1、1,第四章 电力系统有功功率平衡和频率调整,2,4.1 有功平衡和频率调整,1.电力系统频率变化的影响 对用户的影响 （1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业 （2）异步电机功率下降 （3）电子设备的准确度 对发电厂和电力系统的影响 （1）对发电厂厂用机械设备运行的影响 （2）对汽轮机叶片的影响 （3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。,3,4.1 有功功率和频率调整,4,电力系统的频率偏移与频率调整,负荷变化-发电机输出电磁功率变化-原动机输入功率相对迟缓转矩变化-转速变化-频率变化 额定频率50Hz,频率偏差范围0.2-0.5Hz，华东电网0.1Hz,转矩平衡与功率平衡转矩不平衡时
2、,转子转速变化,引起频率变化保持频率恒定不变是十分困难的 !,5,6,7,负荷变动幅度小，周期又很短(如P1)，变动具有偶然性； 负荷变动幅度较大，周期也较长（如P2）工业中大电机、电炉、延压机、电气机车等； 负荷变动幅度最大，周期也最长，且变化较缓慢（如P3）人们生产、生活及气象条件的变化等引起的，基本上可以预计。,图4-2 有功负荷的变动,1有功功率负荷 ：,8,系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动 负荷组成：,（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等,（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律,（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大
3、电机、电炉启停,9,4 有功功率平衡与备用容量,备用容量：15%20% 作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷。 定义：备用容量 系统可用电源容量 发电负荷,有功功率平衡：,10,备用容量的分类,11,1.负荷的有功功率频率静态特性,4.2 电力系统的频率特性,12,负荷的有功功率频率静态特性简化表达,当频率偏离额定值不大时，负荷有功频率静态特性用一条近似直线来表示。,负荷的频率调节效应系数或称为负荷的频率调节效应，表示负荷随频率的变化程度。,例41,13,4.1.2电力系统的频率特性,负荷静态频率特性的线性表示| 负荷的频率调节效应系数,PDN,fN,14,4.1
4、.2电力系统的频率特性,负荷的P-f静态特性 例：系统负荷中30%与频率无关， 40%与频率一次方成正比， 10%与频率二次方成正比， 20%与频率三次方成正比。 求系统频率从额定频率50Hz降到48Hz时，负荷功率变化的百分值，以及负荷的频率调节效应系数。,15,2 发电机组的有功功率频率静态特性,调速器的工作原理,1 为转速测量元件离心飞摆及其附件；2 为放大元件错油门(或称配压阀)；3 为执行机构油动机(或称接力器)；4 为转速控制机构或称同步器(调频器),16,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组的P-f静态特性调速器,蒸汽,A,O,B,D,E,17,4.1.2电力系统的频率特性,发
5、电机组的P-f静态特性,蒸汽,A,O,B,D,E,18,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组的P-f静态特性,蒸汽,A,O,B,D,E,19,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组的P-f静态特性,f,PG,fN,f0,PGN,1,2,20,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组的P-f静态特性 机组的单位调节功率（发电机组的功频静特性系数）物理意义：频率发生单位变化时，机组输出功率的变化量，,21,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组的P-f静态特性 静态调差系数（调差率）物理意义：机组负荷改变时，频率的偏移,22,4.1.2电力系统的频率特性,电力系统的P-f静态特性,f,PG,f1,
6、f2,P1,1,2,P2,PD,PD,负荷实际增量PD0+ PD= PG发电机有功出力增量,23,4.1.2电力系统的频率特性,电力系统的P-f静态特性系统的功频静特性系数(单位调节功率) 备用系数,24,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组满载时的P-f静态特性：KG=0,f,PG,f1,f2,PGmax,1,2,25,一、频率的一次调整 n台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化f时,n台机组的等值单位调节功率,结论：n台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的单位调节功率。,26,频率的一次调整的计算过程,例42 例43,求出频率偏差,每台机组的功率增量,小结：调差系数越小的机组增加的
7、有功输出相对越多。,27,4.1.3电力系统的频率调整,频率的一次调整: n台发电机 例 系统一半机组已满载.火电机组占总容量的1/4,有10%的备用容量,单位调节功率为16.6;水电机组占总容量的1/4,有20%的备用容量,单位调节功率为25;负荷的频率调节效应系数为1.5.求 (1)系统的单位调节功率 (2)负荷功率增加5%时的稳态频率 (3)如果频率允许降低0.2Hz,系统能增加多少负荷功率,28,频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动范围内。,二、频率的二次调整,29,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组的P-f静态特
8、性调频器,蒸汽,A,O,B,D,E,30,4.1.2电力系统的频率特性,发电机组的P-f静态特性,f,PG,fN,f0,PGN,1,2,31,1.主调频厂的选择 调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助调频厂。 调频厂应满足的条件： 1）足够的调整容量 2）较快的调整速度 3）调整范围内的经济性较好,32,调整容量: 水电厂火电厂 中温中压电厂（75）高温高压电厂（30） 调整速度： 水电厂火电厂 调频厂选择： 首选：水电厂 其次：中温中压电厂,33,频率的二次调整,结论： （1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。 （2）可以做到无差调
9、节。,AE EF FC,34,13.3.3 互联系统的频率调整,35,42）各类负荷变动与频率调整 第一种负荷频率的“一次调整”,采用调速器 第二种负荷变动频率的“二次调整”，调频器 第三种负荷变动频率的“三次调整”，通过负荷预计得到负荷曲线，按最优化准则分配负荷，属于电力系统经济运行的问题，或称经济调度。,36,4-3) 电力系统有功功率的分配 （三次调频）,1、有功电源的最优组合指系统中发电设备或发电厂的合理组合，包括机组的最优组合顺序，机组的最优组合数量和机组的最优开停时间 2、有功负荷在运行机组间的最优分配 指系统的有功负荷在各运行的发电机组或发电厂间的合理分配 3、分配原则：充分合理
10、利用水利资源；最大限度地降低火电厂煤耗，降低火力发电的成本,37,13.4 各类发电厂的合理组合,系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问题，包括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合理组合。有功负荷的最优分配：系统中的有功负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配。,38,一、 各类发电厂的运行特点,1 火电厂 （1）燃料及运输费用 （2）有功出力最小限制 （3）效率与蒸汽参数有关 （4）启停时间长且启停费用高 （5）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可 调节的强迫功率。,39,一、 各类发电厂的运行特点,2 水电厂
11、（1）不需燃料费，但一次投资大 （2）出力调节范围比火电机组大 （3）启停费用低，且操作简单 （4）出力受水头影响 （5）抽水蓄能 （6）必须释放水量强迫功率,40,一、 各类发电厂的运行特点,3 核电厂 （1）最小技术负荷小，为额定负荷1015。 （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。,41,二、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耗，发挥高效机组的作用。 （3）尽量降低火力发电成本。,42,枯水期,丰水期,抽水,发电,43,14.2 电力系统有功功率负荷的最优分配,1 发电机组的
12、耗量特性：反映发电机组单位时间内能量输入和输出关系的曲线。,耗量特性,44,比耗量：耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即输入和输出之比效率：比耗量倒数耗量微增率：耗量特性曲线上某点切线的斜率，表示在该点的输入增量与输出增量之比。,效率曲线和微增率曲线,14.2 电力系统有功功率负荷的最优分配,45,三、 等耗量微增率准则,以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机组间的分配，使总的燃料消耗量最小。等式约束目标函数,46,三、 等耗量微增率准则,作图法求解（只有两台机组）在OO上找到一点作垂线，与两条耗量特性曲线的交点间距离最短
13、。在耗量特性曲线具有凸性的情况下，两条曲线的切线平行时，燃料消耗量最少。曲线的切线即斜率，就是该点的耗量微增率。,47,切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。这就是等微增率准则。物理意义,48,二、目标函数和约束条件,有功负荷最优分配的目的：在满足对一定量负荷持续供电的前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位时间内所消耗的能源最少。满足条件：等式约束 f(x、u、d)=0 不等式约束 g(x、u、d)0 使 目标函数 F=F(x、u、d) 最优,49,1 目标函数,系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）,该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，描述的是单位时间内能源的消耗量。,50,2 约束条件,等式约束不等式约束,忽略有功网损,51,四、多个发电厂间的负荷经济分配,1.不计网损的有功最优分配 目标函数最小：等式约束条件：这是多元函数求条件极值问题，可以利用拉格朗日乘数法求解。 构造拉格朗日函数,52,求拉格朗日函数的无条件极值,53,不等式约束的处理,功率上下限约束先不考虑该约束条件进行经济分配计算，若发现越限，越限的发电厂按极限分配负荷，其余发电厂再按经济分配。 节点电压及无功功率约束在经济功率分配后的潮流计算中处理。,例48,54,2.考虑网损的有功最优分配,等式约束变为 目标函数不变 拉格朗日函数为,经过网损修正后的等微增率准则,网损修正系数,55,
