有功功率平衡和頻率調(diào)節(jié).ppt

1、課程負(fù)責(zé)人：穆 鋼 教 授 申 報(bào) 單位：東北電力大學(xué),第五章有功功率平衡和頻率調(diào)整,2020年11月10日星期二,內(nèi)容提要,頻率偏移產(chǎn)生的原因、影響、以及允許的頻率偏離量？ 保持頻率偏移量不超過(guò)一定范圍的條件 （如何保持有功功率的平衡） 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 有功功率的最優(yōu)分配,2020年11月10日星期二,5.1電力系統(tǒng)的頻率偏移,頻率變化的原因? 頻率變化對(duì)負(fù)荷的影響 (1)異步機(jī) (2)電子設(shè)備 (3)電鐘 頻率變化對(duì)電力系統(tǒng)的影響 (1) 水泵、風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī) (2) 汽輪機(jī)的葉片 (3) 變壓器的勵(lì)磁 頻率允許偏移的范圍：50Hz(0.20.5)Hz,系統(tǒng)中負(fù)荷的變化,你答對(duì)了嗎?,2

2、020年11月10日星期二,5.2 電力系統(tǒng)有功功率的平衡,運(yùn)行中： 規(guī)劃、設(shè)計(jì)： 備用容量: 1.按作用形式分,負(fù)荷備用(2-5%Plmax) 檢修備用(可能不安排) 事故備用(5-10% Plmax或系統(tǒng)中最 大一臺(tái)單機(jī)容量） 國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展備用(3-5%Plmax ）,2020年11月10日星期二,2、按存在形式分為,兩者差一個(gè)網(wǎng)損,兩者差一個(gè)廠(chǎng)用電,熱備用:運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大 功率與發(fā)電負(fù)荷之差(旋轉(zhuǎn)備 用) 冷備用:未運(yùn)轉(zhuǎn)的、但能隨時(shí)啟動(dòng)的發(fā) 發(fā)電設(shè)備可以發(fā)的最大功率 (不含檢修中的設(shè)備),負(fù)荷的分類(lèi): 1.用電負(fù)荷 2.供電負(fù)荷 3.發(fā)電負(fù)荷,2020年11月10日星期二,有

3、功功率負(fù)荷變動(dòng)曲線(xiàn),2020年11月10日星期二,有功功率負(fù)荷變動(dòng)曲線(xiàn)據(jù)此圖,負(fù)荷可以分為三種 : 第一種變動(dòng)幅度很小，周期又很短。,變動(dòng)有很大的偶然性,屬于這一種的主要有電爐、壓延機(jī)械、電氣機(jī)車(chē)等帶有沖擊性的負(fù)荷,這一種是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動(dòng),第二種變動(dòng)幅度較大，周期也較長(zhǎng). 第三種變動(dòng)幅度最大，周期也最長(zhǎng). 該種負(fù)荷基本 可以預(yù)計(jì)。,2020年11月10日星期二,據(jù)此,頻率調(diào)整,一次調(diào)整:由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行的 對(duì)第一種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻 率偏移的調(diào)整,二次調(diào)整:由發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器進(jìn)行的、 對(duì)第二種負(fù)荷變動(dòng)引起的 頻率偏移的調(diào)整,三次調(diào)整:按最優(yōu)化準(zhǔn)則分配第三種有 規(guī)律變

4、動(dòng)的負(fù)荷，即責(zé)成各發(fā)電廠(chǎng) 按事先給定的發(fā)電荷曲線(xiàn)發(fā)電。,2020年11月10日星期二,5.3 電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配,有功功率的最優(yōu)分配: 有功功率電源的最優(yōu)組合 即指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠(chǎng)的合理組合,也就是所謂的機(jī)組合理開(kāi)停. 有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配 即指系統(tǒng)的有功功率負(fù)荷在各個(gè)正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠(chǎng)之間的合理分配.最常用的是按等耗量微增率準(zhǔn)則分配.,2020年11月10日星期二,火電廠(chǎng)外景,2020年11月10日星期二,各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)和合理組合,(1)火電廠(chǎng)特點(diǎn)： 需燃料及運(yùn)輸費(fèi)用，但不受自然條件影響 效率與蒸汽參數(shù)有關(guān) 受鍋爐、汽輪機(jī)最小技術(shù)負(fù)荷限制，有功出力調(diào)整范圍較窄

5、，增減速度慢，參數(shù)越高范圍越窄(高溫高壓30%，中溫中壓75%) 機(jī)組投入退出，承擔(dān)急劇負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，多耗能量，易損壞設(shè)備 熱電廠(chǎng)抽汽供熱，效率高，但技術(shù)最小負(fù)荷取決于熱負(fù)荷，為強(qiáng)迫功率,2020年11月10日星期二,豐滿(mǎn)水電廠(chǎng)外景,2020年11月10日星期二,(2)水電廠(chǎng)特點(diǎn)： 不要燃料費(fèi)，水力可梯級(jí)開(kāi)發(fā)，連續(xù)使用，但受自然條件影響。 出力調(diào)節(jié)范圍大，50%以上, 增減負(fù)荷速度快，操作容易，可承擔(dān)急劇變化的負(fù)荷 決定發(fā)電量的除水量外還有水位差 保證出力 抽水蓄能機(jī)組（天荒坪630萬(wàn)千瓦） 必須與火電配合 維持航運(yùn)、灌溉、需一定水量，對(duì)應(yīng)強(qiáng)迫功率,2020年11月10日星期二,秦山核電站外

6、景,2020年11月10日星期二,(3) 核電廠(chǎng)特點(diǎn)： 可調(diào)容量大，退、投、增、減負(fù)荷消耗能量、時(shí)間，易損壞設(shè)備 一次投資大，運(yùn)行費(fèi)低，盡量利用承擔(dān)基本負(fù)荷 應(yīng)指出: 枯水季節(jié)往往由系統(tǒng)中的大型水電廠(chǎng)承擔(dān)調(diào)頻任務(wù);洪水季節(jié)這任務(wù)就轉(zhuǎn)移給中溫中壓火電廠(chǎng).抽水蓄能電廠(chǎng)在其發(fā)電期間也可參加調(diào)頻.但低溫低壓火電廠(chǎng)則因容量不足,設(shè)備陳舊,不能擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù).,2020年11月10日星期二,有功功率電源的最優(yōu)組合,各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)組合順序示意圖,枯水季節(jié):,2020年11月10日星期二,洪水季節(jié):,2020年11月10日星期二,最優(yōu)分配負(fù)荷的目標(biāo)函數(shù)和約束條件,1. 耗量特性: 發(fā)電設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出

7、的有功功率的關(guān)系。如圖所示: 比耗量: 單位時(shí)間內(nèi)輸入能量與輸出功率之間的比值. 耗量微增率: 耗量特性曲線(xiàn)上某點(diǎn)切線(xiàn)的斜率,2020年11月10日星期二,2. 目標(biāo)函數(shù)和約束條件 目標(biāo)函數(shù) 有功負(fù)荷最優(yōu)分配的目的：在供應(yīng)同樣大小負(fù)荷用功功率的前提下，單位時(shí)間內(nèi)的能源消耗最少。這里的目標(biāo)函數(shù)就應(yīng)該是總耗量最少。即為,為網(wǎng)絡(luò)總損耗,以 表示某發(fā)電設(shè)備發(fā)出有功功率時(shí)單位時(shí)間內(nèi)所需消耗的能源。,等式約束條件,2020年11月10日星期二,不計(jì)網(wǎng)絡(luò)損耗時(shí)，上式可改寫(xiě)為: 不等式條件 各節(jié)點(diǎn)發(fā)電設(shè)備有功功率、無(wú)功功率和電壓大小不得逾越的限額:,2020年11月10日星期二,用拉格郎日乘數(shù)法求解,可建立如

8、下拉格朗日函數(shù):,式中 為拉格朗日乘數(shù),2020年11月10日星期二,以?xún)膳_(tái)機(jī)為例 目標(biāo)函數(shù): 等式約束條件:,等耗量微增率準(zhǔn)則,所以可得:,它表示為使總耗量最小，應(yīng)按相等的耗量微增率在 發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠(chǎng)之間分配負(fù)荷。,2020年11月10日星期二,根據(jù)等耗量微增率準(zhǔn)則得: 進(jìn)而可以求得. 對(duì)不等式約束條件的考慮: 有功功率越限,則按限額發(fā)電,剩余功率在其他機(jī)組間重新按等耗量微增率原則分配.,2020年11月10日星期二,等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣應(yīng)用,實(shí)踐中:由于能源消耗受限制,有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配,其在火力發(fā)電廠(chǎng)與 水力發(fā)電廠(chǎng)之間的最優(yōu)分配問(wèn)題,消耗的水量受水庫(kù)調(diào)度的約束,2020年11月1

9、0日星期二,上式中用小的時(shí)間段這和來(lái)表示積分效果，表示火電廠(chǎng)的燃料，表示水電廠(chǎng)消耗的水量。,水電的約束條件,為了簡(jiǎn)化分析，將負(fù)荷的分配局限于一個(gè) 火電一個(gè)水力發(fā)電設(shè)備之間，并略去網(wǎng)損。,同理由:,新的拉格朗日函數(shù) :,2020年11月10日星期二,得: 若時(shí)間段取的很短,則可將式中的下標(biāo)“k”可略去，可改寫(xiě)為： 由上可知，只要將水力發(fā)電廠(chǎng)的水耗量乘以某一個(gè)待定的拉格朗日乘數(shù)，就可將等耗量微增率準(zhǔn)則應(yīng)用到火力發(fā)電廠(chǎng)與水力發(fā)電廠(chǎng)之間負(fù)荷的最優(yōu)分配。,即,水煤轉(zhuǎn)換系數(shù),2020年11月10日星期二,網(wǎng)損的修正,等式約束條件修正為：,2020年11月10日星期二,式中為網(wǎng)損微增率(靈敏度),2020年

10、11月10日星期二,.電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,一、頻率調(diào)整的必要性 所有用電設(shè)備都是按系統(tǒng)額定頻率設(shè)計(jì)的，電力系統(tǒng)的頻率變動(dòng)對(duì)用戶(hù)、發(fā)電廠(chǎng)和電力系統(tǒng)本身都會(huì)產(chǎn)生不利影響; 頻率過(guò)低時(shí)，甚至?xí)拐麄€(gè)系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電; 因此必須保持頻率在額定值上下，且偏移不超過(guò)一定范圍。,2020年11月10日星期二,調(diào)速系統(tǒng)的基本原理,二、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng),2020年11月10日星期二,調(diào)速系統(tǒng)的基本原理,二、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng),2020年11月10日星期二,三、電源有功功率靜態(tài)頻率特性 原動(dòng)機(jī)未配置自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，其機(jī)械功率與頻率的關(guān)系： 原動(dòng)機(jī)配置自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)后：,原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率靜態(tài)頻率特性,2020年11月1

11、0日星期二,簡(jiǎn)化之： 四、發(fā)電機(jī)的頻率特性 如上圖，發(fā)電機(jī)頻率特性的斜率為,2020年11月10日星期二,發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率（單位MW/HZ）,該單位調(diào)節(jié)功率和機(jī)組的調(diào)差系數(shù)有互為倒數(shù)的關(guān)系。,機(jī)組的調(diào)差系數(shù)：,2020年11月10日星期二,單位調(diào)節(jié)功率的標(biāo)么值為:,調(diào)差系數(shù) 或與之對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定.所以電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整問(wèn)題主要就與調(diào)差系數(shù)或與之對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率有關(guān)。,2020年11月10日星期二,五、負(fù)荷的頻率特性 負(fù)荷從電網(wǎng)中取用有功功率 與電網(wǎng)頻率的關(guān)系如圖:,其標(biāo)么值為：,負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性,不能整定,2020年11月10日星期二,電力系統(tǒng)的一次調(diào)

12、頻（調(diào)速器作用）,初始運(yùn)行點(diǎn)O，當(dāng)負(fù)荷增加 則:,系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率系數(shù),2020年11月10日星期二,一次調(diào)頻為有差調(diào)頻。 n臺(tái)發(fā)電機(jī)：n臺(tái)都參加一次調(diào)整： 只有m臺(tái)參加一次調(diào)整：,當(dāng)發(fā)電機(jī)滿(mǎn)載時(shí)，負(fù)荷功率增大，則 相當(dāng)于為0, 但當(dāng)負(fù)荷功率減小時(shí)， ，所以仍可以參加調(diào)頻。,2020年11月10日星期二,電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻: 手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)頻器使發(fā)電機(jī) 組的頻率特性平行的上下移動(dòng),初始運(yùn)行點(diǎn)O ，當(dāng)負(fù)荷增加,二次調(diào)整增發(fā)的功率,系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率,頻率的二次調(diào)整,2020年11月10日星期二,n臺(tái)機(jī)組：第n臺(tái)參加二次調(diào)頻 ， n臺(tái)全部參加一次調(diào)頻:,無(wú)差調(diào)頻: 若 , 即發(fā)電機(jī)如數(shù)增發(fā)了負(fù)

13、荷功率的原始增量 ,亦即實(shí)現(xiàn)了所謂的無(wú)差調(diào)節(jié).如上圖虛線(xiàn)所示.,注意:以上公式中以功率增大和頻率上升為正。,2020年11月10日星期二,多機(jī)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,多機(jī)系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)，帶調(diào)速器的機(jī)組，只要有可調(diào)容量，都參加一次調(diào)整。 二次調(diào)整由少數(shù)機(jī)組(廠(chǎng))承擔(dān)主調(diào)頻機(jī)組(廠(chǎng))，負(fù)荷增量主要由它們承擔(dān)，可依次分為第一、第二、調(diào)頻機(jī)(廠(chǎng)) 主調(diào)頻廠(chǎng)一般在負(fù)荷中心，要求： (1)有足夠可調(diào)容量； (2)有一定調(diào)整速度； (3)調(diào)整時(shí)能符合安全、經(jīng)濟(jì)的要求； (4)一般選水電廠(chǎng)、中溫中壓火電廠(chǎng)。 (5)主調(diào)頻廠(chǎng)起全系統(tǒng)功率平衡的作用，可作平衡節(jié)點(diǎn),2020年11月10日星期二,互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,電力系統(tǒng)互聯(lián)的益