第五章 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整.ppt

第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整,1、電力系統(tǒng)的有功功率平衡2、電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配3、電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,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(yùn)行時的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性問題，是我們考慮的重點(diǎn)問題之一。衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)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。,頻率：50Hz，允許有0.20.5Hz的偏移電壓：設(shè)備應(yīng)運(yùn)行在額定電壓的5%z之間波形：考核系統(tǒng)的諧波電壓含有率,要求(識記)：,衡量運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)為：比耗量(煤耗率)和線損率（網(wǎng)損率）,有功功率的最優(yōu)分布包括：有功功率負(fù)荷預(yù)計、有功功率電源的最優(yōu)組合、有功功率負(fù)荷在運(yùn)行機(jī)組間的最優(yōu)分配等。,第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡,一、電力系統(tǒng)的有功功率平衡,該方程在任何時刻都成立！,發(fā)電機(jī)組的有功平衡,發(fā)電機(jī)組的有功平衡：發(fā)電機(jī)的電磁功率PGi與原動機(jī)的機(jī)械功率PTi之間的平衡。,發(fā)電機(jī)組的有功平衡與頻率的關(guān)系,發(fā)電機(jī)組原動機(jī)發(fā)電機(jī),原動機(jī)慣性大，有功調(diào)節(jié)慢，無法時刻保持與瞬變負(fù)荷及發(fā)電機(jī)功率的平衡，而只能保證動態(tài)平衡，相應(yīng)頻率也只能保持動態(tài)穩(wěn)定。,如剛才講到，因?yàn)殡娔苁遣荒軆Υ娴?，所以上述有功功率平衡方程在任何時刻t都是成立的（即保持平衡），但系統(tǒng)中負(fù)荷時無時無刻不在變化的，所以上述平衡方程很容易被打破，導(dǎo)致上述有功功率不平衡，這種不平衡只是短暫的，我們可以根據(jù)負(fù)荷的變化情況來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)出的總功率，用來調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的平衡，使得上述方程重新回到平衡狀態(tài)。若不加以調(diào)節(jié)，則有功功率的不平衡將對頻率造成影響。,系統(tǒng)有功功率不平衡對頻率的影響：,由電機(jī)學(xué)知識：n=60f/p,頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān),轉(zhuǎn)速又決定于發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（隨負(fù)荷變化）和原動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩（由原動機(jī)的功率決定）。原動機(jī)拖動功率-電磁功率=發(fā)電機(jī)的總功率。,請問發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向是相同還是相反？,具體情況：,1、負(fù)荷增加，使電磁轉(zhuǎn)矩增加，若原動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)速n下降，導(dǎo)致頻率降低。,2、負(fù)荷減少，使電磁轉(zhuǎn)矩減小，若原動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)速n上升，導(dǎo)致頻率升高。,通過上面的分析得出：有功功率的變化(負(fù)荷的變化)與頻率的變化是直接相關(guān)的，因此可以通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)有功功率的平衡。,二、有功功率負(fù)荷的變動和調(diào)整控制,變化不規(guī)律,不同的周期的負(fù)荷有不同的變化規(guī)律：第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負(fù)荷變動有很大的偶然性；第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種負(fù)荷的主要有：電爐、壓延機(jī)械、電氣機(jī)車等帶有沖擊性的負(fù)荷變動；第三種變動基本上可以預(yù)計，其變動幅度最大，周期也最長，是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動。,剛才講到，當(dāng)負(fù)荷變動時（即有功功率變化時），若發(fā)電機(jī)總功率不加以調(diào)節(jié)，則頻率會發(fā)生偏移。,因此，根據(jù)負(fù)荷變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分為：一次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行；針對第一種負(fù)荷變動引起的頻率偏移的調(diào)整。二次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器進(jìn)行；針對第二種符合變動引起的頻率偏移的調(diào)整。三次調(diào)頻：優(yōu)化準(zhǔn)則，即由調(diào)度部門根據(jù)負(fù)荷曲線進(jìn)行最優(yōu)分配，責(zé)成各發(fā)電廠按事先給定的負(fù)荷發(fā)電。除平衡節(jié)點(diǎn)（調(diào)頻）外均屬此類。（有功功率日負(fù)荷曲線），針對第三種負(fù)荷變動，人工完成。前兩種是事后的，第三種是事前的。,另外，還有一種調(diào)整叫做負(fù)荷控制，是指個別負(fù)荷大量或長時間超計劃用電以致影響系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量時，由系統(tǒng)運(yùn)行管理部門在遠(yuǎn)方將其部分或者全部切除的控制方式。,三、系統(tǒng)有功功率（電源容量）和備用容量,系統(tǒng)中可供調(diào)度的系統(tǒng)電源容量可能小于總裝機(jī)容量定期停機(jī)檢修水電廠的發(fā)電機(jī)因水頭極度降低不能按額定容量發(fā)電各發(fā)電廠預(yù)計可投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的可發(fā)功率之和為可供調(diào)度的系統(tǒng)電源容量。,為了保證可靠供電和良好的電能質(zhì)量，系統(tǒng)可供調(diào)度的電源容量必須大于發(fā)電負(fù)荷。,系統(tǒng)電源容量=系統(tǒng)中可運(yùn)行機(jī)組的可發(fā)容量之和,三、系統(tǒng)有功功率和備用容量,為了保證可靠供電和良好的電能質(zhì)量，系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備容量應(yīng)大于系統(tǒng)負(fù)荷，我們把系統(tǒng)電源容量大于負(fù)荷的部分稱為備用容量，它是指可用發(fā)電出力的后備補(bǔ)充力量，能夠隨時調(diào)整投入運(yùn)行。,備用容量：可供調(diào)度的系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分。,作用：在系統(tǒng)出現(xiàn)第一類、第二類負(fù)荷的波動、負(fù)荷的超計劃增長、事故導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行和設(shè)備檢修導(dǎo)致的設(shè)備退出運(yùn)行情況下，保證電力系統(tǒng)在要求頻率水平下的功率平衡，以保證供電可靠性和電能質(zhì)量。,備用容量按照形式分為：熱備用，冷備用。,熱備用處于運(yùn)行狀態(tài)的備用，亦稱旋轉(zhuǎn)備用。如，負(fù)荷備用和部分事故備用。只要電網(wǎng)需要時（出力不夠或者出現(xiàn)故障時），隨時可動用的備用出力，這部分備用容量已經(jīng)滿足運(yùn)行的條件，處在運(yùn)行當(dāng)中，只要電網(wǎng)需要，立即啟動，所以系統(tǒng)不會出現(xiàn)停電故障冷備用（和熱備用相反理解）處于停機(jī)待用狀態(tài)的備用，亦稱停機(jī)備用。如，檢修備用、國民經(jīng)濟(jì)備用及部分事故備用。,檢修中的發(fā)電設(shè)備不屬冷備用。,熱備用越多，越有利于保證電能質(zhì)量和供電可靠性，但經(jīng)濟(jì)性不好。,按用途分為：負(fù)荷備用，事故備用，檢修備用，國民經(jīng)濟(jì)備用。,負(fù)荷備用針對一類、二類負(fù)荷波動和預(yù)測外負(fù)荷設(shè)置（2%5%）。事故備用針對事故導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備退出設(shè)置（5%10%，且不小于系統(tǒng)最大一臺機(jī)組的額定容量）。檢修備用針對發(fā)電設(shè)備檢修退出運(yùn)行設(shè)置（視情況）。國民經(jīng)濟(jì)備用針對國民經(jīng)濟(jì)的超計劃增長設(shè)置（3%5%）,發(fā)電負(fù)荷（熱備用）負(fù)荷備用（熱備用）事故備用（熱備用）檢修備用（冷備用）國名經(jīng)濟(jì)備用（冷備用）,各種類型的備用仍只以兩種形式存在。,第二節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配,有功功率最優(yōu)分配包括兩個主要內(nèi)容：即有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配。,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，即機(jī)組的合理開停。機(jī)組的最優(yōu)組合順序機(jī)組的最優(yōu)組合數(shù)量機(jī)組的最優(yōu)開停機(jī)時間,與冷備用容量的合理分布有關(guān)。,第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,一、頻率調(diào)整的必要性,頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行的一個重要的質(zhì)量指標(biāo)，直接影響著負(fù)荷的正常運(yùn)行。負(fù)荷要求頻率的偏差一般應(yīng)控制在（0.20.5）Hz的范圍內(nèi)。,要維持頻率在正常的范圍內(nèi)，其必要的條件是系統(tǒng)必須具有充裕的可調(diào)有功電源。,頻率變動的影響：,1、對用戶的影響,頻率變化超出允許范圍將使用戶遭受損失。由于頻率變化引起異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化，將會影響用戶產(chǎn)品質(zhì)量。例如：紡織及造紙行業(yè)可能產(chǎn)生殘次品。,2、對電子設(shè)備的影響,頻率不穩(wěn)定將影響電子設(shè)備的工作，如雷達(dá)、計算機(jī)等將因頻率過低而無法工作。,3、對發(fā)電廠的影響,（1）影響鍋爐的正常運(yùn)行,（2）當(dāng)頻率下降時，會增加汽輪機(jī)葉片所受的力，引起葉片的共振，縮短葉片的使用壽命，嚴(yán)重時刻使葉片斷裂。,（3）頻率降低時，導(dǎo)致拖動設(shè)備出力下降，造成水壓風(fēng)力不足，因此發(fā)電機(jī)發(fā)電能力下降，所以為了維持正常電壓，就要增加勵磁電流，致發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子溫升增加。,（4）頻率降低時，因?yàn)闉榱司S持正常電壓而增加了勵磁電流，導(dǎo)致磁通密度的增大，因此變壓器的鐵耗和勵磁電流都要增大。,4、對系統(tǒng)的影響,（1）由第二章知識，當(dāng)頻率下降時，系統(tǒng)無功損耗將會增大（原因：勵磁電流的增大），這必將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的電壓水平下降。,（2）頻率過低，可使整個電力系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。,二、自動調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)特性,由上述分析知、頻率的變動將會產(chǎn)生多方面的影響，因此有必要對系統(tǒng)頻率進(jìn)行調(diào)整，使其變化范圍控制在正負(fù)0.2-0.5Hz。而要調(diào)節(jié)頻率，實(shí)質(zhì)上就是調(diào)節(jié)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，要調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上就是要調(diào)節(jié)汽輪機(jī)閥門開度的大小，即調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。下面介紹一種自動調(diào)速系統(tǒng)-離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)。,原理圖如下頁所示：,離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖,調(diào)速器：進(jìn)行頻率的一次調(diào)整，在圖中D點(diǎn)不動。調(diào)頻器：進(jìn)行頻率的二次調(diào)整，使得D點(diǎn)上升。,一次調(diào)頻、二次調(diào)頻原理簡介，見教材P203.,三、電力系統(tǒng)的頻率特性,1、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，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)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，系統(tǒng)中的有功負(fù)荷隨頻率變化的特性稱為負(fù)荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性（額定頻率附近）。,有功功率-頻率靜態(tài)特性,KL也叫做負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率，單位：Mw/Hz,用標(biāo)幺值表示：,KL*的值受用戶的影響，其值不能整定，大概在1.5左右。,負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)：指在一定的頻率下負(fù)荷隨頻率變化的變化率。,2、發(fā)電機(jī)組的有功功率-頻率靜態(tài)特性,當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將自動的改變進(jìn)氣量，以相應(yīng)的增加或減少發(fā)電機(jī)輸出功率，調(diào)整結(jié)束后達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。這種反映由頻率變化而引起的汽輪機(jī)輸出功率變化的關(guān)系，稱為發(fā)電機(jī)組有功功率-頻率靜態(tài)特性。,（）,（2）配置自動調(diào)速系統(tǒng)的原動機(jī)機(jī)械功率的靜態(tài)頻率特性一次調(diào)整（依靠調(diào)速器的作用）,二次調(diào)整,有調(diào)頻器的二次調(diào)整后，原動機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)不斷地從僅有一次調(diào)整時的靜態(tài)頻率特性曲線，平行的移動到另一根曲線上，連接不同直線上的點(diǎn)，得到有二次調(diào)整時靜態(tài)頻率特性曲線，可實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)和有差調(diào)節(jié)。,其含義標(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。,發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率：即發(fā)電機(jī)組功頻靜態(tài)特性的斜率，其斜率為負(fù)值。,負(fù)號表示發(fā)電機(jī)輸出功率的變化和頻率變化的方向相反。,發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)：即發(fā)電機(jī)單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。,用百分?jǐn)?shù)表示：,所以二者關(guān)系如下：,KG和調(diào)差系數(shù)是可以整定的。,四、一次調(diào)頻,為了便于分析，現(xiàn)假設(shè)系統(tǒng)中只有一臺發(fā)電機(jī)組和一個負(fù)荷。,頻率的一次調(diào)整過程：,（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時，穩(wěn)定運(yùn)行于O點(diǎn)，此時發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率等于負(fù)荷消耗的功率，處于平衡狀態(tài)，即：,（2）當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行于O點(diǎn)時，負(fù)荷突然增加PL0，由O點(diǎn)跳至A點(diǎn)。,（3）因機(jī)組功率不能及時變動，機(jī)組將減速，頻率將下降。,（4）隨著頻率的下降，負(fù)荷消耗的功率減少，負(fù)荷的功頻特性將沿著新的特性曲線PL下降，由A點(diǎn)向O點(diǎn)移動。由于這種特性是由負(fù)荷本身決定的，因此PL和PL斜率相同。,以上都是針對負(fù)荷來分析，下面針對發(fā)電機(jī)組來分析。,（5）另一方面，根據(jù)離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)原理可知，當(dāng)負(fù)荷增加，頻率下降時，汽輪機(jī)進(jìn)氣量增加、原動機(jī)功率增加，即發(fā)電機(jī)組的功率因調(diào)速器的作用也隨之增加（一次調(diào)頻），所以，隨著頻率的下降，發(fā)電機(jī)組的功頻特性將沿著曲線PG向上移動。,（6）兩者分別沿著圖中箭頭方向移動，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于新的平衡點(diǎn)O。,這就是一次調(diào)頻的整個過程。,下面來分析負(fù)荷功率的增加量是由哪幾部分組成的，由圖可知：,其中，OB是由于頻率下降后發(fā)電機(jī)組的增加量，BA表示負(fù)荷因頻率下降而減少的量。,因此：整個系統(tǒng)的負(fù)荷功率的增大量=發(fā)電機(jī)組功率的增大量-負(fù)荷功率減少量,取功率和頻率的上升為正,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。即系統(tǒng)的負(fù)荷增加或減少，對應(yīng)頻率的下降或增加。,所以，可以通過該系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率，可以求解在已知的允許的頻率偏移范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)能夠承受多大的負(fù)荷增減。,由上可知，系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率取決于兩個方面，即發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率和負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率。,注意：,取功率的增大或頻率的上升為正；KG，KL，Ks本身為正；為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過大或過小的單位調(diào)節(jié)功率；（原因？無法根據(jù)頻率變化確定機(jī)組功率增量。）,實(shí)際的電力系統(tǒng)中，不可能僅僅只有一臺發(fā)電機(jī)組和一個負(fù)荷，而是有好多。假設(shè)系統(tǒng)中有n臺發(fā)電機(jī)組時，并且假設(shè)這n臺機(jī)組全部參與調(diào)整，則：,此時：,另外系統(tǒng)中的n臺發(fā)電機(jī)組很有可能存在有些機(jī)組已經(jīng)滿載的情況，以致它們的調(diào)速器受負(fù)荷限制器的限制不能再參加調(diào)整，這就使得系統(tǒng)中總的發(fā)電機(jī)單位調(diào)節(jié)功率下降。結(jié)論：對于滿載機(jī)組，不再參加調(diào)整。,即：,n臺發(fā)電機(jī)組中，僅有m臺發(fā)電機(jī)組（mKGM,即系統(tǒng)中由于某些機(jī)組因滿載不能參加調(diào)整，致使整個發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的等值單位調(diào)節(jié)功率減小，等值調(diào)差系數(shù)加大。,最后，整個系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率為：,充分理解機(jī)組不能參加調(diào)頻的含義：機(jī)組滿載（空載）不能增加（減少）功率。因此，當(dāng)負(fù)荷增加（減少），滿載（空載）機(jī)組時不能參加調(diào)頻，相應(yīng)其單位調(diào)節(jié)功率為0，調(diào)差系數(shù)為無窮大。,由于系統(tǒng)中有些機(jī)組滿載或空載不能參與調(diào)整，使得Ks不可能很大，因此，用調(diào)速器進(jìn)行的一次調(diào)頻只適用于周期較短、幅度較小的負(fù)荷變動引起的頻率偏移。對于符合變動周期較長，幅度較大的調(diào)頻，則落到了二次調(diào)頻的頭上。,五、二次調(diào)頻,當(dāng)電力系統(tǒng)由于負(fù)荷變化引起的頻率偏移較大，采取一次調(diào)頻尚不能使其保持在允許的范圍內(nèi)時，這時通過二次調(diào)頻才能解決。頻率的二次調(diào)整就是以手動或自動方式調(diào)節(jié)調(diào)頻器平行地移動發(fā)電機(jī)組有功功率-頻率靜態(tài)特性，來改變發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率，使系統(tǒng)的頻率保持在負(fù)荷增長前的水平或使頻率的偏差在允許的范圍之內(nèi)。,頻率的二次調(diào)整過程：,（1）假設(shè)進(jìn)行完一次調(diào)頻后，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于O點(diǎn)，此時頻率下降至fo，功率增至Po。,（2）若此時的f超過系統(tǒng)允許的范圍，則操作發(fā)電機(jī)組調(diào)頻器，起動二次調(diào)頻，再次增加發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率PGo，使發(fā)電機(jī)組有功功頻特性曲線向右平行移動（按照給定的增發(fā)功率PGo來移動）。,（3）這時由于增發(fā)功率，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的增加，那么由于負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)，負(fù)荷吸收的頻率也要增加，相應(yīng)地運(yùn)行點(diǎn)將從O點(diǎn)轉(zhuǎn)移到O點(diǎn)，對應(yīng)的頻率為fo，對應(yīng)的功率為Po。,（4）由圖可清晰的看出，進(jìn)行二次調(diào)頻后，頻率的偏移將由f減小為f，發(fā)電機(jī)供給負(fù)荷的有功功率從Po增至Po，顯然系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量有了提高。,由上述分析可見，當(dāng)一次調(diào)頻和二次調(diào)頻同時進(jìn)行時，系統(tǒng)的負(fù)荷增量PLo是由三部分調(diào)節(jié)功率組成的：,（1）,（3）一次調(diào)整后，即,（2）,所以：,其值為：,其值為：,由此可知，當(dāng)f=0時，即時，即實(shí)現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)。,另外，由上面分析可知，在同樣的負(fù)荷變化情況下，若Ks越大，那么對應(yīng)的頻率偏移范圍將越小，所以我們總是希望具有較大的單位調(diào)節(jié)功率Ks。而Ks=KG+KL，其中，KL又是不能整定的，所以要想調(diào)整Ks，實(shí)際上是調(diào)整發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率KG（或調(diào)差系數(shù)，要較小的）。因此發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行二次調(diào)頻時，系統(tǒng)負(fù)荷的增減變化實(shí)