第三章有功功率平衡和频率调整ppt课件.ppt
2022年11月23日星期三,概述,电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题，是我们考虑的重点问题之一。衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。,衡量运行经济性的主要指标为：比耗量和线损率,有功功率的最优分布包括：有功功率负荷预计、有功功率电源的最优组合、有功功率负荷在运行机组间的最优分配等。,2022年11月23日星期三,内容提要,频率偏移产生的原因、影响、以及允许的频率偏离量？保持频率偏移量不超过一定范围的条件（如何保持有功功率的平衡）有功功率的平衡有功功率的最优分配电力系统的频率调整,2022年11月23日星期三,频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响电力系统有功功率的平衡和备用容量各类发电厂的特点及合理组合有功功率负荷最优分配,3.1 电力系统中有功功率的平衡,2022年11月23日星期三,一、电力系统的频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响,频率变化的原因?频率变化对负荷的影响(1)异步机 (2)电子设备 (3)电钟频率变化对电力系统的影响(1) 水泵、风机、磨煤机(2) 汽轮机的叶片(3) 变压器的励磁频率允许偏移的范围：50Hz(0.20.5)Hz,系统中负荷的变化,你答对了吗?,2022年11月23日星期三,1.有功功率负荷变动及其调整,二、电力系统有功功率的平衡和备用容量,2022年11月23日星期三,有功功率负荷变动曲线据此图,负荷可以分为三种 : 第一种变动幅度很小，周期又很短。,变动有很大的偶然性,属于这一种的主要有电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷,这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动,第二种变动幅度较大，周期也较长. 第三种变动幅度最大，周期也最长. 该种负荷基本可以预计。,2022年11月23日星期三,据此,频率调整,一次调整:由发电机组的调速器进行的 对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整,二次调整:由发电机的调频器进行的、 对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整,三次调整:按最优化准则分配第三种有 规律变动的负荷，即调度部门责成各发电厂 按事先给定的发电负荷曲线发电。,2022年11月23日星期三,运行中： 规划、设计：备用容量: 1.按作用形式分,负荷备用(2-5%PLmax)事故备用(5-10% PLmax或系统中最大一台单机容量）检修备用(可能不安排)国民经济发展备用(3-5%PLmax ）,2、有功功率平衡和备用容量,同系统总负荷,所有用户的有功负荷,所有发电厂厂用电有功负荷,网络的有功损耗,2022年11月23日星期三,2、按存在形式分为,两者差一个网损,两者差一个厂用电,热备用:运转中发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差(旋转备 用)冷备用:未运转的、但能随时启动的 发电设备可以发的最大功率 (不含检修中的设备),负荷的分类: 1.用电负荷 2.供电负荷 3.发电负荷,2022年11月23日星期三,三、各类发电厂的运行特点和合理组合,(1)火电厂特点： 需燃料及运输费用，但不受自然条件影响效率与蒸汽参数有关 受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高压30%，中温中压75%) 机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率,（一）各类发电厂的特点,2022年11月23日星期三,火电厂外景,2022年11月23日星期三,(2)水电厂特点：不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。水力调节可分为无调节、季调节、年调节和多年调节，调节周期越长，受自然条件影响越小。出力调节范围大，50%以上, 增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷决定发电量的除水量外还有水位差 保证出力抽水蓄能机组（天荒坪630万千瓦）必须与火电配合 维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率,2022年11月23日星期三,丰满水电厂外景,2022年11月23日星期三,(3) 核电厂特点：负荷调整主要取决于汽轮机，技术最小负荷约为额定负荷的10%15%可调容量大，退、投、增、减负荷消耗能量、时间，易损坏设备一次投资大，运行费低，尽量利用承担基本负荷,2022年11月23日星期三,秦山核电站外景,2022年11月23日星期三,（二）有功功率电源的最优组合,各类发电厂组合顺序示意图,枯水季节:,2022年11月23日星期三,洪水季节:,2022年11月23日星期三,应指出: 枯水季节往往由系统中的大型水电厂承担调频任务；洪水季节这任务就转移给中温中压火电厂。抽水蓄能电厂在其发电期间也可参加调频。但低温低压火电厂则因容量不足，设备陈旧，不能担负调频任务。,2022年11月23日星期三,四、 有功功率最优分配,有功功率的最优分配:包括有功功率电源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。 有功功率的最优分配要求在保证系统安全的条件下，在所研究的周期内，以小时为单位合理选择电力系统中哪些机组应该运行、何时运行及运行时各机组的发电功率，其目标是在满足系统负载及其它物理和运行约束的前提下使周期内系统消耗的燃料总量或总费用值为最少。,2022年11月23日星期三,有功功率电源的最优组合 指系统中发电设备或发电厂的合理组合,也就是所谓的机组合理开停.有功功率负荷的最优分配 指系统的有功功率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. 电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是，在满足一定约束的前提下，尽可能节约消耗的一次能源。 最常用的是按等耗量微增率准则分配.,2022年11月23日星期三,最优分配负荷的目标函数和约束条件,1. 耗量特性: 发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系称为耗量特性。函数关系上述函数可用试验数据通过最小二乘法拟合而成，根据前人经验，阶数为2比较合适，即如图所示:,2022年11月23日星期三,比耗量: 单位时间内输入能量与输出功率之间的比值. 耗量微增率: 耗量特性曲线上某点切线的斜率,P,2022年11月23日星期三,2. 目标函数和约束条件目标函数 有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小有功功率负荷的前提下，单位时间内的能源消耗最少。这里的目标函数就应该是总耗量最少。即为,为网络总损耗,以 表示某发电设备发出有功功率时单位时间内所需消耗的能源。,等式约束条件,2022年11月23日星期三,不计网络损耗时，上式可改写为: 不等式条件 各节点发电设备有功功率、无功功率和电压大小不得逾越的限额:,2022年11月23日星期三,用拉格郎日乘数法求解,可建立如下拉格朗日函数:,式中 为拉格朗日乘数,3.最优分配负荷时的等耗量微增率准则,2022年11月23日星期三,以两台机为例 目标函数: 等式约束条件:,等耗量微增率准则,所以可得:,它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。,2022年11月23日星期三,根据等耗量微增率准则得: 进而可以求得.对不等式约束条件的考虑: 有功功率越限，则按限额发电，剩余功率在其他机组间重新按等耗量微增率原则分配.,2022年11月23日星期三,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值，不再参加最优分配计算，剩下的负荷由其他发电设备重新进行最优分配计算。,无功功率和电压限制和有功功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在考虑。,2022年11月23日星期三,等耗量微增率准则的推广应用,实践中:由于能源消耗受限制,有功功率负荷的最优分配,其在火力发电厂与 水力发电厂之间的最优分配问题,消耗的水量受水库调度的约束,2022年11月23日星期三,上式中用小的时间段之和来表示积分效果，表示火电厂的燃料，表示水电厂消耗的水量。,水电的约束条件,为了简化分析，将负荷的分配局限于一个 火电一个水力发电设备之间，并略去网损。,新的拉格朗日函数 :,等式约束还应增加：,2022年11月23日星期三,得: 若时间段取的很短,则可将式中的下标“k”可略去，可改写为：由上可知，只要将水力发电厂的水耗量乘以某一个待定的拉格朗日乘数，就可将等耗量微增率准则应用到火力发电厂与水力发电厂之间负荷的最优分配。,即,水煤转换系数,同理由:,2022年11月23日星期三,网损的修正,等式约束条件修正为：,2022年11月23日星期三,式中为网损微增率(灵敏度),2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,2,2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,3.2电力系统的频率调整,一、频率调整的必要性 所有用电设备都是按系统额定频率设计的，只有在额定频率下才能有好的技术经济性能，是电能质量的一个重要指标。 电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响;,2022年11月23日星期三,电网频率f是发电机转速的表现，当发电机PM与PE（+有功损耗）平衡时，和f不变负荷随机变化，PE随机变化不可能严格保证任何时刻额定频率，频率偏移不可避免，需合理规定允许的偏移范围。我国目前：50Hz（0.20.5)Hz，发达国家0.1Hz,2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,二、发电机组的有功功率-频率调整特性,（一）自动调速系统,2022年11月23日星期三,调速系统的基本原理,2022年11月23日星期三,（二）发电机组的有功功率频率静态特性原动机未配置自动调速系统时，其机械功率与频率的关系：原动机配置自动调速系统后：,原动机的机械功率静态频率特性,2022年11月23日星期三,简化之：发电机的频率特性 如上图，发电机频率特性的斜率为,发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）,2022年11月23日星期三,发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）,该单位调节功率和机组的调差系数有互为倒数的关系。,机组的调差系数： （机组由空载到满载时，转速变化与输出功率变化之比）。就是以百分数表示的机组空载运行的频率f0与额定条件允许的频率fN的差值,2022年11月23日星期三,单位调节功率的标么值为:,调差系数 或与之对应的发电机的单位调节功率是可以整定.所以电力系统频率的一次调整问题主要就与调差系数或与之对应的发电机的单位调节功率有关。,汽轮发电机组 =35或 =33.320水轮发电机组 =24或 =5025,2022年11月23日星期三,三、负荷的频率特性负荷从电网中取用有功功率与电网频率的关系如图:,如果分别取PLN和fN作为PL和f的基准值,负荷的单位调节功率：综合负荷的静态频率特性的斜率。,一般而言：,2022年11月23日星期三,例3,2022年11月23日星期三,四、电力系统的一次调频（调速器作用）,初始运行点O，当负荷增加则:,系统的单位调节功率系数,f0,2022年11月23日星期三,KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示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。由于负荷突增，发电机组功率不能及时变动而使机组减速，系统频率下降，同时，发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大，负荷功率因其本身的调节效应而减少，经过一个衰减的振荡过程，达到新的平衡。,2022年11月23日星期三,一次调频为有差调频。 n台发电机：n台都参加一次调整： 只有m台参加一次调整：,当发电机满载时，负荷功率增大，则 相当于为0, 但当负荷功率减小时， ，所以仍可以参加调频。,2022年11月23日星期三,4,2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,五、电力系统的二次调频: 手动或自动调节调频器使发电机组的频率特性平行的上下移动,初始运行点O ，当负荷增加,二次调整增发的功率,系统的单位调节功率,频率的二次调整,2022年11月23日星期三,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 。,2022年11月23日星期三,n台机组：第n台参加二次调频 ， n台全部参加一次调频:,无差调频: 若 , 即发电机如数增发了负荷功率的原始增量 ,亦即实现了所谓的无差调节.如上图虚线所示.,注意:以上公式中以功率增大和频率上升为正。,2022年11月23日星期三,例,2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,多机系统的频率调整,多机系统在负荷变化时，带调速器的机组，只要有可调容量，都参加一次调整。二次调整由少数机组(厂)承担主调频机组(厂)，负荷增量主要由它们承担，可依次分为第一、第二、调频机(厂)主调频厂一般在负荷中心，要求： (1)有足够可调容量；(2)有一定调整速度；(3)调整时能符合安全、经济的要求；(4)一般选水电厂、中温中压火电厂。(5)主调频厂起全系统功率平衡的作用，可作平衡节点,2022年11月23日星期三,六、互联电力系统的频率调整,电力系统互联的益处？潜在威胁？,联合前: A,B系统均为独立电力系统，两系统负荷变化（增加）分别为 ，A、B系统二次调频增发功率分别为,互联后:若设A、B两系统互联，引起互联系统的频率变化（降低） ，及联络线交换功率的变化,2022年11月23日星期三,其中 , 分别为A,B系统的功率缺额.,联合后: 两系统的频率应相等，即有,2022年11月23日星期三,由上得:频率变化取决于两系统的功率缺额和单位调节功率。,当 时,联络线上由A流向B的功率要增加;,当 时,联络线上由A流向B的功率要减少;,当 时, , 可保持频率不变，但功率缺额需通过联络线传输。,分析:,2022年11月23日星期三,6,6,6,6,2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,2022年11月23日星期三,
