第五章 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整.ppt

第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整,1、電力系統(tǒng)的有功功率平衡2、電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配3、電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,概述,電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一。如何保證正常、穩(wěn)態(tài)運行時的電能質量和經(jīng)濟性問題，是我們考慮的重點問題之一。衡量電能質量的指標包括：頻率質量、電壓質量和波形質量，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。,頻率：50Hz，允許有0.20.5Hz的偏移電壓：設備應運行在額定電壓的5%z之間波形：考核系統(tǒng)的諧波電壓含有率,要求(識記)：,衡量運行經(jīng)濟性的主要指標為：比耗量(煤耗率)和線損率（網(wǎng)損率）,有功功率的最優(yōu)分布包括：有功功率負荷預計、有功功率電源的最優(yōu)組合、有功功率負荷在運行機組間的最優(yōu)分配等。,第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡,一、電力系統(tǒng)的有功功率平衡,該方程在任何時刻都成立！,發(fā)電機組的有功平衡,發(fā)電機組的有功平衡：發(fā)電機的電磁功率PGi與原動機的機械功率PTi之間的平衡。,發(fā)電機組的有功平衡與頻率的關系,發(fā)電機組原動機發(fā)電機,原動機慣性大，有功調(diào)節(jié)慢，無法時刻保持與瞬變負荷及發(fā)電機功率的平衡，而只能保證動態(tài)平衡，相應頻率也只能保持動態(tài)穩(wěn)定。,如剛才講到，因為電能是不能儲存的，所以上述有功功率平衡方程在任何時刻t都是成立的（即保持平衡），但系統(tǒng)中負荷時無時無刻不在變化的，所以上述平衡方程很容易被打破，導致上述有功功率不平衡，這種不平衡只是短暫的，我們可以根據(jù)負荷的變化情況來調(diào)節(jié)發(fā)電機發(fā)出的總功率，用來調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的平衡，使得上述方程重新回到平衡狀態(tài)。若不加以調(diào)節(jié)，則有功功率的不平衡將對頻率造成影響。,系統(tǒng)有功功率不平衡對頻率的影響：,由電機學知識：n=60f/p,頻率與發(fā)電機轉速有關,轉速又決定于發(fā)電機的電磁轉矩（隨負荷變化）和原動機的拖動轉矩（由原動機的功率決定）。原動機拖動功率-電磁功率=發(fā)電機的總功率。,請問發(fā)電機的電磁轉矩與轉速的方向是相同還是相反？,具體情況：,1、負荷增加，使電磁轉矩增加，若原動機的拖動轉矩不變，則轉速n下降，導致頻率降低。,2、負荷減少，使電磁轉矩減小，若原動機的拖動轉矩不變，則轉速n上升，導致頻率升高。,通過上面的分析得出：有功功率的變化(負荷的變化)與頻率的變化是直接相關的，因此可以通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)有功功率的平衡。,二、有功功率負荷的變動和調(diào)整控制,變化不規(guī)律,不同的周期的負荷有不同的變化規(guī)律：第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負荷變動有很大的偶然性；第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種負荷的主要有：電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負荷變動；第三種變動基本上可以預計，其變動幅度最大，周期也最長，是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負荷變動。,剛才講到，當負荷變動時（即有功功率變化時），若發(fā)電機總功率不加以調(diào)節(jié)，則頻率會發(fā)生偏移。,因此，根據(jù)負荷變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分為：一次調(diào)頻：由發(fā)電機調(diào)速器進行；針對第一種負荷變動引起的頻率偏移的調(diào)整。二次調(diào)頻：由發(fā)電機調(diào)頻器進行；針對第二種符合變動引起的頻率偏移的調(diào)整。三次調(diào)頻：優(yōu)化準則，即由調(diào)度部門根據(jù)負荷曲線進行最優(yōu)分配，責成各發(fā)電廠按事先給定的負荷發(fā)電。除平衡節(jié)點（調(diào)頻）外均屬此類。（有功功率日負荷曲線），針對第三種負荷變動，人工完成。前兩種是事后的，第三種是事前的。,另外，還有一種調(diào)整叫做負荷控制，是指個別負荷大量或長時間超計劃用電以致影響系統(tǒng)運行質量時，由系統(tǒng)運行管理部門在遠方將其部分或者全部切除的控制方式。,三、系統(tǒng)有功功率（電源容量）和備用容量,系統(tǒng)中可供調(diào)度的系統(tǒng)電源容量可能小于總裝機容量定期停機檢修水電廠的發(fā)電機因水頭極度降低不能按額定容量發(fā)電各發(fā)電廠預計可投入運行的發(fā)電機組的可發(fā)功率之和為可供調(diào)度的系統(tǒng)電源容量。,為了保證可靠供電和良好的電能質量，系統(tǒng)可供調(diào)度的電源容量必須大于發(fā)電負荷。,系統(tǒng)電源容量=系統(tǒng)中可運行機組的可發(fā)容量之和,三、系統(tǒng)有功功率和備用容量,為了保證可靠供電和良好的電能質量，系統(tǒng)中的發(fā)電設備容量應大于系統(tǒng)負荷，我們把系統(tǒng)電源容量大于負荷的部分稱為備用容量，它是指可用發(fā)電出力的后備補充力量，能夠隨時調(diào)整投入運行。,備用容量：可供調(diào)度的系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分。,作用：在系統(tǒng)出現(xiàn)第一類、第二類負荷的波動、負荷的超計劃增長、事故導致的發(fā)電機退出運行和設備檢修導致的設備退出運行情況下，保證電力系統(tǒng)在要求頻率水平下的功率平衡，以保證供電可靠性和電能質量。,備用容量按照形式分為：熱備用，冷備用。,熱備用處于運行狀態(tài)的備用，亦稱旋轉備用。如，負荷備用和部分事故備用。只要電網(wǎng)需要時（出力不夠或者出現(xiàn)故障時），隨時可動用的備用出力，這部分備用容量已經(jīng)滿足運行的條件，處在運行當中，只要電網(wǎng)需要，立即啟動，所以系統(tǒng)不會出現(xiàn)停電故障冷備用（和熱備用相反理解）處于停機待用狀態(tài)的備用，亦稱停機備用。如，檢修備用、國民經(jīng)濟備用及部分事故備用。,檢修中的發(fā)電設備不屬冷備用。,熱備用越多，越有利于保證電能質量和供電可靠性，但經(jīng)濟性不好。,按用途分為：負荷備用，事故備用，檢修備用，國民經(jīng)濟備用。,負荷備用針對一類、二類負荷波動和預測外負荷設置（2%5%）。事故備用針對事故導致發(fā)電設備退出設置（5%10%，且不小于系統(tǒng)最大一臺機組的額定容量）。檢修備用針對發(fā)電設備檢修退出運行設置（視情況）。國民經(jīng)濟備用針對國民經(jīng)濟的超計劃增長設置（3%5%）,發(fā)電負荷（熱備用）負荷備用（熱備用）事故備用（熱備用）檢修備用（冷備用）國名經(jīng)濟備用（冷備用）,各種類型的備用仍只以兩種形式存在。,第二節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配,有功功率最優(yōu)分配包括兩個主要內(nèi)容：即有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負荷的最優(yōu)分配。,有功功率電源的最優(yōu)組合指系統(tǒng)中發(fā)電設備或發(fā)電廠的合理組合，即機組的合理開停。機組的最優(yōu)組合順序機組的最優(yōu)組合數(shù)量機組的最優(yōu)開停機時間,與冷備用容量的合理分布有關。,第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,一、頻率調(diào)整的必要性,頻率是電力系統(tǒng)運行的一個重要的質量指標，直接影響著負荷的正常運行。負荷要求頻率的偏差一般應控制在（0.20.5）Hz的范圍內(nèi)。,要維持頻率在正常的范圍內(nèi)，其必要的條件是系統(tǒng)必須具有充裕的可調(diào)有功電源。,頻率變動的影響：,1、對用戶的影響,頻率變化超出允許范圍將使用戶遭受損失。由于頻率變化引起異步電動機轉速變化，將會影響用戶產(chǎn)品質量。例如：紡織及造紙行業(yè)可能產(chǎn)生殘次品。,2、對電子設備的影響,頻率不穩(wěn)定將影響電子設備的工作，如雷達、計算機等將因頻率過低而無法工作。,3、對發(fā)電廠的影響,（1）影響鍋爐的正常運行,（2）當頻率下降時，會增加汽輪機葉片所受的力，引起葉片的共振，縮短葉片的使用壽命，嚴重時刻使葉片斷裂。,（3）頻率降低時，導致拖動設備出力下降，造成水壓風力不足，因此發(fā)電機發(fā)電能力下降，所以為了維持正常電壓，就要增加勵磁電流，致發(fā)電機定子和轉子溫升增加。,（4）頻率降低時，因為為了維持正常電壓而增加了勵磁電流，導致磁通密度的增大，因此變壓器的鐵耗和勵磁電流都要增大。,4、對系統(tǒng)的影響,（1）由第二章知識，當頻率下降時，系統(tǒng)無功損耗將會增大（原因：勵磁電流的增大），這必將導致整個系統(tǒng)的電壓水平下降。,（2）頻率過低，可使整個電力系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。,二、自動調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)特性,由上述分析知、頻率的變動將會產(chǎn)生多方面的影響，因此有必要對系統(tǒng)頻率進行調(diào)整，使其變化范圍控制在正負0.2-0.5Hz。而要調(diào)節(jié)頻率，實質上就是調(diào)節(jié)原動機的轉速，即汽輪機的轉速調(diào)節(jié)，要調(diào)節(jié)汽輪機的轉速，實質上就是要調(diào)節(jié)汽輪機閥門開度的大小，即調(diào)節(jié)進氣量。下面介紹一種自動調(diào)速系統(tǒng)-離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)。,原理圖如下頁所示：,離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖,調(diào)速器：進行頻率的一次調(diào)整，在圖中D點不動。調(diào)頻器：進行頻率的二次調(diào)整，使得D點上升。,一次調(diào)頻、二次調(diào)頻原理簡介，見教材P203.,三、電力系統(tǒng)的頻率特性,1、電力系統(tǒng)負荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性,當頻率變化時，電力系統(tǒng)中的有功功率負荷也將發(fā)生變化。當電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)中的有功負荷隨頻率變化的特性稱為負荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性（額定頻率附近）。,有功功率-頻率靜態(tài)特性,KL也叫做負荷的單位調(diào)節(jié)功率，單位：Mw/Hz,用標幺值表示：,KL*的值受用戶的影響，其值不能整定，大概在1.5左右。,負荷的頻率調(diào)節(jié)效應：指在一定的頻率下負荷隨頻率變化的變化率。,2、發(fā)電機組的有功功率-頻率靜態(tài)特性,當系統(tǒng)頻率變化時，汽輪機調(diào)速系統(tǒng)將自動的改變進氣量，以相應的增加或減少發(fā)電機輸出功率，調(diào)整結束后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。這種反映由頻率變化而引起的汽輪機輸出功率變化的關系，稱為發(fā)電機組有功功率-頻率靜態(tài)特性。,（）,（2）配置自動調(diào)速系統(tǒng)的原動機機械功率的靜態(tài)頻率特性一次調(diào)整（依靠調(diào)速器的作用）,二次調(diào)整,有調(diào)頻器的二次調(diào)整后，原動機的運行點不斷地從僅有一次調(diào)整時的靜態(tài)頻率特性曲線，平行的移動到另一根曲線上，連接不同直線上的點，得到有二次調(diào)整時靜態(tài)頻率特性曲線，可實現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)和有差調(diào)節(jié)。,其含義標志著隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出功率減少或增加的多寡。,發(fā)電機組的單位調(diào)節(jié)功率：即發(fā)電機組功頻靜態(tài)特性的斜率，其斜率為負值。,負號表示發(fā)電機輸出功率的變化和頻率變化的方向相反。,發(fā)電機組的調(diào)差系數(shù)：即發(fā)電機單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。,用百分數(shù)表示：,所以二者關系如下：,KG和調(diào)差系數(shù)是可以整定的。,四、一次調(diào)頻,為了便于分析，現(xiàn)假設系統(tǒng)中只有一臺發(fā)電機組和一個負荷。,頻率的一次調(diào)整過程：,（1）系統(tǒng)正常運行時，穩(wěn)定運行于O點，此時發(fā)電機發(fā)出的功率等于負荷消耗的功率，處于平衡狀態(tài)，即：,（2）當穩(wěn)定運行于O點時，負荷突然增加PL0，由O點跳至A點。,（3）因機組功率不能及時變動，機組將減速，頻率將下降。,（4）隨著頻率的下降，負荷消耗的功率減少，負荷的功頻特性將沿著新的特性曲線PL下降，由A點向O點移動。由于這種特性是由負荷本身決定的，因此PL和PL斜率相同。,以上都是針對負荷來分析，下面針對發(fā)電機組來分析。,（5）另一方面，根據(jù)離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)原理可知，當負荷增加，頻率下降時，汽輪機進氣量增加、原動機功率增加，即發(fā)電機組的功率因調(diào)速器的作用也隨之增加（一次調(diào)頻），所以，隨著頻率的下降，發(fā)電機組的功頻特性將沿著曲線PG向上移動。,（6）兩者分別沿著圖中箭頭方向移動，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運行于新的平衡點O。,這就是一次調(diào)頻的整個過程。,下面來分析負荷功率的增加量是由哪幾部分組成的，由圖可知：,其中，OB是由于頻率下降后發(fā)電機組的增加量，BA表示負荷因頻率下降而減少的量。,因此：整個系統(tǒng)的負荷功率的增大量=發(fā)電機組功率的增大量-負荷功率減少量,取功率和頻率的上升為正,KS：稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動機調(diào)速器和負荷本身的調(diào)節(jié)效應共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。即系統(tǒng)的負荷增加或減少，對應頻率的下降或增加。,所以，可以通過該系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率，可以求解在已知的允許的頻率偏移范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)能夠承受多大的負荷增減。,由上可知，系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率取決于兩個方面，即發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率和負荷的單位調(diào)節(jié)功率。,注意：,取功率的增大或頻率的上升為正；KG，KL，Ks本身為正；為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運行的穩(wěn)定，不能采用過大或過小的單位調(diào)節(jié)功率；（原因？無法根據(jù)頻率變化確定機組功率增量。）,實際的電力系統(tǒng)中，不可能僅僅只有一臺發(fā)電機組和一個負荷，而是有好多。假設系統(tǒng)中有n臺發(fā)電機組時，并且假設這n臺機組全部參與調(diào)整，則：,此時：,另外系統(tǒng)中的n臺發(fā)電機組很有可能存在有些機組已經(jīng)滿載的情況，以致它們的調(diào)速器受負荷限制器的限制不能再參加調(diào)整，這就使得系統(tǒng)中總的發(fā)電機單位調(diào)節(jié)功率下降。結論：對于滿載機組，不再參加調(diào)整。,即：,n臺發(fā)電機組中，僅有m臺發(fā)電機組（mKGM,即系統(tǒng)中由于某些機組因滿載不能參加調(diào)整，致使整個發(fā)電機組系統(tǒng)的等值單位調(diào)節(jié)功率減小，等值調(diào)差系數(shù)加大。,最后，整個系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率為：,充分理解機組不能參加調(diào)頻的含義：機組滿載（空載）不能增加（減少）功率。因此，當負荷增加（減少），滿載（空載）機組時不能參加調(diào)頻，相應其單位調(diào)節(jié)功率為0，調(diào)差系數(shù)為無窮大。,由于系統(tǒng)中有些機組滿載或空載不能參與調(diào)整，使得Ks不可能很大，因此，用調(diào)速器進行的一次調(diào)頻只適用于周期較短、幅度較小的負荷變動引起的頻率偏移。對于符合變動周期較長，幅度較大的調(diào)頻，則落到了二次調(diào)頻的頭上。,五、二次調(diào)頻,當電力系統(tǒng)由于負荷變化引起的頻率偏移較大，采取一次調(diào)頻尚不能使其保持在允許的范圍內(nèi)時，這時通過二次調(diào)頻才能解決。頻率的二次調(diào)整就是以手動或自動方式調(diào)節(jié)調(diào)頻器平行地移動發(fā)電機組有功功率-頻率靜態(tài)特性，來改變發(fā)電機組輸出的有功功率，使系統(tǒng)的頻率保持在負荷增長前的水平或使頻率的偏差在允許的范圍之內(nèi)。,頻率的二次調(diào)整過程：,（1）假設進行完一次調(diào)頻后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行于O點，此時頻率下降至fo，功率增至Po。,（2）若此時的f超過系統(tǒng)允許的范圍，則操作發(fā)電機組調(diào)頻器，起動二次調(diào)頻，再次增加發(fā)電機組輸出的有功功率PGo，使發(fā)電機組有功功頻特性曲線向右平行移動（按照給定的增發(fā)功率PGo來移動）。,（3）這時由于增發(fā)功率，導致系統(tǒng)頻率的增加，那么由于負荷本身的調(diào)節(jié)效應，負荷吸收的頻率也要增加，相應地運行點將從O點轉移到O點，對應的頻率為fo，對應的功率為Po。,（4）由圖可清晰的看出，進行二次調(diào)頻后，頻率的偏移將由f減小為f，發(fā)電機供給負荷的有功功率從Po增至Po，顯然系統(tǒng)運行質量有了提高。,由上述分析可見，當一次調(diào)頻和二次調(diào)頻同時進行時，系統(tǒng)的負荷增量PLo是由三部分調(diào)節(jié)功率組成的：,（1）,（3）一次調(diào)整后，即,（2）,所以：,其值為：,其值為：,由此可知，當f=0時，即時，即實現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)。,另外，由上面分析可知，在同樣的負荷變化情況下，若Ks越大，那么對應的頻率偏移范圍將越小，所以我們總是希望具有較大的單位調(diào)節(jié)功率Ks。而Ks=KG+KL，其中，KL又是不能整定的，所以要想調(diào)整Ks，實際上是調(diào)整發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率KG（或調(diào)差系數(shù)，要較小的）。因此發(fā)現(xiàn)，在進行二次調(diào)頻時，系統(tǒng)負荷的增減變化實