电力系统频率的自动调节automatic regulation of frequency in electric power system

利用自动调节手段（主要环节是调速器和调频器），改变原动机单位时间内动力元素的进入量，从而调节系统的频率。当发电机负荷的有功功率（包括网络功率损失）与原动机的出力保持平衡，机组的转速保持额定，频率为一定值； 当负荷有功功率增大时，若原动机出力未变，功率平衡被破坏，机组转速下降，频率相应下降； 相反，当负荷有功功率减小时，则转速上升，频率升高。利用原动机所附装的调速器，反应汽轮机或水轮机转速变化； 或者利用调频器，反应系统的频率，相应地调节阀门（汽门或水阀）开度，控制进汽量或进水量，改变机组出力，使机组转速维持在一定范围。二者都是通过改变原动机动力元素（单位时间内）的进入量，来实现频率调节。但调速器由于性质的限制，不可能在系统负荷变动时，满意地将频率维持在额定值，另一方面，由于系统内负荷的有功功率，是整个系统内所有电厂的发电机共同负担的，所以，为了实现系统的经济运行，负荷的有功功率应按经济原则在各电厂及机组间进行分配，而调速器是不可能实现这一任务的。因此，系统内有功负荷变动引起频率变化时，除由调速器进行频率调节外，还须有调频器对频率进行调节。这样即提高了系统的频率质量； 并按经济原则在电厂和机组间分配有功负荷。这就是频率和有功功率调节的基本任务。
调速器系统 由测量（离心飞摆）、放大（油传动器及错油门）、执行（油传动器及连杆）、调差(油补偿器、连杆系统、弹簧)及变速环节（变速电动机）组成(图1)。

图1 离心式调速器结构示意

1.离心重锤； 2.错油门（配压阀）; 3.油传动器（接力器）;4.同步器（调速电动机）; 5.弹簧；6.弹簧； 7.蜗轮蜗杆；8.油补偿器； 9.阀

调速器的调节特性是一条直线(图2)，其倾斜度即为调差系数。一般不宜太大，对于汽轮发电机为4%～6%，对于水轮发电机组为2%～4%。电力系统中如有多台机组调差系数为零，是不能并列运行的。所以系统中所有机组调节器都是有差调节，由它们共同承担负荷的波动。实际上调速器具有一定的失灵区，所以调节特性为一条区带，因此导致并列运行发电机组间有功功率分配产生误差，最大误差功率与调差系数成反比，调差系数过小将引起较大的功率分配误差。但失灵区又不能太小或没有，如太小，会使阀门调节过分频繁，这是无益的。对于汽轮发电机调速器失灵区为0.1%～0.5%，对于水轮发电机失灵区为0.1%～0.7%。自动调频时，调速器的变速环节—调速电动机的正反转，由调频器和有功功率调节器控制。

图2调节器的有差调节特性

频率调节系统 系统频率经自动检测后，和给定值比较所得的偏差，以控制调速器的调速电机。改变进入机组的动力元素，维持频率为给定值。调节系统(图3)设有：❶测量元件，反应频率对额定值的偏差，由相敏电路及推挽式磁放大器组成。
❷执行元件，根据频率偏差、发电机的输出功率和分配功率等信号，按照预定频率准则，给出控制电流，控制调速电动机，实现频率和有功功率的调节。执行元件主要是由两个磁放大器组成。当f=f_N时，磁放大器输出相等，且电流很小，电动机不转；f>f_N时，磁放大器分别为正、负反馈工作状态，电动机得到励磁而转动，减小调节阀门，机组减速；fN时，电动机反转，开大阀门，机组升速。只有在磁放大器输出电流相等时，电动机才停转，即只在△f=0时调节过程才结束，最后稳定频率为f_N，是无差调节。在磁放大器中引入接于测功元件输出的控制绕组，及功率分配元件输出的控制绕组，可得有差调节。设置调频装置后，机组的频率—有功功率特性不再由调速器决定，而由调频器决定。

图3 调频装置原理图

调节频率及有功功率的基本方法 调节的任务是维持系统频率为给定值，并按经济原则在电厂和机组之间分配有功功率，保持系统中电钟的准确性。❶主导发电机调节法。调频电厂装设无差调频器的发电机，即为主导发电机，其他发电机装功率调节装置，使其输出功率与主导发电机的功率保持一定比例。主导发电机调频系统如图4，当系统负荷功率变化，频率即变化，主导机组调频器先动作，改变主导机的功率，其他机组功率和主导机间功率比例关系被破坏，功率调节器动作，恢复原比例关系。在功率调节过程中，系统频率随着又改变，引起主导机功率改变，不断校正系统频率，至调节终止，△f=0、P₂＝α₂·P₁、P₃＝α₃·P₁…条件得到满足。调节过程较缓慢，适用于中、小容量电力系统调频。
❷虚有差调节法(图5)。将变动的负荷功率按比例分配给各调频机组，使系统频率维持给定值。因在调节过程中是有差，而调节结果是无差的，故称为虚有差调节。在调节过程中因各机组调速器动作不一致，机组功率与分配装置给出功率不可能完全一致，所以系统频率将有波动，而调节终止可维持为给定值。
❸虚无差调节法。虚有差调节使系统会出现频率偏差，于是在虚有差法中，分出一台机组按无差特性调节。最后该机组承担按分配系数分配后所剩余的功率，使系统频率维持给定值。
❹按经济原则调节法。理想的自动调节应该是既满足系统要求，维持频率给定值，又使有功功率分配符合经济原则，也就是供给负荷的同时，系统燃料消耗最少。系统机组间按等微增率分配负荷是最经济的。微增率为输入耗量微增量与输出功率微增量的比值，实现等微增率准则经济分配负荷，不仅可维持频率为给定值，将负荷的变动按经济原则分配给调频机组，且因频差积分可取自系统中的任一点，因而参加调频的电厂可以更多，有利于系统经济运行。此外即使调节装置存在失灵区，当频率积差超过失灵区时，调节装置即行动作，系统中电钟的准确性可以得到保证。由此可见各种调频方法，在50年代是模拟式自动调频及负荷经济分配系统； 而现代则是利用电子计算机实现自动调频及经济调度。

图4 主导发电机调频系统示意

图5 虚有差调节法调频系统示意