第七章電力系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整

第七章電力系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整1第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一、頻率調(diào)整的必要性：1.電力系統(tǒng)頻率變化的影響對用戶的影響（1）異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，影響產(chǎn)品質(zhì)量；（2）異步電機(jī)功率下降;（3）電子設(shè)備的準(zhǔn)確度.第二節(jié)電力系統(tǒng)的頻率質(zhì)量控制——頻率調(diào)整

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第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)電力系統(tǒng)的頻率質(zhì)量控制——頻率調(diào)整

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對發(fā)電廠和電力系統(tǒng)的影響（1）對發(fā)電廠廠用機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的影響；（2）對汽輪機(jī)葉片的影響；（3）對異步電機(jī)及變壓器勵(lì)磁的影響，增加無功消耗。第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.頻率調(diào)整的目標(biāo)：就是將系統(tǒng)的頻率保持在允許的偏差范圍內(nèi)。我國電力系統(tǒng)額定頻率為50Hz，現(xiàn)行的《電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)》中規(guī)定，頻率偏差的允許范圍，大系統(tǒng)為±0.2Hz，小系統(tǒng)可放寬至±0.5Hz。第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統(tǒng)的頻率為什么會(huì)偏離額定值？轉(zhuǎn)矩平衡與功率平衡轉(zhuǎn)矩不平衡時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化,引起頻率變化保持頻率恒定不變是十分困難的

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第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)電力系統(tǒng)的頻率質(zhì)量控制——頻率調(diào)整

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二、電力系統(tǒng)的有功頻率特性和有功平衡：（一）有功負(fù)荷1、負(fù)荷波動(dòng)性質(zhì)的分析：第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

系統(tǒng)負(fù)荷可以看作由以下三種具有不同變化規(guī)律的變動(dòng)負(fù)荷組成：（1）變動(dòng)周期小于10s，變化幅度小:小操作、線路搖擺等（3）變動(dòng)周期最大，變化幅度最大：如因氣象、作息時(shí)間、人們生活習(xí)慣等引起的負(fù)荷變化。

（2）變動(dòng)周期在（10s～180s），變化幅度較大：大電機(jī)、電爐啟停調(diào)速器頻率的一次調(diào)整調(diào)頻器頻率的二次調(diào)整根據(jù)預(yù)測負(fù)荷，在各機(jī)組間進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷分配電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度（發(fā)電計(jì)劃）第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.負(fù)荷的有功頻率特性：第二節(jié)電力系統(tǒng)的頻率質(zhì)量控制——頻率調(diào)整

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第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統(tǒng)中有功負(fù)荷與頻率的關(guān)系，歸納為以下幾類：1、與頻率變化無關(guān)的負(fù)荷，如照明、電阻爐、整流負(fù)荷等；2、與頻率成正比的負(fù)荷，如壓縮機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等；3、與頻率的二次方成比例的負(fù)荷，如變壓器中的渦流損耗等；4、與頻率的三次方成比例的負(fù)荷，如通風(fēng)機(jī)、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵等；5、與頻率的更高次方成比例的負(fù)荷，如靜水頭阻力很大的給水泵等。第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)荷的有功頻率特性簡化表達(dá)當(dāng)頻率偏離額定值不大時(shí)，負(fù)荷有功頻率特性用一條近似直線來表示。負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)或稱為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，表示負(fù)荷隨頻率的變化程度。第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）.有功電源及其有功頻率特性：即發(fā)電機(jī)組的有功頻率特性。反映了發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和頻率之間的關(guān)系。

發(fā)電機(jī)輸出的有功功率PG增加時(shí)頻率有所下降，PG減小時(shí)頻率有所上升。？依靠調(diào)速器的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)頻率的一次調(diào)整。第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月單位調(diào)節(jié)功率:表示頻率變化時(shí)發(fā)電機(jī)組輸出功率的變化量。物理意義：當(dāng)系統(tǒng)頻率變化1Hz時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)組輸出有功功率的變化量。注意：定義中的負(fù)號(hào)及β角的位置，使得KG恒為正值。第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月單位調(diào)節(jié)功率用標(biāo)幺值表示：式中，稱為發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)，通常由額定運(yùn)行點(diǎn)和空載運(yùn)行點(diǎn)定出。在額定運(yùn)行點(diǎn)，第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)可以整定。整定后在運(yùn)行過程中不再變動(dòng)。即發(fā)電機(jī)組有功頻率特性曲線的斜率固定。第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）有功平衡(activepowerbalance)有功平衡與頻率的關(guān)系：PfP1fNACP2f2f1DB第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、頻率調(diào)整的分析和計(jì)算

（analysisandcomputationoffrequencyregulation)（一）、頻率的一次調(diào)整(thefirstregulationoffrequency)負(fù)荷功率的實(shí)際增量：它同發(fā)電機(jī)功率增量平衡：PfP1fNACBP2f2Df3第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率：計(jì)及發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)時(shí)，引起頻率單位變化時(shí)的負(fù)荷變化量。第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)、頻率的一次調(diào)整n臺(tái)裝有調(diào)速器的機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)頻率變化Δf時(shí)n臺(tái)機(jī)組的等值單位調(diào)節(jié)功率結(jié)論：n臺(tái)機(jī)組的等值單位調(diào)節(jié)功率遠(yuǎn)大于一臺(tái)機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率。第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月同除以則第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月表明系統(tǒng)帶負(fù)荷的程度：越小，帶負(fù)荷越沉重，時(shí)滿載。綜上所述：結(jié)論一：頻率偏差的大小與負(fù)荷的變化量的大小成正比，與系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率成反比。結(jié)論二：負(fù)荷的增量由兩部分供給：一部分是發(fā)電機(jī)多發(fā)的有功功率，另外一部分是負(fù)荷自身具有的正調(diào)節(jié)效應(yīng)隨頻率下降而少取用的功率。第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論三：就一次調(diào)頻而言，希望系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率KS越大越好，實(shí)際不可能。其中KD是不可控的，而KG也不可能為無窮大，必為一個(gè)限值。所以是有差調(diào)節(jié)。結(jié)論四：機(jī)組的調(diào)差系數(shù)越小，承擔(dān)的功率增量就越大；機(jī)組的額定容量越大，承擔(dān)的功率增量也越大。第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月例題：某電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組總?cè)萘繛?600MW,各類發(fā)電機(jī)組的容量和調(diào)差系數(shù)如下：水輪機(jī)組100MW5臺(tái)汽輪機(jī)組200MW6臺(tái)系統(tǒng)總負(fù)荷為3000MW,負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)為KD*=1.5。設(shè)原來運(yùn)行時(shí)f=50Hz，現(xiàn)負(fù)荷突然增加300MW。試完成：（1）設(shè)所有機(jī)組均具有調(diào)節(jié)能力，求頻率偏差和各類發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的功率增量；（2）如僅水輪機(jī)組具有調(diào)節(jié)能力，頻率偏差為多少？第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月解：求各類發(fā)電機(jī)組的水輪機(jī)組：100MW汽輪機(jī)組：200MW（1）23第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月各類發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的功率增量為：水輪機(jī)組：汽輪機(jī)組：(2)只有水輪機(jī)組參與調(diào)節(jié)：24第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：1、負(fù)荷的有功頻率特性：2、有功電源的有功頻率特性：3、有功平衡：一次調(diào)頻調(diào)速器二次調(diào)頻調(diào)頻電廠本次課的重點(diǎn)：一次調(diào)頻的原理和計(jì)算。25第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率的二次調(diào)整：通過操作調(diào)頻器，使發(fā)電機(jī)組的頻率特性平行的移動(dòng)，從而使負(fù)荷變化引起的頻率偏移在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)。1.主調(diào)頻廠的選擇調(diào)頻廠：負(fù)有二次調(diào)頻任務(wù)的電廠，分為主調(diào)頻廠和輔助調(diào)頻廠。調(diào)頻廠應(yīng)滿足的條件：1）足夠的調(diào)整容量2）較快的調(diào)整速度3）調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性較好(二)、頻率的二次調(diào)整(thesecondregulationoffrequency)第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)整容量:

水電廠>火電廠

中溫中壓電廠（75％）>高溫高壓電廠（30％）

調(diào)整速度：

水電廠>火電廠

調(diào)頻廠選擇：

首選：水電廠

其次：中溫中壓電廠

27第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.頻率二次調(diào)整的過程pf0f1ABf2CEF28第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率的二次調(diào)整結(jié)論：（1）由于二次調(diào)頻增加了發(fā)電機(jī)的出力，在同樣的頻率偏移下，系統(tǒng)能承受的負(fù)荷變化量增加了。（2）可以做到無差調(diào)節(jié)。29第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(三）互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整30第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月聯(lián)絡(luò)線功率B系統(tǒng)不參加二次調(diào)整31第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整常采用如下三種方式：1、頻率保持不變，△f=02、聯(lián)絡(luò)線功率保持不變，△PAB=03、△PDA-△PGA=△PDB-△PGB=032第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、各類發(fā)電廠的合理組合系統(tǒng)中有備用容量時(shí)，可考慮有功功率的最優(yōu)分配問題，包括有功電源的最優(yōu)組合及有功負(fù)荷的最優(yōu)分配。有功電源的最優(yōu)組合：系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備和發(fā)電廠的合理組合。有功負(fù)荷的最優(yōu)分配：系統(tǒng)中的有功負(fù)荷在各個(gè)正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配。33第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)1火電廠（1）燃料及運(yùn)輸費(fèi)用（2）有功出力最小限制（3）效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)（4）啟停時(shí)間長且啟停費(fèi)用高34第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)2水電廠（1）不需燃料費(fèi)，但一次投資大（2）出力調(diào)節(jié)范圍比火電機(jī)組大（3）啟停費(fèi)用低，且操作簡單（4）出力受水頭影響（5）抽水蓄能（6）必須釋放水量－－強(qiáng)迫功率35第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)3核電廠（1）一次投資大，運(yùn)行費(fèi)用小。（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）效率高，宜滿載運(yùn)行，一般不用其帶變動(dòng)負(fù)荷。36第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、各類發(fā)電廠的合理組合原則（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。37第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月4有功功率平衡與備用容量

備用容量：15%～20%作用：為了保證供電可靠性及電能質(zhì)量合格，系統(tǒng)電源容量應(yīng)大于發(fā)電負(fù)荷。定義：備用容量＝系統(tǒng)可用電源容量－發(fā)電負(fù)荷

有功功率平衡：五、有功功率平衡與備用容量

38第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月按作用分：(1)負(fù)荷備用：滿足負(fù)荷波動(dòng)、計(jì)劃外的負(fù)荷增量2%~5%(2)事故備用：發(fā)電機(jī)因故退出運(yùn)行而預(yù)留的容量5%~10%(3)檢修備用：發(fā)電機(jī)計(jì)劃檢修4%~5%(4)國民經(jīng)濟(jì)備用：滿足工農(nóng)業(yè)超計(jì)劃增長3%~5%按其存在形式分：(1)熱備用(2)冷備用備用容量的分類39第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配1發(fā)電機(jī)組的耗量特性：反映發(fā)電機(jī)組單位時(shí)間內(nèi)能量輸入和輸出關(guān)系的曲線。耗量特性40第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配比耗量：耗量特性曲線上某點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)之比，即輸入和輸出之比效率：比耗量倒數(shù)耗量微增率：耗量特性曲線上某點(diǎn)切線的斜率，表示在該點(diǎn)的輸入增量與輸出增量之比。效率曲線和微增率曲線41第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二、目標(biāo)函數(shù)和約束條件有功負(fù)荷最優(yōu)分配的目的：在滿足對一定量負(fù)荷持續(xù)供電的前提下，使發(fā)電設(shè)備在生產(chǎn)電能的過程中單位時(shí)間內(nèi)所消耗的能源最少。

滿足條件：

等式約束f(x、u、d)=0

不等式約束g(x、u、d)≤0

使

目標(biāo)函數(shù)F=F(x、u、d)

最優(yōu)42第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1目標(biāo)函數(shù)系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃料（火電機(jī)組）該目標(biāo)函數(shù)是各發(fā)電設(shè)備發(fā)出有功功率的函數(shù)，描述的是單位時(shí)間內(nèi)能源的消耗量。43第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2約束條件等式約束不等式約束忽略有功網(wǎng)損44第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三、等耗量微增率準(zhǔn)則以兩臺(tái)火電機(jī)組為例，忽略有功網(wǎng)損；假定各臺(tái)機(jī)組的燃料消耗量和輸出功率不受限制，要求：確定負(fù)荷功率在兩臺(tái)機(jī)組間的分配，使總的燃料消耗量最小。

等式約束目標(biāo)函數(shù)45第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三、等耗量微增率準(zhǔn)則作圖法求解（只有兩臺(tái)機(jī)組）在OO’上找到一點(diǎn)作垂線，與兩條耗量特性曲線的交點(diǎn)間距離最短。在耗量特性曲線具有凸性的情況下，兩條曲線的切線平行時(shí)，燃料消耗量最少。曲線的切線即斜率，就是該點(diǎn)的耗量微增率。46第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月切線平行時(shí)，斜率相等，也就是耗量微增率相等。這就是等微增率準(zhǔn)則。物理意義47第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、多個(gè)發(fā)電廠間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配1.不計(jì)網(wǎng)損的有功最優(yōu)分配目標(biāo)函數(shù)最?。旱仁郊s束條件：這是多元函數(shù)求條件極值問題，可以利用拉格朗日乘數(shù)法求解。構(gòu)造拉格朗日函數(shù)48第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月求拉格朗日函數(shù)的無條件極值49第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月不等式約束的處理功率上下限約束先不考慮該約束條件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配計(jì)算，若發(fā)現(xiàn)越限，越限的發(fā)電廠按極限分配負(fù)荷，其余發(fā)電廠再按經(jīng)濟(jì)分配。節(jié)點(diǎn)電壓及無功功率約束在經(jīng)濟(jì)功率分配后的潮流計(jì)算中處理。例4－850第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.考慮網(wǎng)損的有功最優(yōu)分配等式約束變?yōu)槟繕?biāo)函數(shù)