电力系统的有功功率平衡与频率调整教材PPT课件

1、本章提示l调频的意义及电力系统频率的允许波动范围；l频率一次调整的概念、原理及结果；l频率二次调整的概念、原理及结果；l电力系统的有功功率平衡及备用容量的概念。第1页/共53页13.1 13.1 概述概述13.1.1 频率调整的必要性13.1.2 频率调整的方法第2页/共53页13.1.1 13.1.1 频率调整的必要性频率调整的必要性 我国规定电力系统额定频率为50HZ50HZ，允许的波动范围为0.20.20.5HZ0.5HZ。 允许频率偏移的大小反映了一个国家工业发展水平，这与电力系统管理与运行水平有关。 频率变化超出允许范围时，对用电设备的正常工作和电力系统的稳定运行，都会产生影响，甚至

2、造成事故。第3页/共53页13.1.2 13.1.2 频率调整的方法频率调整的方法 电力系统频率的变化是由有功负荷变化引起的。1.第一种负荷分量 2.第二种负荷分量3.第三种负荷分量4.实际的负荷变化曲线 图13.1 有功负荷的变化 系统实际的负荷可以看作由三种具有不同变化规律的变动负荷组成第一种负荷分量变动幅度小（0.1%0.1%0.5%0.5%），变化周期短（一般10s10s以内）； 第二种负荷分量变动幅度较大（0.5%0.5%1.5%1.5%），变化周期较长（一般10s10s3min3min）； 第三种负荷分量是持续变动负荷。第4页/共53页 第一种变化负荷引起的频率偏移由发电机组的调速

3、器进行，称为频率的一次调整。 1.第一种负荷分量 2.第二种负荷分量3.第三种负荷分量4.实际的负荷变化曲线 图13.1 有功负荷的变化 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求，就可以维持频率的稳定。 第5页/共53页13.2 13.2 自动调速系统自动调速系统13.2.1 调速器的工作原理实现频率的 一次调整 13.2.2 调频器的工作原理实现频率的二次调整第6页/共53页图13.2离心飞摆式调速系统示意图转速测量元件 放大元件 执

4、行机构 转速控制机构 第7页/共53页13.2.1 13.2.1 调速器的工作原理调速器的工作原理 实现频率的实现频率的 一次调整一次调整 对应负荷的增大，发电机输出功率增加，频率略低于原来值；如果负荷降低，调速器调整作用将使输出功率 减小，频率略高于原来值。这就是频率的一次调整， 频率的一次调整由调速器自动完成的。 调整的结果，频率不能回到原来值，因此一次调整为有差调节。 第8页/共53页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调节。 第9页/共53页13.3 电力系统的频率特性 13.3.1 发电机组的有功功率频率静态特性 13.3.2

5、 系统负荷的有功功率频率静态特性第10页/共53页13.3.1 13.3.1 发电机组的有功功率发电机组的有功功率 频率静频率静态特性态特性 1、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13.3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。用标幺值表示为 GGPKtgf (13.1)(13.1)GNNGNGNGGGPfKffPPfPK(4.2)(4.2)第11页/共53页 发电机组的调

6、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0.04 0.06,25 16.7GK汽轮发电机组：2550,04. 002. 0GK水轮发电机组：GGNNPfPff00(13.3)(13.3)NGNGNGNfPPPff用标幺值表示为：(13.4)(13.4)第12页/共53页13.3.1 13.3.1 发电机组的有功功发电机组的有功功率率频率静态特性频率静态特性2 2、发电机组和等效发电机组的 功率频率静态特性 OPGPG2PG1ff1f212发电机组的功率频率静态特性如右图，当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。第13页/共53页13.3.1 13.3.

7、1 发电机组的有功功率发电机组的有功功率频率静态特性频率静态特性2 2、发电机组和等效发电机组的 功率频率静态特性 OPGPG2PG1ff1f212等效发电机组的功率频率静态特性如右图所示，它跟发电机组的功率频率静态特性相似。第14页/共53页 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13.4功频静态特性的平移 若机组负荷降低使转速升高高，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.第15页/共53页 13.3.2 13.3.2 系统负荷的有功功率系统负荷的有功功率 频率静态特性频率静态特性

8、 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：. .图13.5有功负荷的频率静态特 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。v不受频率影响的负荷v与频率成正比的负荷v与频率的二次方成比例的负荷，v与频率的高次方成比例的负荷第16页/共53页13.3.2 13.3.2 系统负荷的有功功率系统负荷的有功功率 频率静态特性频率静态特性综合负荷与频率的关系可表示成： 1210*2*2*102210neLeLLnnLneLeneLeeLeLeLaaaafffPPPfafafaaPffPaffPaffPaPaP第17页/共53页13.3.2 13

9、.3.2 系统负荷的有功功率系统负荷的有功功率 频率静态特性频率静态特性电力系统综合负荷的静态频率特性 在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线PLOfPL1f1负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调节效应系数。第18页/共53页 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。图13.5有功负荷的频率静态特 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。 如果联结容量改变，静态特性曲线将上下移动。 第19页/共53页 图中直线的斜率为：图13.5有功负荷的频率静态特 n 、 称为负荷的频率调节效应系数n或简称为负荷的频率调节效应

10、DKDK 它反映了系统负荷对频率的自动调整作用。fPtgKDD(13.6)(13.6) 用标幺值表示为： DNNDNDNDDPfKffPPK(13.7)(13.7)第20页/共53页 例13.1 13.1 某电力系统中，与频率无关的负荷占3535，与频率一次方成正比的负荷占4545，与频率二次方成正比的负荷占1010，与频率三次方成正比的负荷占1010。求系统频率由5050赫降到4747赫时，相应的负荷变化百分值。第21页/共53页13.4 电力系统的频率调整13.4.1 频率的一次调整13.4.2 频率的二次调整13.4.3 频率的三次调整及主调频厂的选择13.4.4 互联系统的频率调整13

11、.4.5 频率调整和电压调整的关系第22页/共53页13.4.1 13.4.1 频率的一次调整频率的一次调整 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。ac=ad+dc 负荷的功频特性负荷的功频特性 与发电与发电机组功频静特性机组功频静特性 的交点的交点a是系统的原始运行点，系统频是系统的原始运行点，系统频率为率为f1)( fPG( )DPf图13.6频率的一次调整 假定系统只有一台机组假定系统只有一台机组 2f0DP)(fPD 若系统负荷增加若系统负荷增加 ，其特，其特性曲线变为性曲线变为 。此时频率。此时频率为为 ，系统运行于，系统运行于b点。点。

12、第23页/共53页由图13.6可见，对应b点，发电机功率输出的增量为:fKPGG 负荷的频率调节效应所产生的负荷功率变化量为fKPDD式（13.9）中fPKKKDDG0 K 称为系统的单位调节功率，或系统的功率频率静特性系数。图13.6频率的一次调整一次调整的功率平衡方程式为 fKfKKPPPDGDGD)(0 (13.9) (13.9) 第24页/共53页13.4.1 13.4.1 频率的一次调整频率的一次调整 0K1KG*0*0，当发电机组满载运行时率。增加系统的单位调节功系统有备用时，将相应。大于为备用系数，用标幺值表示时rDNGNrDDrGDDNGNGDNDNDNGNGDGPPKfPKK

13、KKPPKKfPfPKfPKKKK第25页/共53页13.4.2 13.4.2 频率的二次调整频率的二次调整 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。图13.713.7频率的二次调整 二次调整是以手动或自动方式调节发电机组的调频器，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。 第26页/共53页由于进行了二次调整发电机组由于进行了二次调整发电机组增发的功率增发的功率 ；0GP由于调速器的调整作用而增由于调速器的调整作用而增加的发电机组功率（图加的发电机组功率（图中中 ）d

14、f由于负荷本身的调节效应而由于负荷本身的调节效应而减小的负荷功率（图减小的负荷功率（图中中 ）ef图13.7频率的二次调整0DP 负荷增量 可分解为三部分：ae=ad+df+fe第27页/共53页相似于式（13.913.9）可得二次调频功率平衡方程 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13.713.7中虚线所示。00()DGGDGDPPKfKfKKfK f 或：KPPKKPPfGDDGGD0000图13.7频率的二次调整（13.1013.10）（13.1113.11）第28页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率的三次调整 在频率的三

15、次调整之前，让我们先看看电力系统负荷的变化情况。 见下图第29页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率的三次调整电力系统有功功率调整 （频率的三次调整）负荷总的变化情况 随机分量 脉冲分量 持续分量第30页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率的三次调整 由上图可见，总的负荷可分成三个部分： 随机分量 脉冲分量 持续分量一次调频一、二次调频发电计划加二次调频第31页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率的三次调整 负荷的持续分量，调度部门用日负荷曲线来描述。日负荷曲线示例如下：第32页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率

16、的三次调整 从以上日负荷曲线可看到，把负荷分成基荷和峰荷。相应地，调度部门把发电厂分为三类： 带基荷发电厂 调峰发电厂 调频发电厂第33页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率的三次调整 调度部门按日负荷曲线把发电计划下发到各类发电厂，计划发电计划与实际负荷不可能完全一致，其差值称为计划外负荷。计划外负荷由调频厂承担。 第34页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率的三次调整主调频厂的选择主调频厂的选择 1、按照是否承担二次调整可将所有电厂分为： 2、按照频率调整的要求，主调频厂应具备以下条件：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

17、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）则按预先给定的负荷曲线发电。 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。 3、调整频率时，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。第35页/共53页13.4.3 13.4.3 频率的三次调整频率的三次调整 由此可见，调度部门使用发电计划来解决大部分有功功率平衡问题的。 第36页/共53页13.4.4 13.4.4 互联系统的频率调整互联系统的频率调整假设 、 分别为两系统的单位调节功率; 、 分别为两系

18、统二次调频的发电功率变量; 、 分别为两系统的负荷变化量; 为联络线上的交换功率变化量，正方向为由A流向B。图13.8互联系统的频率调整 AKBKGAPGBPDAPDBPABP 对系统A相当于负荷增量，对系统B相当于发电功率增量。ABP第37页/共53页 对A A系统：AAGAABDAfKPPP（13.10a13.10a）对B B系统：BBGBABDBfKPPP（13.10b13.10b） 两个联合运行的系统频率是相等的，即 ，可得：fffBABAGDBAGBGADBDAKKPPKKPPPPf)()(（13.1113.11）可见，若联合系统二次调频的发电功率增量 等于全系统负荷增量 时，可实现

19、无差调节，即否则，将出现频率偏移。GPDP0f第38页/共53页()()ADBGBBDAGAABABKPPKPPPKK（13.1213.12）由13-10式可得：可见，当A、B两系统都进行二次调整，且两系统的功率缺额与其单位调节功率成比例时，即 DAGADBGBABPPPPKK联络线上的交换功率增量 为零。ABP第39页/共53页令 ， 分别为A、B两系统的功率缺额，GBDBBGADAAPPPPPP,BAPP ,则式（13.11）、式（13.12）变为：BABAKKPPf（13.13）BAABBAABKKPKPKP（13.14） 可见，联合系统频率的变化取决于这个系统总的功率缺额和总的系统单位

20、调节功率。其实，两系统联合后，本应看作是一个系统。 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。（当系统B的负荷增量全由联络线的功率增量来平衡时，联络线的功率增量最大）0AP0BP第40页/共53页13.4.5 13.4.5 频率调整和电压调整的关系频率调整和电压调整的关系 1、系统频率下降时，发电机发出无功减少，系统无功需求相对增加，若无功电源不足，电压会下降。 2、系统频率增高时，发电机发出无功增加，系统无功需求相对减少，电压会升高，为维持电压正常水平，发电机无功出力可减小。 3、系统电压水平提高时，系统总的

21、有功需求增加，若有功电源不足，频率会下降。 反之，频率会上升。 4、系统有功和无功都不足因而引起频率和电压降低时，首先解决有功平衡问题。因为频率提高能减少无功缺额，有利于调压。如果先提高电压，会扩大无功缺额，导致频率更加下降。第41页/共53页例13.2 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）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。;100,/50,/800MWPHZMWKHZMWKDADAGA 。MWPHZMWKHZMWKDBDBGB5

22、0,/40,/700 f ABP 第42页/共53页13.5 电力系统中有功功率的平衡13.5.1 有功功率平衡及备用13.5.2 电力系统中各类发电厂的合理分配第43页/共53页13.5.1 13.5.1 有功功率平衡及备用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 。 GPDP 包括所有用户的有功负荷包括所有用户的有功负荷 、网络的有功损耗、网络的有功损耗 以及厂用电有功负荷以及厂用电有功负荷 ，即，即DPLPPCP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7 78 8；火电厂厂用电约占发电厂出力的5

23、510%10%，水电厂一般只占1 1左右。CLDGPPPPP（13.1513.15） 第44页/共53页 为保证系统安全、优质、经济地运行，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。第45页/共53页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：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，但不能小于系

24、统中一台最大机组容量。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：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。第46页/共53页13.5.2 13.5.2 电力系统中各类发电厂的合理分配电力系统中各类发电厂的合理分配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。 图中：A A水电厂的不可调功率；B B水电厂的可调功率；C C热电厂；D D核电厂；E E高温高压凝气式火电厂；F F中温中压凝气式火电厂图13.913.9各类发电厂组合顺序示意图第47页/共53页13.5.2 13.5.2 电力系统中各类发电厂的合理组电力系统中各类发电厂的合理组合合火力发电厂的特点有： 火电厂运行