[精选]电力系统有功功率平衡与频率的调整JXIE9912

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1、第四章第四章电力系统有功功率平衡和频率调整电力系统有功功率平衡和频率调整14.1 4.1 有功平衡和频率调整有功平衡和频率调整 1.1.电力系统频率变化的影响电力系统频率变化的影响 对用户的影响对用户的影响（1 1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业）异步电机转速：纺织工业、造纸工业（2 2）异步电机功率下降）异步电机功率下降（3 3）电子设备的准确度）电子设备的准确度 对发电厂和电力系统的影响对发电厂和电力系统的影响（1 1）对发电厂厂用机械设备运行的影响）对发电厂厂用机械设备运行的影响（2 2）对汽轮机叶片的影响）对汽轮机叶片的影响（3 3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无）对异步电机及

2、变压器励磁的影响，增加无 功消耗。功消耗。24.1 4.1 有功功率和频率调整有功功率和频率调整3电力系统的频率偏移与频率调整电力系统的频率偏移与频率调整 负荷变化-发电机输出电磁功率变化-原动机输入功率相对迟缓转矩变化-转速变化-频率变化额定频率50Hz,频率偏差范围0.2-0.5Hz，华东电网0.1Hz 转矩平衡与功率平衡转矩平衡与功率平衡 转矩不平衡时转矩不平衡时,转子转转子转 速变化速变化,引起频率变化引起频率变化 保持频率恒定不变是十分困难的保持频率恒定不变是十分困难的 !ETETPPMM 60pnf 456 负荷变动幅度小，周期又很短(如P1)，变动具有偶然性；负荷变动幅度较大，周

3、期也较长（如P2）工业中大电机、电炉、延压机、电气机车等；负荷变动幅度最大，周期也最长，且变化较缓慢（如P3）人们生产、生活及气象条件的变化等引起的，基本上可以预计。图4-2 有功负荷的变动1有功功率负荷：7 系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动 负荷组成：负荷组成：（1 1）变动周期小于）变动周期小于10s10s，变化幅度小，变化幅度小:小操作、线路摇摆等小操作、线路摇摆等（3 3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律（2）变动周期在（变动周期在（10s10s，180s1

4、80s），变化幅度较大：大电机、电），变化幅度较大：大电机、电 炉启停炉启停调速器调速器频率的一次调整频率的一次调整调频器调频器频率的二次调整频率的二次调整根据预测负根据预测负荷，在各机荷，在各机组间进行最组间进行最优负荷分配优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）电力系统的经济运行调度（发电计划）84 4 有功功率平衡与备用容量有功功率平衡与备用容量备用容量：备用容量：15%15%20%20%作用：作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷。量应大于发电负荷。定义：定义：备用容量备用容量 系统可用电源容量系统可用电源容量

5、 发电负荷发电负荷 有功功率平衡：有功功率平衡：,GiLiLossPPP8760t(h)P(MW)发电负荷发电负荷备用容备用容量量新增容新增容量量9按作用分：按作用分：(1)负荷备用：满足负荷波动、计划外负荷备用：满足负荷波动、计划外的负荷增量的负荷增量2%5%(2)事故备用：发电机因故退出运行而事故备用：发电机因故退出运行而预留的容量预留的容量5%10%(3)检修备用：发电机计划检修检修备用：发电机计划检修4%5%(4)国民经济备用：满足工农业超计划国民经济备用：满足工农业超计划增长增长3%5%按其存在形式分：按其存在形式分：(1)热备用热备用(2)冷备用冷备用备用容量的分类备用容量的分类1

6、01.1.负荷的有功功率频率静态特性负荷的有功功率频率静态特性4.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性 332210NDNNDNNDNDNDffPaffPaffPaPaP13210 aaaa 332210fafafaaPD的标幺值表达式的标幺值表达式为基准值为基准值和和以以DNNPf11负荷的有功功率频率静态特性负荷的有功功率频率静态特性简化表达简化表达当频率偏离额定值不大时当频率偏离额定值不大时，负荷有功频率静态特性用一，负荷有功频率静态特性用一条近似直线来表示。条近似直线来表示。fPtgKDD fPffPPKDNDNDD/负荷的负荷的频率调节效应系频率调节效应系数数或称为负荷的或称为负

7、荷的频率调频率调节效应节效应，表示负荷随频，表示负荷随频率的变化程度。率的变化程度。例例4 41 1124.1.2电力系统的频率特性 负荷静态频率特性的线性表示|负荷的频率调节效应系数DDPKftg PDNfN134.1.2电力系统的频率特性 负荷的P-f静态特性例：系统负荷中30%与频率无关，40%与频率一次方成正比，10%与频率二次方成正比，20%与频率三次方成正比。求系统频率从额定频率50Hz降到48Hz时，负荷功率变化的百分值，以及负荷的频率调节效应系数。142 2 发电机组的有功功率频率静态特性发电机组的有功功率频率静态特性 调速器的工作原理调速器的工作原理1 为转速测量元件为转速测

8、量元件离心飞摆及其附件；离心飞摆及其附件；2 为放大元件为放大元件错油错油门门(或称配压阀或称配压阀)；3 为执行机构为执行机构油动油动机机(或称接力器或称接力器)；4 为转速控制机构或为转速控制机构或称同步器称同步器(调频器调频器)154.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性调速器蒸汽AOBDE164.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性蒸汽AOBDE174.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性蒸汽AOBDE184.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性fPGfNf0PGN12194.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性机组

9、的单位调节功率（发电机组的功频静特性系数）物理意义：频率发生单位变化时，机组输出功率的变化量，1GGPKf 1GGPKf 204.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性静态调差系数（调差率）物理意义：机组负荷改变时，频率的偏移2121GGGfffPPP NGGNGfffPPP 214.1.2电力系统的频率特性 电力系统的P-f静态特性fPGf1f2P112P2PDPD0()DGDGDPPPKKfK f 负荷实际增量PD0+PD =PG发电机有功出力增量224.1.2电力系统的频率特性 电力系统的P-f静态特性 系统的功频静特性系数(单位调节功率)备用系数0()DGDGDPPPKKf

10、K f 0DGDGNDNGDNNPKfKKPPKKff 0/DDNNGNGDDNrGDPPKffPKKPk KK 234.1.2电力系统的频率特性 发电机组满载时的P-f静态特性：KG=0fPGf1f2PGmax1224一、频率的一次调整一、频率的一次调整n台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化 f f时时)21(,n,i fKPGiGiniGniGiGiGfKfKPP11NGiNniGiniGiGfPKKK11n台机组的等值台机组的等值单位调节功率单位调节功率结论：结论：n台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的台机组的等值单位调节功率远大于一台

11、机组的 单位调节功率。单位调节功率。25频率的一次调整的计算过程频率的一次调整的计算过程fPKKKDDG0NGiNniGiniGiGfPKKK11NGiNiiGiGifPfffKP1iGiNGifPP例例42 例例43求出频率偏差求出频率偏差每台机组的功每台机组的功率增量率增量小结：小结：调差系数越小的机组调差系数越小的机组增加的有功输出相对越多。增加的有功输出相对越多。264.1.3电力系统的频率调整 频率的一次调整:n台发电机例 系统一半机组已满载.火电机组占总容量的1/4,有10%的备用容量,单位调节功率为16.6;水电机组占总容量的1/4,有20%的备用容量,单位调节功率为25;负荷的

12、频率调节效应系数为1.5.求(1)系统的单位调节功率(2)负荷功率增加5%时的稳态频率(3)如果频率允许降低0.2Hz,系统能增加多少负荷功率27频率的二次调整频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特：通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波性平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动范围内。动范围内。二、频率的二次调整二、频率的二次调整284.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性调频器蒸汽AOBDE294.1.2电力系统的频率特性 发电机组的P-f静态特性fPGfNf0PGN12301.主调频厂的选择主调频厂的选

13、择调频厂：调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助 调频厂。调频厂。调频厂应满足的条件：调频厂应满足的条件：1 1）足够的调整容量）足够的调整容量2 2）较快的调整速度）较快的调整速度3 3）调整范围内的经济性较好）调整范围内的经济性较好31调整容量调整容量:水电厂水电厂 火电厂火电厂中温中压电厂（中温中压电厂（7575）高温高压电厂（高温高压电厂（3030）调整速度：调整速度：水电厂水电厂 火电厂火电厂调频厂选择：调频厂选择：首选：水电厂首选：水电厂 其次：中温中压电厂其次：中温中压电厂32频率的二次调整频率的二次调整fKfKPPDGGD0

14、fKfKKPPDGGD)(0KPPfGD0结论：结论：（1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率 偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。（2）可以做到）可以做到无差调节无差调节。AE EF FC3313.3.3 13.3.3 互联系统的频率调整互联系统的频率调整AGADAKPP AGADAKPP AAGAABDAfKPPP BBGBABDBfKPPP KPPKKPPPPfGDBAGBGADBDA )()(BAGADABGBDBAABKKPPKPPKP )()(ABP 3442）各类负荷变动与频率调整第一

15、种负荷频率的“一次调整”,采用调速器第二种负荷变动频率的“二次调整”，调频器第三种负荷变动频率的“三次调整”，通过负荷预计得到负荷曲线，按最优化准则分配负荷，属于电力系统经济运行的问题，或称经济调度。354-3)电力系统有功功率的分配电力系统有功功率的分配（三次调频）（三次调频）1、有功电源的最优组合 指系统中发电设备或发电厂的合理组合，包括机组的最优组合顺序，机组的最优组合数量和机组的最优开停时间 2、有功负荷在运行机组间的最优分配 指系统的有功负荷在各运行的发电机组或发电厂间的合理分配 3、分配原则：充分合理利用水利资源；最大限度地降低火电厂煤耗，降低火力发电的成本3613.4 13.4

16、各类发电厂的合理组合各类发电厂的合理组合系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问题，包系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问题，包括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。有功电源的最优组合有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合理组合。：系统中发电设备和发电厂的合理组合。有功负荷的最优分配有功负荷的最优分配：系统中的有功负荷在各个正在运行的：系统中的有功负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配。发电设备或发电厂之间的合理分配。37一、一、各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点1 1 火电厂火电厂（1 1）燃料及运输费用

17、）燃料及运输费用（2 2）有功出力最小限制）有功出力最小限制（3 3）效率与蒸汽参数有关）效率与蒸汽参数有关（4 4）启停时间长且启停费用高）启停时间长且启停费用高（5 5）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可 调节的强迫功率。调节的强迫功率。38一、一、各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点2 2 水电厂水电厂（1 1）不需燃料费，但一次投资大）不需燃料费，但一次投资大（2 2）出力调节范围比火电机组大）出力调节范围比火电机组大（3 3）启停费用低，且操作简单）启停费用低，且操作简单（4 4）出力受水头影响）出力受水头影响（5

18、5）抽水蓄能）抽水蓄能（6 6）必须释放水量强迫功率）必须释放水量强迫功率39一、一、各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点3 核电厂核电厂（1）最小技术负荷小，为额定负荷）最小技术负荷小，为额定负荷1015。（2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停及）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停及 急剧调节时，易于损坏设备。急剧调节时，易于损坏设备。（3）一次投资大，运行费用小。）一次投资大，运行费用小。40二、各类发电厂的合理组合二、各类发电厂的合理组合原则原则（1 1）充分利用水源。）充分利用水源。（2 2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。）降低火电机组的单位煤耗

19、，发挥高效机组的作用。（3 3）尽量降低火力发电成本。）尽量降低火力发电成本。41枯水期枯水期丰水期丰水期抽水抽水发电发电4214.2 14.2 电力系统有功功率负荷的最优分配电力系统有功功率负荷的最优分配1 1 发电机组的耗量特性：发电机组的耗量特性：反映发电机组单位时间内能量反映发电机组单位时间内能量输入输入和和输出输出关系的曲线。关系的曲线。耗量特性耗量特性43比耗量：比耗量：耗量特性曲线上某点的耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即输入和纵坐标和横坐标之比，即输入和输出之比输出之比效率：效率：比耗量倒数比耗量倒数耗量微增率耗量微增率：耗量特性曲线上某：耗量特性曲线上某点切线的斜率，

20、表示在该点的输点切线的斜率，表示在该点的输入增量与输出增量之比。入增量与输出增量之比。PF/FP/dPdF/效率曲线和微增率曲线效率曲线和微增率曲线 14.2 14.2 电力系统有功功率负荷的最优分配电力系统有功功率负荷的最优分配44三、三、等耗量微增率准则等耗量微增率准则以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料消耗量和输出功率不受限制，要求：消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机确定负荷功率在两台机组间的分配，使总的燃料消耗量最小组间的分配，使总的燃料消耗量最小。等式约束等式约束 目标函数目标函数021 LDGGP

21、PP)()(min2211GGPFPFF 45三、三、等耗量微增率准则等耗量微增率准则作图法求解（只有两台机组）作图法求解（只有两台机组）在在OO上找到一点作垂线，上找到一点作垂线，与两条耗量特性曲线的交点与两条耗量特性曲线的交点 间距离最短。间距离最短。在耗量特性曲线具有凸性的情在耗量特性曲线具有凸性的情 况下，况下，两条曲线的切线平行时，两条曲线的切线平行时，燃料消耗量最少燃料消耗量最少。曲线的切线即斜率，就是该点的曲线的切线即斜率，就是该点的耗量微增率。耗量微增率。46切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。这就是等微增率准则。这就是等微增

22、率准则。物理意义物理意义2211GGdP/dFdP/dF，节约的燃料消耗为：增加，机组减少调整负荷分配，机组，并且总输出功率不变等：假如两台机组微增率不PPdPdFdPdFGG212211022112211 P)dPdFdPdF(PdPdFPdPdFFGGGG 47二、目标函数和约束条件二、目标函数和约束条件有功负荷最优分配的目的有功负荷最优分配的目的：在满足对一定量负荷持续供电的：在满足对一定量负荷持续供电的前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位时间内所消耗前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位时间内所消耗的能源最少。的能源最少。满足条件：满足条件：等式约束等式约束 f(x、u、d)=0

23、 不等式约束不等式约束 g(x、u、d)0 使使 目标函数目标函数 F=F(x、u、d)最优最优481 1 目标函数目标函数系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）niGiiGnnGGPFPFPFPFF12211)()()()(该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，描述的是单位时间内能源的消耗量。描述的是单位时间内能源的消耗量。492 2 约束条件约束条件等式约束等式约束不等式约束不等式约束 nimjLLDjGiPPP11 nimjLDjGiPP11忽略有功网损忽略有功网损 maxminmaxminGiGiGiGiG

24、iGiQQQPPP50四、多个发电厂间的负荷经济分配四、多个发电厂间的负荷经济分配1.1.不计网损的有功最优分配不计网损的有功最优分配目标函数最小：目标函数最小：等式约束条件：等式约束条件：这是多元函数求条件极值问题，可以利用拉格朗日乘数法求这是多元函数求条件极值问题，可以利用拉格朗日乘数法求解。解。构造拉格朗日函数构造拉格朗日函数 niGii)P(FF1 niLDGiPP10 niLDGiPPFL1 51求拉格朗日函数的无条件极值求拉格朗日函数的无条件极值 niLDGiPPFL1)n,i(PFPLGiGi21 0 GiPF)n,1,2,i(dPdFGii niGii)P(FF152不等式约束

25、的处理不等式约束的处理功率上下限约束功率上下限约束 先不考虑该约束条件进行经济分配计算，若发现越先不考虑该约束条件进行经济分配计算，若发现越限，越限的发电厂按极限分配负荷，其余发电厂再限，越限的发电厂按极限分配负荷，其余发电厂再按经济分配。按经济分配。节点电压及无功功率约束节点电压及无功功率约束 在经济功率分配后的潮流计算中处理。在经济功率分配后的潮流计算中处理。maxGiGiminGiPPP maxGiGiminGiQQQ maxiiminiVVV 例例48532.2.考虑网损的有功最优分配考虑网损的有功最优分配等式约束变为等式约束变为目标函数不变目标函数不变拉格朗日函数为拉格朗日函数为 niLDLGiPPP10 niniLDLGiiPPPFL11 01 GiLGiiGiPPdPdFPL)n,i(dPdFPPdPdFiGiiGiLGii 2 1 11 经过网损修正后经过网损修正后的等微增率准则的等微增率准则网损修正系数网损修正系数5455