第5章 電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整 2

11、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡2、電力系統(tǒng)頻率的調(diào)整電力系統(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)功率分配第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整2一、頻率偏移的影響（1）頻率變化=>異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化；在保證電能質(zhì)量的條件下，連續(xù)不斷地供給用戶需要的功率，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的功率平衡（有功功率和無功功率）。電壓、頻率、正弦交流電的波形頻率↓=>電動(dòng)機(jī)輸出功率↓（2）用電源頻率時(shí)間基準(zhǔn)的電子設(shè)備受影響（3）頻率↓=>發(fā)電廠拖動(dòng)設(shè)備(泵類、風(fēng)機(jī)等)出力↓=>發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力↓§5.1概述3二、引起頻率偏移的原因電力系統(tǒng)中，并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)保持同步是系統(tǒng)維持正常運(yùn)行的必要條件。同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩保持平衡。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，引起發(fā)電機(jī)電磁功率發(fā)生變化。負(fù)荷↑=>轉(zhuǎn)速↓=>頻率↓4三、有功功率平衡有功功率平衡（機(jī)械功率=電磁功率）根據(jù)負(fù)荷變化規(guī)律，以安排發(fā)電計(jì)劃，確定各發(fā)電機(jī)在每段時(shí)間應(yīng)發(fā)的功率，即功率分配?？傆泄β视脩粲泄ω?fù)荷有功功率損耗自用電發(fā)電機(jī)的額定容量>當(dāng)前負(fù)荷容量備用的發(fā)電設(shè)備容量5按作用分：(1)負(fù)荷備用：滿足負(fù)荷波動(dòng)、計(jì)劃外的負(fù)荷增量2%~5%(2)事故備用：發(fā)電機(jī)因故退出運(yùn)行而預(yù)留的容量5%~10%(3)檢修備用：發(fā)電機(jī)計(jì)劃?rùn)z修4%~5%(4)國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用：滿足工農(nóng)業(yè)超計(jì)劃增長(zhǎng)3%~5%按其存在形式分：(1)熱備用(2)冷備用備用容量的分類6§5.2負(fù)荷的頻率靜特性和電源的頻率靜特性有功功率負(fù)荷的變化曲線7

系統(tǒng)負(fù)荷可以看作由以下三種具有不同變化規(guī)律的變動(dòng)負(fù)荷組成：（1）變動(dòng)周期小于10s，變化幅度小:小操作、線路搖擺等（3）變動(dòng)周期最大，變化幅度最大：氣象、生產(chǎn)、生活規(guī)律（2）變動(dòng)周期在（10s，180s），變化幅度較大：大電機(jī)、電爐啟停調(diào)速器頻率的一次調(diào)整調(diào)頻器頻率的二次調(diào)整根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷，在各機(jī)組間進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷分配電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度（發(fā)電計(jì)劃）81、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?yè)P(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一、負(fù)荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性§5.2負(fù)荷的頻率靜特性和電源的頻率靜特性910負(fù)荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性簡(jiǎn)化表達(dá)當(dāng)頻率偏離額定值不大時(shí)，負(fù)荷有功－頻率靜態(tài)特性用一條近似直線來表示。負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率，表示負(fù)荷隨頻率的變化程度。圖5-1有功負(fù)荷頻率特性PL*f*0.950.970.991.010.90.951.01.0511二、發(fā)電機(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性1、調(diào)速器的工作原理1為轉(zhuǎn)速測(cè)量元件—離心飛擺及其附件；2為放大元件—錯(cuò)油門(或稱配壓閥)；3為執(zhí)行機(jī)構(gòu)—油動(dòng)機(jī)(或稱接力器)；4為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)或稱同步器(調(diào)頻器)12發(fā)電機(jī)的功頻靜特性是指原動(dòng)機(jī)功率-頻率靜態(tài)特性。圖5-3發(fā)電機(jī)組功頻靜特性一般大型汽輪發(fā)電機(jī)組由空載到滿載的范圍內(nèi)頻率越有4%的變化，即滿載f*=1，空載f*=1.04。0Pf*1.01.01.04無差調(diào)節(jié)有差調(diào)節(jié)132、調(diào)頻器的工作原理14圖5-4調(diào)頻器改變位置時(shí)功頻靜特性的變化0Pf*1.01.0P特性3特性2特性1153、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。二、發(fā)電機(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)：?jiǎn)挝徽{(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。16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=50~25二、發(fā)電機(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性17一、頻率的一次調(diào)整簡(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)過一個(gè)衰減的振蕩過程，達(dá)到新的平衡。§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整圖5-6頻率的一次調(diào)整0PffMPGfNN系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率：計(jì)及發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)時(shí)，引起頻率單位變化時(shí)的負(fù)荷變化量。18注意：為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過大的單位調(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。一、頻率的一次調(diào)整19頻率的二次調(diào)整：通過操作調(diào)頻器，使發(fā)電機(jī)組的頻率特性平行的移動(dòng)，從而使負(fù)荷變化引起的頻率偏移在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)。1.主調(diào)頻廠的選擇調(diào)頻廠：負(fù)有二次調(diào)頻任務(wù)的電廠，分為主調(diào)頻廠和輔助調(diào)頻廠。調(diào)頻廠應(yīng)滿足的條件：1）足夠的調(diào)整容量2）較快的調(diào)整速度3）調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性較好二、頻率的二次調(diào)整20二、頻率的二次調(diào)整調(diào)整容量:

水電廠>火電廠

中溫中壓電廠（75％）>高溫高壓電廠（30％）

調(diào)整速度：

水電廠>火電廠

調(diào)頻廠選擇：

首選：水電廠

其次：中溫中壓電廠

21頻率調(diào)整圖二、頻率的二次調(diào)整圖5-7頻率的二次調(diào)整0Pff’’APG’fNCf’FEBDPG22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，即所謂的無差調(diào)節(jié)。對(duì)于N臺(tái)機(jī)，且由第s臺(tái)機(jī)組擔(dān)負(fù)二次調(diào)整的任務(wù)，則：二、頻率的二次調(diào)整23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。二、頻率的二次調(diào)整241.某系統(tǒng)有三臺(tái)額定容量為100MW的發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，其調(diào)差系數(shù)分別為2％、6％和5％，其運(yùn)行情況為PG1=60MW、PG2=80MW、PG3=100MW，KL*=1（標(biāo)么值，負(fù)載功率基準(zhǔn)值為240MW），試計(jì)算：(1)如果負(fù)荷增加50MW，系統(tǒng)的頻率下降多少？(2)如果負(fù)荷增加60MW，系統(tǒng)的頻率下降多少？(3)求題（2）系統(tǒng)的工作頻率.（均不計(jì)頻率調(diào)整器的作用）25

26系統(tǒng)中有備用容量時(shí)，可考慮有功功率的最優(yōu)分配問題，包括有功電源的最優(yōu)組合及有功負(fù)荷的最優(yōu)分配。有功電源的最優(yōu)組合：系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備和發(fā)電廠的合理組合。包括：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)開停時(shí)間。有功負(fù)荷的最優(yōu)分配：系統(tǒng)中的有功負(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?！?.4電力系統(tǒng)有功功率經(jīng)濟(jì)分配27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)一、各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)（補(bǔ)充）1火電廠支付燃料費(fèi)用技術(shù)最小負(fù)荷鍋爐25%—70%汽機(jī)10%—15%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：較前者低、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282水電廠（1）不需燃料費(fèi)，但一次投資大（2）出力調(diào)節(jié)范圍比火電機(jī)組大（3）啟停費(fèi)用低，且操作簡(jiǎn)單（4）出力受水頭影響（5）抽水蓄能（6）必須釋放水量－－強(qiáng)迫功率一、各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)293核電廠（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。一、各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)30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，增加燃用劣質(zhì)煤、當(dāng)?shù)孛?。一、各類發(fā)電廠的合理組合（補(bǔ)充）31枯水期豐水期抽水發(fā)電32一、目標(biāo)函數(shù)和機(jī)組能耗特性電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又稱經(jīng)濟(jì)調(diào)度，屬最優(yōu)化問題。第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整（一）、目標(biāo)函數(shù)和約束條件等約束條件：不等約束條件：使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值。

33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)系稱為機(jī)組的耗量特性，它是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組間經(jīng)濟(jì)功率分配的基礎(chǔ)。第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整（二）、發(fā)電機(jī)組的能量特性圖5-9火電機(jī)組的耗量特性圖5-10水電機(jī)組的耗量特性34第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整(1)單位耗量或者比耗量:耗量特性曲線上任一點(diǎn)A與原點(diǎn)的連線的斜率為表示發(fā)電機(jī)組發(fā)出單位功率時(shí)能源的消耗量.圖5-11比耗量和耗量微增率0△P△FAFAPAB(2)機(jī)組耗量微增率:耗量特性上任一點(diǎn)B的切線的斜率35二、等耗量微增率準(zhǔn)則設(shè)電廠內(nèi)并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組有n臺(tái)，電廠的總負(fù)荷為Pl，每臺(tái)發(fā)電機(jī)分配的負(fù)荷為Pi，欲使Pi負(fù)荷經(jīng)濟(jì)功率分配，需要確定約束條件、目標(biāo)函數(shù)后，求解使目標(biāo)函數(shù)最小的條件。(1)發(fā)電功率之和與總的電廠負(fù)荷相等，等約束條件為(2)運(yùn)行中各機(jī)組功率不允許超過其上下限,不等約束條件為(3)各機(jī)組的耗量特性為F1(P1)，F(xiàn)2(P2)，…Fn(Pn)，發(fā)電廠總的煤耗量為36第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整列出拉格朗日方程為

L函數(shù)有極值的必要條件為或37第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整展開后寫成各機(jī)組間最優(yōu)經(jīng)濟(jì)功率分配的條件為或上式表明：按機(jī)組微增率相等的原則分配發(fā)電機(jī)發(fā)電功率，能源消耗就最小，故稱為等耗量微增率準(zhǔn)則。38第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整【例5-1】已知某水電廠有2臺(tái)機(jī)組，其耗量特性為每臺(tái)機(jī)組的額定容量均為100MW，當(dāng)按額定容量發(fā)電時(shí)耗水量分別為Qh1=245m3/s，Qh2=310m3/s。試求：（1）電廠負(fù)荷為120MW時(shí)，2臺(tái)機(jī)如何經(jīng)濟(jì)分配負(fù)荷。（2）當(dāng)1臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電廠負(fù)荷在什么范圍內(nèi)采用2號(hào)機(jī)最經(jīng)濟(jì)。39三、不計(jì)網(wǎng)損時(shí)水、火電廠間經(jīng)濟(jì)功率分配第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整水、火電廠間的經(jīng)濟(jì)功率分配問題的提法:在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需要及保證電能質(zhì)量的條件下在限定的時(shí)間內(nèi)充分、合理利用允許使用的水量發(fā)電，使得系統(tǒng)消耗的燃料最少或是運(yùn)行費(fèi)用最低。由此可見，此時(shí)只考慮的是一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，在此期間認(rèn)為各水庫(kù)水頭無變化。只考慮不計(jì)電力網(wǎng)損耗的情況40第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整設(shè)系統(tǒng)中有n個(gè)火電廠，m個(gè)水電廠，火電廠的耗量特性以Fi(P)表示，水電廠的耗量特性以Qj(P)表示，其中i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。在0~T時(shí)間內(nèi)變化的系統(tǒng)負(fù)荷用Pl(t)表示，用功率平衡方程式可寫成41第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整原等約束條件將拉格朗日方程對(duì)每個(gè)變量求導(dǎo)并令其為零，可得42第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整上式中式中，為在△tk時(shí)間火電廠的微增率；為水電廠j在△tk時(shí)段的微增率；各個(gè)火電廠之間的分配仍然是按微增率原則分配功率。水電廠與火電廠之間只是按水電廠微增率在乘以后分配，所以整個(gè)系統(tǒng)仍可視為按微增率原則分配功率。43第五章電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整