華北電力大學(xué)課程-電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)(第五章)課件

NorthChinaElectricPowerUniversity電力工程系DepartmentofElectricalEngineering電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)PowerSystemAnalysisBasis

（五）任建文NorthChinaElectricPowerUni第五章電力系統(tǒng)的有功率和頻率調(diào)整本章主要內(nèi)容：1.概述：頻率變化的影響及和有功功率的關(guān)系

2.目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性：最優(yōu)分配的模型

4.電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性

3.有功功率的最優(yōu)分配各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)和合理組合不計(jì)網(wǎng)損時(shí)水、火電廠間的經(jīng)濟(jì)功率分配計(jì)網(wǎng)及損時(shí)各發(fā)電廠間的經(jīng)濟(jì)功率分配互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整頻率的一、二次調(diào)整

5.電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整第五章電力系統(tǒng)的有功率和頻率調(diào)整本章主要內(nèi)容：1.概述：頻第一節(jié)概述電能質(zhì)量頻率—頻率調(diào)整，允許+0.2HZ+0.5HZ波形—抑制諧波一、電力系統(tǒng)頻率變化的影響電壓—電壓控制，允許+5%對(duì)用戶異步電機(jī)—轉(zhuǎn)速與頻率有關(guān)，出殘次品電子儀器的準(zhǔn)確性受影響頻率降低—機(jī)床傳動(dòng)出力降低對(duì)電廠和系統(tǒng)異步電機(jī)(給水泵、風(fēng)機(jī))—出力與頻率降低、停轉(zhuǎn)汽輪機(jī)低壓葉片共振、斷裂電機(jī)與變壓器勵(lì)磁電流增大—無功損耗增大電壓降低第一節(jié)概述電能質(zhì)量頻率—頻率調(diào)整，允許+0.2HZ+第一節(jié)概述二、電力系統(tǒng)頻率與有功功率緊密相關(guān)頻率—由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定負(fù)荷變化穩(wěn)態(tài)時(shí)：MT=

ME，f=0轉(zhuǎn)速與其軸上的轉(zhuǎn)矩平衡有關(guān)MT：原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩ME：發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩MT：由于慣性大變化慢ME：有功負(fù)荷變化快產(chǎn)生瞬時(shí)不平衡轉(zhuǎn)矩不平衡發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化頻率變化(+0.2HZ+0.5HZ)第一節(jié)概述二、電力系統(tǒng)頻率與有功功率緊密相關(guān)頻率—由發(fā)第一節(jié)概述三、有功功率負(fù)荷的變化及其調(diào)整第一種負(fù)荷特點(diǎn)負(fù)荷變化頻率變化幅值小頻率高周期短原因小負(fù)荷小操作調(diào)整：一次調(diào)頻(調(diào)速器)負(fù)荷性質(zhì)調(diào)頻方式負(fù)荷分解：P=P1+P2+P3第一節(jié)概述三、有功功率負(fù)荷的變化及其調(diào)整第一種負(fù)荷特點(diǎn)第一節(jié)概述第二種負(fù)荷特點(diǎn)：幅值較大、頻率較低原因：沖擊性、間歇性負(fù)荷調(diào)整：二次調(diào)頻(調(diào)頻器)第三種負(fù)荷特點(diǎn)：幅值很大、變化緩慢原因：生產(chǎn)、生活及氣象等 條件引起調(diào)整：經(jīng)濟(jì)分配第一節(jié)概述第二種負(fù)荷特點(diǎn)：幅值較大、頻率較低原因：沖擊第一節(jié)概述四、有功功率電源及備用容量系統(tǒng)有功功率平衡：PG=PL+P總裝機(jī)容量：所有發(fā)電機(jī)的額定 容量之和系統(tǒng)電源容量：可投入發(fā)電設(shè)備 的可發(fā)功率之和系統(tǒng)備用容量：系統(tǒng)電源容量大 于發(fā)電負(fù)荷部分，一般占 最大發(fā)電負(fù)荷的15%--20%第一節(jié)概述四、有功功率電源及備用容量系統(tǒng)有功功率平衡：第一節(jié)概述最大發(fā)電負(fù)荷：PM

=PLmax+Pmax總裝機(jī)容量備用容量負(fù)荷備用（2%--5%）—負(fù)荷波動(dòng)、計(jì)劃外負(fù)荷事故備用（5%--10%）—不影響供電，不少于一 臺(tái)最大機(jī)組的容量檢修備用（4%--5%）—適時(shí)安排國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用（3%--5%）—超產(chǎn)及新負(fù)荷出現(xiàn)一般總備用—（15%--20%）PM

熱備用負(fù)荷備用部分事故備用冷備用檢修備用部分事故備用國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用只有擁有適當(dāng)?shù)膫溆萌萘坎拍苓M(jìn)行最優(yōu)分配及頻率調(diào)整第一節(jié)概述最大發(fā)電負(fù)荷：PM=PLmax+第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性數(shù)學(xué)最優(yōu)問題——目標(biāo)函數(shù)求極值問題經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的——機(jī)組分?jǐn)傌?fù)荷，使總的能源消耗最低機(jī)組耗量特性——機(jī)組效率的體現(xiàn)等微增率準(zhǔn)則——經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的依據(jù)一、目標(biāo)函數(shù)和約束條件在滿足 （等約束條件）（不等約束條件）的限制下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值X—狀態(tài)變量，u—控制變量，d—擾動(dòng)變量第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性數(shù)學(xué)最優(yōu)問題——目標(biāo)函數(shù)求第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性等約束條件——功率平衡:不等約束條件——功率限制:目標(biāo)函數(shù)——燃料損耗應(yīng)用于電力系統(tǒng)——經(jīng)濟(jì)運(yùn)行第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性等約束條件——功率平衡:不第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性二、發(fā)電機(jī)組的耗量特性

發(fā)電機(jī)組在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出的有功功率的關(guān)系——耗量特性第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性二、發(fā)電機(jī)組的耗量特性第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性比耗量：直線的斜率微增率：切線的斜率值越小，效率越高與PG的關(guān)系可用耗量微增率曲線表示一般iI當(dāng)i=i時(shí)i最小第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性比耗量：直線的斜率微增率：第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性假設(shè)：發(fā)電廠內(nèi)多臺(tái)機(jī)組并列向負(fù)荷供電（Ph)思路：建立新的不受約束的目標(biāo)函數(shù)——拉格朗日函數(shù)三、等耗量微增率準(zhǔn)則等約束條件：不等約束條件：目標(biāo)函數(shù)：第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性假設(shè)：發(fā)電廠內(nèi)多臺(tái)機(jī)組并列第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性燃料最省求L函數(shù)的極小值結(jié)論使L函數(shù)極小的必要條件是耗量曲線是上凹曲線，存在極小值按各機(jī)組等微增率分配發(fā)電功率從而第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性燃料最省求L函數(shù)的極第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性物理意義：只有B1，B2兩點(diǎn)的切 線平行時(shí)，兩點(diǎn)間的距離 最短，及微增率相等時(shí)， 總消耗最小1、如兩臺(tái)則應(yīng)增加PG1—等量降低PG2增加的燃料消耗小于減少的燃料消耗，總的在降第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性物理意義：只有B1，B2兩第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性例：兩臺(tái)機(jī)組兩臺(tái)機(jī)組PGimax=100MW,PGimin=20MW;Ph=150MW,試求最優(yōu)分配解：若按1=22、數(shù)值解法Ph

=PG1+

PG2PG1=90MWPG2=60MW第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性例：兩臺(tái)機(jī)組兩臺(tái)機(jī)組PGi第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性3、圖形解法（1）作綜合微增率曲線（2）某一臺(tái)功率越限時(shí)，取極限值第二節(jié)目標(biāo)函數(shù)與機(jī)組耗量特性3、圖形解法（1）作綜合微第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配1、各類發(fā)電廠的特點(diǎn)一、各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)和合理組合支付燃料費(fèi)用技術(shù)最小負(fù)荷鍋爐25%—70%汽機(jī)10%—15%承擔(dān)急劇變化負(fù)荷時(shí)與投、退相似，額外耗能、費(fèi)時(shí)效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)高溫高壓：效率高、調(diào)節(jié)范圍小中溫中壓：較前著低、但調(diào)節(jié)范圍大低溫低壓：指標(biāo)最差、不用于調(diào)節(jié)熱電廠：抽氣供熱，效率最高，有不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫功率火電廠第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配1、各類發(fā)電廠的特點(diǎn)一、各類第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配綜合利用水能——有強(qiáng)迫功率技術(shù)最小負(fù)荷——?jiǎng)恿φ{(diào)整范圍寬，達(dá)50%以上承擔(dān)急劇變化負(fù)荷時(shí)與投、退相似—不額外耗能、費(fèi)時(shí)抽水蓄能運(yùn)行成本低，調(diào)節(jié)方式水電廠水頭低時(shí)達(dá)不到額定出力無調(diào)節(jié)水庫日、月、年、多年調(diào)節(jié)水庫原子能電廠最小負(fù)荷取決于汽輪機(jī)10%—15%投、退、負(fù)荷急劇變化時(shí)耗能、費(fèi)時(shí)，易于損壞設(shè)備廠一次投資大、運(yùn)行費(fèi)用小第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配綜合利用水能——有強(qiáng)迫功率技第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配原則充分利用水資源，盡量避免棄水降低火力發(fā)電的單位煤耗—用高溫高壓大機(jī)組降低火力發(fā)電的成本—增加燃用劣質(zhì)煤、當(dāng)?shù)孛?、各類發(fā)電廠的合理組合第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配原則充分利用水資源，盡量避免第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配1、目標(biāo)二、不計(jì)網(wǎng)損時(shí)水、火電廠間的經(jīng)濟(jì)功率分配設(shè)：n個(gè)火電廠Fi(P)—火電廠耗量特性m個(gè)水電廠Qj(P)—水電廠耗量特性在0T時(shí)間內(nèi)等約束條件功率平衡：用水量：目標(biāo)函數(shù)：第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配1、目標(biāo)二、不計(jì)網(wǎng)損時(shí)水、火第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配2、泛函條件極值問題—變分法求解，分段處理等約束條件目標(biāo)函數(shù)：拉格朗日函數(shù)L中的變量為Pik,Pjk,k,j；共有(n+m+1)s+m個(gè)第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配2、泛函條件極值問題—變分法第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配對(duì)其求偏導(dǎo)并令=0水煤換算系數(shù)1m3水量相當(dāng)于j噸煤的消耗豐水期小，枯水期大第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配對(duì)其求偏導(dǎo)水煤換算系數(shù)1m3第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配

水、火電廠之間的經(jīng)濟(jì)分配仍按等微增率原則分配，只不過，水電廠微增率乘一個(gè)j后分配， 水電廠在一定時(shí)間內(nèi)可消耗水量越多，單位重量燃料可折換的水量越大，j

從而jH也越小，水電廠 應(yīng)分配更多負(fù)荷

由于j事先未知，須假設(shè)j的初值，分配計(jì)算求出各段負(fù)荷，然后計(jì)算出T時(shí)間內(nèi)的用水量3、物理解釋：4、計(jì)算：與Wj比較結(jié)束計(jì)算增大j0

，重復(fù)計(jì)算減小j0

，重復(fù)計(jì)算第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 水、火電廠之間的經(jīng)濟(jì)分配仍第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配三、計(jì)及網(wǎng)損時(shí)水、火電廠間的經(jīng)濟(jì)功率分配設(shè)：n個(gè)火電廠Fi(P)—火電廠耗量特性m個(gè)水電廠Qj(P)—水電廠耗量特性在0T時(shí)間內(nèi)等約束條件功率平衡：用水量：目標(biāo)函數(shù)：第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配三、計(jì)及網(wǎng)損時(shí)水、火電廠間的第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配拉格朗日函數(shù)對(duì)其求偏導(dǎo)并令=0第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配拉格朗日函數(shù)對(duì)其求偏導(dǎo)第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配網(wǎng)損微增率的物理意義：某發(fā)電廠所發(fā)功率的變化引起的網(wǎng)路總損耗的變化——阻抗矩陣法第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配網(wǎng)損微增率第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配作業(yè)：1、某火電廠裝設(shè)兩套發(fā)電設(shè)備

F1=2+0.2PG1+0.001PG12 (t/h) F2=4+0.2PG2+0.002PG22 (t/h)PG1max=PG2max=200MWPG1min=PG2min=50MW

試求Ph=300MW時(shí)，負(fù)荷的最優(yōu)分配方案。2、兩電廠供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在某負(fù)荷下，1=6.6/MWh，2=7.2元/MWh，如果系統(tǒng)的負(fù)荷稍微增大1MW，則全系統(tǒng)的燃料費(fèi)用增加8.2元/h，求兩電廠的線路損耗微增率。第三節(jié)電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配作業(yè)：1、某火電廠裝設(shè)兩套發(fā)第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性一、負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性1、定義：負(fù)荷與用戶的生產(chǎn)狀態(tài)有關(guān)與頻率無關(guān) —照明、電爐等與接入點(diǎn)系統(tǒng)電壓有關(guān)與系統(tǒng)頻率有關(guān)——僅考慮頻率因素假設(shè)不變2、負(fù)荷性質(zhì)：與頻率的一次方成正比 —球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等與頻率的二次方成正比 —變壓器的渦流損耗等與頻率的三次方成正比 —通風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵等與頻率的高次方成正比 —靜水頭阻力大的給水泵第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性一、負(fù)荷的頻率靜態(tài)特第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性

在(49.5~50.5HZ)之間，kh*近似為一條直線，大致為1.5(在1~3之間)第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性在(49.5~第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性二、發(fā)電機(jī)的功率—頻率靜態(tài)特性1、定義：發(fā)電機(jī)組的有功功率與頻率之間的關(guān)系2、調(diào)速器的工作原理（1）、正常運(yùn)轉(zhuǎn)PE=PTA-B-C（2）、PLPEPEPTA”-B-C’PE=PTA’-B’-C’（3）、有差調(diào)節(jié)BB’，AA’3、調(diào)頻器的工作原理第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性二、發(fā)電機(jī)的功率—頻第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性4、電源的有功功率—頻率靜態(tài)特性（1）、無調(diào)速系統(tǒng)時(shí):PT=c1f-c2f2（2）、有調(diào)速系統(tǒng)時(shí)第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性4、電源的有功功率—第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性4、電源的有功功率—頻率靜態(tài)特性（3）、有調(diào)頻器時(shí)第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性4、電源的有功功率—第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性（4）、發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率及調(diào)差系數(shù)汽輪機(jī)組：%=3—5或KG*=33.3—20水輪機(jī)組：%=2—4或KG*=50—25第四節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性（4）、發(fā)電機(jī)的單位第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、頻率的一次調(diào)整負(fù)荷增加PL0時(shí)調(diào)速器動(dòng)作，頻率降低增加PG=-kG

f負(fù)荷本身由于頻率降低，減少了PL=kL

fPL0+PL=PG第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、頻率的一次調(diào)整負(fù)荷增加第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整PL0=PG-PL=-kG

f-kL

f=-(kG+kL)

f=-ks

fks——系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率1、臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)2、希望

f小，則增加kG（即減小），太小，變動(dòng)量無法固定分配，不能穩(wěn)定工作3、由于ks不能整定得很大，故一次調(diào)頻只適應(yīng)周期短、幅值小的負(fù)荷變動(dòng),并且是有差調(diào)節(jié)增加發(fā)電機(jī)組，可增大kG，但不經(jīng)濟(jì)第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整PL0=PG-PL=第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整二、頻率的二次調(diào)整平移發(fā)電機(jī)的功頻特性——達(dá)到調(diào)頻目的1、調(diào)頻廠的選擇（主、輔調(diào)頻廠）機(jī)組要有足夠的調(diào)節(jié)能力及范圍要有較快的調(diào)節(jié)速度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水電廠原則調(diào)節(jié)50%速度快枯水期，充分利用水量火電廠水電廠容量不足時(shí)，高—30%，中—70%豐水期靠近負(fù)荷中心，中溫、中壓機(jī)組不距負(fù)荷中心遠(yuǎn)時(shí)第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整二、頻率的二次調(diào)整平移發(fā)電機(jī)的功頻第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整只有一次調(diào)節(jié)時(shí)2、頻率的二次調(diào)整f0f0’調(diào)頻器動(dòng)作后f0’f0”PL0-PG0=-ks

f如PL0=PG0

f=0無差調(diào)節(jié)第五節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整只有一次調(diào)節(jié)時(shí)2、頻率的二次調(diào)整第五節(jié)電力系統(tǒng)的