05第五章电力系统的有功功率和频率调整

1、1电力系统分析基础电力系统分析基础Power System Analysis Basis（五）（五） 主讲人：栗然2第五章电力系统的有功功率和频率调整第五章电力系统的有功功率和频率调整1、电力系统中有功功率的平衡、电力系统中有功功率的平衡2、有功功率的最优分配、有功功率的最优分配 各类发电厂的运行特点和合理组合各类发电厂的运行特点和合理组合 不计网损时水、火电厂间的经济功率分配不计网损时水、火电厂间的经济功率分配 计网及损时各发电厂间的经济功率分配计网及损时各发电厂间的经济功率分配3、电力系统频率的调整、电力系统频率的调整 电力系统负荷及电源的频率静态特性电力系统负荷及电源的频率静态特性 频率

2、的一、二次调整，互联系统的频率调整频率的一、二次调整，互联系统的频率调整3一一. .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。5.15.

3、1电力系统中有功功率的平衡电力系统中有功功率的平衡4二二 频率与有功平衡的关系频率与有功平衡的关系 频率频率由发电机转速决定由发电机转速决定 转速与其轴上的转矩平衡有关转速与其轴上的转矩平衡有关 转矩平衡与功率平衡转矩平衡与功率平衡ETETPPMM 5.15.1电力系统中有功功率的平衡电力系统中有功功率的平衡负荷变化负荷变化M MT T：由于惯性大变化慢：由于惯性大变化慢M ME E：有功负荷变化快：有功负荷变化快产生瞬时不平衡产生瞬时不平衡转矩转矩不平衡不平衡 发电机转速变化发电机转速变化 频率变化频率变化( (+ +0.2HZ0.2HZ + +0.5HZ)0.5HZ)5三有功功率负荷的 变

4、化及其调整5.15.1电力系统中有功功率的平衡电力系统中有功功率的平衡6 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

5、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）75.15.1电力系统中有功功率的平衡电力系统中有功功率的平衡备用容量：备用容量：15%15%20%20% 作用：作用：为了保证供电可靠性及电为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷。于发电负荷。定义：定义：备用容量备用容量 系统可用系统可用电源容量电源容量 发电负荷发电负荷 有功功率平衡：有功功率平衡：,GiLiLossPPP8760t(h)P(MW)发电负荷发电负荷备用容备

6、用容量量新增容新增容量量四、有功功率电源和备用容量四、有功功率电源和备用容量系统电源容量系统电源容量：可投入：可投入发电设备的可发功率之和发电设备的可发功率之和8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：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

7、用容量的分类9系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问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。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有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合：系统中发电设备和发电厂的合理组合。理组合。包括：机组的最优组合顺序，机组的最优组包括：机组的最优组合顺序，机组的最优组合数量，机组的最优开停时间。合数量，机组的最优开停时间。有功负荷的最优分配有功负荷的最优分配：系统中的有功负荷在各个正在：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。运行的发电设备或发电厂之间的

8、合理分配。5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配10承担急剧变化负荷时与投、退相似，额外耗能、费时承担急剧变化负荷时与投、退相似，额外耗能、费时一、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5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配支付燃料费用支付燃料费用技术最小负荷技术最小负荷锅炉锅炉 25%25%70%70%汽机汽机 10%10%15%15%效率与蒸汽效率与蒸汽参数有关参数有关高温高压：效率高、调节范围小高温高压：效率高、调节范围小中温中压：较前者低、但调节范围大中温中压：较前者低、但调节范围大低温低压：指标最

9、差、不用于调节低温低压：指标最差、不用于调节热电厂：抽气供热，效率最高，有不可调节的强迫功率热电厂：抽气供热，效率最高，有不可调节的强迫功率火电厂火电厂112 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一、一、 各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配123 核

10、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。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。）一次投资大，运行费用小。一、一、 各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配13 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）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。用。（3 3）尽量降低火力发电成本，）尽量降

11、低火力发电成本，增加燃用劣质煤、当增加燃用劣质煤、当地煤地煤。二、二、 各类发电厂的合理组合各类发电厂的合理组合5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配14枯水期枯水期丰水期丰水期抽水抽水发电发电151 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反映发电机组单位时间内能量间内能量输入输入和和输出输出关系的曲线。关系的曲线。耗量特性耗量特性三、三、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5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配16 比耗量：比耗量：耗量特性曲线上某耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，点的纵

12、坐标和横坐标之比，即输入和输出之比即输入和输出之比 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：耗量特性曲线上某点切线的斜率，表示在上某点切线的斜率，表示在该点的输入增量与输出增量该点的输入增量与输出增量之比。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 1 1、发电机组的耗量特性发电机组的耗量特性5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配17 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：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供电的前提下，使发电设备在

13、生产电能的过程中单位时间内所消耗的能源最少。时间内所消耗的能源最少。 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2、目标函数和约束条件、目标函数和约束条件5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配18(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） niGiiGnnGGPFPFPFPFF12211)()()()(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

14、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。2、目标函数和约束条件目标函数和约束条件5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配19(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11nmGiLDjLijPPP nimjLDjGiPP11忽略有功网损忽略有功网损 maxminmaxminGiGiGiGiGiGiQQQPPP2、目标函数和约束条件、目标函数和约束条件5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配20 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

15、机组的燃料消耗量和输出功率不受限制，要求：消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021 LDGGPPP)()( min2211GGPFPFF 3、等耗量微增率准则等耗量微增率准则5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配21 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

16、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。3、等耗量微增率准则等耗量微增率准则5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配22 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2211GGdP/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PPdPdFdPdFGG2

17、12211022112211 P)dPdFdPdF(PdPdFPdPdFFGGGG 23（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 niGii)P(FF1 niLDGiPP10 niLDGiPPFL1 4、多个发电厂间的负荷经济分配多个发电厂间的负荷经济分配5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配24 求拉格朗日函数的无条件极值求拉格朗日函数的

18、无条件极值 niLDGiPPFL1 )n,i (PFPLGiGi21 0 GiPF)n,1,2,i (dPdFGii niGii)P(FF125不等式约束的处理不等式约束的处理 功率上下限约束功率上下限约束 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。按经济分配。 节点电压及无功功率约束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。在经济功率分配后的潮流计算中处理。maxGiGiminGiPPP maxGiGiminGiQQQ maxiim

19、iniVVV 26（2 2）. .考虑网损的有功最优分配考虑网损的有功最优分配 等式约束变为等式约束变为 目标函数不变目标函数不变 拉格朗日函数为拉格朗日函数为10nGiLLDiPPP 11nniGiLLDiiLFPPP 10iLGiGiGidFPLPdPP 1(1, 2,)1iiiGiGiLGidFdFLindPdPPP 经过网损修正后经过网损修正后的等微增率准则的等微增率准则网损修正系数网损修正系数网损微增率的物理意义：某发电厂所发功率的变化引起的网损微增率的物理意义：某发电厂所发功率的变化引起的网路总损耗的变化网路总损耗的变化阻抗矩阵法阻抗矩阵法网损微增率网损微增率27 目标：目标：在整

20、个运行周期内满足用户的电力需求，合理分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。配水火电厂的负荷，使总燃料消耗量最少。 等式约束等式约束： 目标函数最小目标函数最小：21( )( )( )0HTLDPtPtPt 2220( )0HW Pt dtK 110( )TFF Pt dt 这是一个求泛函极值问题，一般应用变分法求解。这是一个求泛函极值问题，一般应用变分法求解。5、水、火发电厂间的负荷经济分配水、火发电厂间的负荷经济分配5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配28 变分法求解，变分法求解，分段处理分段处理 等式约束等式约束：

21、 目标函数目标函数：2.1.0HkTkLD kPPP 2.2.21()0k tkHkkkWPtK 1.1.1()k tkTkkkFFPt 5、水、火发电厂间的负荷经济分配水、火发电厂间的负荷经济分配5.25.2电力系统中有功功率的最优分配电力系统中有功功率的最优分配29拉格朗日函数拉格朗日函数 *.1122.2.21()()ktktkTkkkHkTkL DkkkkktkHkkkLFPtPPPtWPtK 5、水、火发电厂间的负荷经济分配水、火发电厂间的负荷经济分配*.()0kTkkTkTkdFPLPdP *.()0kHkkHkHkdWPLPdP 305

22、、水、火发电厂间的负荷经济分配水、火发电厂间的负荷经济分配.21.2.()()kTkkHkkTkHkdFPdWPdPdP 11111222222()/()()/()TTTHHHdF PdPdF PdWPdPdWP 任一瞬间：任一瞬间：1122212()()THTHdF PdWPdPdP 其中：其中：水煤换算系数水煤换算系数1m1m3 3水量相当于水量相当于 2 2吨煤的消耗吨煤的消耗丰水期小，枯水期大丰水期小，枯水期大31 水、火电厂之间的经济分配仍按等微增率原则分配，水、火电厂之间的经济分配仍按等微增率原则分配，只不过，水电厂微增率乘一个只不过，水电厂微增率乘一个 2 2后后分

23、配，水电厂在一定时分配，水电厂在一定时间内可消耗水量越多，单位重量燃料可折换的水量越大，间内可消耗水量越多，单位重量燃料可折换的水量越大， 2 2 从而从而 2 2 H H也越小，水电厂应分配更多负荷。也越小，水电厂应分配更多负荷。由于由于 j j事先未知，须假设事先未知，须假设 j j的初值，分配计算求出的初值，分配计算求出各段负荷，然后计算出各段负荷，然后计算出T T时间内的用水量时间内的用水量物理解释：物理解释：计算：计算：WkjT)(WWWWWWJkjTJkjTJkjT)()()(与与W Wj j比较比较结束计算结束计算增大增大 j0j0 ，重复计算，重复计算减小减小 j0j0 ，重复

24、计算，重复计算5、水、火发电厂间的负荷经济分配水、火发电厂间的负荷经济分配321 1、定义：、定义：负荷负荷与用户的生产状态有关与用户的生产状态有关与频率无关与频率无关照明、电炉等照明、电炉等与接入点系统电压有关与接入点系统电压有关与系统频率有关与系统频率有关仅考虑频率因素仅考虑频率因素假设不变假设不变2 2、负荷性质：、负荷性质：与频率的一次方成正比与频率的一次方成正比球磨机、卷扬机等球磨机、卷扬机等与频率的二次方成正比与频率的二次方成正比变压器的涡流损耗等变压器的涡流损耗等与频率的三次方成正比与频率的三次方成正比通风机、循环水泵等通风机、循环水泵等与频率的高次方成正比与频率的高次方成正比静

25、水头阻力大的给水泵静水头阻力大的给水泵5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整一、负荷的有功功率频率静态特性一、负荷的有功功率频率静态特性33230123LLNLNLNLNNNNfffPa Pa Pa Pa Pfff13210 aaaa230123LPaa fa fa fNLNfP以和为基准值的标幺值表达式5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整34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。LLPKtgf /LLNLLNP

26、PPKfff 负荷的负荷的单位调节功率单位调节功率，表示负荷随频率的变化表示负荷随频率的变化程度。程度。5 . 1* LK35二、二、 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 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)36调频器的工作原理调频器的工作原理37（1 1）、无调速系统时）、无调速系统时: : P PT T=c=c1

27、 1f-cf-c2 2f f2 2（2 2）、有调速系统时）、有调速系统时二、二、 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5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整38（3 3）、有调频器时）、有调频器时二、二、 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5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整392、概念介绍、概念介绍1)1)发电机的单位调节功率发电机的单位调节功率：发电机组原动机或电源频：发电机组原动机或电源频率特性的斜率。率特性的斜率。 标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡。加的

28、多寡。 GNNGGNNGGGGPfKfPfPKHzMwfPK/ * 二、二、 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5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整405.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整2)发电机的调差系数：发电机的调差系数：单位调节功率的倒数。单位调节功率的倒数。100100% 0 000 NNGNNGNGNNGNNGfffPffPPffPffPf 二、二、 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415.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整3)发电机的发电机的单位调节功率单位调节功率与与调差系数调差系数的关系：

29、的关系：一般来说发电机的一般来说发电机的单位单位调节功率是可以整定的：调节功率是可以整定的：汽轮发电机组汽轮发电机组 =35或或 =33.320水轮发电机组水轮发电机组 =24或或 =5025NGNNGNGGGfPfPKKK100%11100%1* % *GK% *GK二、二、 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42fPOP0PLf0PGPL PL0AP0Bf0O B A 三、三、 频率的一次调整频率的一次调整5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整1)简述：由于负荷突增，简述：由于负荷突增，发电机组功率不能及发电机组功率不能及时变动而使机组减速，时变动而使机

30、组减速，系统频率下降，同时，系统频率下降，同时，发电机组功率由于调发电机组功率由于调速器的一次调整作用速器的一次调整作用而增大，负荷功率因而增大，负荷功率因其本身的调节效应而其本身的调节效应而减少，经过一个衰减减少，经过一个衰减的振荡过程，达到新的振荡过程，达到新的平衡。的平衡。430oofff 0LsGLPKKKf 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，引起频率单位变化时的负荷变化量。fPOP0PLf0PGPL PL0AP0Bf0O B A 00LGLLGLGLSOAOBBAPOBB OKfBAA

31、BKfPAOOBBAKfKfKKfKf 443)注意：注意：取功率的增大或频率的上升为正；取功率的增大或频率的上升为正；为保证调速系统本身运行的稳定，不能采用过大的为保证调速系统本身运行的稳定，不能采用过大的单位调节功率；单位调节功率；对于满载机组，不再参加调整。对于满载机组，不再参加调整。 对于系统有若干台机参加一次调频：对于系统有若干台机参加一次调频： 具有一次调频的各机组间负荷的分配，按其调差系具有一次调频的各机组间负荷的分配，按其调差系数即下降特性自然分配。数即下降特性自然分配。 LGSKKK三、三、 频率的一次调整频率的一次调整5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整45频率

32、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四、频率的二次调整四、频率的二次调整46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5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整四、频率的二次调整四、频率的二次调整472