电力系统分析第4章.ppt

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1、第一篇 电力系统的稳态分析,主讲：张 银 娟 电话：邮箱：,电力系统分析,第4章 电力系统的有功功率平衡与频率调整,4.1 概述4.2 自动调速系统4.3 电力系统的频率特性4.4 电力系统的频率调整4.5 电力系统中有功功率的平衡,本章提示,调频的意义及电力系统频率的允许波动范围；频率一次调整的概念、原理及结果；频率二次调整的概念、原理及结果；电力系统的有功功率平衡及备用容量的概念。,4.1 概述,4.1.1 频率调整的必要性4.1.2 频率调整的方法,频率变化的原因?频率变化对负荷的影响(1)异步机：纺织品产生毛疵、纸张薄厚不均(2)电子设备：降低精度、产生误差 频率变化对电力系统的影响(

2、1)水泵、风机：水压、风力不足(2)汽轮机的叶片：低压级叶片因振动产生 裂纹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?,4.1.1 频率调整的必要性,有功功率负荷变动曲线,4.1.2 频率调整的方法,幅度小,周期短,幅度较大,周期较长,持续变动的负荷,频率的变化是由于有功负荷变化引起的。,第一种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调速器进行，称为频率的一次调整。,第二种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调频器进行，称为频率的二次调整。,第三种负荷的变化是可预测的，调度部门按经济调度的的原则事先给各发电厂分配发电任务，各发电厂按给定的任务及时地满足系统负荷的需

3、求，就可以维持频率的稳定。,调整系统频率的主要环节是发电机组原动机的自动调节转速系统，简称自动调速系统，特别是调速器和调频器（又称同步器）。,4.2 自动调速系统,4.2.1 调速器的工作原理 实现频率的一次调整 4.2.2 调频器的工作原理 实现频率的二次调整,图4.2离心飞摆式调速系统示意图,转速测量元件,放大元件,执行机构,转速控制机构,4.2.1 调速器的工作原理 实现频率的一次调整,发电机输出 功率增加,频率略低于原来值,负荷降低,发电机输出 功率减小,频率略高于原来值,负荷增大,有差调节,由调频器来完成的调节，称为频率的二次调整。由于调整的结果，频率能回到原来值，因此二次调整为无差

4、调节。,4.2.2 调频器的工作原理 实现频率的二次调整,4.3 电力系统的频率特性,4.3.1 发电机组的有功功率频率静态特性 4.3.2 系统负荷的有功功率频率静态特性,4.3.1 发电机组的有功功率频率静态特性,将上述调节过程中发电机组的有功功率与频率关系用发电机组的功频静特性或频率特性表示。图中直线的斜率称为发电机的单位调节功率（或发电机组功频静特性系数），,图4.3发电机组的功频静特性,其数值表示为频率发生单位变化时，发电机输出功率的变化量，负号表示二者变化方向相反，即发电机输出功率增加，频率是降低的。,(4.1),用标幺值表示为,(4.2),制造厂家提供的发电机组特性参数通常不是单

5、位 调节功率，而是调差系数（调差率）,发电机组的调差系数是指机组由空载到满载时，转速（频率）变化与发电机输出功率变化之比，即,汽轮发电机组：,水轮发电机组：,(4.3),用标幺值表示为：,(4.4),若机组负荷升高使转速下降，可以通过伺服电动机来提高转速，调整的结果使原来的功频静特性2平行右移为特性1。,图4.4功频静态特性的平移,若机组负荷降低使转速升高，则可通过伺服电动机来降低机组转速，调整的结果使原来的功频静特性2平行左移为特性3.,4.3.2 系统负荷的有功功率频率静态特性,根据所需的有功功率与频率的关系可将负荷分成以下几类：,不受频率影响的负荷，如白炽灯、电热器等。与频率成正比的负荷

6、，如带金属切削机床和磨粉机的电动机。与频率的二次方成比例的负荷，如变压器的涡流损耗。与频率的高次方成比例的负荷，如带鼓风机或离心水泵的电动机。,整个系统的负荷功率与频率的关系：,式中，PD为频率等于f时，整个系统的有功负荷；PDN为频率等于fN时整个系统的有功负荷；ai为与频率的i次方成正比的负荷在PDN中所占的份额。,系统处于运行稳态时，系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的静态频率特性。,根据统计资料，系统负荷以第二类占多数，因此负荷的静态频率特性可近似表示为一条直线，如图所示。,图4.5有功负荷的频率静态特性,所谓联结容量，是指频率、电压等于额定值时，接在电网上的用电设备的实际容量。,

7、如果联结容量改变，静态特性曲线将上下移动。,图中直线的斜率为：,图4.5有功负荷的频率静态特性,、称为负荷的频率调节效应系数或简称为负荷的频率调节效应，它反映了系统负荷对频率的自动调整作用。,(4.6),例4.1 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，相应的负荷变化百分值。,4.4 电力系统的频率调整,4.4.1 频率的一次调整4.4.2 频率的二次调整4.4.3 主调频厂的选择4.4.4 互联系统的频率调整,4.4.1 频率的一次调整,要确定电力系统的负荷变化引

8、起的频率波动，需要同时考虑负荷及发电机组的调节效应。,图a 负荷的功频静特性,图b 发电机组的功频静特性,负荷的功频特性PD(f)与发电机组功频静特性PG(f)的交点a是系统的原始运行点，系统负荷与发电机组输出功率平衡，都为P1，系统频率为f1。,图4.6 频率的一次调整,假定系统只有一台机组,若系统负荷增加，其特性曲线变为。,图4.6 频率的一次调整,在负荷突增的瞬间，发电机组的功率不能立即变动，机组将减速，系统频率下降。随着频率的下降，各发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将因它自身的调节效应而减小。最后稳定在新的平衡点b，此时频率为f2。,对应b点，发电机功率输出

9、的增量为:,负荷的频率调节效应所产生的负荷功率变化量为,图4.6频率的一次调整,发电机组功率输出的增量与负荷功率的增量平衡，可得一次调整的方程式为：,(4.9),负值,系统负荷增加时，在发电机组功频特性和负荷本身的调节效应共同作用下实现了新的功率平衡。一方面，负荷增加，频率下降，发电机按有差调节特性增加输出；另一方面，负荷实际取用的功率因频率的下降而有所减小。,K 称为系统的单位调节功率（系统的功率频率静特性系数）。,4.4.2 频率的二次调整,电力系统负荷变化引起的频率变化，仅依靠一次调整作用已不能保持在允许范围内时，就需要通过频率的二次调整才能解决。,二次调整是以手动或自动方式调节发电机组

10、的调频器，使发电机组的功频特性平行移动来改变发电机的有功功率，以保持系统的频率不变或使频率变化在允许范围内。,图4.7频率的二次调整,原始运行点为两条特性曲线的交点a，系统的频率为f1。当负荷突增PD0的瞬间，由于调频器有一定的时滞尚未动作，调速器动作使运行点由a点移到b点，频率降为f2。在调频器的作用下，PG(f)上升为PG(f)，运行点由b点到c点，设发电机组增发的功率为PG0,由于进行了二次调整发电机组增发的功率；,由于调速器的调整作用而增加的发电机组功率（图中）,由于负荷本身的调节效应而减小的负荷功率（图中）,图4.7频率的二次调整,负荷增量 可分解为三部分：,发电机组输出的增量与负荷

11、功率的增量相等，即,如果二次调整发电机组增发的功率能完全抵偿负荷的初始增量，则实现了无差调节，如图4.7中虚线所示。,4.4.3 主调频厂的选择,在有多台机组并联运行的电力系统中，当负荷变化时，配置了调速器的机组，只要还有可调的容量，都参加频率的一次调整。而频率的二次调整一般只是由一台或少数几台发电机组（一个或几个承担），这些机组（厂）称为主调频机组（厂）。,4.4.3 主调频厂的选择,按照是否承担二次调整可将所有电厂分为：,主调频厂（一般12个电厂）负责全系统的频率调整（即二次调整）;辅助调频厂是在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参与频率调整，一般只有几个电厂;非调频厂（也叫基载厂）则按预

12、先给定的负荷曲线发电。,按照频率调整的要求，主调频厂应具备以下条件：,机组要有足够的调整容量及范围;调频机组具有能适应负荷变化需要的调整速度;调整输出功率时符合安全及经济原则。,此外，调整频率时，还要考虑引起的联络线上功率的波动和某些中枢点的电压波动是否超出允许范围。,从调整容量和调整速度这两个基本要求出发，系统中有水电厂时，应选择水电厂作调频厂，但考虑系统运行的经济性，枯水期时，宜选水电厂作主调频厂，而让机组效率较低的中温中压火电厂承担辅助调频的任务；丰水期时，为了节省燃料，充分利用水力资源，避免无谓地弃水，往往让水电厂带稳定的负荷，而由效率不高的中温中压火电厂承担调频任务。,4.4.4 互

13、联系统的频率调整,图4.8 互联系统的频率调整,把整个电力系统看做是由若干个分系统通过联络线连接而成的互联系统，那么在调整频率时，须注意联络线交换或输送的功率。以两个系统A和B组成的联合系统为例：,A,B,KA,KB,PGA,PGB,PDA,PDB,PAB,假设KA、KB分别为两系统的单位调节功率;PGA、PGB 分别为两系统二次调频的发电功率变量;PDA、PDB 分别为两系统的负荷变化量;PAB 为联络线上的交换功率变化量，正方向为由A流向B。对系统A相当于负荷增量，对系统B相当于发电功率增量。,图4.8互联系统的频率调整,发电功率增量,两个联合运行的系统频率是相等的，,可见，若联合系统二次

14、调频的发电功率增量 等于全系统负荷增量 时，可实现无差调节，,功率缺额,全系统负荷增量,令，分别为A、B两系统的功率缺额，,则式（4.12）变为：,（4.14）,式（4.13）变为,（4.15）,可见，如A系统没有功率缺额，即，联络线上由A流向B的功率增大；反之，如B系统没有功率缺额，即，联络线上由A流向B的功率减少。,若B系统没有调频厂，即，其负荷变化量 将由A系统的二次调整来承担，若要保持，这时联络线上功率变化，即B系统的功率缺额全部通过联络线由A输送到B，这时联络线的功率增量最大。,例4.2 A、B两系统由联络线相联，A系统：B系统：求在下列情况下频率的变化量 和联络线功率的变化量。（1

15、）当二系统机组都参加一次调频；（2）当A系统机组参加一次调频，而B系统机组不参加一次调频。（3）两系统机组都不参加一次调频时。,4.5 电力系统中有功功率的平衡,4.5.1 有功功率平衡及备用4.5.2 电力系统中各类发电厂的合理组合,4.5.1 有功功率平衡及备用,电力系统有功功率平衡是指运行中，所有发电厂发出的有功功率的总和，在任何时刻都等于该系统的总负荷。,包括所有用户的有功负荷、网络的有功损耗 以及厂用电有功负荷，即,在一般情况下，电力网中的有功功率损耗约占发电厂输出功率的78；火电厂厂用电约占发电厂出力的510%，水电厂一般只占1左右。,（4.16）,为保证系统安全、优质、经济地运行

16、，系统应具有一定的备用容量。,系统备用容量按存在形式可分为热备用和冷备用。,热备用也叫旋转备用，是指运转中的发电设备可发最大功率与系统发电负荷之差。冷备用则是指未运转但能随时启用的发电设备可发的最大功率。,系统备用容量按其作用可分为：,负荷备用：是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用。一般取最大负荷的35。,事故备用：系统的事故备用，是为了在电力系统中当发电设备发生偶然事故时，保证系统正常供电所需的备用。一般取最大负荷的510，但不能少于系统中一台最大机组容量。,检修备用：系统的检修备用，是使系统中的发电设备能定期检修而设置的备用。发电设备运转一段时间后必须进行检修，在

17、这期间内，如不能完全安排所有机组的大小修时，才设置所需的检修备用容量。,国民经济备用：系统的国民经济备用，是指满足工农业生产的超计划增长对电力的需求而设置的备用。,热备用包括负荷备用和一部分事故备用，这两种备用容量可通用。冷备用包括检修备用、国民经济备用及部分事故备用（停机状态）。,4.5.2 电力系统中各类发电厂的合理组合,电力系统中的发电厂主要有火力发电厂，水力发电厂和核能发电厂三类。,各类发电厂由于设备容量、机组规格和使用的动力资源的不同有着不同的技术经济特性，因此必须结合它们的特点，合理地组织这些发电厂的运行方式，以提高系统的运行经济性。,火力发电厂的特点有：,火电厂运行时要消耗大量的

18、燃料，需要支付燃料费用，但运行不受自然条件影响。,火电厂的锅炉和汽轮机都受最小技术负荷的限制。,火电厂机组的投入、退出或承担急剧变动的负荷时，既额 外耗费能量，又花费时间，且易损坏设备。,带有热负荷的火电厂称为热电厂，它采用抽汽供热，其总效率要高于一般的凝汽式火电厂。,火电厂外景,水力发电厂的特点有：,水厂不需要支付燃料费用，且水能是可以再生的资源。,水电厂机组的投入、退出或承担急剧变动的负荷时，所需时间短，操作简单，无需额外的耗费。,水力枢纽往往兼有防洪、发电、航运、灌溉、养殖、供水和旅游等多方面的效益。,水电厂的水轮机没有严格的最小技术负荷要求，发电机出力的调整范围较宽。,水电厂外景,核能

19、发电厂的特点有：,核电厂一次性投资大，运行费用低。,核电厂的反应堆和汽轮机投入、退出或承担急剧变动负荷时，需耗费能量，花费时间，且设备易损坏。,核电厂反应堆的负荷基本上没有限制，因此，其最小技术负荷主要取决于汽轮机。,秦山核电站外景,各类发电厂的合理组合,综合各类发电厂的特点，在安排发点任务时，必须充分合理地利用动力资源。为避免火电厂频繁开停机组或增减负荷，应将其承担基本不变的负荷。其中，高温高压效率高，应优先投入，但因为其可灵活调节的范围较窄，适合运行在负荷曲线的更基底部分。其次是中温中压电厂。无调节水库水电厂的全部功率和有调节水库水电厂的强迫功率都不可调，应首先投入。有调节水库水电厂的可调

20、功率，在丰水期，为防止弃水，应优先投入；在枯水期，承担高峰负荷。原子能电厂一次投资大，运行费用低，应承担基本不变的负荷。,A水电厂的不可调功率；B水电厂的可调功率；C热电厂；D核电厂；E高温高压凝气式火电厂；F中温中压凝气式火电厂,图4.9各类发电厂组合顺序示意图,小 结,频率是衡量电能质量的重要指标，保证频率质量要求系统必须保持有功功率平衡，并具备一定的有功备用容量。系统中的负荷不断发生变化，负荷的变化将引起频率偏移，系统中凡装有调速器且具有可调容量的发电机组，都自动参与频率的一次调整，一次调整为有差调节；频率的二次调整只由系统中的调频机组承担，通过调频器完成，二次调整为无差调节。电力系统负荷对频率也有调整作用。,