电压系统有功功率和频率调整课件.ppt

1,第四章电力系统有功功率与频率的调整,2,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）电力系统的频率调整有功功率的最优分配,3,4,4.1 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 n1=60f/p （2）异步电机功率下降 频率降低影响机械传动的出力吸收的有功功率也会降低，TN=9550*PN/nN ，（3）电子设备的准确度 雷达电子计算机无法运行,5,4.1 有功平衡和频率调整,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 发电厂中给水泵 循环泵 风机等全电动机拖动的，频率降低过多，导致电动机停止，引起严重后果。（2）对汽轮机叶片的影响(共振） 低频运行时，容易引起共振，会使叶片断裂。（3）对异步电机及变压器励磁的影响， 增加无功消耗。（频率降低，励磁电流增加），无功不足情况下，将会导致电压降低,所有设备均是按额定频率设计的吗，频率变化将影响到各行各业。必须使系统频率在规定的范围内，这要求进行调整和控制,频率和谁有关呢？,4.1 有功功率和频率调整,2 频率与有功平衡的关系转矩平衡与功率平衡只要平衡，发电机转速不变，频率不变。转矩不平衡时,转子转 速变化,引起频率变化,系统频率由发电机转速决定，转速与轴上的转矩平衡有关,原动机输入的机械转矩,发电机输出电磁转矩,7,发电机的输出功率由输出状态决定，运行状态是经常变化的，原动机输入的机械功率由于惯性原因，很难瞬时和输出平衡。所以保持频率恒定不变是十分困难的 !,有功功率平衡,全系统发电机发出的有功功率之和在任何时刻都与系统中有功功率负荷及网络上的有功损耗平衡，系统有功功率平衡,频率允许偏移的范围：50Hz(0.20.5)Hz,功率平衡与频率,不能保持功率平衡时，频率发生变化，使频率不超过范围就必须，使系统的有功功率保持或平衡,系统有功功率平衡和频率密切相关。,8,有功功率和频率调整,有功功率负荷的 变化及其调整,负荷变化就会引起频率变化，必须调节电源侧，使发出的功率能随负荷的变化而变化来维持频率在允许的范围内。,电力系统负荷曲线不规则，无规律,9,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:末端小操作、线路摇摆等想不到的小负荷,（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、产、生活规律，这类负荷基本上可以预计的。,（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电炉启停，冲击性和间歇性负荷,10,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，即责成各发电厂 按事先给定的发电荷曲线发电。称为电力系统的经济运行调整,频率的具体调整,简答,一次、二次调频是事后的，三次调频是事前的。,11,4 有功功率平衡与备用容量,稳态运行时有功功率平衡：,电源发出的有功功率之和,所有负荷消耗的有功功率之和,网络中有功功率的损耗之和,电力系统稳态运行时，电源发出的功率应满足负荷的消耗，还要满足有功传输网络损耗。即有功功率保持平衡。,负荷增加 网损增加 发出功率增加,12,4 有功功率平衡与备用容量,备用容量：系统中电源容量大于发电负荷部分 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。备用容量 系统可用电源容量 发电负荷,电源容量,概念,总装机容量：发电厂所有发电机额定容量之和,电源容量是否等于装机容量？,可投入设备的可发功率之和才是真正可调度的系统电源容量,13,备用容量的分类,什么是热备用和冷备用？,14,2、按存在形式分为,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 发电设备可以发的最大功率 (不含检修中的设备),15,总装机容量的确定,总装机容量不应小于最大发电负荷与备用容量之和,负荷备用(2-5%Plmax)检修备用(可能不安排)事故备用(5-10% Plmax或系统中最 大一台单机容量）国民经济发展备用(3-5%Plmax ）,备用容量,最大发电负荷,一般总备用容量,总装机容量,16,1）综合负荷：系统中所有负荷之和2）供电负荷：综合负荷+网损3）发电负荷：供电负荷+厂用负荷4）系统额定容量=系统装机容量之和5）系统电源容量：系统中可运行机组的课发容量之和,概念,17,1.负荷的有功功率频率静态特性,4.2 电力系统的频率特性,概念,频率静态特性：系统处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率变化特性,1）与频率变化无关的负荷；照明、电阻、电弧炉等 2）与频率一次方成正比；机床、水泵、卷扬机3）与频率二次方成正比；变压器的涡流损耗4）与频率三次方成正比；通风机、循环水泵5）与频率高次方成正比；给水泵,有功负荷变化会引起频率的变化，同样频率变化也会引起负荷的变化。,18,整个系统的负荷功率与频率可写成：,4.2 电力系统的频率特性,PD为频率f时有功负荷，PDN为额定频率下的有功负荷,通常只取到三次,19,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。负荷对频率的调整作用,例41,实测获得，一般为1-3，通常为1.5,20,某电力系统中，与频率无关的负荷占30%，与频率一次方成正比的负荷占40%，与频率二次方成正比的负荷占10%，与频率三次方成正比的负荷占20%。求系统频率由50Hz降到48Hz 和45Hz时，相应负荷功率的变化百分值解 (1) 频率降为48Hz时， 系统的负荷为 负荷变化为 其百分值为,负荷变化为,其百分值为,21,(2) 频率降为45Hz时，,系统的负荷为,相应地,22,1、系统备用容量中，那种不需要专门设置A负荷备用 B事故备用 C检修备用 D国民经济备用,2、电力系统负荷增加时，系统的频率A升高 B减小 C保持不变 D无法确定,3、频率一次调整是由A调速器完成 B跳频器完成 C负荷完成 D功率确定,4、频率二次调整是由A调速器完成 B跳频器完成 C负荷完成 D功率确定,5、电力系统备用容量有A热备用 B冷备用 C检修备用 D燃料备用,23,练习：某电力系统中，与频率无关的负荷占35%，与频率一次方成正比的负荷占45%，与频率二次方成正比的负荷占10%，与频率三次方成正比的负荷占10%。求系统频率由50Hz降到47Hz时，相应负荷功率的变化百分值,24,2 发电机组的有功功率频率静态特性(讲）,调速器的工作原理,系统频率下降将影响各行各业的的正常工作，必须对频率进行调整，主要手段是发电机组的调速系统，主要是调频器和调速器离心飞摆式机械调速系统是原始的调速系统，和新型调速系统的原理是一样的。,25,发电机组的功率静态特性：系统有功功率平衡打破，引起频率变化，原动机的调速系统改变原动机的进（水）汽量，相应增加或减少出力，调速结束，建立新的稳态发电机组功率和频率之间的关系。,概念,原动机：利用能源产生原动力的一切机械，热力、风力、水力、电力,26,2 发电机组的有功功率频率静态特性(讲）,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),与原动机转轴连接，直接反应转速变化,负荷增加,发电机输出功率,原动机转速（频率）,打开油动机油孔,增大开度,原动机输出功率,转速,大,转速下降，飞摆会有什么动作呢？,固定,向上推动活塞,转速回升，B上移，同时活塞上移，A也随之上移,27,经调速器调速后的转速略低于原来数值，要想恢复到原来数值，必须再经调频器（二次调整）调节实现,注意,频率的一次调整,负荷增大，发电机组的输出功率增加，频率低于初始值；负荷减小，调速器调整的结果是发电机组输出功率减少，频率高于初始值，这种调整就是频率的一次调整。一次调频是有差调节,28,调频器的工作原理,调频器,伺服电动机,频率的二次调整,当机组负荷变化引起频率变化时，利用调频器平行移动机组功率静态特性调节频率和分配机组间的有功功率，这种调整就是频率的二次调整。,再次打开油动机油孔,调频器有人工调频和自动调频两种方式,29,区别,一次调频 一次调频是指由发电机组调速系统的频率特性所固有的能力,随频率变化而自动进行频率调整。其特点是频率调整速度快,但调整量随发电机组不同而不同,且调整量有限,值班调度员难以控制。有差调节二次调频 二次调频是指当电力系统负荷或发电出力发生较大变化时,一次调频不能恢复频率至规定范围时采用的调频方式。二次调频由主调频厂承担 ，可做到无差调节,30,发电机组的有功功率频率静态特性（1）静态调差系数:某台机组负荷改变时相应的频率偏移，调差率若2为额定运行点，1为空载运行点：,近似直线,概念,31,单位调节功率:调差系数的倒数，表示频率变化时发电机组输出功率的变化量。,小结：调差系数大小，对频率偏移的影响很大，调差系数越小，单位调节功率越大，频率偏移越小。调差系数是可以整定的。,32,3 电力系统的有功功率频率静态特性,负荷频率静态特性,发电机组静态特性,发电机组的有功输出和系统负荷需求之间平衡,单台机组和单个负荷为例,负荷增加,负荷频率静态特性发电机组频率静态特性,要确定电力系统负荷变化引起的频率波动，需要同时考虑负荷和发电机组两者的调节效应,33,负荷功率的实际增量：它同发电机功率增量平衡：,系统的（功率-频率静特性系数）单位调节功率：计及发电机和负荷的调节效应时，引起频率单位变化时的负荷变化量。,K与 反比关系，越大越好？,负荷调节效应,发电机组的输出增量,负值,负荷增加时，发电机功率特性和负荷本身调节共同作用达到平衡,34,标幺值表示,系统的单位调节功率kr=PGN/PDN为备用系数,等式两端同除以PDN/fN,满载,新平衡,35,假定初始状态发电机组满载运行如图：,满载,新平衡,问题,为什么发电机组要有一定的备用容量？,负荷增加时，发电机无可调节的容量，不能再增加输出，只有靠频率下降负荷本身的调节作用取得平衡，这样引起的频率下降就相当严重。,36,4.3 电力系统的频率调整,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。即输出功率发生相同变化，并列运行机组频率变化要比单台小的多。,每台输出功率增量,37,把n台机组用一台等值机代表，等值单位调节功率标幺值,代入,注意,当某台机组满载运行时，负荷增加时,38,频率的一次调整的计算过程,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有功输出相对越多。,调差系数,39,例4-2某电力系统中，一半机组的容量已经完全利用；占总容量1/4的火电厂尚有10%备用容量，其单位调节功率为16.6；占总容量1/4的水电厂尚有20%备用容量，其单位调节功率为25；系统有功负荷的频率调节效应系数 。试求：(1) 系统的单位调节功率(2)负荷功率增加5%时的稳态频率f。(3)如频率容许降低0.2Hz，系统能够承担的负荷增量。解 (1)计算系统的单位调节功率令系统中发电机的总额定容量等于1，利用公式（4-25）可算出全部发电机组的等值单位调节功率,40,系统备用系数,kr=PGN/PDN,系统负荷功率,(2) 系统负荷增加5%时的频率偏移为,一次调整后的稳态频率为,注意,41,(3)频率降低0.2Hz，即 ，系统能够承担的负荷增量,例4-3同上例，但火电厂容量已全部利用，水电厂的备用容量已由20%降至10%。解 (1)计算系统的单位调节功率。,42,(2) 系统负荷增加5%后,(3)频率允许降低0.2Hz，系统能够承担的负荷增量为,结论： 系统的单位调节功率愈大，频率就越稳定，备用容量较小时， 也较小，增加备用容量可增加 ，但发电机没得到充分利用，因此一次调整适用于负荷变化幅度小周期短的调整。,43,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。,每台运行的机组都有调速器，均参与一次调频二次调频只有极少的电厂担任，,二、频率的二次调整,44,1.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。主调频厂调频后不能满足要求时才会启用辅助调频。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,二、频率的二次调整,45,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：大容量的水电厂 其次：中温中压火电厂,46,2.频率二次调整的过程,原始运行点,负荷增加,47,频率的二次调整,结论：(1)二次调频不改变系统的K值（2）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。（3）当 可以做到无差调节。,AE EF FC,负荷调节引起的功率增量,一次调整发电机组的功率增量,48,多台机组并列运行（三台机组，1号机组为主调频机组）,例44例45,调频机组未动作时,调频机组动作后,二次调频时，非调频机的出力是否改变？,49,例4-6某发电厂装有三台发电机，参数见表4-1。若该电厂总负荷为500MW，负荷频率调节响应系数,。(1)若负荷波动10，求频率变化增量和各发电机输出功率。(2) 若负荷波动10，求频率变化增量和各发电机输出功率（发电机不能过载）。,50,解 本题采用有名值进行计算。(1)若负荷波动10，则三组发电机均要参与调节。,可得，频率波动0.33，f50.167Hz。发电机出力的变化，1号发电机有,51,对3号发电机有,对2号发电机有,52,(2)若负荷波动+10，由于3号发电机已经满载，因此，只有1、2号发电机参与调节。,可得，频率波动-0.67，f(50-0.33) Hz =49.6750.167Hz。发电机出力的变化，对1号发电机有,53,对2号发电机有,对3号发电机有,54,例4-6将例4-4中3号机组得额定容量改为500MW，其余条件不变。3号机组设定为调频机组；负荷波动10，3号机组调频器动作。(1)3号机组出力增加25MW； (2)3号机组出力增加50MW，试求对应得频率变化增量和各发电机输出功率。,55,解 系统单位调节功率与例4-4相同,(1)3号机组出力增加25MW。（4-31）可得频率变化增量,发电机出力的变化，对1号发电机有,56,对2号发电机有,对3号发电机有,57,(2)3号机组出力增加50MW。由（4-31）可得频率变化增量,发电机出力的变化，对1号发电机有,对2号发电机有,对3号发电机有,二次调整时系统的负荷增量完全由主调频厂承担,58,4.3.3 互联系统的频率调整,联络线交换功率,负荷变化量,二次调整发电机增量,方向,当 互联系统二次调频增量与全系统负荷增量平衡时，可以做到无差调节,59,联络线功率,联络线交换功率为0如果不缺额，,功率缺额和单位调差功率成比例,60,联络线功率,假设B系统不参加二次调整,如果系统功率能够平衡，,B系统负荷增量全部由联络线功率增量来平衡，这时，联络线功率达到最大。,61,例4-7两系统由联络线联结为互联系统。正常运行时，联络线上没有交换功率流通。两系统的容量分别为1500MW和1000MW，各自的单位调节功率（分别以两系统容量为基准的标么值）示于图4-13。设A系统负荷增加100MW，试计算下列情况的频率变化增量和联络线上流过的交换功率。(1)A，B两系统机组都参加一次调频。(2)A，B两系统机组都不参加一次调频。(3)B系统机组不参加一次调频。(4)A系统机组不参加一次调频。,62,解 将以标么值表示的单位调节功率折算为有名值,(1) 两系统机组都参加一次调频,；,；,63,这种情况正常，频率下降的不多，通过联络线由B向A输送的功率也不大。(1) 两系统机组都不参加一次调频,；,；,这种情况最严重，发生在A、B两系统的机组都已满载，调速器已无法调整，只能依靠负荷本身的调节效应。这时，系统频率质量不能保证。,64,(1) B系统机组不参加一次调频,；,；,。此时,65,这种情况说明，由于B系统机组不参加调频，A系统的功率缺额主要由该系统本身机组的调速器进行一次调频加以补充。B系统所能供应的，实际上只是由于互联系统频率下降时负荷略有减少，而使该系统略有富余的3.16 MW。其实，A系统增加的100 MW负荷，是被三方面分担了。其中，A系统发电机组一次调频增发,；A系统负荷因频率下降减少,；B系统负荷因频率下降减少,。,66,(1) A系统机组不参加一次调频,；,；,。此时,这种情况说明，由于A系统机组不参加调频，该系统的功率缺额主要由B系统供应，以致联络线上流过大量交换功率，甚至超过其极限。比较以上几种情况，自然会提出，在一个庞大的电力系统中可采用分区调整，即局部的功率盈亏就地调整平衡的方案。因这样做既可保证频率质量，又不至过分加重联络线的负担。下面的例4-7就是一种常用的方案。,67,4.4 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。,问题,电力系统有功功率最优分配的内容是什么？,68,一、 各类发电厂的运行特点,1 火电厂（1）燃料及运输费用（2）有功出力最小负荷限制（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。,69,70,一、 各类发电厂的运行特点,2 水电厂（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,71,72,一、 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。,73,秦山核电站外景,74,二、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。,75,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.,76,发电厂组合顺序,77,4.5 电力系统有功功率的最优分配（讲）,1 发电机组的耗量特性：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,概念,F不同发电设备，燃料蒸汽电功率,78,4.5 电力系统有功功率的最优分配,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,79,二、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,状态量、控制、扰动,总耗量,80,1 目标函数（随电厂的类型不同而不同）,系统单位时间内消耗的燃料（火电机组为例）,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。单位是T/H,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。,81,2 约束条件,等式约束（有功功率必须保持平衡的条件） 负荷消耗的有功功率之和发电机发出的有功功率之和不等式约束，各机组功率的上下限,忽略有功网损,82,三、 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,83,三、 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。 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。,F,84,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,此准则也使用于多台机组或多个电厂的负荷分配,85,四、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,86,求拉格朗日函数的无条件极值,87,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48,88,例4-8某火电厂三台机组并联运行，各机组的燃料消耗特性及功率约束条件如下：,试确定当总负荷分别为400MW、700MW和600MW时，发电厂间功率的经济分配（不计网损的影响），且计算总负荷为600MW时经济分配比平均分担节约多少煤？,89,解 (1)按所给耗量特性可得各厂的微增耗量特性为,令,可解出,(2)总负荷为400MW,90,由于 已低于下限，故应取 。剩余的负荷功率300MW，应在电厂2和3之间重新分配。,由此可解出,都在限值以内。,91,(3)总负荷为700MW，即,92,93,94,95,2.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,96,五、一个水电厂和一个火电厂间有功负荷的最优分配,目标：在整个运行周期内满足用户的电力需求，合理分配水火电厂的负荷，使总燃料消耗量最少。等式约束：目标函数最小：,这是一个求泛函极值问题，一般应用变分法求解。,97,问题：单位时间内输入能量和输出能量比值称为（ ）单位时间内输入能量增量和输出功率增量比值称为（ ）电力系统有功功率负荷合理分配的目标是什么？需要考虑哪些约束？,