電力系統(tǒng)分析第五章

第五章電力系統(tǒng)有功功率的平衡和

頻率調(diào)整第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡第二節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整第一頁，共四十七頁。第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡

一、頻率變化對(duì)用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響

系統(tǒng)頻率的變化將引起工業(yè)用戶的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，這將影響產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)頻率降低，使電動(dòng)機(jī)有功功率降低，將影響所有的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的出力。頻率的不穩(wěn)定，將會(huì)影響電子設(shè)備的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)頻率的變化，對(duì)發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)本身也十分有害。發(fā)電廠的廠用機(jī)械多使用異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，系統(tǒng)頻率降低使電動(dòng)機(jī)出力降低，若頻率降低過多，將使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)引起嚴(yán)重后果。

第二頁，共四十七頁。

頻率變化的原因?頻率變化對(duì)負(fù)荷的影響

(1)異步機(jī)(2)電子設(shè)備(3)電鐘頻率變化對(duì)電力系統(tǒng)的影響

(1)水泵、風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī) (2)汽輪機(jī)的葉片 (3)變壓器的勵(lì)磁頻率允許偏移的范圍：50Hz±(0.2~0.5)Hz

系統(tǒng)中負(fù)荷的變化你答對(duì)了嗎?第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡

第三頁，共四十七頁。有功功率負(fù)荷變動(dòng)曲線第四頁，共四十七頁。有功功率負(fù)荷變動(dòng)曲線

據(jù)此圖,負(fù)荷可以分為三種:

第一種變動(dòng)幅度很小，周期又很短。

變動(dòng)有很大的偶然性

屬于這一種的主要有電爐、壓延機(jī)械、電氣機(jī)車等帶有沖擊性的負(fù)荷

這一種是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動(dòng)

第二種變動(dòng)幅度較大，周期也較長.

第三種變動(dòng)幅度最大，周期也最長.該種負(fù)荷基本可以預(yù)計(jì)。第五頁，共四十七頁。據(jù)此,頻率調(diào)整一次調(diào)整:由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行的對(duì)第一種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移的調(diào)整

二次調(diào)整:由發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器進(jìn)行的、對(duì)第二種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移的調(diào)整

三次調(diào)整:按最優(yōu)化準(zhǔn)則分配第三種有規(guī)律變動(dòng)的負(fù)荷，即責(zé)成各發(fā)電廠按事先給定的發(fā)電荷曲線發(fā)電。第六頁，共四十七頁。有功功率平衡和備用容量電力系統(tǒng)中，在任何時(shí)候，所有發(fā)電廠發(fā)出的有功功率的總和，而包括所有用戶的有功功率、所有發(fā)電廠廠用電有功負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)的有功損耗，即為保證可靠供電和良好的電能質(zhì)量，電力系統(tǒng)的有功功率平衡額定運(yùn)行參數(shù)下確定。而且，還應(yīng)具有一定的備用容量，也就是在系統(tǒng)最大負(fù)荷情況下，系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分稱系統(tǒng)的備用容量。系統(tǒng)備用容量一般分負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟(jì)備用等。第七頁，共四十七頁。（1）負(fù)荷備用：是指調(diào)整系統(tǒng)中短時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)并擔(dān)負(fù)計(jì)劃外的負(fù)荷增加而設(shè)置的備用。負(fù)荷備用容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并考慮系統(tǒng)中各類用電的比重確定。一般為最大負(fù)荷的2％一5％，大系統(tǒng)采用較小數(shù)值，小系統(tǒng)采用較大數(shù)值（2）事故備用：是使電力用戶在發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然性事故時(shí)不受嚴(yán)重影響，維持系統(tǒng)正常供電所需的備用。事故備用容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)容量、發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)、單位機(jī)組容量、機(jī)組的事故概率、系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)等確定，—般約為最大負(fù)荷的5％一10％，但不得小于系統(tǒng)中最大機(jī)組的容量。第八頁，共四十七頁。（3）檢修備用：為保證系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備進(jìn)行定期檢修時(shí)，不致影響供電而在系統(tǒng)中留有的備用容量。所以發(fā)電設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間以后，都必須進(jìn)行檢修。檢修分大修和小修。一般大修時(shí)分批分期安排在一年中最小負(fù)荷季節(jié)進(jìn)行。小修則利用節(jié)假日進(jìn)行，以盡量減少因檢修停機(jī)所需的備用容量。（4）國民經(jīng)濟(jì)備用：是考慮到工農(nóng)業(yè)用戶的超計(jì)劃生產(chǎn)，新用戶的出現(xiàn)等而設(shè)置的備用容量，其值根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)的增長情況而確定，一般約為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%—5%

負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用、國民經(jīng)濟(jì)備用歸納起來以熱備用和冷備用的形式存在于系統(tǒng)中。而不難想見，熱備用中至少應(yīng)包括全部負(fù)荷備用和一部分事故備用第九頁，共四十七頁。按存在形式分為兩者差一個(gè)網(wǎng)損兩者差一個(gè)廠用電

熱備用:運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率與發(fā)電負(fù)荷之差(旋轉(zhuǎn)備用)冷備用:未運(yùn)轉(zhuǎn)的、但能隨時(shí)啟動(dòng)的發(fā)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(fù)荷的分類:

1.用電負(fù)荷2.供電負(fù)荷3.發(fā)電負(fù)荷第十頁，共四十七頁。電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配有功功率的最優(yōu)分配:有功功率電源的最優(yōu)組合

即指系統(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(jī)組合理開停.有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配

即指系統(tǒng)的有功功率負(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.最常用的是按等耗量微增率準(zhǔn)則分配.第十一頁，共四十七頁。火電廠外景第十二頁，共四十七頁。各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)和合理組合(1)火電廠特點(diǎn)：需燃料及運(yùn)輸費(fèi)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(jī)最小技術(shù)負(fù)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(jī)組投入退出，承擔(dān)急劇負(fù)荷響應(yīng)時(shí)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(fù)荷取決于熱負(fù)荷，為強(qiáng)迫功率第十三頁，共四十七頁。豐滿水電廠外景第十四頁，共四十七頁。(2)水電廠特點(diǎn)：不要燃料費(fèi)，水力可梯級(jí)開發(fā)，連續(xù)使用，但受自然條件影響。出力調(diào)節(jié)范圍大，50%以上,增減負(fù)荷速度快，操作容易，可承擔(dān)急劇變化的負(fù)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(jī)組（天荒坪6×30萬千瓦）必須與火電配合維持航運(yùn)、灌溉、需一定水量，對(duì)應(yīng)強(qiáng)迫功率第十五頁，共四十七頁。秦山核電站外景第十六頁，共四十七頁。(3)核電廠特點(diǎn)：可調(diào)容量大，退、投、增、減負(fù)荷消耗能量、時(shí)間，易損壞設(shè)備一次投資大，運(yùn)行費(fèi)低，盡量利用承擔(dān)基本負(fù)荷應(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(fù)調(diào)頻任務(wù).第十七頁，共四十七頁。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):第十八頁，共四十七頁。洪水季節(jié):第十九頁，共四十七頁。最優(yōu)分配負(fù)荷的目標(biāo)函數(shù)和約束條件1.耗量特性:發(fā)電設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出的有功功率的關(guān)系。如圖所示:比耗量:單位時(shí)間內(nèi)輸入能量與輸出功率之間的比值.耗量微增率:耗量特性曲線上某點(diǎn)切線的斜率

第二十頁，共四十七頁。2.目標(biāo)函數(shù)和約束條件目標(biāo)函數(shù)

有功負(fù)荷最優(yōu)分配的目的：在供應(yīng)同樣大小負(fù)荷用功功率的前提下，單位時(shí)間內(nèi)的能源消耗最少。這里的目標(biāo)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(shí)單位時(shí)間內(nèi)所需消耗的能源。等式約束條件第二十一頁，共四十七頁。不計(jì)網(wǎng)絡(luò)損耗時(shí)，上式可改寫為:

不等式條件各節(jié)點(diǎn)發(fā)電設(shè)備有功功率、無功功率和電壓大小不得逾越的限額:第二十二頁，共四十七頁。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)第二十三頁，共四十七頁。

以兩臺(tái)機(jī)為例

目標(biāo)函數(shù):

等式約束條件:

等耗量微增率準(zhǔn)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(fù)荷。第二十四頁，共四十七頁。根據(jù)等耗量微增率準(zhǔn)則得:

進(jìn)而可以求得.對(duì)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(jī)組間重新按等耗量微增率原則分配.第二十五頁，共四十七頁。等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣應(yīng)用實(shí)踐中:由于能源消耗受限制

有功功率負(fù)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)度的約束第二十六頁，共四十七頁。

上式中用小的時(shí)間段這和來表示積分效果，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(fù)荷的分配局限于一個(gè)火電一個(gè)水力發(fā)電設(shè)備之間，并略去網(wǎng)損。同理由:新的拉格朗日函數(shù):第二十七頁，共四十七頁。

得:若時(shí)間段取的很短,則可將式中的下標(biāo)“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(gè)待定的拉格朗日乘數(shù)，就可將等耗量微增率準(zhǔn)則應(yīng)用到火力發(fā)電廠與水力發(fā)電廠之間負(fù)荷的最優(yōu)分配。即水煤轉(zhuǎn)換系數(shù)第二十八頁，共四十七頁。網(wǎng)損的修正等式約束條件修正為：

第二十九頁，共四十七頁。式中為網(wǎng)損微增率(靈敏度)

第三十頁，共四十七頁。第二節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、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(shí)，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)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中有功負(fù)荷隨頻率的變化特性稱為負(fù)荷的有功功率-頻率靜態(tài)特性。電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的有功功率與頻率的關(guān)系用數(shù)學(xué)式表示為式中，為電力系統(tǒng)頻率為時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷，為電力系統(tǒng)頻率為額定值時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷，為上述有功負(fù)荷占的百分?jǐn)?shù)。第三十一頁，共四十七頁。負(fù)荷的頻率特性負(fù)荷從電網(wǎng)中取用有功功率與電網(wǎng)頻率的關(guān)系如圖:

其標(biāo)么值為：負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性

負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率(單位)不能整定第三十二頁，共四十七頁。二、發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性1、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)第三十三頁，共四十七頁。二、發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性1、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)第三十四頁，共四十七頁。概念介紹發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)或電源頻率特性的斜率。

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。2、發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性第三十五頁，共四十七頁。發(fā)電機(jī)是調(diào)差系數(shù)：單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：一般來說發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機(jī)組=3~5或=33.3~20水輪發(fā)電機(jī)組=2~4或=50~25第三十六頁，共四十七頁。負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率：綜合負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性的斜率。一般而言：第三十七頁，共四十七頁。電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻（調(diào)速器作用）初始運(yùn)行點(diǎn)O，當(dāng)負(fù)荷增加則:

系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率系數(shù)第三十八頁，共四十七頁。

一次調(diào)頻為有差調(diào)頻。n臺(tái)發(fā)電機(jī)：n臺(tái)都參加一次調(diào)整：

只有m臺(tái)參加一次調(diào)整：當(dāng)發(fā)電機(jī)滿載時(shí)，負(fù)荷功率增大，則相當(dāng)于為0,但當(dāng)負(fù)荷功率減小時(shí)，，所以仍可以參加調(diào)頻。第三十九頁，共四十七頁。電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻:手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)頻器使發(fā)電機(jī)

組的頻率特性平行的上下移動(dòng)．初始運(yùn)行點(diǎn)O，當(dāng)負(fù)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)整第四十頁，共四十七頁。

n臺(tái)機(jī)組：第n臺(tái)參加二次調(diào)頻，n臺(tái)全部參加一次調(diào)頻:無差調(diào)頻:若,即發(fā)電機(jī)如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量,亦即實(shí)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。第四十一頁，共四十七頁。調(diào)頻廠的選擇

調(diào)頻廠須滿足的條件：調(diào)整的容量應(yīng)足夠大；調(diào)整的速度應(yīng)足夠快；調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能應(yīng)該好；注意系統(tǒng)內(nèi)及互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。通過分析各種電廠的特點(diǎn)，調(diào)頻廠的選擇原則為：系統(tǒng)中有水電廠時(shí)，選擇水電廠做調(diào)頻廠；當(dāng)水電廠不能做調(diào)頻廠時(shí)，選擇中溫中壓火電廠做調(diào)頻廠。第四十二頁，共四十七頁。多機(jī)系統(tǒng)的頻率調(diào)整多機(jī)系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)，帶調(diào)速器的機(jī)組，只要有可調(diào)容量，都參加一次調(diào)整。二次調(diào)整由少數(shù)機(jī)組(廠)承擔(dān)——主調(diào)頻機(jī)組(廠)，負(fù)荷增量主要由它們承擔(dān)，可依次分為第一、第二、……調(diào)頻機(jī)(廠)主調(diào)頻廠一般在負(fù)荷中心，要求：(1)有足夠可調(diào)容量； (2)有一定調(diào)整速度； (3)調(diào)整時(shí)能符合安全、經(jīng)濟(jì)的要求； (4)一般選水電廠、中溫中壓火電廠。 (5)主調(diào)頻廠起全系統(tǒng)功率平衡的作用，可作平衡節(jié)點(diǎn)第四十三頁，共四十七