第五章有功功率平衡和頻率調節(jié)

第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三內容提要頻率偏移產生的原因、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)的頻率調整有功功率的最優(yōu)分配第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三5.1電力系統(tǒng)的頻率偏移

頻率變化的原因?頻率變化對負荷的影響

(1)異步機(2)電子設備(3)電鐘頻率變化對電力系統(tǒng)的影響

(1)水泵、風機、磨煤機 (2)汽輪機的葉片 (3)變壓器的勵磁頻率允許偏移的范圍：50Hz±(0.2~0.5)Hz

系統(tǒng)中負荷的變化你答對了嗎?第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三5.2電力系統(tǒng)有功功率的平衡

運行中：

規(guī)劃、設計：備用容量:

1.按作用形式分

負荷備用(2-5%Plmax)檢修備用(可能不安排)事故備用(5-10%Plmax或系統(tǒng)中最大一臺單機容量）國民經(jīng)濟發(fā)展備用(3-5%Plmax）第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三2、按存在形式分為兩者差一個網(wǎng)損兩者差一個廠用電

熱備用:運轉中發(fā)電設備可能發(fā)的最大功率與發(fā)電負荷之差(旋轉備用)冷備用:未運轉的、但能隨時啟動的發(fā)發(fā)電設備可以發(fā)的最大功率(不含檢修中的設備)負荷的分類:

1.用電負荷2.供電負荷3.發(fā)電負荷第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三有功功率負荷變動曲線第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三有功功率負荷變動曲線

據(jù)此圖,負荷可以分為三種:

第一種變動幅度很小，周期又很短。

變動有很大的偶然性

屬于這一種的主要有電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負荷

這一種是由于生產、生活、氣象等變化引起的負荷變動

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.該種負荷基本可以預計。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三據(jù)此,頻率調整一次調整: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調整

二次調整: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整

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)電廠按事先給定的發(fā)電荷曲線發(fā)電。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三5.3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)電設備或發(fā)電廠的合理組合,也就是所謂的機組合理開停.有功功率負荷的最優(yōu)分配

即指系統(tǒng)的有功功率負荷在各個正在運行的發(fā)電設備或發(fā)電廠之間的合理分配.最常用的是按等耗量微增率準則分配.第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三火電廠外景第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三各類發(fā)電廠的運行特點和合理組合(1)火電廠特點：

需燃料及運輸費用，但不受自然條件影響效率與蒸汽參數(shù)有關受鍋爐、汽輪機最小技術負荷限制，有功出力調整范圍較窄，增減速度慢，參數(shù)越高范圍越窄(高溫高壓30%，中溫中壓75%)機組投入退出，承擔急劇負荷響應時間長，多耗能量，易損壞設備熱電廠抽汽供熱，效率高，但技術最小負荷取決于熱負荷，為強迫功率第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三豐滿水電廠外景第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三(2)水電廠特點：不要燃料費，水力可梯級開發(fā)，連續(xù)使用，但受自然條件影響。出力調節(jié)范圍大，50%以上,增減負荷速度快，操作容易，可承擔急劇變化的負荷決定發(fā)電量的除水量外還有水位差保證出力抽水蓄能機組（天荒坪6×30萬千瓦）必須與火電配合維持航運、灌溉、需一定水量，對應強迫功率第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三秦山核電站外景第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三(3)核電廠特點：可調容量大，退、投、增、減負荷消耗能量、時間，易損壞設備一次投資大，運行費低，盡量利用承擔基本負荷應指出:

枯水季節(jié)往往由系統(tǒng)中的大型水電廠承擔調頻任務;洪水季節(jié)這任務就轉移給中溫中壓火電廠.抽水蓄能電廠在其發(fā)電期間也可參加調頻.但低溫低壓火電廠則因容量不足,設備陳舊,不能擔負調頻任務.第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三有功功率電源的最優(yōu)組合各類發(fā)電廠組合順序示意圖枯水季節(jié):第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三洪水季節(jié):第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三最優(yōu)分配負荷的目標函數(shù)和約束條件1.

耗量特性:

發(fā)電設備單位時間內消耗的能源與發(fā)出的有功功率的關系。如圖所示:

比耗量:

單位時間內輸入能量與輸出功率之間的比值.耗量微增率:

耗量特性曲線上某點切線的斜率

第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三2.目標函數(shù)和約束條件目標函數(shù)

有功負荷最優(yōu)分配的目的：在供應同樣大小負荷用功功率的前提下，單位時間內的能源消耗最少。這里的目標函數(shù)就應該是總耗量最少。即為為網(wǎng)絡總損耗以表示某發(fā)電設備發(fā)出有功功率時單位時間內所需消耗的能源。等式約束條件第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三不計網(wǎng)絡損耗時，上式可改寫為:

不等式條件各節(jié)點發(fā)電設備有功功率、無功功率和電壓大小不得逾越的限額:第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三用拉格郎日乘數(shù)法求解可建立如下拉格朗日函數(shù):

式中為拉格朗日乘數(shù)第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

以兩臺機為例

目標函數(shù):

等式約束條件:

等耗量微增率準則所以可得:它表示為使總耗量最小，應按相等的耗量微增率在發(fā)電設備或發(fā)電廠之間分配負荷。第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)等耗量微增率準則得:

進而可以求得.對不等式約束條件的考慮:

有功功率越限,則按限額發(fā)電,剩余功率在其他機組間重新按等耗量微增率原則分配.第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三等耗量微增率準則的推廣應用實踐中:由于能源消耗受限制

有功功率負荷的最優(yōu)分配其在火力發(fā)電廠與

水力發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題

消耗的水量受水庫調度的約束第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

上式中用小的時間段這和來表示積分效果，表示火電廠的燃料，表示水電廠消耗的水量。

水電的約束條件為了簡化分析，將負荷的分配局限于一個火電一個水力發(fā)電設備之間，并略去網(wǎng)損。同理由:新的拉格朗日函數(shù):第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

得:

若時間段取的很短,則可將式中的下標“k”可略去，可改寫為：

由上可知，只要將水力發(fā)電廠的水耗量乘以某一個待定的拉格朗日乘數(shù)，就可將等耗量微增率準則應用到火力發(fā)電廠與水力發(fā)電廠之間負荷的最優(yōu)分配。

即水煤轉換系數(shù)第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三網(wǎng)損的修正等式約束條件修正為：

第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三式中為網(wǎng)損微增率(靈敏度)

第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三５.４電力系統(tǒng)的頻率調整一、頻率調整的必要性所有用電設備都是按系統(tǒng)額定頻率設計的，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;頻率過低時，甚至會使整個系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電;因此必須保持頻率在額定值上下，且偏移不超過一定范圍。第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三調速系統(tǒng)的基本原理二、自動調速系統(tǒng)第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三調速系統(tǒng)的基本原理二、自動調速系統(tǒng)第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三三、電源有功功率靜態(tài)頻率特性原動機未配置自動調速系統(tǒng)時，其機械功率與頻率的關系：原動機配置自動調速系統(tǒng)后：

原動機的機械功率靜態(tài)頻率特性第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三簡化之：四、發(fā)電機的頻率特性如上圖，發(fā)電機頻率特性的斜率為

第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)電機的單位調節(jié)功率（單位MW/HZ）該單位調節(jié)功率和機組的調差系數(shù)有互為倒數(shù)的關系。機組的調差系數(shù)：

第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三單位調節(jié)功率的標么值為:調差系數(shù)％或與之對應的發(fā)電機的單位調節(jié)功率是可以整定.所以電力系統(tǒng)頻率的一次調整問題主要就與調差系數(shù)或與之對應的發(fā)電機的單位調節(jié)功率有關。第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三五、負荷的頻率特性負荷從電網(wǎng)中取用有功功率與電網(wǎng)頻率的關系如圖:

其標么值為：負荷的靜態(tài)頻率特性

負荷的單位調節(jié)功率(單位)不能整定第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三電力系統(tǒng)的一次調頻（調速器作用）初始運行點O，當負荷增加則:

系統(tǒng)的單位調節(jié)功率系數(shù)第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三一次調頻為有差調頻。n臺發(fā)電機：n臺都參加一次調整：

只有m臺參加一次調整：當發(fā)電機滿載時，負荷功率增大，則相當于為0,但當負荷功率減小時，，所以仍可以參加調頻。第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三電力系統(tǒng)的二次調頻:

手動或自動調節(jié)調頻器使發(fā)電機

組的頻率特性平行的上下移動．初始運行點O，當負荷增加二次調整增發(fā)的功率系統(tǒng)的單位調節(jié)功率頻率的二次調整第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

n臺機組：第n臺參加二次調頻，n臺全部參加一次調頻:無差調頻:若,即發(fā)電機如數(shù)增發(fā)了負荷功率的原始增量,亦即實現(xiàn)了所謂的無差調節(jié).如上圖虛線所示.注意:以上公式中以功率增大和頻率上升為正。第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三多機系統(tǒng)的頻率調整多機系統(tǒng)在負荷變化時，帶調速器的機組，只要有可調容量，都參加一次調整。二次調整由少數(shù)機組(廠)承擔——主調頻機組(廠)，負荷增量主要由它們承擔，可依次分為第一、第二、……調頻機(廠)主調頻廠一般在負荷中心，要求：

(1)有足夠可調容量； (2)有一定調整速度； (3)調整時能符合安全、經(jīng)濟的要求； (4)一般選水電廠、中溫中壓火電廠。 (5)主調頻廠起全系統(tǒng)功率平衡的作用，可作平衡節(jié)點第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率調整電力系統(tǒng)互聯(lián)的益處？潛在威脅？聯(lián)合前:A,B系統(tǒng)均為獨立電力系統(tǒng)互聯(lián)后:

第42頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三