電力系統頻率偏差

電力系統頻率指電力系統中同步發電機產生的正弦交變電壓的變化頻率。在 發電機組穩態運行時，機組中所有發電機都在同步運轉，整個電力系統處於同頻 運行狀態。

電力系統能夠安全並且穩定運行的至關重要因素之一是頻率穩定，因為它能體現出一個電力系統發出的有功功率和負荷所需求的有功功率是否保持相同，電 力系統是否穩定和安全可靠。如果頻率一旦出現不正常的情況，其後果將難以設 想，系統運行的可靠和安全以及各個用電用户的安全得不到保證。同時會導致它 們的效率變低，使電廠運行的經濟性有所偏離，最終還會影響整個電網運行的經 濟性。如果頻率偏低，更會使整個系統不能夠得以安全運行。因此上説，頻率一 方面是評價電能質量好壞的標準之一，我們可以作為系統的一種狀態反饋量來觀 查監控並以此確定系統是否得到了穩定和安全控制；另一方面，我們還應當對系 統的頻率實施一些的控制策略來確保系統的穩定和安全。

電力系統頻率是電能質量的基本指標之一。根據 電工學理論，正弦量在單位時間內交變的次數稱為頻率，用f表示，單位為Hz（赫茲）。交變（含正負半波的變化）一次所需要的時間稱為週期，用T表示，單位為s（秒）。頻率和週期互為倒數，即f= 1/T 。電力系統的電源來自各同步發電機。在穩態條件下各發電機同步運行，整個電力系統的頻率可以視為相同，它是一個全系統一致的運行參數。電力系統的標稱頻率為50Hz或60Hz，中國大陸（包括港、澳地區）及歐洲地區採用50Hz，北美及台灣地區多采用60Hz，日本則有50Hz和60Hz兩種。頻率對電力系統負荷的正常工作有廣泛的影響；系統某些負荷以及發電廠廠用電負荷對頻率的要求非常嚴格。要保證用户和發電廠的正常工作就必須嚴格控制系統頻率，使系統頻率偏差控制在允許範圍之內。系統頻率偏差Δf=fm-fN，式中fm為實際頻率（Hz），fN為系統標稱頻率（Hz）。 ^[1] 

在電力系統中，要使得所有發電機組轉速的恆定運行，必須使得系統總共的 電源供給與負荷功率總需求（其中也有傳輸環節的電能損耗）平衡。然而，要實 現發電機組轉速恆定並沒有這麼容易，這是因為電力系統中發電機組的出力和電 力系統負荷每時每刻都在變化。當系統出現發電機組的有功功率和負荷的有功功 率不平衡的情況時，系統頻率便會因為發電機組和負荷的功率不平衡而出現變動， 從而產生了頻率偏差。系統頻率偏差持續時間和大小由發電機控制系統對負荷改 變的響應能力和負荷特性決定。只有在一種情況下，頻率偏差才為0，那便是當 系統負荷需求的總有功功率等於發電機的總輸出功率時候。而在通常情況下，系 統負荷需求的總有功功率並不總是等於系統發電機的總輸出有功功率，那麼在系 統負荷需求的總有功功率較大的情況下，系統頻率便會下降，頻率偏差為負值； 反之，在系統中所有發電機的總輸出有功功率較大的情況下，系統頻率便會上升， 頻率偏差為正值。加劇電力系統有功功率不平衡的因素有很多，多為電力系統大 故障，如大容量發電設備退出運行，大面積甩負荷等，他們會使得電力系統頻率 偏差超出允許的範圍。綜上所知，頻率偏差產生的根本原因是電力系統有功功率 的不平衡。 ^[2] 

電力系統中的發電與用電設備都是按照額定頻率 設計和製造的，只有在額定頻率附近運行時，才能發揮最好的性能。系統頻率過大的變動，對用户和發電廠的運行都將產生不利影響。系統頻率變化的不利影響，主要表現在以下幾個方面：

a.頻率變化將引起電動機轉速的變化，由這些 電動機驅動的紡織、造紙等機械的產品質量將受到影響，甚至出現殘、次品。系統頻率降低將使電動機的轉速和功率降低，導致傳動機械的出力降低，影響生產效率。

b.無功補償用電容器的補償容量與頻率成正比， 當系統頻率下降時，電容器的無功出力成比例降低，此時電容器對電壓的支持作用受到削弱，不利於系統電壓的調整。

c.頻率偏差的積累會在電鐘指示的誤差中表現 出來。工業和科技部門使用的測量、控制等電子設備將受系統頻率的波動而影響其準確性和工作性能，頻率過低時甚至無法工作。頻率偏差大使感應式電能表的計量誤差加大。研究表明：頻率改變1%，感應式電能表的計量誤差約增大0.1%。頻率加大，感應式電能表將少計電量。

d.電力系統頻率降低，會對發電廠和系統的安 全運行帶來影響，例如：頻率下降時，汽輪機葉片的振動變大，影響使用壽命，甚至產生裂紋而斷裂。又如：頻率降低時，由電動機驅動的機械（如風機、水泵及磨煤機等）的出力降低，導致發電機出力下降，使系統的頻率進一步下降。當頻率降到46Hz或47Hz以下時，可能在幾分鐘內使火電廠的正常運行受到破壞，系統功率缺額更大，使頻率下降更快，從而發生頻率崩潰現象。再如：系統頻率降低時，異步電動機和變壓器的勵磁電流增加，所消耗的無功功率增大，結果更引起電壓下降。當頻率下降到45～46Hz時，各發電機及勵磁的轉速均顯著下降，致使各發電機的電動勢下降，全系統的電壓水平大為降低，可能出現電壓崩潰現象。發生頻率或電壓崩潰，會使整個系統瓦解，造成大面積停電。 ^[1] 

表達式為：頻率偏差=實際頻率－標稱頻率（我國系統標稱頻率為50HZ，國外有60HZ的）；我國電力系統的正常頻率偏差允許值為±0.2HZ，當系統容量較小時，頻率偏差值可以放寬到±0.5HZ；系統有功功率不平衡是產生頻率偏差的根本原因。