第三章有功功率平衡和頻率調(diào)整課件

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(zhì)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(zhì)量的指標包括：頻率質(zhì)量、電壓質(zhì)量和波形質(zhì)量，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。衡量運行經(jīng)濟性的主要指標為：比耗量和線損率有功功率的最優(yōu)分布包括：有功功率負荷預(yù)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。8/23/2023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1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一定范圍的條件（如何保持有功功率的平衡）有功功率的平衡有功功率的最優(yōu)分配電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整8/23/2023內(nèi)容提要8/2/20232頻率變化對用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響電力系統(tǒng)有功功率的平衡和備用容量各類發(fā)電廠的特點及合理組合有功功率負荷最優(yōu)分配3.1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡8/23/2023頻率變化對用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響3.1電力系統(tǒng)中有3一、電力系統(tǒng)的頻率變化對用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響

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(shè)備(3)電鐘頻率變化對電力系統(tǒng)的影響

(1)水泵、風(fēng)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?8/23/2023一、電力系統(tǒng)的頻率變化對用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響

系統(tǒng)中41.有功功率負荷變動及其調(diào)整二、電力系統(tǒng)有功功率的平衡和備用容量8/23/20231.有功功率負荷變動及其調(diào)整二、電力系統(tǒng)有功功率的平衡和備用5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(chǎn)、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(yù)計。8/23/2023有功功率負荷變動曲線

據(jù)此圖,負荷可以分為三種:

6據(jù)此,頻率調(diào)整一次調(diào)整:由發(fā)電機組的調(diào)速器進行的對第一種負荷變動引起的頻率偏移的調(diào)整

二次調(diào)整:由發(fā)電機的調(diào)頻器進行的、對第二種負荷變動引起的頻率偏移的調(diào)整

三次調(diào)整:按最優(yōu)化準則分配第三種有規(guī)律變動的負荷，即調(diào)度部門責(zé)成各發(fā)電廠按事先給定的發(fā)電負荷曲線發(fā)電。8/23/2023據(jù)此,頻率調(diào)整一次調(diào)整:由發(fā)電機組的調(diào)速器進行的二次調(diào)整:由7

運行中：

規(guī)劃、設(shè)計：備用容量:

1.按作用形式分

負荷備用(2-5%PLmax)事故備用(5-10%

PLmax或系統(tǒng)中最大一臺單機容量）檢修備用(可能不安排)國民經(jīng)濟發(fā)展備用(3-5%PLmax）2、有功功率平衡和備用容量同系統(tǒng)總負荷所有用戶的有功負荷所有發(fā)電廠廠用電有功負荷網(wǎng)絡(luò)的有功損耗8/23/2023運行中： 負荷備用(2-5%PLmax)2、有功功率平衡82、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(zhuǎn)中發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率與發(fā)電負荷之差(旋轉(zhuǎn)備用)冷備用:未運轉(zhuǎn)的、但能隨時啟動的發(fā)電設(shè)備可以發(fā)的最大功率(不含檢修中的設(shè)備)負荷的分類:

1.用電負荷2.供電負荷3.發(fā)電負荷8/23/20232、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(zhuǎn)9三、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(guān)受鍋爐、汽輪機最小技術(shù)負荷限制，有功出力調(diào)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(dān)急劇負荷響應(yīng)時間長，多耗能量，易損壞設(shè)備熱電廠抽汽供熱，效率高，但技術(shù)最小負荷取決于熱負荷，為強迫功率（一）各類發(fā)電廠的特點8/23/2023三、各類發(fā)電廠的運行特點和合理組合(1)火電廠特點：（一）各10火電廠外景8/23/2023火電廠外景8/2/202311(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。水力調(diào)節(jié)可分為無調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)周期越長，受自然條件影響越小。出力調(diào)節(jié)范圍大，50%以上,

增減負荷速度快，操作容易，可承擔(dān)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(yīng)強迫功率8/23/2023(2)水電廠特點：8/2/202312豐滿水電廠外景8/23/2023豐滿水電廠外景8/2/202313(3)核電廠特點：負荷調(diào)整主要取決于汽輪機，技術(shù)最小負荷約為額定負荷的10%~15%可調(diào)容量大，退、投、增、減負荷消耗能量、時間，易損壞設(shè)備一次投資大，運行費低，盡量利用承擔(dān)基本負荷8/23/2023(3)核電廠特點：8/2/202314秦山核電站外景8/23/2023秦山核電站外景8/2/202315（二）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):8/23/2023（二）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)16洪水季節(jié):8/23/2023洪水季節(jié):8/2/202317應(yīng)指出:

枯水季節(jié)往往由系統(tǒng)中的大型水電廠承擔(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。抽水蓄能電廠在其發(fā)電期間也可參加調(diào)頻。但低溫低壓火電廠則因容量不足，設(shè)備陳舊，不能擔(dān)負調(diào)頻任務(wù)。8/23/2023應(yīng)指出:8/2/202318四、有功功率最優(yōu)分配有功功率的最優(yōu)分配:包括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。

有功功率的最優(yōu)分配要求在保證系統(tǒng)安全的條件下，在所研究的周期內(nèi)，以小時為單位合理選擇電力系統(tǒng)中哪些機組應(yīng)該運行、何時運行及運行時各機組的發(fā)電功率，其目標是在滿足系統(tǒng)負載及其它物理和運行約束的前提下使周期內(nèi)系統(tǒng)消耗的燃料總量或總費用值為最少。8/23/2023四、有功功率最優(yōu)分配有功功率的最優(yōu)分配:包括有功功率19有功功率電源的最優(yōu)組合

指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)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

指系統(tǒng)的有功功率負荷在各個正在運行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配.

電力系統(tǒng)中有功功率負荷合理分配的目標是，在滿足一定約束的前提下，盡可能節(jié)約消耗的一次能源。最常用的是按等耗量微增率準則分配.8/23/2023有功功率電源的最優(yōu)組合8/2/202320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(shè)備單位時間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出的有功功率的關(guān)系稱為耗量特性。函數(shù)關(guān)系上述函數(shù)可用試驗數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合而成，根據(jù)前人經(jīng)驗，階數(shù)為2比較合適，即如圖所示:

8/23/2023最優(yōu)分配負荷的目標函數(shù)和約束條件1.耗量特性:8/2/221比耗量μ:

單位時間內(nèi)輸入能量與輸出功率之間的比值.耗量微增率λ:

耗量特性曲線上某點切線的斜率P8/23/2023比耗量μ:單位時間內(nèi)輸入能量與輸出功率之間的比值.P8/222.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(yīng)同樣大小有功功率負荷的前提下，單位時間內(nèi)的能源消耗最少。這里的目標函數(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)出有功功率時單位時間內(nèi)所需消耗的能源。等式約束條件8/23/20232.目標函數(shù)和約束條件為網(wǎng)絡(luò)總損耗以23不計網(wǎng)絡(luò)損耗時，上式可改寫為:

不等式條件各節(jié)點發(fā)電設(shè)備有功功率、無功功率和電壓大小不得逾越的限額:8/23/2023不計網(wǎng)絡(luò)損耗時，上式可改寫為:8/2/202324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)3.最優(yōu)分配負荷時的等耗量微增率準則8/23/2023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25

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(yīng)按相等的耗量微增率在發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間分配負荷。8/23/2023

26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.8/23/2023根據(jù)等耗量微增率準則得:8/2/202327對于有功功率限制，當計算完后發(fā)現(xiàn)某發(fā)電設(shè)備越限，則該發(fā)電設(shè)備取其限值，不再參加最優(yōu)分配計算，剩下的負荷由其他發(fā)電設(shè)備重新進行最優(yōu)分配計算。無功功率和電壓限制和有功功率負荷的分配沒有直接關(guān)系，可暫時不計，當有功功率負荷的最優(yōu)分配完成后計算潮流分布在考慮。8/23/2023對于有功功率限制，當計算完后發(fā)現(xiàn)某發(fā)電設(shè)備越限，則該發(fā)電設(shè)備28等耗量微增率準則的推廣應(yīng)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(diào)度的約束8/23/2023等耗量微增率準則的推廣應(yīng)用實踐中:由于能源消耗受限制有功功率29上式中用小的時間段之和來表示積分效果，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(shè)備之間，并略去網(wǎng)損。新的拉格朗日函數(shù):等式約束還應(yīng)增加：8/23/2023上式中用小的時間段之和來表示積分效果，表示火電廠的燃料30

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(yīng)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(zhuǎn)換系數(shù)同理由:8/23/2023即水煤轉(zhuǎn)換系數(shù)同理由:8/2/202331網(wǎng)損的修正等式約束條件修正為：

8/23/2023網(wǎng)損的修正等式約束條件修正為：8/2/202332式中為網(wǎng)損微增率(靈敏度)

8/23/2023式中為網(wǎng)損微增率(靈敏度)

8/2/2023338/23/20238/2/2023348/23/20238/2/20233528/23/202328/2/2023368/23/20238/2/2023373.2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)計的，只有在額定頻率下才能有好的技術(shù)經(jīng)濟性能，是電能質(zhì)量的一個重要指標。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(chǎn)生不利影響;8/23/20233.2電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、頻率調(diào)整的必要性8/2/20238電網(wǎng)頻率f是發(fā)電機轉(zhuǎn)速的表現(xiàn)，當發(fā)電機PM與PE（+有功損耗）平衡時，ω和f不變負荷隨機變化，PE隨機變化不可能嚴格保證任何時刻額定頻率，頻率偏移不可避免，需合理規(guī)定允許的偏移范圍。我國目前：50Hz±（0.2∽0.5)Hz，發(fā)達國家±0.1Hz8/23/2023電網(wǎng)頻率f是發(fā)電機轉(zhuǎn)速的表現(xiàn)，當發(fā)電機PM與PE（+有功損耗398/23/20238/2/202340二、發(fā)電機組的有功功率-頻率調(diào)整特性（一）自動調(diào)速系統(tǒng)8/23/2023二、發(fā)電機組的有功功率-頻率調(diào)整特性（一）自動調(diào)速系統(tǒng)8/241調(diào)速系統(tǒng)的基本原理8/23/2023調(diào)速系統(tǒng)的基本原理8/2/202342（二）發(fā)電機組的有功功率—頻率靜態(tài)特性原動機未配置自動調(diào)速系統(tǒng)時，其機械功率與頻率的關(guān)系：原動機配置自動調(diào)速系統(tǒng)后：

原動機的機械功率靜態(tài)頻率特性8/23/2023（二）發(fā)電機組的有功功率—頻率靜態(tài)特性原動機的機械功率靜態(tài)頻43簡化之：發(fā)電機的頻率特性如上圖，發(fā)電機頻率特性的斜率為

發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率（單位MW/Hz）8/23/2023簡化之：發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率（單位MW/Hz）8/244發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率（單位MW/Hz）該單位調(diào)節(jié)功率和機組的調(diào)差系數(shù)有互為倒數(shù)的關(guān)系。機組的調(diào)差系數(shù)：（機組由空載到滿載時，轉(zhuǎn)速變化與輸出功率變化之比）。就是以百分數(shù)表示的機組空載運行的頻率f0與額定條件允許的頻率fN的差值8/23/2023發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率（單位MW/Hz）該單位調(diào)節(jié)功率和機組的45單位調(diào)節(jié)功率的標么值為:調(diào)差系數(shù)％或與之對應(yīng)的發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定.所以電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整問題主要就與調(diào)差系數(shù)或與之對應(yīng)的發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率有關(guān)。汽輪發(fā)電機組=3~5或=33.3~20水輪發(fā)電機組=2~4或=50~258/23/2023單位調(diào)節(jié)功率的標么值為:汽輪發(fā)電機組46三、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(guān)系如圖:

如果分別取PLN和fN作為PL和f的基準值fNPLNPLf△f負荷的單位調(diào)節(jié)功率：綜合負荷的靜態(tài)頻率特性的斜率。一般而言：8/23/2023三、負荷的頻率特性如果分別取PLN和fN作為PL和f的基47例38/23/2023例38/2/202348四、電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻（調(diào)速器作用）初始運行點O，當負荷增加則:

系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率系數(shù)f0'8/23/2023四、電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻（調(diào)速器作用）初始運行點O，當負荷增加49KS：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(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。由于負荷突增，發(fā)電機組功率不能及時變動而使機組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時，發(fā)電機組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，達到新的平衡。8/23/2023KS：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50一次調(diào)頻為有差調(diào)頻。

n臺發(fā)電機：n臺都參加一次調(diào)整：

只有m臺參加一次調(diào)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(diào)頻。8/23/2023一次調(diào)頻為有差調(diào)頻。當發(fā)電機滿載時，負荷功率增大，則5148/23/202348/2/2023528/23/20238/2/202353五、電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻:

手動或自動調(diào)節(jié)調(diào)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(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8/23/2023五、電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻:手動或自動調(diào)節(jié)調(diào)頻器使發(fā)電機組的54當系統(tǒng)負荷增加時，由以下三方面提供：二次調(diào)頻的發(fā)電機組增發(fā)的功率；發(fā)電機組執(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；由系統(tǒng)的負荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負荷功率。8/23/2023當系統(tǒng)負荷增加時，由以下三方面提供：8/2/202355

n臺機組：第n臺參加二次調(diào)頻，

n臺全部參加一次調(diào)頻:無差調(diào)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(diào)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。8/23/2023n臺機組：第n臺參加二次調(diào)頻，無差調(diào)頻:若56例8/23/2023例8/2/2023578/23/20238/2/202358多機系統(tǒng)的頻率調(diào)整多機系統(tǒng)在負荷變化時，帶調(diào)速器的機組，只要有可調(diào)容量，都參加