第五章電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整

1、第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整第五章第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整頻率調(diào)整v第一節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡v第二節(jié) 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整第一節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡 一、頻率變化對用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響 系統(tǒng)頻率的變化將引起工業(yè)用戶的電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，這將影響產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)頻率降低，使電動機(jī)有功功率降低，將影響所有的轉(zhuǎn)動機(jī)械的出力。頻率的不穩(wěn)定，將會影響電子設(shè)備的準(zhǔn)確性。 系統(tǒng)頻率的變化，對發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)本身也十分有害。發(fā)電廠的廠用機(jī)械多使用異步電動機(jī)帶動，系統(tǒng)頻率降低使電動機(jī)出力降低，若頻率降低過

2、多，將使電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，會引起嚴(yán)重后果。 我國額定頻率為50Hz，允許偏差（0.2-0.5）Hz 第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整1、有功功率的變動及其調(diào)整 電力系統(tǒng)有功功率負(fù)荷（以下簡稱負(fù)荷）時(shí)刻都在作不規(guī)則變化，如右圖所示。系統(tǒng)負(fù)荷可以看作是由三種具有不同變化規(guī)律的變動負(fù)荷所組成：第一種P1變化幅度很小，變化周期短，負(fù)荷變動有很大的偶然性；第二種P2變化幅度大，變化周期較長；第三種P3是變化緩慢的持續(xù)變動負(fù)荷。二、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡和備用容量第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整二、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡和備用容量頻率的一次調(diào)整（一次調(diào)頻）針對P1，發(fā)電機(jī)調(diào)速器動作（有差

3、調(diào)節(jié)）頻率的二次調(diào)整（二次調(diào)頻）針對P2，發(fā)電機(jī)調(diào)頻器動作（無差調(diào)節(jié)）頻率的三次調(diào)整（三次調(diào)頻）針對P3，有功負(fù)荷最優(yōu)分配原則平衡功率第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整2、有功功率平衡和備用容量 電力系統(tǒng)中，在任何時(shí)候，所有發(fā)電廠發(fā)出的有功功率的總和 ，而 包括所有用戶的有功功率 、所有發(fā)電廠廠用電有功負(fù)荷 和網(wǎng)絡(luò)的有功損耗 ，即GpLPDPSPCPCSDLGPPPPP 為保證可靠供電和良好的電能質(zhì)量，電力系統(tǒng)的有功功率平衡額定運(yùn)行參數(shù)下確定。而且，還應(yīng)具有一定的備用容量，也就是在系統(tǒng)最大負(fù)荷情況下，系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分稱系統(tǒng)的備用容量。 系統(tǒng)備用容量一般分負(fù)荷備用、事故備用、

4、檢修備用和國民經(jīng)濟(jì)備用等。第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整（1）負(fù)荷備用：是指調(diào)整系統(tǒng)中短時(shí)的負(fù)荷波動并擔(dān)負(fù)計(jì)劃外的負(fù)荷增加而設(shè)置的備用。負(fù)荷備用容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并考慮系統(tǒng)中各類用電的比重確定。一般為最大負(fù)荷的2一5，大系統(tǒng)采用較小數(shù)值，小系統(tǒng)采用較大數(shù)值（2）事故備用：是使電力用戶在發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然性事故時(shí)不受嚴(yán)重影響，維持系統(tǒng)正常供電所需的備用。事故備用容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)容量、發(fā)電機(jī)臺數(shù)、單位機(jī)組容量、機(jī)組的事故概率、系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)等確定，般約為最大負(fù)荷的5一10 ，但不得小于系統(tǒng)中最大機(jī)組的容量。第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整（3）檢修備用：

5、為保證系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備進(jìn)行定期檢修時(shí)，不致影響供電而在系統(tǒng)中留有的備用容量。所以發(fā)電設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間以后，都必須進(jìn)行檢修。檢修分大修和小修。一般大修時(shí)分批分期安排在一年中最小負(fù)荷季節(jié)進(jìn)行。小修則利用節(jié)假日進(jìn)行，以盡量減少因檢修停機(jī)所需的備用容量。（4）國民經(jīng)濟(jì)備用：是考慮到工農(nóng)業(yè)用戶的超計(jì)劃生產(chǎn)，新用戶的出現(xiàn)等而設(shè)置的備用容量，其值根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)的增長情況而確定，一般約為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%5% 負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用、國民經(jīng)濟(jì)備用歸納起來以熱備用和冷備用的形式存在于系統(tǒng)中。而不難想見，熱備用中至少應(yīng)包括全部負(fù)荷備用和一部分事故備用第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整 電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠主

6、要有以下三類水力發(fā)電廠火力發(fā)電廠原子能發(fā)電廠（核電廠） 各類發(fā)電廠由于其設(shè)備容量、機(jī)械特性、使用的動力資源等不同，而有著不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性。必須結(jié)合它們的特點(diǎn)，合理地組織這些發(fā)電廠的運(yùn)行方式，恰當(dāng)安排它們在電力系統(tǒng)日負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線中的位置，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。三、各類發(fā)電廠的特點(diǎn)及合理組合第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整1、火力發(fā)電廠的主要特點(diǎn)（1）要支付燃料及運(yùn)輸費(fèi)用，不受自然條件的影響。（2）有功出力最小限制，啟停時(shí)間長且啟停費(fèi)用高。（3）效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)，高溫高壓設(shè)備效率最高，低溫低壓設(shè)備效率最低。 （4）熱電廠總效率較高，但與熱負(fù)荷相應(yīng)的輸出功率是不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫

7、功率。（一）各類發(fā)電廠的特點(diǎn)第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整 2、水力發(fā)電廠的特點(diǎn)（1）必須釋放水量強(qiáng)迫功率。（2）出力調(diào)節(jié)范圍比火電機(jī)組大，啟停費(fèi)用低，操作簡單。（3）不需燃料費(fèi)，但一次投資大，抽水蓄能，水電廠的運(yùn)行依水庫調(diào)節(jié)性能的不同在不同程度上受自然條件的影響。3、原子能發(fā)電廠的特點(diǎn)（1）最小技術(shù)負(fù)荷小，為額定負(fù)荷1015。（2）啟停費(fèi)用高；負(fù)荷急劇變化時(shí)，調(diào)節(jié)費(fèi)用高；啟停及 急劇調(diào)節(jié)時(shí)，易于損壞設(shè)備。（3）一次投資大，運(yùn)行費(fèi)用小。第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整原則（1）充分利用水源。 （2）降低火電機(jī)組的單位煤耗，發(fā)揮高效機(jī)組的作用。 （3）盡量降低火力發(fā)電成本。 根

8、據(jù)上述原則，在夏季豐水期和冬季枯水期各類電廠在日負(fù)荷曲線中的安排示意圖，見圖5-2。（二）各類發(fā)電廠的合理組合（二）各類發(fā)電廠的合理組合第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整圖5-2 各類發(fā)電廠組合順序示意圖（a）枯水季節(jié) （b）豐水季節(jié)第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整夏季豐水期，水量充足，水電廠應(yīng)帶基本負(fù)荷以避免棄水、節(jié)約燃煤。在此期間，可抓緊時(shí)間進(jìn)行火電廠設(shè)備的檢修。冬季枯水期，來水較少，應(yīng)由凝汽式火電廠承擔(dān)基本負(fù)荷，水電廠則承擔(dān)尖峰負(fù)荷。第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整1、耗量特性 電力系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷合理分配的目標(biāo)是，在滿足一定約束條件的前提下，盡可能節(jié)約消耗的能源

9、。 (1)耗量微增率 ：單位時(shí)間內(nèi)輸入能量微增量與輸出功率微增量的比值。為耗量特性曲線上某一點(diǎn)切線的斜率。(2)比耗量 ：單位時(shí)間內(nèi)輸入能量與輸出功率之比。為耗量特性曲線上某一點(diǎn)縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的比值。(3)發(fā)電設(shè)備的效率 ：為比耗量的倒數(shù)。dPdWPWdPdFPF/ /或PWPF/ /或四、有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整效率曲線和微增率曲線 耗量特性2、目標(biāo)函數(shù)和約束條件 明確了有功功率負(fù)荷的大小和耗量特性，在系統(tǒng)中有一定的備用容量時(shí)，就可以考慮這些負(fù)荷在已運(yùn)行發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題。在數(shù)學(xué)上，其性質(zhì)是在一定的約束條件下，使某一函數(shù)為最優(yōu)，而這些約束

10、條件和目標(biāo)函數(shù)都是各種變量狀態(tài)變量、控制變量、擾動變量的非線性函數(shù)?？杀磉_(dá)為在滿足如下：第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整0d)u,(?xf0d)u,g(x,d)u,C(x,C niGiGnnGGppFpFpFF12211)(.)()(及不等式約束條件的前提下，使目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu) 有功負(fù)荷的最優(yōu)分配的目的在于：在供應(yīng)同樣大小負(fù)荷有功功率 的前提下，單位時(shí)間內(nèi)的能源消耗最少。這目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該是總耗量。原則上，這總耗量應(yīng)與所有變量有關(guān)，但通常認(rèn)為，它只是各發(fā)電設(shè)備所發(fā)有功功率 的函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)可寫作niGip1Gip等約束條件第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整 等式約束條件：有功功率必須

11、保持平衡的條件。 對于每個(gè)節(jié)點(diǎn)： 對于整個(gè)系統(tǒng)： 若不計(jì)網(wǎng)損：0sincos1ijijijijnjjiLiGiBGUUPP011PPPniLiniGi011niLiniGiPP第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整不等式約束條件：為系統(tǒng)的運(yùn)行限制。變量：各發(fā)電設(shè)備輸出有功功率。 maxminmaxminmaxminiiiGiGiGiGiGiGiUUUQQQPPP第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整3、最優(yōu)分配負(fù)荷時(shí)的等耗量微增率準(zhǔn)則 根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和等式約束條件建立一個(gè)新的、不受約束的目標(biāo)函數(shù)拉格朗日函數(shù)。 對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到最小值時(shí)應(yīng)有的三個(gè)條件： 21212211*LLGG

12、GGPPPPPFPFC拉格朗日乘子第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整 求解（1）得到： 這就是著名的等耗量微增率準(zhǔn)則，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)電廠之間分配負(fù)荷。21212121222111,00LLGGGGGGGGPPPPPPfdPPdFdPPdF第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整第二節(jié) 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率頻率靜態(tài)特性 當(dāng)頻率變化時(shí)，電力系統(tǒng)中的有功功率負(fù)荷也將發(fā)生變化。當(dāng)電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中有功負(fù)荷隨頻率的變化特性稱為負(fù)荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性。 電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的有功功率與頻率的關(guān)系用數(shù)學(xué)式表示為式中， 為電力

13、系統(tǒng)頻率為 時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷， 為電力系統(tǒng)頻率為額定值 時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷， 為上述有功負(fù)荷占 的百分?jǐn)?shù)。332210NLNNLNNLNLNLffPaffPaffPaPaPLPfLNPNfiaLNP第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整二、發(fā)電機(jī)組的有功功率頻率靜態(tài)特性1、自動調(diào)速系統(tǒng) 如右圖所示：調(diào)速系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：1為轉(zhuǎn)速測量元件（飛擺）；2為放大元件（錯(cuò)油門）；3為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油動機(jī)）；4為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)（調(diào)頻器）。第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整v概念介紹v發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機(jī)組原動機(jī)或電源頻率特性的斜率。 標(biāo)志著隨頻率的升降發(fā)電機(jī)組發(fā)出功率減少或增加的多寡

14、。* /GGGNGGNGNGNPKMw HzfP fKK fPPf 2、發(fā)電機(jī)組的有功功率頻率靜態(tài)特性第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整v發(fā)電機(jī)是調(diào)差系數(shù)：單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：一般來說發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機(jī)組 =35或 =33.320水輪發(fā)電機(jī)組 =24或 =5025100100% 0 000NNGNNGNGNNGNNGfffPffPPffPffPf100%1*GK%*GK%*GK第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整v負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率：綜合負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性的斜率。 一般而言：LNNLLNNLLLLPfKfPfPKHzMw

15、fPK/ *5 . 1*LK第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整v簡述：由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率不能及時(shí)變動而使機(jī)組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時(shí)，發(fā)電機(jī)組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少，經(jīng)過一個(gè)衰減的振蕩過程，達(dá)到新的平衡。v數(shù)學(xué)表達(dá)式：KS：稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動機(jī)調(diào)速器和負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。SLGLLGLKKKfPfKKP/00三、 頻率的一次調(diào)整第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整v注意：取功率的增大或頻率的上升為正；為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過大的單位調(diào)節(jié)功率；對于滿載機(jī)

16、組，不再參加調(diào)整。 對于系統(tǒng)有若干臺機(jī)參加一次調(diào)頻： 具有一次調(diào)頻的各機(jī)組間負(fù)荷的分配，按其調(diào)差系數(shù)即下降特性自然分配。LGSKKK第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整v當(dāng)負(fù)荷變動幅度較大（0.5%1.5%），周期較長（幾分鐘），僅靠一次調(diào)頻作用不能使頻率的變化保持在允許范圍內(nèi)，這時(shí)需要籍調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)頻器動作，以使發(fā)電機(jī)組的功頻特性平行移動，從而改變發(fā)電機(jī)的有功功率以保持系統(tǒng)頻率不變或在允許范圍內(nèi)。v數(shù)學(xué)表達(dá)式 如果 ，即發(fā)電機(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量，則 ，即所謂的無差調(diào)節(jié)。 對于N臺機(jī)，則：SLGGLLGGLKKKfPPfKKPP000000GLPP0fSLG

17、GLKKKfPP00第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整v當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，由以下三方面提供：v二次調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率 ；v發(fā)電機(jī)組執(zhí)行一次調(diào)頻，按有差特性的調(diào)差系數(shù)分配而增發(fā)的功率 ；v由系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負(fù)荷功率 。GPGKfLKf第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整v頻率調(diào)整圖第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整五、 調(diào)頻廠的選擇 調(diào)頻廠須滿足的條件：v調(diào)整的容量應(yīng)足夠大；v調(diào)整的速度應(yīng)足夠快；v調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能應(yīng)該好；v注意系統(tǒng)內(nèi)及互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。通過分析各種電廠的特點(diǎn)，調(diào)頻廠的選擇原則為：v系統(tǒng)中有水電廠時(shí)，選擇水電廠做調(diào)頻廠；v當(dāng)水電廠不能做調(diào)頻廠時(shí)，選擇中溫中壓火電廠做調(diào)頻廠。第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整六、 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整 由幾個(gè)地區(qū)系統(tǒng)互聯(lián)為一個(gè)大系統(tǒng)的情況，對某一個(gè)地區(qū)