第三章有功功率平衡和频率调整课件

概述电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题，是我们考虑的重点问题之一。衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。衡量运行经济性的主要指标为：比耗量和线损率有功功率的最优分布包括：有功功率负荷预计、有功功率电源的最优组合、有功功率负荷在运行机组间的最优分配等。8/23/2023概述电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保1内容提要频率偏移产生的原因、影响、以及允许的频率偏离量？保持频率偏移量不超过一定范围的条件（如何保持有功功率的平衡）有功功率的平衡有功功率的最优分配电力系统的频率调整8/23/2023内容提要8/2/20232频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响电力系统有功功率的平衡和备用容量各类发电厂的特点及合理组合有功功率负荷最优分配3.1电力系统中有功功率的平衡8/23/2023频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响3.1电力系统中有3一、电力系统的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?频率变化对负荷的影响

(1)异步机(2)电子设备(3)电钟频率变化对电力系统的影响

(1)水泵、风机、磨煤机

(2)汽轮机的叶片

(3)变压器的励磁频率允许偏移的范围：50Hz±(0.2~0.5)Hz

系统中负荷的变化你答对了吗?8/23/2023一、电力系统的频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响

系统中41.有功功率负荷变动及其调整二、电力系统有功功率的平衡和备用容量8/23/20231.有功功率负荷变动及其调整二、电力系统有功功率的平衡和备用5有功功率负荷变动曲线

据此图,负荷可以分为三种:

第一种变动幅度很小，周期又很短。

变动有很大的偶然性

属于这一种的主要有电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷

这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动

第二种变动幅度较大，周期也较长.

第三种变动幅度最大，周期也最长.该种负荷基本可以预计。8/23/2023有功功率负荷变动曲线

据此图,负荷可以分为三种:

6据此,频率调整一次调整:由发电机组的调速器进行的对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整

二次调整:由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整

三次调整:按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即调度部门责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。8/23/2023据此,频率调整一次调整:由发电机组的调速器进行的二次调整:由7

运行中：

规划、设计：备用容量:

1.按作用形式分

负荷备用(2-5%PLmax)事故备用(5-10%

PLmax或系统中最大一台单机容量）检修备用(可能不安排)国民经济发展备用(3-5%PLmax）2、有功功率平衡和备用容量同系统总负荷所有用户的有功负荷所有发电厂厂用电有功负荷网络的有功损耗8/23/2023运行中： 负荷备用(2-5%PLmax)2、有功功率平衡82、按存在形式分为两者差一个网损两者差一个厂用电

热备用:运转中发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差(旋转备用)冷备用:未运转的、但能随时启动的发电设备可以发的最大功率(不含检修中的设备)负荷的分类:

1.用电负荷2.供电负荷3.发电负荷8/23/20232、按存在形式分为两者差一个网损两者差一个厂用电热备用:运转9三、各类发电厂的运行特点和合理组合(1)火电厂特点：

需燃料及运输费用，但不受自然条件影响效率与蒸汽参数有关受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高压30%，中温中压75%)

机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率（一）各类发电厂的特点8/23/2023三、各类发电厂的运行特点和合理组合(1)火电厂特点：（一）各10火电厂外景8/23/2023火电厂外景8/2/202311(2)水电厂特点：不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。水力调节可分为无调节、季调节、年调节和多年调节，调节周期越长，受自然条件影响越小。出力调节范围大，50%以上,

增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷决定发电量的除水量外还有水位差保证出力抽水蓄能机组（天荒坪6×30万千瓦）必须与火电配合维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率8/23/2023(2)水电厂特点：8/2/202312丰满水电厂外景8/23/2023丰满水电厂外景8/2/202313(3)核电厂特点：负荷调整主要取决于汽轮机，技术最小负荷约为额定负荷的10%~15%可调容量大，退、投、增、减负荷消耗能量、时间，易损坏设备一次投资大，运行费低，尽量利用承担基本负荷8/23/2023(3)核电厂特点：8/2/202314秦山核电站外景8/23/2023秦山核电站外景8/2/202315（二）有功功率电源的最优组合各类发电厂组合顺序示意图枯水季节:8/23/2023（二）有功功率电源的最优组合各类发电厂组合顺序示意图枯水季节16洪水季节:8/23/2023洪水季节:8/2/202317应指出:

枯水季节往往由系统中的大型水电厂承担调频任务；洪水季节这任务就转移给中温中压火电厂。抽水蓄能电厂在其发电期间也可参加调频。但低温低压火电厂则因容量不足，设备陈旧，不能担负调频任务。8/23/2023应指出:8/2/202318四、有功功率最优分配有功功率的最优分配:包括有功功率电源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。

有功功率的最优分配要求在保证系统安全的条件下，在所研究的周期内，以小时为单位合理选择电力系统中哪些机组应该运行、何时运行及运行时各机组的发电功率，其目标是在满足系统负载及其它物理和运行约束的前提下使周期内系统消耗的燃料总量或总费用值为最少。8/23/2023四、有功功率最优分配有功功率的最优分配:包括有功功率19有功功率电源的最优组合

指系统中发电设备或发电厂的合理组合,也就是所谓的机组合理开停.有功功率负荷的最优分配

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.

电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是，在满足一定约束的前提下，尽可能节约消耗的一次能源。最常用的是按等耗量微增率准则分配.8/23/2023有功功率电源的最优组合8/2/202320最优分配负荷的目标函数和约束条件1.

耗量特性:

发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系称为耗量特性。函数关系上述函数可用试验数据通过最小二乘法拟合而成，根据前人经验，阶数为2比较合适，即如图所示:

8/23/2023最优分配负荷的目标函数和约束条件1.耗量特性:8/2/221比耗量μ:

单位时间内输入能量与输出功率之间的比值.耗量微增率λ:

耗量特性曲线上某点切线的斜率P8/23/2023比耗量μ:单位时间内输入能量与输出功率之间的比值.P8/222.目标函数和约束条件目标函数

有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小有功功率负荷的前提下，单位时间内的能源消耗最少。这里的目标函数就应该是总耗量最少。即为为网络总损耗以表示某发电设备发出有功功率时单位时间内所需消耗的能源。等式约束条件8/23/20232.目标函数和约束条件为网络总损耗以23不计网络损耗时，上式可改写为:

不等式条件各节点发电设备有功功率、无功功率和电压大小不得逾越的限额:8/23/2023不计网络损耗时，上式可改写为:8/2/202324用拉格郎日乘数法求解可建立如下拉格朗日函数:

式中为拉格朗日乘数3.最优分配负荷时的等耗量微增率准则8/23/2023用拉格郎日乘数法求解可建立如下拉格朗日函数:式中25

以两台机为例

目标函数:

等式约束条件:

等耗量微增率准则所以可得:它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。8/23/2023

26根据等耗量微增率准则得:

进而可以求得.对不等式约束条件的考虑:

有功功率越限，则按限额发电，剩余功率在其他机组间重新按等耗量微增率原则分配.8/23/2023根据等耗量微增率准则得:8/2/202327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值，不再参加最优分配计算，剩下的负荷由其他发电设备重新进行最优分配计算。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。8/23/2023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28等耗量微增率准则的推广应用实践中:由于能源消耗受限制

有功功率负荷的最优分配其在火力发电厂与

水力发电厂之间的最优分配问题

消耗的水量受水库调度的约束8/23/2023等耗量微增率准则的推广应用实践中:由于能源消耗受限制有功功率29上式中用小的时间段之和来表示积分效果，表示火电厂的燃料，表示水电厂消耗的水量。水电的约束条件为了简化分析，将负荷的分配局限于一个火电一个水力发电设备之间，并略去网损。新的拉格朗日函数:等式约束还应增加：8/23/2023上式中用小的时间段之和来表示积分效果，表示火电厂的燃料30

得:

若时间段取的很短,则可将式中的下标“k”可略去，可改写为：

由上可知，只要将水力发电厂的水耗量乘以某一个待定的拉格朗日乘数，就可将等耗量微增率准则应用到火力发电厂与水力发电厂之间负荷的最优分配。

即水煤转换系数同理由:8/23/2023即水煤转换系数同理由:8/2/202331网损的修正等式约束条件修正为：

8/23/2023网损的修正等式约束条件修正为：8/2/202332式中为网损微增率(灵敏度)

8/23/2023式中为网损微增率(灵敏度)

8/2/2023338/23/20238/2/2023348/23/20238/2/20233528/23/202328/2/2023368/23/20238/2/2023373.2电力系统的频率调整一、频率调整的必要性

所有用电设备都是按系统额定频率设计的，只有在额定频率下才能有好的技术经济性能，是电能质量的一个重要指标。电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响;8/23/20233.2电力系统的频率调整一、频率调整的必要性8/2/20238电网频率f是发电机转速的表现，当发电机PM与PE（+有功损耗）平衡时，ω和f不变负荷随机变化，PE随机变化不可能严格保证任何时刻额定频率，频率偏移不可避免，需合理规定允许的偏移范围。我国目前：50Hz±（0.2∽0.5)Hz，发达国家±0.1Hz8/23/2023电网频率f是发电机转速的表现，当发电机PM与PE（+有功损耗398/23/20238/2/202340二、发电机组的有功功率-频率调整特性（一）自动调速系统8/23/2023二、发电机组的有功功率-频率调整特性（一）自动调速系统8/241调速系统的基本原理8/23/2023调速系统的基本原理8/2/202342（二）发电机组的有功功率—频率静态特性原动机未配置自动调速系统时，其机械功率与频率的关系：原动机配置自动调速系统后：

原动机的机械功率静态频率特性8/23/2023（二）发电机组的有功功率—频率静态特性原动机的机械功率静态频43简化之：发电机的频率特性如上图，发电机频率特性的斜率为

发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）8/23/2023简化之：发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）8/244发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）该单位调节功率和机组的调差系数有互为倒数的关系。机组的调差系数：（机组由空载到满载时，转速变化与输出功率变化之比）。就是以百分数表示的机组空载运行的频率f0与额定条件允许的频率fN的差值8/23/2023发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）该单位调节功率和机组的45单位调节功率的标么值为:调差系数％或与之对应的发电机的单位调节功率是可以整定.所以电力系统频率的一次调整问题主要就与调差系数或与之对应的发电机的单位调节功率有关。汽轮发电机组=3~5或=33.3~20水轮发电机组=2~4或=50~258/23/2023单位调节功率的标么值为:汽轮发电机组46三、负荷的频率特性

负荷从电网中取用有功功率与电网频率的关系如图:

如果分别取PLN和fN作为PL和f的基准值fNPLNPLf△f负荷的单位调节功率：综合负荷的静态频率特性的斜率。一般而言：8/23/2023三、负荷的频率特性如果分别取PLN和fN作为PL和f的基47例38/23/2023例38/2/202348四、电力系统的一次调频（调速器作用）初始运行点O，当负荷增加则:

系统的单位调节功率系数f0'8/23/2023四、电力系统的一次调频（调速器作用）初始运行点O，当负荷增加49KS：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。由于负荷突增，发电机组功率不能及时变动而使机组减速，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。8/23/2023KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示原动机调速50一次调频为有差调频。

n台发电机：n台都参加一次调整：

只有m台参加一次调整：当发电机满载时，负荷功率增大，则相当于为0,但当负荷功率减小时，，所以仍可以参加调频。8/23/2023一次调频为有差调频。当发电机满载时，负荷功率增大，则5148/23/202348/2/2023528/23/20238/2/202353五、电力系统的二次调频:

手动或自动调节调频器使发电机组的频率特性平行的上下移动．初始运行点O，当负荷增加二次调整增发的功率系统的单位调节功率频率的二次调整8/23/2023五、电力系统的二次调频:手动或自动调节调频器使发电机组的54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；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；由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率。8/23/2023当系统负荷增加时，由以下三方面提供：8/2/202355

n台机组：第n台参加二次调频，

n台全部参加一次调频:无差调频:若,即发电机如数增发了负荷功率的原始增量,亦即实现了所谓的无差调节.如上图虚线所示.注意:以上公式中以功率增大和频率上升为正。8/23/2023n台机组：第n台参加二次调频，无差调频:若56例8/23/2023例8/2/2023578/23/20238/2/202358多机系统的频率调整多机系统在负荷变化时，带调速器的机组，只要有可调容量，都参加