷变化经一次调整和二次调整积累到一定程度时，重新按经济调度原则分配各发电厂的有功出力。
三次调频的原理
各发电厂按预先给定的负荷发电，这种给定的负荷是按经济调度最优化的原则获得的。这里只讲电力系统有功功率的经济分配。电力系统中有功负荷合理分配的目标是在满足一定约束条件的前提下，尽可能节约消耗的一次能源。
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