電力系統(tǒng)有有功功率平衡和頻率調(diào)整

第五章電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率的調(diào)整系統(tǒng)的頻率由系統(tǒng)中的有功功率支配有關(guān)，本章主要內(nèi)容：系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分布和頻率的調(diào)整。第一節(jié)電力系統(tǒng)中的有功功率的平衡其次節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整第一節(jié)電力系統(tǒng)中的有功功率的平衡一、頻率變更對用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響頻率變更的緣由：

頻率變化電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)品質(zhì)量電動機(jī)停轉(zhuǎn)電廠的給水泵停運(yùn)，鍋爐停爐等等由有功負(fù)荷變更引起的我國頻率范圍：500.2Hz發(fā)達(dá)國家（如澳大利亞）：500.1Hz華東電網(wǎng)已達(dá)到：500.1Hz二、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡和備用容量1、有功功率負(fù)荷的變動及其調(diào)整一、變更幅度很小、變更周期較短，負(fù)荷變動有很大的偶然性。二、變更幅度較大、變更周期較長，如電爐。電氣機(jī)床。三、變更緩慢的持續(xù)變動負(fù)荷，如由生產(chǎn)、生活、氣象變更引起的負(fù)荷變動。電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的第一個問題就是探討用戶的需求，即進(jìn)行電力負(fù)荷預(yù)料，依據(jù)調(diào)度支配的周期，可分為日負(fù)荷預(yù)料，周負(fù)荷預(yù)料和年負(fù)荷預(yù)料。不同的周期的負(fù)荷有不同的變更規(guī)律：負(fù)荷預(yù)料的精度干脆影響經(jīng)濟(jì)調(diào)度的效益，提高預(yù)料的精度就可以降低備用容量，削減臨時(shí)出力調(diào)整和避開支配外開停機(jī)組，以利于電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和平安性。

依據(jù)負(fù)荷變更，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；二次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器進(jìn)行；三次調(diào)頻：由調(diào)度部門依據(jù)負(fù)荷曲線進(jìn)行最優(yōu)支配。前兩種是事后的，第三種是事前的。一次調(diào)頻是全部運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)組都可參與的，取決于發(fā)電機(jī)組是否已經(jīng)滿負(fù)荷發(fā)電。這類發(fā)電廠稱為負(fù)荷監(jiān)視廠。二次調(diào)頻是由平衡節(jié)點(diǎn)來擔(dān)當(dāng)。 系統(tǒng)的備用容量：系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分，可分為熱備用和冷備用或負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟(jì)備用等。2、有功功率平衡和備用容量負(fù)荷備用：為滿足系統(tǒng)中短時(shí)的負(fù)荷波動和一天中支配外的負(fù)荷增加而留有的備用容量。一般為系統(tǒng)最大負(fù)荷的2％～5％國名經(jīng)濟(jì)備用：考慮到工農(nóng)業(yè)用戶超支配生產(chǎn)，新用戶的出現(xiàn)等而設(shè)置的備用容量。一般為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3％～5％事故備用：為使電力用戶在發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時(shí)不受嚴(yán)峻影響，能夠維持系統(tǒng)正常供電所需的備用容量。一般為系統(tǒng)最大負(fù)荷的5％～10％檢修備用：為保證系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備進(jìn)行定期檢修時(shí)，不影響供電而在系統(tǒng)中留有的備用容量。3、各類發(fā)電廠的特點(diǎn)及合理組合水電廠、火電廠、核電廠（一）各類電廠的特點(diǎn)（自學(xué)）（二）各類發(fā)電廠的合理組合有功功率的最優(yōu)支配，包括有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負(fù)荷的最優(yōu)支配。4、有功功率的最優(yōu)支配有功功率電源的最優(yōu)組合：是指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠的合理組合。通常所說的機(jī)組的合理開停，大體上包括三個部分：機(jī)組的最優(yōu)組合依次機(jī)組的最優(yōu)組合數(shù)量機(jī)組的最優(yōu)開停時(shí)間(1).有功功率電源的最優(yōu)組合最優(yōu)化：是指人們在生產(chǎn)過程或生活中為某個目的而選擇的一個“最好”方案或一組“得力”措施以取得“最佳”效果這樣一個宏觀過程。有功功率負(fù)荷的最優(yōu)支配：是指系統(tǒng)的有功功率負(fù)荷在各個正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理支配。其核心是按等耗量微增率準(zhǔn)則進(jìn)行支配。電力系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行：是電力系統(tǒng)分析的一個重要分支，它所探討的問題主要是在保證用戶用電需求（負(fù)荷）的前提下，如何優(yōu)化地調(diào)度系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)組或發(fā)電廠的運(yùn)行工況，從而使系統(tǒng)發(fā)電所需的總費(fèi)用或所消耗的總?cè)剂虾牧窟_(dá)到最小這樣決策問題。(2).有功功率負(fù)荷的最優(yōu)支配有功功率負(fù)荷合理支配的目標(biāo)在滿足確定約束條件的前提下，盡可能節(jié)約消耗的能源。1).耗量特性PGF，W0PGF，W0FPmPG0合理組合發(fā)電設(shè)備的方法之一就是依據(jù)最小比耗量由小到大的依次，隨負(fù)荷的由小到大增加，逐套投入發(fā)電設(shè)備；或負(fù)荷的由大到小，逐套退動身電設(shè)備。2)目標(biāo)函數(shù)和約束條件在確定約束條件下，使某一目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu)。約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是狀態(tài)變量x、限制變量u、擾動變量d的非線性函數(shù)。有功負(fù)荷最優(yōu)支配的目的：在供應(yīng)同樣大小的有功功率的前提下，單位時(shí)間內(nèi)的能源消耗最少。注：對于純火電系統(tǒng)，發(fā)電廠的燃料費(fèi)用主要與發(fā)電機(jī)輸出的有功功率有關(guān)，與輸出的無功功率及電壓等運(yùn)行參數(shù)關(guān)系較小。

目標(biāo)函數(shù)：系統(tǒng)發(fā)電所需的總費(fèi)用或所消耗的總?cè)剂虾牧康燃s束條件：有功功率必需保持平衡不等約束條件：為系統(tǒng)的運(yùn)行限制各節(jié)點(diǎn)發(fā)電設(shè)備有功功率,無功功率和電壓大小不能超過限額。

一般用拉格朗日乘數(shù)法?，F(xiàn)用兩個發(fā)電廠之間的經(jīng)濟(jì)調(diào)度來說明問題，略去網(wǎng)絡(luò)損耗。建立數(shù)學(xué)模型。3)最優(yōu)支配負(fù)荷時(shí)的等耗量微增率準(zhǔn)則依據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和等約束條件建立一個新的、不受約束的目標(biāo)函數(shù)——拉格朗日函數(shù)。對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到最小值時(shí)應(yīng)有的三個條件：（1）求解（1）得到：這就是著名的等耗量微增率準(zhǔn)則，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)電廠之間支配負(fù)荷。對不等式約束進(jìn)行處理對于有功功率限制，當(dāng)計(jì)算完后發(fā)覺某發(fā)電設(shè)備越限，則該發(fā)電設(shè)備取其限制，不參與最優(yōu)支配計(jì)算，而其他發(fā)電設(shè)備重新進(jìn)行最優(yōu)支配計(jì)算。無功功率和電壓限制和有功功率負(fù)荷的支配沒有干脆關(guān)系，可短暫不計(jì)，當(dāng)有功功率負(fù)荷的最優(yōu)支配完成后計(jì)算潮流分布在考慮。2.已知兩臺機(jī)組并聯(lián)共同向一負(fù)荷供電，它們的耗量特性分別為F1＝a1＋8P1＋0.004P12t/h，F(xiàn)2＝a2＋6P2＋0.0045P22t/h，120MW《P1《400MW，120MW《P2《400MW，求當(dāng)負(fù)荷功率PL＝420MW時(shí)，負(fù)荷的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)支配。概述頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行的一個重要的質(zhì)量指標(biāo)，干脆影響著負(fù)荷的正常運(yùn)行。負(fù)荷要求頻率的偏差一般應(yīng)限制在（±0.2～±0.5）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)必需具有充裕的可調(diào)有功電源。其次節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整頻率不穩(wěn)定給運(yùn)行中的電氣設(shè)備帶來的危害：對用戶的影響產(chǎn)品質(zhì)量降低生產(chǎn)率降低對發(fā)電廠的影響汽輪機(jī)葉片諧振輔機(jī)功能下降

對系統(tǒng)的影響互聯(lián)電力系統(tǒng)解列發(fā)電機(jī)解列一、電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率－－頻率的靜態(tài)特性二、發(fā)電機(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性三、頻率的一次調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整一、電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率－－頻率的靜態(tài)特性當(dāng)電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中的有功負(fù)荷隨頻率變更特性稱為負(fù)荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性。fPL0PLNfN二、發(fā)電機(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性（一）自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)整是由原動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。（二）發(fā)電機(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性fPG0PGNfNf0概念介紹：發(fā)電機(jī)的單位調(diào)整功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系(倒數(shù)關(guān)系)：2、機(jī)組的調(diào)差系數(shù)fPG0PGNfNf0一般來說發(fā)電機(jī)的單位調(diào)整功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機(jī)組=3％～5%或＝33.5－20水輪發(fā)電機(jī)組=2％～4%或＝50－25三、頻率的一次調(diào)整簡述：由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率不能剛好變動而使機(jī)組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時(shí)，發(fā)電機(jī)組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷功率因其本身的調(diào)整效應(yīng)而削減，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，達(dá)到新的平衡。KS：稱為系統(tǒng)的單位調(diào)整功率，單位Mw/Hz。表示原動機(jī)調(diào)速器和負(fù)荷本身的調(diào)整效應(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。fP0P0f0f0’p0’PLpL’oAo‘BB’A`KS：系統(tǒng)的單位調(diào)整功率可以求取在允許范圍內(nèi)電力系統(tǒng)能夠承受多大的負(fù)荷增減。KS越大，電力系統(tǒng)承受負(fù)荷變更越大。例題1：電力系統(tǒng)總負(fù)荷為3000MW，＝1.5，正常運(yùn)行時(shí)f＝50Hz，假定此時(shí)系統(tǒng)全部發(fā)電機(jī)均滿載，若因故障失去300MW的出力，求系統(tǒng)f降到什么數(shù)值？

例題2：某一容量為100MW的發(fā)電機(jī)，調(diào)差系數(shù)為4％，當(dāng)系統(tǒng)頻率為50Hz的時(shí)候，發(fā)電機(jī)的出力為60MW，若系統(tǒng)的頻率下降到49.5Hz時(shí)，發(fā)電機(jī)的出力時(shí)多少？

四、頻率的二次調(diào)整1、當(dāng)負(fù)荷變動幅度較大（0.5%~1.5%），周期較長（幾分鐘），僅靠一次調(diào)頻作用不能使頻率的變更保持在允許范圍內(nèi)，這時(shí)須要調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)頻器動作，以使發(fā)電機(jī)組的功頻特性平行移動，從而變更發(fā)電機(jī)的有功功率以保持系統(tǒng)頻率不變或在允許范圍內(nèi)。B2、當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，由以下三方面供應(yīng)：二次調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率發(fā)電機(jī)組執(zhí)行一次調(diào)頻，按有差特性的調(diào)差系數(shù)支配而增發(fā)的功率；由系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)整效應(yīng)所削減的負(fù)荷功率。BBB假如，則，就實(shí)現(xiàn)了所謂的無差調(diào)整二次調(diào)整時(shí)，電力系統(tǒng)的負(fù)荷增量基本上要由主調(diào)頻機(jī)組擔(dān)當(dāng)，假如一臺主調(diào)頻機(jī)組不足以擔(dān)當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷變更時(shí)，必需增選一些機(jī)組參與二次調(diào)頻。五、互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整由幾個地區(qū)系統(tǒng)互聯(lián)為一個大系統(tǒng)的狀況，對某一個地區(qū)系統(tǒng)而言，負(fù)荷