电力系统稳态课件电力系统分析.ppt

第五章 电力系统有功功率平衡和频率调整,5.1 电力系统中有功功率的平衡 5.2 电力系统的频率调整,频率调整的必要性 互联交流电力系统在稳态运行时具有同一频率。当系统中出现有功功率不平衡时，如有功功率电源不足或负荷增大时，将会引起系统频率下降，反之，将造成频率升高。 电力系统许多用电设备的运行状况与频率关系密切，频率变化对发电厂和电力系统本身的正常运行也有影响。 由于电力负荷的不确定性和多变性，为了保证频率偏移在规定范围内，必须不断调节有功功率电源的输出。这就是频率调整的内容 。 保证频率质量的首要条件：系统中有充足的有功备用。,5.2 电力系统的频率调整,1、定义：,负荷,与用户的生产状态有关,与频率无关 照明、电炉等,与接入点系统电压有关,与系统频率有关仅考虑频率因素,假设不变,2、负荷性质：,与频率的一次方成正比 球磨机、卷扬机等,与频率的二次方成正比 变压器的涡流损耗等,与频率的三次方成正比 通风机、循环水泵等,与频率的高次方成正比 静水头阻力大的给水泵,一、负荷的有功功率频率静特性,综合负荷的频率特性取决负荷的性质 负荷的频率特性不可整定 通常在额定频率处将负荷特性线性化,负荷的频率特性,综合负荷的额定功率 负荷的单位调节功率 物理意义：反映系统频率变化时负荷吸收功率的变化，表征了负荷对频率的自然调节作用。,标幺值负荷单位调节功率 不能整定，当负载的性质相同时 ， 与负荷容量无关 综合负荷,若负荷性质不变,关于KL*的几点说明：,负荷的频率调节效应系数表征负荷的频率调节特性，即表征随着频率的升高或降低负荷消耗功率增加或减少的多少。 负荷的频率调节效应系数是不能控制的，其大小取决于全系统各类负荷所占的比重，不同系统或同一系统不同时刻的KL*值可能不同。在实际系统中， 一般取13。 负荷的频率调节效应系数是反映系统进行一次调整性能的一个重要数据，它是调度部门确定按频率减负荷方案以及低频事故切负荷来恢复频率的计算依据。,二、发电机组的有功功率频率静特性,发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。 通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率频率特性或调节特性。,1. 自动调速系统,检测部件（离心飞摆） 放大部件（错油门） 执行部件（油动机） 转速控制部件（调频器）,说明：调速器由前三者组成，完成频率的一次调整；调频器加入转速控制部件，完成频率的二次调整。,图5-7 离心飞摆式调速系统示意图,频率的“一次调整”作用 原动机主轴带动套筒，套筒带动飞摆转动 机组负荷增大，转速下降，飞摆向转轴靠拢， A点下移到A点 油动机活塞两边油压相等，B点不动，杠杆AB 绕B点逆时针转动到AB 调频器不动时，D点不动，杠杆DE绕D点顺时 针转动到DE 错油门活塞下移使油管a、b的小孔开启，压力油经b进入油动机活塞下部，活塞上部的油经a流入错油门上部,油动机活塞向上移动，使汽轮机的调节汽门或水轮机的导向叶片开度增大，增加进汽量或进水量。同时，杠杆AB绕A逆时针转动，提升C点使油管a、b的小孔重新堵住，油动机活塞停止移动。 进汽或进水量增加，机组转速上升，A点回升到A点。 调节过程结束时，杠杆AB的位置为ACB 。相应的进汽量或进水量较原来多，机组转速较原来略低。,频率的“二次调整”作用 调频器转动蜗轮、蜗杆，抬高D点，杠杆DE绕F点顺时针转动 错油门活塞再次下移开启小孔，在油压作用下，油动机活塞再次向上移动，进一步增加进汽或进水量。机组转速上升，飞摆使A点由点A上升。 油动机活塞向上移动时，杠杆AB绕A逆时针转动，带动C、F、E点上移，再次堵塞错油门小孔，结束调节过程。 D点位移选择恰当，A点可能回到原来位置,有差调节：负荷变动时，原动机的转速或频率将有所变动随负荷增大而降低 无差调节：负荷变动时，原动机的转速或频率保持不变 一次调频总是有差的，二次调频可实现无差调节。,调速系统的工作原理：利用杠杆的作用调整汽轮机或水轮机的导向叶片，使其开度增大，增加进汽量或进水量。,一次调频： 的位置较B高， 的位置较A略低，相应的机组转速较原来略低有差调节。,二次调频：在外界信号作用下，调频器动作将D点抬高，最后使 回到位置A，频率恢复到额定频率无差调节。,2. 发电机组的有功功率频率静特性,根据发电机调速系统的调节原理，即负荷增大时，发电机出力增加，频率降低；负荷减少时，发电机出力减少，频率增加，可得到发电机组的有功功率频率静态特性如图5-8所示。,发电机的单位调节功率：指发电机组的功率频率静态特性的斜率，即,用标么值表示为：,发电机的单位调节功率表征随着频率的升高或降低发电机组有功出力减少或增加的多少。,图5-8 发电机组的功频率静特性,对应于进汽量或进水量达到最大值后，发电机的出力,它与发电机的单位调节功率的关系如下：,当取 时，其标么值为：,上式说明：调差系数的倒数就是机组的单位调节功率。,发电机的调差系数：指发电机由空载运行到额定运行时频率偏移的大小，即,说明：发电机组的调差系数或与之对应的单位调节功率是可以整定的。但受机组调速机构的限制，其整定范围是有限的。在整定范围内，调差系数越小（即单位调节功率越大），频率偏移也越小。,汽轮发电机组： 水轮发电机组：,或,或,三、频率的一次调整,以系统中只有一台发电机带一个综合负荷为例进行分析。图5-9为频率的一次调整示意图。,发电机的功率增量为：,负荷本身的调节作用下降了：,当系统负荷增加 时，负荷的功频静特性向上移至 ，一方面发电机组转速变化引起频率下降，调速器动作，发电机出力增加 ，另一方面由于负荷本身的调节效应减少 ，经过一个过程，达到新的平衡点 。,频率变化为:,（f为负值）,图5-9 频率的一次调整,其中，KS称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。,用标幺值表示为：,几点说明：,系统的单位调节功率标志了系统负荷增加或减少时，在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。因此，当KS已知时，可以根据允许的频率变化范围求取系统能够承受多大的负荷增减。即KS越大，系统承受负荷的变化越大。,在上述推导过程中，取功率的增大或频率的上升为正，因此，上式等号右侧的负号表示，随着负荷的增大，系统的频率将下降。 由KS=KG+KL可见：系统的单位调节功率取决于发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功率。由于负荷的单位调节功率KL不可调，因此，系统的单位调节功率KS的调整只能通过调整发电机的单位调节功率KG或调速器的调差系数来实现。 电力系统的单位调节功率不能过大。,若KS过大 KG过大，即调差系数过小，将不能保证各发电机组调速系统运行的稳定性。,使系统中总的发电机单位调节功率下降。,当系统中有多台发电机组时，发电机组满载后，受调速机构的限制，发电机组不再具有调频能力，即此时它们的单位调节功率为零，调差系数为无限大，从而使全系统发电机组的等值调差系数增大。,假设调差系数整定为零，这时，虽然负荷的变动不会引起频率的变动，似乎可确保频率恒定，但这样将会出现负荷变化量在各发电机组间的分配无法固定，从而出现各发电机组的调速系统不能稳定工作的问题。,例如，设系统中有n台发电机组，n台机组都参加调整时有：,当n台机组中只有m台机组都参加调整，即m+1、m+2、 n台机组不参加调整时有,显然,即系统中总的发电机单位调节功率下降了。,可见，频率的一次调整是有差调整，即调整后的频率不可能回到原来的值。因此，一次调频只能适应负荷变化幅度小、周期短的不规则变化情况。,例5-1 设系统中发电机组的容量和它们的调差系数分别为： 水轮机组： 100MW/台5=500MW %=2.5% 75MW/台5=375MW %=2.75% 汽轮机组： 100MW/台6=600MW %=3.5% 50MW/台20=1000MW %=4.0% 较小容量汽轮机组合计 1000MW %=4.0% 系统总负荷为3300MW，负荷的单位调节功率KL*=1.5，试计算下列各种情况下系统的单位调节功率KS，计算结果分别以MW/Hz和标幺值表示。 全部机组都参加调频；全部机组都不参加调频；仅水轮机组参加调频；仅水轮机组参加调频和20台50MW汽轮机组参加调频。,解：（1）按 计算各类发电机组的KG：,5100MW水轮机组：,575MW水轮机组：,6100MW汽轮机组：,2050MW汽轮机组：,1000MW小容量汽轮机组：,系统负荷：,全部机组都参加调频:,全部机组都不参加调频:,仅水轮机组参加调频:,仅水轮机组和20台50MW汽轮机组参加调频:,（2）以标幺值计算时，取KB=PLN/fN，按 计算各类发电机组的KG：,5100MW水轮机组：,575MW水轮机组：,6100MW汽轮机组：,2050MW汽轮机组：,1000MW小容量汽轮机组：,系统负荷：,全部机组都参加调频:,全部机组都不参加调频:,仅水轮机组参加调频:,仅水轮机组和20台50MW汽轮机组参加调频:,四、频率的二次调整,频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机组的功频静特性平行移动，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。,当系统负荷增加 时，如不进行二次调整，运行点转为 ，系统频率为 ，频率变化为 。,二次调频通过调频器的作用将发电机的功频静特性移到 ，运行点移到 ，系统频率为 ，频率变化,图5-10 频率的二次调整,由图5-10可知，系统负荷增量 由三部分组成：,由于调速器的调整作用而增大的发电机组功率：,（一次调整）,由于调频器的调整作用而增大的发电机组功率：,（二次调整）,由于负荷负荷本身的调节作用而减少的负荷功率：,（f为负值）,当 时，即二次调频增发的功率与系统的负荷增量相等时，则 ，频率将始终不变，亦即实现了无差调节。无差调节如图5-10中虚线所示。,若系统中有n台机组且由第n台机组担负二次调整任务，即只有一台机组进行二次调整、n台机组进行一次调整，则有：,经比较可见，由于n台机组的单位调节功率KGN远大于一台机组的单位调节功率KG，因此，在同样的功率盈亏 下，系统的频率变化要比仅有一台机组时小得多。,需要指出：电力系统中各发电机均装有调速器，因此每台机组都参与一次调频（除机组满载）；而二次调频只有极少数的发电厂（调频厂）参与。,调频厂应满足的条件：,调频厂的选择原则：,系统中有水电厂时，选择水电厂做调频厂； 当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂。,调整的容量应足够大； 调整的速度应足够快； 调整范围内的经济性能应该好； 注意系统内及互联系统的协调问题。,五、互联系统频率的调整,A、B两个系统互联，图中 为两系统负荷变化（增加）； 为两系统二次调整增发的功率， 为两系统的单位调节功率； 为联络线交换的功率。,对系统A， 相当于一个负荷：,对系统B， 相当于一个电源：,图5-11 互联系统频率的调整,式中， 分别称为A、B两系统的功率缺额。,讨论：,当互联系统增发功率的总和与负荷增量的总和相平衡，即 ，则 ，即可实现无差调节，否则将出现频率偏移。,当A、B两系统都进行二次调频，且两部分的功率缺额与其单位调节功率成正比时，即满足,则联络线上的交换功率 ；若无功率缺额时，,当有一个系统不进行二次调频，例如 ，则B系统的负荷变化量将由A系统的二次调频来承担，并由通过联络线送来的 来抵偿，此时联络线的交换功率为,若整个系统的功率能够平衡，即 时，则 ，此时联络线上的交换功率 最大。,例5-3 如图5-12所示，正常运行时 ，两个电力系统的容量分别为1500MW和1000MW；各自的单位调节功率分别以两系统容量为基准的标幺值；设A系统负荷增加100MW。试计算下列情况下的频率变化量和联络线上流过的交换功率： A、B两系统机组都参加一次调频； A、B两系统机组都不参加一、二次调频； A、B两系统机组都参加一、二次调频，且A、B两系统都增发50MW； A、B两系统机组都参加 一次调频，A系统并有机组 参加二次调频，增发60MW。,解：将以标幺值表示的单位调节功率折算为有名值, 两系统机组都参加一次调频：,这种情况下，频率下降得不多，通过联络线由B向A输送的功率也不大。,则有：,两系统机组都不参加一、二次调频：,则有：,这种情况最严重，电力系统的频率质量无法保证。, 两系统都参加一、二次调频，且都增发50MW：,则有：,这种情况下系统无频率偏移，B系统增发的功率全部通过联络线送往A系统。, 两系统机组都参加一次调频，A系统并有机组参加二次调频，增发60MW。,则有：,这种情况较理想，频率偏移很小，由B向A输送的功率也较小。,作 业,1.系统有发电机组的容量和它们的调差系数分别为 水轮发电机组 100MW 5台 *=0.025 75MW 5台 *=0.0275 汽轮发电机组 100MW 6台 *=0.035 50MW 20台 * =0.04 较小容量发电机组合计1000MW * =0.04