第5章 电力系统有功功率平衡与频率调整 2

1、11、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、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3、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2一、频率偏移的影响一、频率偏移的影响（1 1）频率变化）频率变化 = = 异步电动机的转速变化；异步电动机的转速变化； 在保证电能质量的条件下，连续不断地供给用户需要的在保证电能质量的条件

2、下，连续不断地供给用户需要的功率，实现电力系统的功率平衡（有功功率和无功功率）。功率，实现电力系统的功率平衡（有功功率和无功功率）。电压、频率、电压、频率、正弦交流电的正弦交流电的波形波形 频率频率 = = 电动机输出功率电动机输出功率（2 2）用电源频率时间基准的电子设备受影响）用电源频率时间基准的电子设备受影响（3 3）频率）频率 = = 发电厂拖动设备发电厂拖动设备( (泵类、风机等泵类、风机等) ) 出力出力 = = 发电机组发电能力发电机组发电能力5.15.1 概述概述3二、引起频率偏移的原因二、引起频率偏移的原因 电力系统中，并联运行的发电机保持同步是系电力系统中，并联运行的发电机

3、保持同步是系统维持正常运行的必要条件。统维持正常运行的必要条件。 同步发电机正常运行时，机械转矩和电磁转矩同步发电机正常运行时，机械转矩和电磁转矩保持平衡。当负荷发生变化时，引起发电机电磁功保持平衡。当负荷发生变化时，引起发电机电磁功率发生变化。率发生变化。 负荷负荷 = = 转速转速= = 频率频率4三、有功功率平衡三、有功功率平衡 有功功率平衡（机械功率有功功率平衡（机械功率= =电磁功率）电磁功率） 根据负荷变化规律，以安排发电计划，确定各根据负荷变化规律，以安排发电计划，确定各发电机在每段时间应发的功率，即发电机在每段时间应发的功率，即功率分配功率分配。YLlGPPPP 总有功功率总有

4、功功率 用户有功负荷用户有功负荷 有功功率损耗有功功率损耗 自用电自用电 发电机的额定容量发电机的额定容量 当前负荷容量当前负荷容量备用的发电备用的发电设备容量设备容量5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

5、的分类备用容量的分类65.25.2负荷的频率静特性和电源的频率静特性负荷的频率静特性和电源的频率静特性有功功率负荷的变化曲线7 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

6、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）81 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

7、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水头阻力大的给水泵静水头阻力大的给水泵一、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5.25.2负荷的频率静特性和电源的频率静特性负荷的频率静特性和电源的频率静特性9230123LLNLNLNLNNNNfffPa Pa Pa Pa Pfff 13210 aaaa230123LPaa fa fa f 的的标标幺幺值值表表达达式式为为基基准准值值和和以以DNNPf10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

8、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 /LLNLLNPPPKfff 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* LK图图5-1 5-1 有功负荷频率特性有功负荷频率特性PL*f*0.950.970.991.010.90.951.01.0511二、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1 1、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

9、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)12发电机的功频静特性发电机的功频静特性是指原动机功率是指原动机功率- -频率静态特性。频率静态特性。图图5-3 5-3 发电机组功频静特性发电机组功频静特性一般大型汽轮发电机组由空载到满载的范围内频率一般大型汽轮发电机组由空载到满载的范围内频率越有越有4%4%的变化，即满载的变化，即满载f f* *=1=1，空载，空载f f* *=1.04=1.04。0Pf*1.01.01.04无差调节无差调节有差调节有差调节1

10、32、调频器的工作原理、调频器的工作原理14图图5-4 5-4 调频器改变位置时功频静特性的变化调频器改变位置时功频静特性的变化0Pf*1.01.0P特性特性3特性特性2特性特性1153、概念介绍、概念介绍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率特性：发电机组原动机或电源频率特性的斜率。的斜率。 标志着随频率的标志着随频率的升升降降发电机组发出功率发电机组发出功率减少减少或或增加增加的多寡。的多寡。 GGPKf 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*/GGGNGNGNNKKK fPPf发电机的调差系数：发电机的调差系数：单位调节功率的

11、倒数。单位调节功率的倒数。00 0NNGGNGNfffffRPPP 00 %100100NGNNNNNGNGNffPffRRfffPP1GKR*1100%GKR16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：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 =33.3203)水轮发电机组水轮发电机组 =24或或 =5025%R*GK%R*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1GKR*1100%GKR17一、一、 频率的一次调整频率的一次调整简述：由于负荷

12、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，时变动而使机组减速，系统频率下降系统频率下降，同时，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，而增大，负荷功率负荷功率因因其本身的调节效应而其本身的调节效应而减少减少，经过一个衰减，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。5.35.3电力系统的频率调整电力系统的频率调整 图图5-6 5-6 频率的一次调整频率的一次调整0PffMPGfNNlPlPlPlPGP0lPlP0LsGLPKKKf 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

13、节效应时，引起：计及发电机和负荷的调节效应时，引起频率单位变化时的频率单位变化时的负荷变化量负荷变化量。0lGlGLPPPKfKf 18注意：注意：为保证调速系统本身运行的稳定，不能采用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；过大的单位调节功率；对于对于满载机组，不再参加调整满载机组，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。调差系数即下降特性自然分配。 LGSKKK一、一、 频率的一次调整频率的一次调整19频率的二次调整频率的二次调

14、整：通过操作：通过操作，使发电机组的频率特性，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动范平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动范围内。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二、频率的二次调整二、频率的二次调整20二、频率的二次调整二、频率的二次调整调整容量调整容量:

15、 水电厂水电厂火电厂火电厂中温中压电厂（中温中压电厂（75）高温高压电厂（高温高压电厂（30） 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21频率调整图频率调整图二、频率的二次调整二、频率的二次调整图图5-7 5-7 频率的二次调整频率的二次调整0PffAPGfNClPlPlP lP0lP ffFEBDPGlP SLGGLLGGLKKKfPPfKKPP 000022数学表达式数学表达式 如果如果 ，即发电机组如数增发了负荷功率的，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量，则原始增量，则 ，即所谓的，即所谓

16、的无差调节无差调节。 对于对于N台机，且由第台机，且由第s台机组担负二次调整的任务，则：台机组担负二次调整的任务，则： SLGGLLGGLKKKfPPfKKPP 000000GLPP 0 fSLGGsLKKKfPP 00二、频率的二次调整二、频率的二次调整23当系统负荷增加时，由以下三方面提供：当系统负荷增加时，由以下三方面提供：二次调频的发电机组增发的功率二次调频的发电机组增发的功率 ；发电机组执行一次调频，按有差特性的调差系数分配而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增发的功率 ；由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率 。GP

17、 fKG fKL 二、频率的二次调整二、频率的二次调整241 1.某系统有三台额定容量为100MW的发电机并列运行，其调差系数分别为2、6和5，其运行情况为PG1=60MW、PG2=80MW、PG3=100MW，KL*=1（标么值，负载功率基准值为240MW），试计算：(1)如果负荷增加50MW，系统的频率下降多少？(2)如果负荷增加60MW，系统的频率下降多少？(3)求题（2）系统的工作频率.（均不计频率调整器的作用）* /100%GGGGGNNGPKfKKPfK 100%GNGNPKfLNLLNPKKf /LLLNNKKPf 25 26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

18、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合理分配。5.4 5.4 电力系统有功功率经济分配电力系统有功功率经

19、济分配27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、各类发电厂的运行特点（补充）一、各类发电厂的运行特点（补充）1 1 火电厂火电厂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

20、调节的强迫功率火电厂火电厂282 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、各类发电厂的运行特点一、各类发电厂的运行特点293 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

21、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、各类发电厂的运行特点一、各类发电厂的运行特点30 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。 一、各类发电厂的合理组合（补充）一、各类发电厂的合理组合（补充）31枯水期枯水期丰水期丰水期抽水抽水发电发电32一、目标函数和机组能耗特性一、目标函数和机组能耗特性电力系统经济运行又称电力系统经济运

22、行又称经济调度经济调度，属最优化问题。，属最优化问题。（一）、目标函数和约束条件（一）、目标函数和约束条件 等约束条件：等约束条件： 不等约束条件：不等约束条件：0),(duxh0),(duxg使目标函数使目标函数 达到最小值。达到最小值。( , , )FF x u d 33发电机组在单位时间内，消耗的能源与发出的有功功率的关系发电机组在单位时间内，消耗的能源与发出的有功功率的关系称为称为机组的耗量特性机组的耗量特性，它是实现发电机组间经济功率分配的基，它是实现发电机组间经济功率分配的基础。础。（二）、发电机组的能量特性（二）、发电机组的能量特性图图5-9 5-9 火电机组的耗量特性火电机组的

23、耗量特性图图5-10 5-10 水电机组的耗量特性水电机组的耗量特性)(MWP)(MWP)/(htF)/(3smQh1H2H3H)(PfF 0F)(PfQh321HHHHQPh81. 92cPbPaF34(1)单位耗量单位耗量或者或者比耗量比耗量:耗量特性曲线上任一点耗量特性曲线上任一点A A与与原点的连线的斜率为原点的连线的斜率为AAPFtg表示发电机组发出单位功率表示发电机组发出单位功率时能源的消耗量时能源的消耗量. .图图5-11 5-11 比耗量和耗量微增率比耗量和耗量微增率)(MWP)/(htF0PFAFAPAB(2)(2)机组耗量微增率机组耗量微增率:耗量特性上任一点耗量特性上任一

24、点B B的切的切线的斜率线的斜率dPdFPF35二、等耗量微增率准则二、等耗量微增率准则设电厂内并联运行的机组有设电厂内并联运行的机组有n n台，电厂的总负荷为台，电厂的总负荷为P Pl l，每台，每台发电机分配的负荷为发电机分配的负荷为P Pi i，欲使，欲使P Pi i负荷经济功率分配，需要确负荷经济功率分配，需要确定定约束条件约束条件、目标函数目标函数后，求解使目标函数最小的条件。后，求解使目标函数最小的条件。(1)(1) 发电功率之和与总的电厂负荷相等，发电功率之和与总的电厂负荷相等，等约束条件等约束条件为为niinlPPPPPP1321(2)(2)运行中各机组功率不允许超过其上下限运

25、行中各机组功率不允许超过其上下限, ,不等约束条件不等约束条件为为minmaxminmaxiiiiiiPPPQQQ(3)(3) 各机组的耗量特性为各机组的耗量特性为F F1 1(P(P1 1) )，F F2 2(P(P2 2) )， F Fn n(P(Pn n) )，发电厂，发电厂总的总的煤耗量煤耗量为为niiinnPFPFPFPFF12211)()()()(36 列出拉格朗日方程为列出拉格朗日方程为)(1niilPPFL0)(1iniiliiPPPPFPL L L函数有极值的必要条件为函数有极值的必要条件为0iFPiiPF或或37 展开后写成展开后写成 各机组间最优经济功率分配的条件为各机组

26、间最优经济功率分配的条件为nnPFPFPF22110iPFiiPF或或上式表明：按机组微增率上式表明：按机组微增率 相等的原则分配相等的原则分配发电机发电功率，能源消耗就最小，故称为发电机发电功率，能源消耗就最小，故称为等耗量等耗量微增率准则微增率准则。iiPF38【例例5-15-1】已知某水电厂有已知某水电厂有2 2台机组，其耗量特性为台机组，其耗量特性为每台机组的额定容量均为每台机组的额定容量均为100MW100MW，当按额定容量发电时，当按额定容量发电时耗水量分别为耗水量分别为Q Qh1h1=245m3/s=245m3/s，Q Qh2h2=310m3/s=310m3/s。试求：。试求：（

27、1 1）电厂负荷为）电厂负荷为120MW120MW时，时，2 2台机如何经济分配负荷。台机如何经济分配负荷。（2 2）当）当1 1台机运行时，电厂负荷在什么范围内采用台机运行时，电厂负荷在什么范围内采用2 2号号 机最经济。机最经济。252 . 101. 021PPQ105 . 1015. 022PPQ39三、不计网损时水、火电厂间经济功率分配三、不计网损时水、火电厂间经济功率分配水、火电厂间的经济功率分配问题的提法水、火电厂间的经济功率分配问题的提法: :在满足系统负荷需要及保证电能质量的条件下在满足系统负荷需要及保证电能质量的条件下在限定的时在限定的时间内间内充分、合理利用允许使用的水量发

28、电，使得系统消耗充分、合理利用允许使用的水量发电，使得系统消耗的燃料最少或是运行费用最低。的燃料最少或是运行费用最低。由此可见，此时只考虑的是一个时间段内的经济运行问题，由此可见，此时只考虑的是一个时间段内的经济运行问题，在此期间认为各水库水头无变化。在此期间认为各水库水头无变化。 只考虑不计电力网损耗的情况只考虑不计电力网损耗的情况40设系统中有设系统中有n n个火电厂，个火电厂，m m个水电厂，火电厂的耗量个水电厂，火电厂的耗量特性以特性以F Fi i(P)(P)表示，水电厂的耗量特性以表示，水电厂的耗量特性以Q Qj j(P)(P)表示，表示，其中其中i=1,2,ni=1,2,n；j=1

29、,2,mj=1,2,m。在在0 0 T T时间内变化的系统负荷用时间内变化的系统负荷用P Pl l(t)(t)表示，用功率表示，用功率平衡方程式可写成平衡方程式可写成)()()(11tPtPtPlmjjnii410kkkikikikttPFPL0kkkjkjkjjkttPQPL0)(11klknjjkniikktPPPL0)(1jkskikjWtQL原等约原等约束条件束条件将拉格朗日方程对每个变量求导并令其为零，可得将拉格朗日方程对每个变量求导并令其为零，可得42上式中上式中式中，式中，kjkjkjikikdPdQdPdFk为在为在tk时间火电厂的微增率；时间火电厂的微增率；jkjkdPdQ为水电厂为水电厂j j在在t tk k时段的微增率；时段的微增率；u各个火电厂之间的分配仍然是按各个火电厂之间的分配仍然是按微增率原则微增率原则分配功率。分配功率。u水电厂与火电厂之间只是按水电厂微增率在水电厂与火电厂之间只是按水电厂微增率在乘以乘以 后分