第五章电力系统有有功功率平衡和频率调整

1、第五章第五章 电力系统有功功率的平衡和频率的调整电力系统有功功率的平衡和频率的调整 系统的频率由系统中的有功功率分配有关，本章主要内容：系统有功功率的最优分布和频率的调整。 第一节 电力系统中的有功功率的平衡第二节 电力系统的频率调整第一节 电力系统中的有功功率的平衡一、频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响频率变化的原因： 频率变化 电动机转速的变化 产品质量 电动机停转电厂的给水泵停运，锅炉停炉等等由有功负荷变化引起的我国频率范围：50 0.2Hz发达国家（如澳大利亚）：50 0.1Hz华东电网已达到： 50 0.1Hz二、电力系统中有功功率的平衡和备用容量1、有功功率负荷的变动及其调整

2、一、变化幅度很小、变化周期较短，负荷变动有很大的偶然性。 二、变化幅度较大、变化周期较长，如电炉。电气机床。三、变化缓慢的持续变动负荷，如由生产、生活、气象变化引起的负荷变动。 电力系统经济调度的第一个问题就是研究用户的需求，即进行电力负荷预测，按照调度计划的周期，可分为日负荷预测，周负荷预测和年负荷预测。不同的周期的负荷有不同的变化规律：负荷预测的精度直接影响经济调度的效益，提高预测的精度就可以降低备用容量，减少临时出力调整和避免计划外开停机组，以利于电网运行的经济性和安全性。 n根据负荷变化，电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分为：n一次调频：由发电机调速器进行；n二次调频：由发电机调

3、频器进行；n三次调频：由调度部门根据负荷曲线进行最优分配。n前两种是事后的，第三种是事前的。n一次调频一次调频是所有运行中的发电机组都可参加的，取决于发电机组是否已经满负荷发电。这类 发电厂称为负荷监视厂。1.1.二次调频二次调频是由平衡节点来承担。 n系统的备用容量系统的备用容量：系统电源容量大于发电负荷的部分，可分为热备用和冷备用或负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。2、有功功率平衡和备用容量cSDLGPPPPP网络的有功损耗发电厂厂用有功负荷用户的有功负荷系统的总负荷总和发电厂发出的有功功率CPPPPPSDLGn负荷备用负荷备用：为满足系统中短时的负荷波动和一天中计划外的负荷增

4、加而留有的备用容量。一般为系统最大负荷的25n国名经济备用国名经济备用：考虑到工农业用户超计划生产，新用户的出现等而设置的备用容量。一般为系统最大负荷的35n事故备用事故备用：为使电力用户在发电设备发生偶然事故时不受严重影响，能够维持系统正常供电所需的备用容量。一般为系统最大负荷的510n检修备用检修备用：为保证系统中的发电设备进行定期检修时，不影响供电而在系统中留有的备用容量。3、各类发电厂的特点及合理组合 水电厂、火电厂、核电厂 （一） 各类电厂的特点（自学） （二） 各类发电厂的合理组合 有功功率的最优分配，包括有功功率电有功功率电源的最优组合源的最优组合和有功功率负荷的最优分配有功功率

5、负荷的最优分配。4、有功功率的最优分配有功功率电源的最优组合：是指系统中发电设 备或发电厂的合理组合。通常所说的机组的合理开停，大体上包括三个部分：机组的最优组合顺序机组的最优组合数量1.机组的最优开停时间(1).有功功率电源的最优组合n最优化最优化：是指人们在生产过程或生活中为某个目的而选择的一个“最好”方案或一组“得力”措施以取得“最佳”效果这样一个宏观过程。n有功功率负荷的最优分配：有功功率负荷的最优分配：是指系统的有功功率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。其核心是按等耗量微增率准则进行分配。n电力系统最优运行：电力系统最优运行：是电力系统分析的一个重要分支，它所研究的

6、问题主要是在保证用户用电需求（负荷）的前提下，如何优化地调度系统中各发电机组或发电厂的运行工况，从而使系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料耗量达到最小这样决策问题。 (2).有功功率负荷的最优分配有功功率负荷合理分配的目标 在满足一定约束条件的前提下，尽可能节约消耗的能源。1).耗量特性PGF，W0PWF)(比耗量1发电设备的效率PWFd)(d耗量微增率PGF，W0FPPFmPG0m,变化比耗量和耗量微增率的 合理组合发电设备的方法之一就是按照最小比耗量由小到大的顺序，随负荷的由小到大增加，逐套投入发电设备；或负荷的由大到小，逐套退出发电设备。2) 目标函数和约束条件 在一定约束条件下，使某一

7、目标函数为最优。约束条件和目标函数都是状态变量x、控制变量u、扰动变量d的非线性函数。0）、（等约束条件duxf0g）、（不等约束条件dux）最优、（目标函数duxCC 有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小的有功功率的前提下，单位时间内的能源消耗最少。注：对于纯火电系统， 发电厂的燃料费用主要与发电机输出的有功功率有关，与输出的无功功率及电压等运行参数关系较小 。 目标函数：系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料耗量niGiiGnnGGPFPFPFPFF12211)()(.)()(能源时单位时间内所消耗的功率表示发电设备发出有功GiGiiPPF)(等约束条件：有功功率必须保持平衡0sincos

8、1ijijijijnjjiLiGiBGUUPP对于每个节点011PPPniLiniGi对于整个系统011niLiniGiPP不计网损不等约束条件：为系统的运行限制各节点发电设备有功功率 ,无功功率 和电压大小不能超过限额。 maxminmaxminmaxminiiiGiGiGiGiGiGiUUUQQQPPPGiPGiQ 一般用拉格朗日乘数法。 现用两个发电厂之间的经济调度来说明问题，略去网络损耗。n建立数学模型。 210122cosminiiGiiGiitaPaPaFf02121iLiiGiPPmax22min2max11min1max22min2max11min1max22min2max11

9、min1,UUUUUUQQQQQQPPPPPPGGGGGGGGGGGG3) 最优分配负荷时的等耗量微增率准则n根据给定的目标函数和等约束条件建立一个新的、不受约束的目标函数拉格朗日函数。n对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三个条件： （1）21212211*LLGGGGPPPPPFPFC拉格朗日乘子212121222111,00LLGGGGGGGGPPPPPPfdPPdFdPPdFn求解（1）得到： 这就是著名的等耗量微增率准则，表示为使总耗量最小，应按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂之间分配负荷。n对不等式约束进行处理v对于有功功率限制，当计算完后发现某发电设备越限，则该发电设备取其限

10、制，不参加最优分配计算，而其他发电设备重新进行最优分配计算。v无功功率和电压限制和有功功率负荷的分配没有直接关系，可暂时不计，当有功功率负荷的最优分配完成后计算潮流分布在考虑。21推广：n21.例题分解出：联立：分有根据耗量微增率准则：分解：2MW105 MW3154203009. 06008. 083009. 06008. 081221212122221111PPPPPPPdPdFPdPdF分越限，取其下限，即4MW300120420MW120211PPP2.已知两台机组并联共同向一负荷供电，它们的耗量特性分别为F1a18P10.004P12 t/h，F2a26P20.0045P22 t/h

11、 ，120MWP1400MW，120MWP2400MW，求当负荷功率PL420MW时，负荷的最优经济分配。概述频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行。负荷要求频率的偏差一般应控制在（0.2 0. 5）Hz的范围内。要维持频率在正常的范围内，其必要的条件是系统必须具有充裕的可调有功电源。第二节 电力系统的频率调整频率不稳定给运行中的电气设备带来的危害：n对用户的影响v产品质量降低v生产率降低 n对发电厂的影响v 汽轮机叶片谐振v辅机功能下降v 对系统的影响v互联电力系统解列v发电机解列一、电力系统负荷的有功功率频率的静态特性二、发电机组的有功功率频率静态特性三、频率的一

12、次调整四、频率的二次调整一、电力系统负荷的有功功率频率的静态特性 当电力系统处于稳态运行时，系统中的有功负荷随频率变化特性称为负荷的有功功率频率静态特性。332210)()()(NLNNLNNLNLNLffPaffPaffPaPaP荷时，整个系统的有功负频率为电力系统频率为额定荷时，整个系统的有功负为电力系统频率为NffLNLPPfPL0PLNfNtgKL)/(HzMWfPtgKLLfPffPPKLNNLNLL效应系数：有功负荷的频率调节、LLKK31LK二、发电机组的有功功率频率静态特性（一）自动调速系统 发电机的频率调节是由原动机的调速系统来实现的。（二）发电机组的有功功率频率静态特性fP

13、G0PGNfNtgKGf0)/(HzMWtgfPKGG概念介绍：GNNGGNGNGGPfKfPffPPK率、发电机的单位调节功1发电机的单位调节功率与调差系数的关系(倒数关系)：100%0NNfff100%1*GNGNGBKfPK2、机组的调差系数%100%000NGNNGNNGNfPffPffPfPG0PGNfNtgKGf0的偏移频率相应转速荷改变时可定量表明一台机组负)(%fPKGG一般来说发电机的单位调节功率是可以整定的：汽轮发电机组 =35%或 33.520 水轮发电机组 = 24%或 5025%*GK%*GK三、频率的一次调整 简述：由于负荷突增，发电机组功率不能及时变动而使机组减速

14、，系统频率下降，同时，发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大，负荷功率因其本身的调节效应而减少，经过一个衰减的振荡过程，达到新的平衡。SLGLLGLKKKfPfKKABBOAOP/00KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。)/()/(0NLLSffPPKfP0P00Lpf0f0p0PLpLoAoBBAKS：系统的单位调节功率 可以求取在允许范围内电力系统能够承受多大的负荷增减。KS越大，电力系统承受负荷变化越大。LGSKKK例题1：电力系统总负荷为3000MW， 1.5，正常运行时f50Hz，假定此时系统全部发

15、电机均满载，若因故障失去300MW的出力，求系统f降到什么数值？ LKHzfHzfKPfPLLL67.4633. 35033. 350067. 0067. 05 . 11 . 01 . 03000300例题2：某一容量为100MW的发电机，调差系数为4，当系统频率为50Hz的时候，发电机的出力为60MW，若系统的频率下降到49.5Hz时，发电机的出力时多少？ ）（发电机出力：MW852560)(25) 5 .4950(50MWfKPGG)/(505010004. 01%HzMWfPKNGNG四、频率的二次调整 1、当负荷变动幅度较大（0.5%1.5%），周期较长（几分钟），仅靠一次调频作用不能

16、使频率的变化保持在允许范围内，这时需要调速系统中的调频器动作，以使发电机组的功频特性平行移动，从而改变发电机的有功功率以保持系统频率不变或在允许范围内。B2、当系统负荷增加时，由以下三方面提供：n二次调频的发电机组增发的功率 n发电机组执行一次调频，按有差特性的调差系数分配而增发的功率 ；n由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率。0GPOC fKCBG fKBALBSLGGLLGGLKKKfPPfKKPP00 00 00fKfKPBACBOCPLGGL率电力系统的单位调节功:SKBB00GLPP0 f如果 ，则 ，就实现了所谓的无差调节 二次调整时，电力系统的负荷增量基本上要由主调频机组承担

17、，如果一台主调频机组不足以承担电力系统负荷变化时，必须增选一些机组参加二次调频。五、互联系统的频率调整 由几个地区系统互联为一个大系统的情况，对某一个地区系统而言，负荷变化（增加） 时，可能伴随着与其他系统交换功率的变化PtP 若设A、B两系统互联，且两个系统都能进行二次调频，两系统负荷变化量分别为为 ，两系统由二次调频而使发电机增发的功率增量为 ， 分别为两个系统的单位调节功率。联络线交换功率 由a向b时为正值,引起互联系统的频率变化为LBLAPP,abPfKPPPAGAabLA：系统ALAGAAPPKLBGBBPPKABPABGBGAPP,BAKK 、fKPPPBGBabLB)(B：系统 率缺额表示两个电力系统的功、BABABABAGBLBGALAPPKKPPKKPPPPf fKKPPPP