传统电力系统的频率响应特点

电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响，所以必须保持频率在额定值附近，且偏移不得超过一定范围［1］。

电力系统频率变动时，对用户的影响有：

电动机的转速与系统频率有关，频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品质量。例如，纺织工业、造纸工业等都将因频率变化而出现残次品。

近代工业、国防和科学技术都已广泛使用电子设备，系统频率的不稳定将会影响电子设备的工作。雷达、电子计算机等重要设备将因频率过低而无法运行。

频率变动对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。

低频率运行时，汽轮机叶片所受的应力将增加，会引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。

低频率运行时，发电机的通风量将减少，为了维持正常电压，又要求增加励磁电流，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，不得不降低发电所发功率。

低频率运行时，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。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。(www.xing528.com)

总之，由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业。频率过低甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。

电力系统出现功率不平衡时频率的变化特性称为频率特性，在各发电机组未失步时系统中各节点的频率变化基本相同，所以系统的频率特性与所有发电机组都有关，当频率发生变化时发电机的响应也称为发电机的频率特性。在电力系统实际运行中由于负荷功率调节较为困难，所以对频率控制主要包括发电机的一次调频、二次调频等手段，通过调节发电机的出力保证系统中有功功率的供需平衡，以维持频率稳定在额定值。一次调频是发电机自发的有差调节，当频率变化超过死区时同步发电机的调速器可以自动通过控制阀门的开合程度调节原动机的功率输出，用于自动平衡突发及波动较小的功率扰动，使频率波动不超过规定范围。当负荷或电源变化幅度大、时间长时，仅靠一次调频不能满足频率偏移要求，此时就要采用二次调频来调整发电机的功频特性曲线实现频率的无差调节。由于风力发电中的随机性与储能特性的限制，风电场一般只需参与一次调频过程。

发电机的一次调频特性如图6－1所示。发电机的一次调频特性为有差调节，其输出功率会随系统频率的上升而减少。这种特性有两个显著的优点：①便于负荷的增量实现在全网各机组间的自动分配，且分配系数完全可控；②系统频率的变动会减小负荷的实际波动量，有利于系统的频率稳定。

图6-1　发电机的一次调频特性

系统中有功功率的供需关系影响着频率的变化，正常状态下电力系统功率平衡频率维持在额定值，当系统发生有功缺额故障时功率的不平衡就会导致频率下降，此时需要电源投入备用容量阻止频率下降。反之，当发生负荷突减等情况导致有功功率过剩时频率就会上升，发电机需要减少出力阻止频率上升。系统中电源输出有功功率与负载消耗有功功率的不平衡导致频率变化的规律可近似用式（6－1）表示［2］：

式中，Js为系统中所有发电机的等效总惯量；ωm为同步发电机的机械转速；PGen和PLoad分别代表系统中所有电源提供的有功功率和所有负荷所需的有功功率。

从式（6－1）中可以看出，当大规模不能提供惯性响应的风电机组替换同步机组后，由于减小了等效总惯量Js，频率初始的变化率会增大进而减小了系统对频率的控制能力。

在一次调频中，风电场通过对功率的快速控制可以弥补同步发电机由于受到蓄热能力和调速器控制特性等因素的限制而带来的系统一次调频有效动作慢的缺点（有效动作时间通常为2～10 s），所以通过改造风电机组的控制系统，风电场可以实现响应调度指令或主动参与对系统不平衡功率的衰减从而拥有参与一次调频的能力。