电力系统频率的调整

1、1 第五章第五章 电力系统有功功率与频率的调整电力系统有功功率与频率的调整 2 5.1 5.1 有功平衡和频率调整有功平衡和频率调整 1.1.电力系统频率变化的影响电力系统频率变化的影响 对用户的影响对用户的影响 （1 1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业）异步电机转速：纺织工业、造纸工业 （2 2）异步电机功率下降）异步电机功率下降 （3 3）电子设备的准确度）电子设备的准确度 对发电厂和电力系统的影响对发电厂和电力系统的影响 （1 1）对发电厂厂用机械设备运行的影响）对发电厂厂用机械设备运行的影响 （2 2）对汽轮机叶片的影响）对汽轮机叶片的影响 （3 3）对异步电机及变压器励磁的影响，增

2、加无）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无 功消耗。功消耗。 3 5.1 5.1 有功功率和频率调整有功功率和频率调整 2 2 频率与有功平衡的关系频率与有功平衡的关系 转矩平衡与功率平衡转矩平衡与功率平衡 转矩不平衡时转矩不平衡时, ,转子转转子转 速变化速变化, ,引起频率变化引起频率变化 保持频率恒定不变是十分困难的保持频率恒定不变是十分困难的 ! ! ETET PPMM 60 pn f 4 5.1 有功功率和频率调整 3有功功率负荷的 变化及其调整 5 系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动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：负荷组成： （1 1）变动

3、周期小于）变动周期小于10s10s，变化幅度小，变化幅度小: :小操作、线路摇摆等小操作、线路摇摆等 （3 3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律）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（变动周期在（10s10s，180s180s），变化幅度较大：大电机、电），变化幅度较大：大电机、电 炉启停炉启停 调速器调速器频率的一次调整频率的一次调整 调频器调频器频率的二次调整频率的二次调整 根据预测负根据预测负 荷，在各机荷，在各机 组间进行最组间进行最 优负荷分配优负荷分配 电力系统的经济运行调度（发电计划）电力系统的经济运行调度（发电计划） 6 4 4 有

4、功功率平衡与备用容量有功功率平衡与备用容量 备用容量：备用容量：15%15%20%20% 作用：作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容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。量应大于发电负荷。 定义：定义：备用容量备用容量 系统可用电源容量系统可用电源容量 发电负荷发电负荷 有功功率平衡：有功功率平衡： ,GiLiLoss PPP 8760t(h) P(M W) 发电负荷发电负荷 备用容备用容 量量 新增容新增容 量量 7 按作用分：按作用分： (1)负荷备用：满足负荷波动、计划外负荷备用：满足负荷波动、计划外 的负荷增量的负荷增量2%5% (2)事故备用：

5、发电机因故退出运行而事故备用：发电机因故退出运行而 预留的容量预留的容量5%10% (3)检修备用：发电机计划检修检修备用：发电机计划检修 4%5% (4)国民经济备用：满足工农业超计划国民经济备用：满足工农业超计划 增长增长3%5% 按其存在形式分：按其存在形式分： (1)热备用热备用 (2)冷备用冷备用 备用容量的分类备用容量的分类 8 1.1.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 5.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性 3 3 2 210 N DN N DN N DNDND f f Pa f f Pa f f PaPaP 1 3210 aaaa 3 3 2 210

6、fafafaaP D 的标幺值表达式的标幺值表达式 为基准值为基准值和和以以 DNN Pf 9 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简化表达简化表达 当频率偏离额定值不大时当频率偏离额定值不大时，负荷有功频率静态特性用一，负荷有功频率静态特性用一 条近似直线来表示。条近似直线来表示。 f P tgK D D f P ff PP K D N DND D / / 负荷的负荷的频率调节效应系频率调节效应系 数数或称为负荷的或称为负荷的频率调频率调 节效应节效应，表示负荷随频，表示负荷随频 率的变化程度。率的变化程度。 例例4 41 1 10 2 2 发电机组的有功功率频率静态特性发电

7、机组的有功功率频率静态特性 调速器的工作原理调速器的工作原理 1 为转速测量元件为转速测量元件 离心飞摆及其附件；离心飞摆及其附件； 2 为放大元件为放大元件错油错油 门门(或称配压阀或称配压阀)； 3 为执行机构为执行机构油动油动 机机(或称接力器或称接力器)； 4 为转速控制机构或为转速控制机构或 称同步器称同步器(调频器调频器) 11 调频器的工作原理调频器的工作原理 12 发电机组的有功功率频率静态特性发电机组的有功功率频率静态特性 （1 1）静态调差系数静态调差系数: :某台机组负荷改变时相应的频率偏移某台机组负荷改变时相应的频率偏移 若若2 2为额定运行点，为额定运行点，1 1为空

8、载为空载 运行点：运行点： P f PP ff 12 12 P f PP ff GN N / / 011 22 0 ffP ffPP NGN GN N P ff 0 N N N N f ff f ff 00 100(%) 0 N N f ff 13 单位调节功率单位调节功率: :调差系数的倒数，表示频率变化时调差系数的倒数，表示频率变化时 发电机组输出功率的变化量。发电机组输出功率的变化量。 f P K G G 1 f P K G G 1 N GN GG f P KK 小结：小结：调差系数越小，单位调节功率越大，频率偏移越小。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

9、。调差系数是可以整定的。 14 3 电力系统的有功功率频率静态特性电力系统的有功功率频率静态特性 P f P1 f1 A )( fPD C )( fPD B P2 f2 G P 0D P D P 15 0 12 fff fKP GG fKP DD 负荷功率的实际增量：负荷功率的实际增量： 它同发电机功率增量平衡：它同发电机功率增量平衡： fKPPP DDDD 00 GDD PPP 0 fKfKKPPP DGDGD )( 0 f P KKK D DG 0 系统的单位调节功率系统的单位调节功率：计及发电机和负荷的调节效：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。应时，引起频率

10、单位变化时的负荷变化量。 P f P1 f1 A )(fPD C )(fPD B P2 f2 G P 0D P D P 16 标幺值表示 f P KKK D DG 0 f P f P K f P K D N DN D N GN G 0 f P ff PP K P P K D N DND D DN GN G 00 f P KKkK D DGr 0 * 系统的单位调节功率系统的单位调节功率 kr=PGN/PDN为备用系数为备用系数 等式两端同除以等式两端同除以PDN/fN 小结：小结：系统中有功功率电源的出力不仅应满足在额定频系统中有功功率电源的出力不仅应满足在额定频 率下系统对有功功率的需求，而

11、且应有一定的备用。率下系统对有功功率的需求，而且应有一定的备用。 17 5.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整 一、频率的一次调整一、频率的一次调整 n台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化 f f时时 )21(,n,i fKP GiGi n i G n i GiGiG fKfKPP 11 N GiN n i Gi n i GiG f P KKK 11 n台机组的等值台机组的等值 单位调节功率单位调节功率 结论：结论：n台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的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。单位调节功率。 18 一、频

12、率的一次调整一、频率的一次调整 N GiN n i Gi n i GiG f P KKK 11 把把n台机组用一台等值机代表，等值单位调节功率标幺值台机组用一台等值机代表，等值单位调节功率标幺值 GN GiN n i Gi G P PK K 1 n i i GiN GN G P P K 1 1 n i GiNGN PP 1 N GN GG f P KK 代入代入 19 频率的一次调整的计算过程频率的一次调整的计算过程 f P KKK D DG 0 N GiN n i Gi n i GiG f P KKK 11 N GiN ii GiGi f Pf ffKP 1 iGiN Gi f P P 例例

13、42 例例43 求出频率偏差求出频率偏差 每台机组的功每台机组的功 率增量率增量 小结：小结：调差系数越小的机组调差系数越小的机组 增加的有功输出相对越多。增加的有功输出相对越多。 20 频率的二次调整频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特：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。动范围内。 1.主调频厂的选择主调频厂的选择 调频厂：调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助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。 调频厂应满足的条件：调频厂应

14、满足的条件： 1 1）足够的调整容量）足够的调整容量 2 2）较快的调整速度）较快的调整速度 3 3）调整范围内的经济性较好）调整范围内的经济性较好 二、频率的二次调整二、频率的二次调整 21 调整容量调整容量: : 水电厂水电厂 火电厂火电厂 中温中压电厂（中温中压电厂（7575） 高温高压电厂（高温高压电厂（3030） 调整速度：调整速度： 水电厂水电厂 火电厂火电厂 调频厂选择：调频厂选择： 首选：水电厂首选：水电厂 其次：中温中压电厂其次：中温中压电厂 22 2.2.频率二次调整的过程频率二次调整的过程 p f 0 )( fPD f1 A )( fP G B )(fP D f2 2 f

15、 )(fP G C 0D P EF B 23 频率的二次调整频率的二次调整 fKfKPP DGGD 0 fKfKKPP DGGD )( 0 K PP f GD 0 结论：结论： （1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率）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。偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。 （2）可以做到）可以做到无差调节无差调节。 AE EF FC 24 多台机组并列运行（三台机组，多台机组并列运行（三台机组，1 1号机组为主调频机组）号机组为主调频机组） fKK fKfKKK PPPPP DG DGGG DD )( )( 321

16、 3210 fKKPP DGGD )( 10 例例4 44 4 例例4 45 5 调频机组未动作时调频机组未动作时 调频机组动作后调频机组动作后 25 5.3.3 5.3.3 互联系统的频率调整互联系统的频率调整 A GA DA K P P A GA DA K P P AAGAABDA fKPPP BBGBABDB fKPPP K PP KK PPPP f GD BA GBGADBDA )()( BA GADABGBDBA AB KK PPKPPK P )()( AB P 26 BA GADABGBDBA AB KK PPKPPK P )()( 联络线功率联络线功率 B GBDB A GADA

17、 K PP K PP 0 AB P BA GADB DB BA GADABDBA AB KK PPK P KK PPKPK P )( )( 例例4 46 6 例例4 47 7 B系统不参系统不参 加二次调整加二次调整 27 5.4 5.4 各类发电厂的合理组合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。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。：系统中发电设备和发电厂的合理组合。 有功负荷的最优分

18、配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：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。发电设备或发电厂之间的合理分配。 28 一、一、 各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点 1 1 火电厂火电厂 （1 1）燃料及运输费用）燃料及运输费用 （2 2）有功出力最小限制）有功出力最小限制 （3 3）效率与蒸汽参数有关）效率与蒸汽参数有关 （4 4）启停时间长且启停费用高）启停时间长且启停费用高 （5 5）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可）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。调节的强迫功率。 29 一、一、 各类发电

19、厂的运行特点各类发电厂的运行特点 2 2 水电厂水电厂 （1 1）不需燃料费，但一次投资大）不需燃料费，但一次投资大 （2 2）出力调节范围比火电机组大）出力调节范围比火电机组大 （3 3）启停费用低，且操作简单）启停费用低，且操作简单 （4 4）出力受水头影响）出力受水头影响 （5 5）抽水蓄能）抽水蓄能 （6 6）必须释放水量强迫功率）必须释放水量强迫功率 30 一、一、 各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点 3 核电厂核电厂 （1）最小技术负荷小，为额定负荷）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）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费

20、用高；启停及 急剧调节时，易于损坏设备。急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。）一次投资大，运行费用小。 31 二、各类发电厂的合理组合二、各类发电厂的合理组合 原则原则 （1 1）充分利用水源。）充分利用水源。 （2 2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。 （3 3）尽量降低火力发电成本。）尽量降低火力发电成本。 32 枯水期枯水期丰水期丰水期 抽水抽水 发电发电 33 5.5 5.5 电力系统有功功率的最优分配电力系统有功功率的最优分配 1 1 发电机组的耗量特性：发电机组的耗量特性：反映发电机组单位时间内能量反映

21、发电机组单位时间内能量输入输入和和 输出输出关系的曲线。关系的曲线。 耗量特性耗量特性 34 5.5 5.5 电力系统有功功率的最优分配电力系统有功功率的最优分配 比耗量：比耗量：耗量特性曲线上某点的耗量特性曲线上某点的 纵坐标和横坐标之比，即输入和纵坐标和横坐标之比，即输入和 输出之比输出之比 效率：效率：比耗量倒数比耗量倒数 耗量微增率耗量微增率：耗量特性曲线上某：耗量特性曲线上某 点切线的斜率，表示在该点的输点切线的斜率，表示在该点的输 入增量与输出增量之比。入增量与输出增量之比。 PF / FP / dPdF / 效率曲线和微增率曲线效率曲线和微增率曲线 35 二、目标函数和约束条件二

22、、目标函数和约束条件 有功负荷最优分配的目的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：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。的能源最少。 满足条件：满足条件： 等式约束等式约束 f(x、u、d)=0 不等式约束不等式约束 g(x、u、d)0 使使 目标函数目标函数 F=F(x、u、d) 最优最优 36 1 1 目标函数目标函数 系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）系统单位时间内消耗的燃料（火电机组） n i GiiGnnGG PFPFPFPFF 1 2211 )()()()

23、( 该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，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。描述的是单位时间内能源的消耗量。 37 2 2 约束条件约束条件 等式约束等式约束 不等式约束不等式约束 n i m j LLDjGi PPP 11 n i m j LDjGi PP 11 忽略有功网损忽略有功网损 maxmin maxmin GiGiGi GiGiGi QQQ PPP 38 三、三、 等耗量微增率准则等耗量微增率准则 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：消

24、耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机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组间的分配，使总的燃料消耗量最小。 等式约束等式约束 目标函数目标函数 0 21 LDGG PPP )()( min 2211GG PFPFF 39 三、三、 等耗量微增率准则等耗量微增率准则 作图法求解（只有两台机组）作图法求解（只有两台机组） 在在OO上找到一点作垂线，上找到一点作垂线， 与两条耗量特性曲线的交点与两条耗量特性曲线的交点 间距离最短。间距离最短。 在耗量特性曲线具有凸性的情在耗量特性曲线具有凸性的情 况下，况下，两条曲线的切线平行时，两条曲线的切线平行时， 燃料消耗量最少

25、燃料消耗量最少。 曲线的切线即斜率，就是该点的曲线的切线即斜率，就是该点的耗量微增率。耗量微增率。 40 切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。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。这就是等微增率准则。 物理意义物理意义 2211GG dP/dFdP/dF ，节约的燃料消耗为：增加，机组减少调整负荷分配，机组 ，并且总输出功率不变等：假如两台机组微增率不 PP dP dF dP dF GG 21 2 2 1 1 0 2 2 1 1 2 2 1 1 P) dP dF dP dF (P dP dF P dP dF F GGGG 41 四、多个发电厂间的负荷经济分配四、多个发电厂间的负荷经济分配 1.1.不计网损的有功最优分配不计网损的有功最优分配 目标函数最小：目标函数最小： 等式约束条件：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。解。 构造拉格朗日函数构造拉格朗日函数 n i Gii )P(FF 1 n i LDGi PP 1 0 n i LDGi PPFL 1 42