山大電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析第五章電力系統(tǒng)有功功率和頻率調整

1、1 第五章 電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調整 2 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 一、有功功率負荷 的變動和調整控制 1.有功負荷的變動有功負荷的變動 第一種變動幅度很 小，周期又很短。 第二種變動幅度較 大，周期也較長。 第三種變動幅度最 大，周期也最長。 3 l2.頻率的三次調整 l頻率的一次調整：指由發(fā)電機組的調速器進頻率的一次調整：指由發(fā)電機組的調速器進 行的、對第一種負荷變動引起的頻率偏移的行的、對第一種負荷變動引起的頻率偏移的 調整。調整。 l頻率的二次調整：指由發(fā)電機的調頻器進行頻率的二次調整：指由發(fā)電機的調頻器進行 的、對第二種負荷變動引起的頻率偏移的調的、對第二種負荷變動引起的

2、頻率偏移的調 整。整。 l三次調整：按最優(yōu)化準則分配第三種有規(guī)律三次調整：按最優(yōu)化準則分配第三種有規(guī)律 變動的負荷，即責成各發(fā)電廠按事先給定的變動的負荷，即責成各發(fā)電廠按事先給定的 發(fā)電負荷曲線發(fā)電。發(fā)電負荷曲線發(fā)電。 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 4 二、有功功率負荷曲線的預計 1.有功負荷曲線： 運用累積的運行記錄： 企業(yè)的預測負荷；實測負荷數(shù)據(jù)。 負荷曲線的精度程度與編制人員的經(jīng)驗有關。 在編制預計負荷曲線的同時，還應切實掌握系 統(tǒng)中各發(fā)電廠預計可投入的發(fā)電設備和發(fā)電容 量及網(wǎng)絡損耗和廠用電等指標。 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 5 2.發(fā)電負荷：發(fā)電負荷： 除用電負荷外還應包括

3、網(wǎng)絡損耗和各發(fā)電廠除用電負荷外還應包括網(wǎng)絡損耗和各發(fā)電廠 的廠用電。的廠用電。 網(wǎng)絡損耗：網(wǎng)絡損耗： 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 不變損耗：不變損耗： 可變損耗可變損耗 變壓器的勵磁損耗變壓器的勵磁損耗 變壓器和輸電線路的損耗變壓器和輸電線路的損耗 廠用電：占電廠最大負荷的廠用電：占電廠最大負荷的 水電廠：水電廠：0.11% 火電廠：火電廠：58% 核電廠：核電廠：45% 6 三、有功功率電源和備用容量 1.有功功率電源：各類發(fā)電廠的發(fā)電機 2.電源容量： 電源容量并不始終等于所有發(fā)電機額定容量之 和。 可投入發(fā)電設備的可發(fā)功率之和稱為系統(tǒng)電源 容量 顯然，系統(tǒng)電源容量應不小于包括網(wǎng)絡損

4、耗和 廠用電在內的系統(tǒng)(總)發(fā)電負荷。 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 7 3.備用容量： 系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分稱系統(tǒng)的備用系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分稱系統(tǒng)的備用 容量。系統(tǒng)備用容量可分熱備用和冷備用或負荷容量。系統(tǒng)備用容量可分熱備用和冷備用或負荷 備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用等。備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用等。 熱備用：指運轉中的發(fā)電設備可能發(fā)的最大功 率與系統(tǒng)發(fā)電負荷之差。因而也稱運轉備用或旋 轉備用。 冷備用：指未運轉的發(fā)電設備可能發(fā)的最大功 率。 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 8 從保證可靠供電和良好的電能質量著眼，顯然， 熱備用愈多愈好。因發(fā)電

5、設備從“冷狀態(tài)”至投 入系統(tǒng)、至發(fā)出額定功率所需時間短則幾分鐘(水 電廠)長則十余小時(火電廠)。 但從保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性著眼，熱備用又不宜 過多。 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 9 詳細可分為：詳細可分為： 負荷備用：是指調整系統(tǒng)中短時的負荷波動并 擔負計劃外的負荷增加而設置的備用。一般為最 大負荷的25。 事故備用：是使電力用戶在發(fā)電設備發(fā)生偶然 性事故時不受嚴重影響，維持系統(tǒng)正常供電所需 的備用。一般約為最大負荷的510，但不得 小于系統(tǒng)中最大機組的容量。 檢修備用：是使系統(tǒng)中的發(fā)電設備能定期檢修 而設置的備用。 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 10 國民經(jīng)濟備用：國民經(jīng)濟備用：

6、當計及負荷的超計劃增長而設 置的備用。 負荷備用、事故備用、檢修備用、國民經(jīng)濟備用 歸納起來仍無非以熱備用和冷備用的形式存在于 系統(tǒng)中。 熱備用中至少應包括全部負荷備用和一部分事故 備用。 具有了備用容量，才可能談論它們在系統(tǒng)中各發(fā) 電設備和發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配以及系統(tǒng)的頻率 調整問題。 5-1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 11 主要內容：有功功率電源的最優(yōu)組合最優(yōu)組合和有功功率 負荷的最優(yōu)分配最優(yōu)分配。 一、有功電源的最優(yōu)組合一、有功電源的最優(yōu)組合 指的是系統(tǒng)中發(fā)電設備或發(fā)電廠的合理組合 機組的合理開停機組的合理開停。 包括三個部分：機組的最優(yōu)組合順序、機組的最 優(yōu)組合數(shù)量和機組的最優(yōu)開停時間

7、。 涉及的是電力系統(tǒng)中冷備用容量的合理分布問 題 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 12 n各類發(fā)電廠的運行特點： n火力發(fā)電廠火力發(fā)電廠 (1)火力發(fā)電廠的鍋爐和汽輪機都有一個技 術最小負荷。 (2)火力發(fā)電廠鍋爐和汽輪機的退出運行和 再度投入不僅要耗費能量，而且要花費時間 ，又易于損壞設備。 (3)火力發(fā)電廠的鍋爐和汽輪機承擔急劇變 動的負荷時，與投入或退出時相似，既要額 外耗費能量，又花費時間。 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 13 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 (4)火力發(fā)電廠的鍋爐和汽輪機有高溫高壓、 中溫中壓、低溫低壓之分。 (5)熱電廠(供熱式火力發(fā)電廠)與一般火電廠

8、的 區(qū)別在于熱電廠的技術最小負荷取決于其熱負 荷，因而稱強迫功率。而且，由于熱電廠抽氣 供熱，其效率較高。 所以，火電廠以承擔基本不變負荷為宜。 高溫高壓電廠效率最高，承擔負荷曲線中 基底部分，其次是中壓中溫，低溫低壓電 廠只用于尖峰負荷。 14 n原子能發(fā)電廠 l(1)原子能發(fā)電廠反應堆的負荷基本上沒有 限制，因此，其技術最小負荷主要取決于汽 輪機。 l(2)原子能發(fā)電廠的反應堆和汽輪機退出運 行和再度投入或承擔急劇變動負荷時，也要 耗費能量、花費時間，且易于損壞設備 l(3)原子能發(fā)電廠的一次投資大，運行費用 小。 n原子能發(fā)電廠運行費用低，應盡可能額定容原子能發(fā)電廠運行費用低，應盡可能額

9、定容 量負荷，即盡可能運行于負荷曲線的基底部量負荷，即盡可能運行于負荷曲線的基底部 分。分。 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 15 n水力發(fā)電廠的特點有： n(1)為綜合利用水能，保證河流下游的灌溉、通航，水 電廠必須向下游釋放一定水量，在釋放這部分水量的 同時發(fā)出的功率也是強迫功率。 n(2)水電廠的水輪機也有一個技術最小負荷，其值因水 電廠的具體條件而異。 n(3)水電廠的水輪機退出運行和再度投入不需耗費很多 能量，也不需花費很多時間，操作簡單。 n(4)水電廠的水輪機承擔急劇變動負荷時，不需額外耗 費能量和花費時間。 n(5)水電廠水頭過分低落時，水輪發(fā)電機組可發(fā)的功率 要降低。 5

10、-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 16 l(6)水電廠按其有無調節(jié)水庫、調節(jié)水庫的大小或其功 能分為無調節(jié)、有調節(jié)、季調節(jié)、年調節(jié)、多年調節(jié) 和抽水蓄能等幾類。 n無調節(jié)水庫水電廠的全部功率和有調節(jié)水庫水電廠的 強迫功率都不可調，應首先投入。 有調節(jié)水電廠的可調功率，在洪水季節(jié)，為防止棄水 ，往往也優(yōu)先投入；在枯水季節(jié)則恰相反，應承擔高 峰負荷。利用快速起動、快速增減負荷的突出優(yōu)點可 作為調頻廠。 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 17 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 18 n二、最優(yōu)分配負荷時的目標函數(shù)和約束條件 電力系統(tǒng)中有功功率負荷合理分配的目標是在滿 足一定約束條件的前提下，盡可

11、能節(jié)約消耗的(一 次)能源。 1耗量特性 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 發(fā)電設備輸入與輸出的關系。 這關系稱耗量特性。 縱坐標可為單位時間內消耗 的燃料F。 橫坐標則為以kW或MW表 示的電功率PG。 19 n2.耗量微增率： n比耗量：比耗量：是原點和耗量 特性曲線上某一點連線的 斜率。 n它的倒數(shù)就是發(fā)電設備的 效率 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 F P P F 20 n耗量微增率耗量微增率： l是單位時間內輸入能量微 增量與輸出功率微增量的 比值。即耗量特性曲線上 某一點切線的斜率。 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 FdF PdP 21 n比耗量和耗量微增率： n比耗量和

12、耗量微增率雖通常 都有相同的單位，如T (MWh)，卻是兩個不同的概 念。而且，它們的數(shù)值一般 也不相等。只有在耗量特性 曲線上某一特殊點m，它們才 相等相等，在這一點，比耗量的 數(shù)值恰最小。這個比耗量的 最小值就稱最小比耗量 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 22 n3.目標函數(shù)和約束條件： l有功功率負荷最優(yōu)分配的目的在于：在供應同 樣大小負荷有功功率 前提下，單位時間內 的能源消耗最少。 l這里的目標函數(shù)應該就是總耗量。原則上，這 總耗量應與所有變量都有關，但通常認為，它 只是各發(fā)電設備所發(fā)有功功率的函數(shù)。 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 1 n Li i P 23 目標函數(shù)可寫作

13、： 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 1122 1 ()()()() (): n GGnGniGi i iGiGi FF PF PF PF P F PP 某發(fā)電設備發(fā)出有功功率時， 單位時間內所消耗的能源。 24 對一個系統(tǒng)： 不計網(wǎng)絡損耗時： 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 0 1 i 1 i PPP n i L n i G 0 1 i 1 i n i L n i G PP l約束條件： 對一個節(jié)點： 0)sincos( 1 i n j ijijijijjiLiG BGUUPP 25 不等約束條件： 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 imaxiiminGGG PPP imaxiimi

14、nGGG QQQ imaxiimin UUU 26 n三、最優(yōu)分配負荷時的等耗量微增率準則 n1.兩臺發(fā)電設備間的最優(yōu)負荷分配 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 27 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 n2.拉格朗日乘數(shù)法求條件極值 為求滿足等約束條件 時目標函數(shù) 的最小值， 可根據(jù)給定的目標函數(shù)和等約束條件建立一個新的、不 受約束的目標函數(shù)拉格朗日函數(shù) 并求其最小值。式中的 稱拉格朗日乘數(shù)。 由于拉格朗日函數(shù)中有三個變量 求它的最小 值時應有三個條件。 0),( 21 GG PPf )()()( ),(),( 21212211 2121 * LLGGGG GGGG PPPPPFPF PP

15、fPPCC ， 21,GG PP 000 * 2, * 1 * C P C P C GG ， 28 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 2.拉格朗日乘數(shù)法求條件極值 0, 0 )( 0 )( 2121 2 22 2 * 1 11 1 * LLGG G G G G G G PPPP dP PdF P C dP PdF P C 29 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 令 2 22 2 1 11 1 )( )( G G G G dP PdF dP PdF 即有 21 亦即：滿足各機組微增率相等時，可使目標函數(shù)即耗量 最小。 30 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 imaxiiminGGG PPP

16、 不等約束條件的實現(xiàn) 31 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 例題：三個火電廠并列運行，各廠的耗量特性為： 當總負荷為700MW和400MW時，是分別確定發(fā)電廠間 功率的經(jīng)濟分配（不計網(wǎng)損的影響） MW200MW10000070. 030. 00 . 4 1 2 111 GGG PPPF MW250MW12000040. 032. 05 . 3 2 2 222 GGG PPPF MW300MW15000045. 030. 05 . 3 3 2 333 GGG PPPF 32 5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 四、等耗量微增率準則的推廣： 有功功率在火電廠與水電廠之間的最優(yōu)分配問題。 五、網(wǎng)

17、絡損耗的修正： 計及網(wǎng)絡損耗對負荷分配的影響： 33 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 一、調頻的重要性： 1.頻率變動的影響: u電力系統(tǒng)的頻率變動對用戶、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本 身都會產生不利影響，所以必須保持頻率在額定值 50Hz上下，且偏移不超過一定范圍。 對用戶的影響：用戶使用的電動機的轉速與系統(tǒng)頻 率有關。頻率變化將引起電動機轉速的變化，從而 影響產品質量。 對發(fā)電廠廠用機械的影響： 風機和泵在頻率降低時，所能供應的風量和水量將 迅速減少，影響鍋爐的正常運行。 34 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 1.頻率變動的影響: （2）對發(fā)電廠廠用機械的影響： 低頻率運行還將增加汽輪機葉片所受的應力，引起葉片

18、 的共振，縮短葉片的壽命，甚至使葉片斷裂。 低頻率運行時，發(fā)電機的通風量將減少，而為了維持正 常電壓，又要求增加勵磁電流，以致使發(fā)電機定子和轉 子的溫升都將增加。 低頻率運行時，由于磁通密度的增大，變壓器的鐵芯損 耗和勵磁電流都將增大。 總之，由于所有設備都是按系統(tǒng)額定頻率設計的，系統(tǒng) 頻率質量的下降將影響各行各業(yè)。而頻率過低時，甚至 會使整個系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。 35 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 2.頻率的誤差: 頻率偏離額定值的數(shù)值稱為誤差，誤差的大小與 調頻器的性能有關， 當使用調頻器時，誤差0.2Hz 使用現(xiàn)代調頻裝置時，誤差0.05-0.15Hz 3.系統(tǒng)內各節(jié)點的頻率穩(wěn)定值都必

19、須相等。 調頻時由整個系統(tǒng)統(tǒng)籌調度與解決的問題。 36 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 二、功頻特性 1.負荷的功頻特性： 負荷的功頻特性的斜率 用標么值表示： f L P P f )/(/HzMWfPK LL LN N L N LNL LL P f K ff PP fPK / / / * 一般系統(tǒng)： 5 .1, 31 * 通常取 L K 37 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 2.發(fā)電機的功頻特性： 無自動調速器時 一次調整 f f m P m P P f )/(/HzMWfPK GG GN N G N GNG G P f K ff PP K / / * 38 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 二次調整： 調頻器

20、實現(xiàn)，改變功頻靜態(tài)特性使一次調整特性曲線平移。 f m P 三、自動調速系統(tǒng) 1.一次調整： 調速器工作原理 39 40 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 四、頻率的一次調整： / GG KPf 00 / 0 NN G GNGN ffff fP PP 用百分數(shù)表示： * * %100100 GN NGG Pff fPP * / GG KPf 調差系數(shù) 41 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 四、頻率的一次調整： / GG KPf 00 / 0 NN G GNGN ffff fP PP 用百分數(shù)表示： * * 1 %100100100 GN NGGGN Pff fPPK * / GG KPf 調差系數(shù) 42 P

21、L PG 圖圖 5-27 頻率的一次調整頻率的一次調整 L P L P 0 P 0 P P f 0 f 0 f fKfKK fKfKPPP SLG LGLGL )( )( 0 f P K L S 0 43 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 如果系統(tǒng)中有n臺機組參加調頻： 12 1 n GNGGGnGi i KKKKK 1* 1 / GN GG G Pf KPf Pf 若用標么值表示，則應歸算至統(tǒng)一基準 * 1 1*()1* 1 1 * Gj GNG GN wG G G e jj P P PfP KK fPfPP 44 5-3電力系統(tǒng)的頻率調整 例題：有兩臺汽輪發(fā)電機組，額定值分別為500MW，700MW， 50Hz，調差系數(shù) ， ，每臺發(fā)電機分別帶有 300MW的負荷（ ） ，當負荷突增250MW時，求： 共同的單位調節(jié)功率（以1000MW為基準）； 頻率變化的有名值。 解： 1% 4 2 %5 1*1* 11 11001