電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整

電力系統(tǒng)分析電力系統(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)整第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡

一、頻率變化對(duì)用戶(hù)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(hù)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(guò)多，將使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)引起嚴(yán)重后果。

1、有功功率的變動(dòng)及其調(diào)整

電力系統(tǒng)有功功率負(fù)荷（以下簡(jiǎn)稱(chēng)負(fù)荷）時(shí)刻都在作不規(guī)則變化，如右圖所示。對(duì)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷變化曲線的分析表明，系統(tǒng)負(fù)荷可以看作是由三種具有不同變化規(guī)律的變動(dòng)負(fù)荷所組成：第一種視變化幅度很小，變化周期短，負(fù)荷變動(dòng)有很大的偶然性；第二種是變化幅度大，變化周期較長(zhǎng)；第三種是變化緩慢的持續(xù)變動(dòng)負(fù)荷。二、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡和備用容量

負(fù)荷的變化將引起頻率的相應(yīng)變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上分一次、二次、三次調(diào)整三種。

頻率的一次調(diào)整（或稱(chēng)為一次調(diào)頻）指由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行的，是對(duì)一次負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移作調(diào)整。

頻率的二次調(diào)整（或稱(chēng)為二次調(diào)頻）指由發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器進(jìn)行的，是對(duì)二次負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移作調(diào)整。

頻率的三次調(diào)整（或稱(chēng)為三次調(diào)頻）是對(duì)三次負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移作調(diào)整。將在有功功率平衡的基礎(chǔ)上，按照最優(yōu)化的原則在各發(fā)電廠之間進(jìn)行分配。

電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠主要有以下三類(lèi)水力發(fā)電廠火力發(fā)電廠原子能發(fā)電廠（核電廠）

各類(lèi)發(fā)電廠由于其設(shè)備容量、機(jī)械特性、使用的動(dòng)力資源等不同，而有著不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性。必須結(jié)合它們的特點(diǎn)，合理地組織這些發(fā)電廠的運(yùn)行方式，恰當(dāng)安排它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)日負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線中的位置，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。三、各類(lèi)發(fā)電廠的特點(diǎn)及合理組合1、火力發(fā)電廠的主要特點(diǎn)（1）要支付燃料及運(yùn)輸費(fèi)用，不受自然條件的影響。（2）有功出力最小限制，啟停時(shí)間長(zhǎng)且啟停費(fèi)用高。（3）效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)，高溫高壓設(shè)備效率最高，低溫低壓設(shè)備效率最低。（4）熱電廠總效率較高，但與熱負(fù)荷相應(yīng)的輸出功率是不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫功率。（一）各類(lèi)發(fā)電廠的特點(diǎn)2、水力發(fā)電廠的特點(diǎn)（1）必須釋放水量－－強(qiáng)迫功率。（2）出力調(diào)節(jié)范圍比火電機(jī)組大，啟停費(fèi)用低，且操作簡(jiǎn)單。（3）不需燃料費(fèi)，但一次投資大，抽水蓄能，水電廠的運(yùn)行依水庫(kù)調(diào)節(jié)性能的不同在不同程度上受自然條件的影響。3、原子能發(fā)電廠的特點(diǎn)（1）最小技術(shù)負(fù)荷小，為額定負(fù)荷10～15％。（2）啟停費(fèi)用高；負(fù)荷急劇變化時(shí)，調(diào)節(jié)費(fèi)用高；啟停及急劇調(diào)節(jié)時(shí)，易于損壞設(shè)備。（3）一次投資大，運(yùn)行費(fèi)用小。原則（1）充分利用水源。

（2）降低火電機(jī)組的單位煤耗，發(fā)揮高效機(jī)組的作用。

（3）盡量降低火力發(fā)電成本。

根據(jù)上述原則，在夏季豐水期和冬季枯水期各類(lèi)電廠在日負(fù)荷曲線中的安排示意圖，見(jiàn)圖5-2。（二）各類(lèi)發(fā)電廠的合理組合圖2各類(lèi)發(fā)電廠組合順序示意圖（a）枯水季節(jié)（b）豐水季節(jié)夏季豐水期，水量充足，水電廠應(yīng)帶基本負(fù)荷以避免棄水、節(jié)約燃煤。在此期間，可抓緊時(shí)間進(jìn)行火電廠設(shè)備的檢修。冬季枯水期，來(lái)水較少，應(yīng)由凝汽式火電廠承擔(dān)基本負(fù)荷，水電廠則承擔(dān)尖峰負(fù)荷。1、耗量特性

電力系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷合理分配的目標(biāo)是，在滿足一定約束條件的前提下，盡可能節(jié)約消耗的能源。

(1)耗量微增率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸入能量微增量與輸出功率微增量的比值。為耗量特性曲線上某一點(diǎn)切線的斜率。(2)比耗量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸入能量與輸出功率之比。為耗量特性曲線上某一點(diǎn)縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的比值。(3)發(fā)電設(shè)備的效率：為比耗量的倒數(shù)。四、有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配效率曲線和微增率曲線

耗量特性2、目標(biāo)函數(shù)和約束條件

明確了有功功率負(fù)荷的大小和耗量特性，在系統(tǒng)中有一定的備用容量時(shí)，就可以考慮這些負(fù)荷在已運(yùn)行發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問(wèn)題。在數(shù)學(xué)上，其性質(zhì)是在一定的約束條件下，使某一函數(shù)為最優(yōu)，而這些約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是各種變量——狀態(tài)變量、控制變量、擾動(dòng)變量的非線性函數(shù)?？杀磉_(dá)為在滿足等約束條件和不等式約束條件的前提下，使目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu)

有功負(fù)荷的最優(yōu)分配的目的在于：在供應(yīng)同樣大小負(fù)荷有功功率的前提下，單位時(shí)間內(nèi)的能源消耗最少。這目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該是總耗量。原則上，這總耗量應(yīng)與所有變量有關(guān)，但通常認(rèn)為，它只是各發(fā)電設(shè)備所發(fā)有功功率的函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)可寫(xiě)作

等式約束條件：有功功率必須保持平衡的條件。

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)：

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)：

若不計(jì)網(wǎng)損：不等式約束條件：為系統(tǒng)的運(yùn)行限制。變量：各發(fā)電設(shè)備輸出有功功率。

3、最優(yōu)分配負(fù)荷時(shí)的等耗量微增率準(zhǔn)則

根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和等式約束條件建立一個(gè)新的、不受約束的目標(biāo)函數(shù)——拉格朗日函數(shù)。

對(duì)拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到最小值時(shí)應(yīng)有的三個(gè)條件：

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)電廠之間分配負(fù)荷。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(chēng)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)。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)

如右圖所示：調(diào)速系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：1為轉(zhuǎn)速測(cè)量元件（飛擺）；2為放大元件（錯(cuò)油門(mén)）；3為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油動(dòng)機(jī)）；4為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)（調(diào)頻器）。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)特性發(fā)電機(jī)是調(diào)差系數(shù)：?jiǎn)挝徽{(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(lái)說(shuō)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：簡(jiǎn)述：由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率不能及時(shí)變動(dòng)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)節(jié)效應(yīng)而減少，經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減的振蕩過(guò)程，達(dá)到新的平衡。數(shù)學(xué)表達(dá)式：KS：稱(chēng)為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動(dòng)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。三、頻率的一次調(diào)整注意：取功率的增大或頻率的上升為正；為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過(guò)大的單位調(diào)節(jié)功率；對(duì)于滿載機(jī)組，不再參加調(diào)整。對(duì)于系統(tǒng)有若干臺(tái)機(jī)參加一次調(diào)頻：具有一次調(diào)頻的各機(jī)組間負(fù)荷的分配，按其調(diào)差系數(shù)即下降特性自然分配。四、頻率的二次調(diào)整當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)幅度較大（0.5%~1.5%），周期較長(zhǎng)（幾分鐘），僅靠一次調(diào)頻作用不能使頻率的變化保持在允許范圍內(nèi)，這時(shí)需要籍調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)頻器動(dòng)作，以使發(fā)電機(jī)組的功頻特性平行移動(dòng)，從而改變發(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)。數(shù)學(xué)表達(dá)式

如果，即發(fā)電機(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量，則，即所謂的無(wú)差調(diào)節(jié)。對(duì)于N臺(tái)機(jī)，則：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，由以下三方面提供：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)分配而增發(fā)的功率；由系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負(fù)荷功率。頻率調(diào)整圖五、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(wèn)題。通過(guò)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。六、互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整

由幾