1、第五章电力系统有功功率的平衡和频率调整 第一节电力系统中有功功率的平衡 第二节电力系统的频率调整 教学要求 返回 1 理解有功功率平衡与频率的关系 2 理解电力系统频率特性及其调整原理和措施 第一节电力系统中有功功率的平衡 一 频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响 低频运行的危害概括起来有 影响用户的工作和产品质量 影响发电厂的安全运行 影响汽轮机叶片寿命 影响系统的经济运行 例如异步电动机 变压器励磁电流的增加 互联电力系统解列 发电机解列 二 电力系统中有功功率的平衡和备用容量 P1 第一种负荷 P2 第二种负荷 P3 第三种负荷 P 实际不规则的总负荷 1 负荷的分类 1 有功功率负荷
2、的变动及其调整 第一节电力系统中有功功率的平衡 第一种负荷 变动幅度很小 周期很短 是由于中小型用电设备的投入和切除引起的 具有很大的随机性 第二种负荷 变动幅度较大 周期较长 是由于大型设备的投入和切除引起的 例如 工业电炉 电力机车等冲击负荷 第三种负荷 变动幅度大 周期长 是由于生产 生活和季节等因素引起的 第一节电力系统中有功功率的平衡 无法预测 无法预测 可通过统计分析方法预测 第一节电力系统中有功功率的平衡 可按最优化准则在各发电厂之间进行分配 2 调频任务的分配 第一种负荷变动 发电机组调速器进行调节 称为频率一次调整 第二种负荷变动 发电机组调频器进行调节 称为频率的二次调整
3、第三种负荷变动 各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电 称为频率的三次调整 第一节电力系统中有功功率的平衡 2 有功功率平衡和备用容量 1 有功平衡 所有发电厂发出的有功功率 所有用户的有功负荷 所有发电厂的厂用电有功负荷和所有变电站站用电有功负荷 所有网络的有功损耗 第一节电力系统中有功功率的平衡 2 有功功率平衡和备用容量 系统应在正常允许的频率范围内 也即在一定的频率范围 保持平衡 1 有功平衡 第一节电力系统中有功功率的平衡 电力系统的频率升高 电力系统的频率降低 正常情况下频率允许偏移范围 我国规定为50 0 2 0 5Hz 第一节电力系统中有功功率的平衡 2 有功备用 发电机总装机容
4、量 有功备用容量 如果系统装机容量不足 则可能使系统处于低频运行 发电机是唯一的有功电源 第一节电力系统中有功功率的平衡 1 负荷备用 为了满足系统中短时的负荷变动和短期内计划外的负荷增加而设置的备用 负荷备用容量的大小与系统的负荷大小有关 一般为最大负荷的2 5 大系统采用较小的百分数 小系统采用较大的百分数 系统中有功功率电源备用容量按其用途可分为以下几种 为热备用 旋转备用 第一节电力系统中有功功率的平衡 在有水 火电厂的联合系统 一般为冷备用 在只有火电厂或水电厂不能投入运行时 为热备用 2 事故备用 在发电设备发生偶然事故时 为保证向用户正常供电而设置的备用 一般为最大负荷的5 10
5、 但不能小于系统中最大一台机组的容量 第一节电力系统中有功功率的平衡 只有按这些规定安排不过来时 才需要设置专门的检修备用容量 3 检修备用 为系统中的发电设备能定期检修而设置的备用 检修备用与前两种备用不同 是事先安排的 检修分小修和大修两种 小修一般安排在节假日或负荷低谷期 大修时间水电厂一般安排在枯水期 火电厂安排在一年中系统综合负荷最小的季节 一般火电机组的检修周期约为1年 水电机组约为2年 机组的检修时间约为1个月 第一节电力系统中有功功率的平衡 4 国民经济备用 考虑国民经济超计划增长和新用户的出现而设置的备用 这部分备用与国民经济增长有关 一般取最大负荷的3 5 第一节电力系统中
6、有功功率的平衡 三 各类发电厂的特点及合理组合 电力系统中的发电厂主要有以下三类 水力发电厂 火力发电厂 原子能发电厂 核电厂 各类发电厂由于其设备容量 机械特性 使用的动力资源等不同 而有着不同的技术经济特性 必须结合它们的特点 合理地组织这些发电厂的运行方式 恰当安排它们在电力系统日负荷曲线和年负荷曲线中的位置 以提高电力系统运行的经济性 第一节电力系统中有功功率的平衡 1 要支付燃料及运输费用 不受自然条件的影响 一 各类发电厂的特点 1 火力发电厂的主要特点 2 有功出力最小限制 启停时间长且启停费用高 3 效率与蒸汽参数有关 高温高压设备效率最高 低温低压设备效率最低 4 热电厂总效
7、率较高 但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率 第一节电力系统中有功功率的平衡 1 必须释放水量 强迫功率 2 水力发电厂的特点 2 出力调节范围比火电机组大 启停费用低 且操作简单 3 不需燃料费 但一次投资大 抽水蓄能 水电厂的运行依水库调节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响 第一节电力系统中有功功率的平衡 1 最小技术负荷小 为额定负荷10 15 3 原子能发电厂的特点 2 启停费用高 负荷急剧变化时 调节费用高 启停及急剧调节时 易于损坏设备 3 一次投资大 运行费用小 第一节电力系统中有功功率的平衡 二 各类发电厂的合理组合 原则 1 充分利用水源 2 降低火电机组的单位煤
8、耗 发挥高效机组的作用 3 尽量降低火力发电成本 第一节电力系统中有功功率的平衡 各类发电厂在日负荷曲线中的安排示意图 a 枯水季节 b 丰水季节 第一节电力系统中有功功率的平衡 抽水蓄能电厂吸收功率 抽水蓄能电厂发出功率 低温低压 450 35大气压 中温中压 520 100大气压 高温高压 550 180大气压 超临界机组 575 200以上大气压 四 有功功率负荷的最优分配 1 耗量特性 耗量特性 发电设备单位时间内消耗的能源 F或W 与发出有功功率 PG 的关系 比耗量 效率 第一节电力系统中有功功率的平衡 耗量微増率 第一节电力系统中有功功率的平衡 比耗量最小 第一节电力系统中有功功
9、率的平衡 2 目标函数和约束条件 优化计算的方法就是 在满足等式约束条件 和不等式约束条件 的前提下 使目标函数 为最优 第一节电力系统中有功功率的平衡 有功负荷的最优分配的目的在于 在供应同样大小负荷有功功率的前提下 单位时间内的能源消耗最少 目标函数是总耗量 等式约束条件 有功功率必须保持平衡的条件 变量 各发电设备输出有功功率 第一节电力系统中有功功率的平衡 对于每个节点 对于整个系统 第一节电力系统中有功功率的平衡 不等式约束条件 为系统的运行限制 第一节电力系统中有功功率的平衡 目标函数 3 最优分配负荷时的等耗量微增率准则 根据给定的目标函数和等式约束条件建立一个新的 不受约束的目
10、标函数 拉格朗日函数 拉格朗日乘子 等式约束条件 以两台发电机为例 第一节电力系统中有功功率的平衡 求上式最小值的条件为 第一节电力系统中有功功率的平衡 第2台发电机的耗量微増率 于是 第1台发电机的耗量微増率 第一节电力系统中有功功率的平衡 著名的等耗量微增率准则 等耗量微增率准则表示为使总耗量最小 应按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂之间分配负荷 推广到n台发电机 第一节电力系统中有功功率的平衡 上述结论未考虑网损 对于有功功率限制 当计算完后发现某发电设备越限 则该发电设备取其限制 不参加最优分配计算 而其他发电设备重新进行最优分配计算 对不等式约束进行处理 无功功率和电压限制和有功功
11、率负荷的分配没有直接关系 可暂时不计 当有功功率负荷的最优分配完成后计算潮流分布再考虑 例2已知两台机组并联共同向一负荷供电 它们的耗量特性分别为F1 a1 8P1 0 004P12t h F2 a2 6P2 0 0045P22t h 功率限制为 120MW P1 400MW 120MW P2 400MW 求当负荷功率PL 420MW时 负荷的最优经济分配 第二节电力系统的频率调整 一 电力系统负荷的有功功率 频率静态特性 负荷的有功功率 频率静态特性 当电力系统处于稳态运行时 系统中综合有功负荷随频率的变化特性 电力系统综合负荷的有功功率与频率的关系用数学式表示为 为电力系统频率为额定值时
12、整个系统的有功负荷 为各种有功负荷占的百分数 电力系统负荷的有功功率 频率静态特性曲线 负荷的功频特性曲线 第二节电力系统的频率调整 当频率偏移额定值不多时 该特性常用一条直线来表示 也就是说 在额定频率附近 负荷的有功功率与频率呈直线关系 正数 第二节电力系统的频率调整 有功负荷频率调节效应系数 当频率偏移额定值不多时 该特性常用一条直线来表示 也就是说 在额定频率附近 负荷的有功功率与频率呈直线关系 第二节电力系统的频率调整 有功负荷的单位调节功率 当频率偏移额定值不多时 该特性常用一条直线来表示 也就是说 在额定频率附近 负荷的有功功率与频率呈直线关系 第二节电力系统的频率调整 表示频率
13、变化时 负荷有功功率相应的变化量 负荷设备不变时 负荷的功频静态特性 负荷设备变化时 负荷的功频静态特性移动 第二节电力系统的频率调整 额定频率 系统频率下降后 反映由频率变化而引起汽轮机 或水轮机 输出功率变化的关系 称为发电机组有功功率 频率静态特性 二 发电机组的有功功率 频率静态特性 第二节电力系统的频率调整 调速器调节 一次调整 调频器调节 二次调整 第二节电力系统的频率调整 发电机组的有功功率 频率静态特性 发电机单位调节功率 发电机单位调节功率 标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多少 正数 第二节电力系统的频率调整 发电机的调差系数 第二节电力系统的频率调整 空载时频
14、率 额定功率 额定频率 发电机的调差系数与单位调节功率的关系 第二节电力系统的频率调整 标幺值 标幺值 更正教材P97中式 5 17 汽轮发电机组 3 5 或 33 3 20水轮发电机组 2 4 或 50 25 一般来说发电机的单位调节功率是可以整定的 第二节电力系统的频率调整 仅调速器动作时 发电机组的功频静态特性 当调频器动作后 发电机组的功频静态特性移动 平移 第二节电力系统的频率调整 改变调速系统的设定值 第二节电力系统的频率调整 负荷功频静态特性与发电机功频静态特性的比较 KL不可调整 KG可调整 KL KG为f每变化一个单位所引起的PL或PG的变化量 f PL f PG 二者综合作
15、用 减少功率缺额 有利于频率稳定 三 频率的一次调整 系统单位调节功率 KS 表示电力系统负荷增加或减少时 原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少 教材中取 正号 第二节电力系统的频率调整 可以看出 系统有功可在不同频率下平衡 三 频率的一次调整 频率的一次调整为有差调节 第二节电力系统的频率调整 频率的一次调整是发电机调速特性和负荷调节效应共同承担的 注意 取功率的增大或频率的上升为正 反之 为负 为保证调速系统本身运行的稳定 不能采用过大的单位调节功率 对于满载机组 不再参加调整 对于系统有若干台机参加一次调频 具有一次调频的各机组间负荷的分配 按其调差系数即下
16、降特性自然分配 第二节电力系统的频率调整 不可调 可调 原始运行状态下的系统总有功功率 第二节电力系统的频率调整 若发电机不参与调频 发电机不调频 系统的频率变化将很大 第二节电力系统的频率调整 发电机不调频 发电机调频 例5 1设电力系统中各发电机组的容量和它们的单位调节功率标幺值为 水轮机组 100MW 台 5台 KG 25汽轮机组 300MW 台 2台 KG 16负荷的单位调节功率KL 1 5 系统总负荷为1000MW 试计算 1 全部机组都参加调频时 2 汽轮机组已满载 仅水轮机组参加调频时的电力系统的单位调节功率和频率下降0 2Hz系统能够承担的负荷增量 第二节电力系统的频率调整 M
17、W Hz MW Hz MW 解 1 全部机组都参加调频时 水轮机组 汽轮机组 负荷 MW Hz 电力系统 第二节电力系统的频率调整 MW 2 仅水轮机组参加调频时 电力系统 频率的一次调整的作用是有限的 它只能适应变化幅度小 变化周期较短的变化负荷 且一般情况下 一次调整不能维持频率不变 第二节电力系统的频率调整 例2电力系统总负荷为3000MW 1 5 正常运行时f 50Hz 假定此时系统全部发电机均满载 若因故障失去300MW的出力 求系统f降到什么数值 解 相当于负荷增加300MW 第二节电力系统的频率调整 教材中的例题自学 第二节电力系统的频率调整 四 频率的二次调整 当负荷变动幅度较
18、大 0 5 1 5 周期较长 几分钟 仅靠一次调频作用不能使频率的变化保持在允许范围内 这时需要借助于调速系统中的调频器动作 以使发电机组的功频特性平行移动 从而改变发电机的有功功率以保持系统频率不变或在允许范围内 第二节电力系统的频率调整 1 系统机组多 装机容量大 负荷扰动引起的 f小 2 一次调频有差 只能减小 f 但不能使 f 0 对小幅度 变动频繁的负荷变化引起的频率偏移进行调整 一次调频的特点总结 发电机二次调整增发功率 改善了运行频率 第二节电力系统的频率调整 不需一次调整 频率的二次调整可做到无差调节 全部由二次调整担任 第二节电力系统的频率调整 频率的二次调整是通过改变调速系
19、统的设定值来完成的 第二节电力系统的频率调整 当系统负荷增加时 由以下三方面提供 二次调频的发电机组增发的功率 发电机组执行一次调频 按有差特性的调差系数分配而增发的功率 由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率率 第二节电力系统的频率调整 第二节电力系统的频率调整 对于N台机 则 第二节电力系统的频率调整 电力系统中各发电机组均装有调速器 所以系统中每台运行机组都参与频率的一次调整 除满载机组除外 频率的二次调整则不同 一般只由系统中选定的极少电厂的发电机组担任频率的二次调整 负有二次调频任务的电厂称为调频厂 调频厂又分成主调频厂和辅助调频厂 主调频厂 全系统1 2个 主要负责系统的调频任务
20、 辅助调频厂 少数 在系统频率偏移超过某一定值时参加二次调频 按参与调频顺序又可分为第一调频厂 主调频厂 第二调频厂 第三调频厂等 而非调频厂在系统正常运行情况下 则按预先给定的负荷曲线发电 并进行频率的一次调整 而不参加频率的二次调整 第二节电力系统的频率调整 五 调频厂的选择 调频厂须满足的条件 调整的容量应足够大 调整的速度应足够快 调整范围内的经济性能应该好 注意系统内及互联系统的协调问题 通过分析各种电厂的特点 调频厂的选择原则为 1 丰水期 水电尽量满发 一般不调频 带基荷调频厂 效率较低的中温中压火电机组 2 枯水期 火电尽量多发 保证水库蓄水主调厂 水电厂辅调厂 效率较低的中温
21、中压火电厂 第二节电力系统的频率调整 六 互联系统的频率调整 把整个电力系统看作是由若干个子系统通过联络输电线路连接而成的互联系统 在频率调整时 为了减少线路传输损耗 提高电力系统运行的经济性 还要注意联络线路交换功率的控制问题 第二节电力系统的频率调整 A B两系统的负荷变化量 第二节电力系统的频率调整 第二节电力系统的频率调整 A系统功率缺额 B系统功率缺额 第二节电力系统的频率调整 A系统功率缺额 B系统功率缺额 第二节电力系统的频率调整 此等效可推广到n个子系统 联络线上流动的交换功率特点如下 1 当A B两系统都进行二次调频 且 则联络线上交换功率 第二节电力系统的频率调整 2 有一
22、个系统不进行二次调频时 当有一个系统不进行二次调频 如 PGB 0 则B系统的负荷变化量 PLB将由A系统的二次调频来承担 并由联络线送来的 Pab来抵消 第二节电力系统的频率调整 第二节电力系统的频率调整 例4如图所示的两个子电力系统通过联络线互联 正常运行时 PAB 0 各子系统的额定容量和以额定容量为基准的一次调频单位调节功率标幺值如下 A系统 额定容量1500MW KGA 20 KLA 1 5B系统 额定容量2000MW KGB 16 KLB 1 5 第二节电力系统的频率调整 设A子系统的负荷增加了100MW 试计算下列情况下频率变化量和联络线上传输的有功功率 1 A B两子系统都只有
23、一次调频 2 A子系统都增发60MW 二次调频 且A B都有一次调频 3 B子系统增发100MW 二次调频 且A B都有一次调频 第二节电力系统的频率调整 解 第二节电力系统的频率调整 MW 1 A B两子系统都只有一次调频 PGA 0 PGB 0 PLB 0 PLA 100MW Hz 第二节电力系统的频率调整 MW 这种情况比较理想 频率偏移较小且线路传输功率较小从而损耗也较小 2 A子系统增发 二次调频 60MW 且A B都有一次调频 PGA 60MW PGB 0 PLB 0 PLA 100MW Hz 第二节电力系统的频率调整 这时通过联络线传输的功率很大 会增加线路损耗 虽可维持频率不变 但不是最佳方案 3 B子系统增发100MW 二次调频 且A B都有一次调频 PGB 100MW PGA 0 PLB 0 PLA 100MW Hz MW 第二节电力系统的频率调整 少壮不努力 老大徒伤悲 本章结束
