电力系统的有功功率平衡、最优分配和频率调节

1 第5章有功功率和频率调整 2 基本内容 有功平衡与频率变化的关系 补充 本章主要内容及其关系5 1电力系统中有功功率的平衡5 2电力系统中有功功率的最优分配5 3电力系统的频率调整 3 发电机组的有功平衡 发电机的电磁功率PGi与原动机的机械功率PTi之间的平衡 原动机惯性大 有功调节慢 无法时刻保持与瞬变负荷及发电机功率的平衡 而只能保证动态平衡 相应频率也只能保持动态稳定 发电机组原动机 发电机 电力系统的有功平衡 发电机与负荷之间的电磁功率平衡 时刻平衡 推力 阻力 发电机组的有功平衡与频率的关系 频率变化反映机组的有功平衡关系 是机组有功调节的依据 有功平衡与频率变化的关系 4 本章主要内容及其关系 目标 保证频率的质量与稳定 满足有功调度的经济与可靠性要求 负荷的变动类型 频率的调整方法 发电机的电磁有功变化类型 原动机的有功调整方法 各类机组的有功调节特性 有功备用容量的概念 一次调频二次调频三次调频 频率变化与功率调整量的定量关系 偶然性冲击性周期性 5 5 1电力系统中有功功率的平衡 基本概念 负荷变动的类型及其特点 频率调整的方法及其特点 负荷变动与频率调整的关系 什么是可供调度的系统电源容量 备用容量 热备用和冷备用 负荷备用 事故备用 检修备用 国民经济备用 两类备用容量的关系 6 5 1电力系统中有功功率的平衡 5 1 1有功功率负荷的变动和调整控制 1 有功功率负荷的变动 变动类型及其特点 综合负荷的分解 2 有功功率和频率的调整 调整方法及其特点 任务的分配5 1 2有功功率负荷曲线的预计5 1 3有功功率电源和备用容量 7 负荷变动的类型及其特点 第一种 变动幅度很小 周期很短 有很大的偶然性 偶然性的负荷变动第二种 变动幅度较大 周期较长 冲击性负荷 电炉 压延机械 电气机车 冲击性的负荷变动第三种 变动幅度最大 周期最长 由生产 生活 气象变化引起 可以预计 可预见的负荷变动 图5 1有功功率负荷的变动曲线 综合负荷曲线 偶然性负荷变动 冲击性负荷变动 可预见性负荷变动 9 频率调整方法及其特点 频率的一次调整 用发电机组的调速器 第一种负荷变动 频率的二次调整 用发电机组的调频器 第二种负荷的变动 调频厂 对应潮流计算中的平衡节点频率的三次调整 按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷 即责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电 负荷侧管理 个别负荷大量或长时间超计划用电以致影响系统运行质量时 由系统管理部门在远方将其部分或全部切除的控制方式 不同于前三种 电力系统中负荷变动的幅度愈大 周期就愈长 图5 2调频任务的分配 P 11 5 1 2有功功率负荷曲线的预测 作用 有功功率和频率三次调整的依据方法 1 传统方法 2 统计分析方法 回归分析法 时间序列分析法等 不讲 12 5 1 2有功功率负荷曲线的预计 传统方法 收集未来若干天的预计负荷 大用电量用户 参照长期积累的实测数据 汇总调整用电负荷 计入网络损耗 一般约为系统总负荷的6 10 不变损耗 与负荷大小无关 变压器空载损耗 可变损耗 与负荷的平方成正比考虑厂用电 水电厂 0 1 1 火电厂 5 8 原子能电厂 4 5 相应必须考虑可投入的发电设备和发电容量 特别注意气象条件变化对负荷曲线的影响 实测负荷曲线形成以后 还需要负荷曲线的加工 13 图5 3负荷曲线加工 加工原则 实测曲线加工前后 最大和最小负荷特征及曲线下的面积应一致 5 1 2有功功率负荷曲线的预计 负荷曲线的加工 实测曲线 加工后的曲线 14 5 1 3有功功率电源和备用容量 有功功率电源有功功率备用容量备用容量 热备用与冷备用负荷备用 事故备用 检修备用 国民经济备用各种备用容量的关系 15 5 1 3有功功率电源和备用容量 有功功率电源 系统中可供调度的系统电源容量可能小于总装机容量定期停机检修水电厂的发电机因水头极度降低不能按额定容量发电各发电厂预计可投入运行的发电机组的可发功率之和为可供调度的系统电源容量 16 5 1 3有功功率电源和备用容量 有功功率备用容量 为了保证可靠供电和良好的电能质量 系统电源容量必须大于发电负荷 备用容量 可供调度的系统电源容量大于发电负荷的部分 热备用 旋转备用 运转中的发电设备可能发的最大功率与系统发电负荷之差 冷备用 未运转的发电设备可能发的最大功率 检修中的发电设备不属冷备用 发电设备从 冷状态 至投入系统发出额定功率所需时间几分钟 水电常 或十余小时 火电厂 热备用越多 越有利于保证电能质量和供电可靠性 但经济性不好 17 5 1 3有功功率电源和备用容量 有功功率备用容量 负荷备用 调整系统中的短时负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用 负荷备用设置在调频厂内 取最大负荷的2 5 大系统取小值 小系统取大值 事故备用 使电力用户在发电设备发生偶然性事故时不受严重影响 维持系统正常供电需要的备用 取最大负荷的5 10 但不得小于系统中最大机组的容量 检修备用 使系统中的发电设备能定期检修而设置的备用 系统负荷季节性低落期间和节假日安排不下所有设备的大小检修时才设置专门的检修备用 国民经济备用 计及负荷的超计划增长而设置的备用 18 5 1 3有功功率电源和备用容量 各种备用容量的关系 负荷备用 热备用事故备用 至少包括一部份热备用 可含冷备用 检修备用 通过检查年最大负荷曲线来确定 国民经济备用具备了备用容量 才可能谈及备用用量在各发电设备和发电厂之间的最优分配以及系统的频率调整问题 19 5 2电力系统中有功功率的最优分配 基本概念 有功功率最优分配的主要内容 各类电厂的运行特点 各类电厂的投切费用特点 各类电厂的运行费用 水 原子能 火什么是水电厂与热电厂的强迫功率 20 5 2电力系统中有功功率的最优分配 5 2 0概述 有功电源的最优组合与有功负荷的最优分配5 2 1各类发电厂的运行特点和合理组合5 2 2最优分配负荷时的目标函数和约束条件 略 5 2 3最优分配负荷时的等耗量微增率准则 火电 略 5 2 4等耗量微增率准则的推广运用 水火电 略 5 2 5网络损耗的修正 略 5 2 6电力市场及其对电力系统经济运行的影响 略 21 5 2 0概述 有功功率的最优分配主要包括两个内容 1 有功功率电源的最优组合 系统中发电设备或发电厂的合理组合 即机组的最优启停调度 日调度问题 主要涉及冷热备用容量的合理分布问题 2 有功功率负荷的最优分配 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 即负荷的经济调度或者最优潮流问题 主要涉及热备用容量的合理分布问题 目标有耗煤量最少 污染排放量最少 启停损失最少 发电成本最少 耗水量最少 水电发电量最多等 约束条件有机组的运行特性约束 网络安全约束 水库流量约束等 22 5 2 1各类发电厂的运行特点和合理组合 5 2 1 1各类发电厂的运行特点 1 火力发电厂的运行特点 2 原子能发电厂的特点 3 水力发电厂的特点 4 无调节和有调节水电厂的特点 5 抽水蓄能水电厂的特点5 2 1 2各类发电厂的合理组合 23 5 2 1 1各类发电厂的运行特点 火力发电厂的运行特点 锅炉和汽轮机都有技术最小负荷 前者为额定负荷的25 70 后者为额定负荷的10 15 总35 85 锅炉和汽轮机的投切或承担急剧变动负荷时都会耗能 费时 且易于损坏设备 火电厂锅炉和汽轮机的分类 1 高温高压设备 效率高 灵活调节的范围窄 2 中温中压设备 效率较高温高压设备低 灵活调节的范围较高温高压设备宽 3 低温低压设备 技术经济指标最差 应淘汰热电厂 供热式火力发电厂 效率高 技术最小负荷取决于热负荷 称为强迫功率 24 5 2 1 1各类发电厂的运行特点 原子能发电厂的特点 反应堆的负荷没有限制 其技术最小负荷取决于汽轮机 为其额定负荷的10 15 反应堆和汽轮机的投切或承担急剧变动负荷时会耗能 费时 易于损坏设备原子能发电厂的一次投资大 运行费用小 25 5 2 1 1各类发电厂的运行特点 水力发电厂的特点 水电厂的强迫功率 为保证河流下游的灌溉 通航 向下游释放一定水量时发出的功率 水轮机也有技术最小负荷 其值因水电厂的具体条件而异 水轮机的投切或承担急剧变动负荷时操作简单 不会耗费很多能量和花费很多时间 水电厂水头过分低落时 水轮发电机组可发的功率要降低 水电厂按其有无调节水库 调节水库的大小或其功能分为无调节 日调节 季调节 年调节 多年调节和抽水蓄能等几类 26 5 2 1各类发电厂的运行特点 无调节和有调节水电厂的分类特点 无调节水库的水电厂 径流式水电厂发出的功率取决于河流的天然流量 一昼夜间水量和机组发出功率基本不变 有调节水库的水电厂 运行方式取决于水库调度所给定的水电厂耗水量 洪水季节 满负荷运行 来水多 避免弃水 枯水季节 承担急剧变动负荷 来水少 可储存根据水库容量分为 日 年 多年等调节方式 库容越大 调节能力越强 所谓多年调节 指库容足够大 可存储多年的多余水量 说明其库容调节能力强 27 5 2 1各类发电厂的运行特点 抽水蓄能水电厂的特点 抽水蓄能水电厂 上下方各有一水库 系统负荷出现低谷时 抽水至上水库储蓄水能系统负荷出现高峰时 放水至下水库同时发电抽水蓄能 放水发电循环的总效率只有70 但由于其具有很强的消峰填谷的作用 可以使火电厂的负荷比较平稳 因此 当系统的有功调节能力不足 或者存在核电厂时 应该考虑建设抽水蓄能水电厂 28 5 2 1 2各类发电厂的合理组合 考虑调节性能与能力的组合顺序考虑网络与调频要求的组合组合顺序示意图各类发电厂的日负荷曲线 29 5 2 1 2各类发电厂的合理组合 考虑调节性能与能力的组合顺序 1 各类发电厂的组合顺序 考虑调节效率 能力火电厂以承担基本不变的负荷为宜 避免频繁调节 高温高压电厂优先投入 其次是中温中压电厂 原子能电厂原则上应持续承担额定容量负荷 运行费用小无调节水库水电厂的全部功率和有调节水库水电厂的强迫功率应首先投入 有调节水库水电厂的可调功率洪水季节先投入 枯水季节后投入 抽水蓄能水电厂低谷负荷时当负荷 高峰负荷时当电源 30 5 2 1各类发电厂的合理组合 考虑网络与调频要求的组合 2 不能忽视保证可靠供电 降低网损 维持良好的电能质量和足够的系统稳定性等要求 3 负荷曲线的最高处是肩负调整系统频率任务的发电厂的工作位置 负荷备用设置在调频厂内 枯水季节由大水电厂承担调频任务 丰水期则为中温中压火电厂 抽水蓄能电厂在其发电期间也可以参与调频 枯水期 丰水期 组合顺序示意图 各类发电厂的日负荷曲线 33 5 3电力系统的频率调整 基本概念与基本计算方法 发电机 负荷与系统的单位调节功率定义及物理意义发电机 负荷与系统的单位调节功率的计算公式一次调频的功率频率调整量计算方法二次调频的功率频率调整量计算方法一次或二次调频时互联系统联络线功率调整量的计算方法调频厂应满足的要求 34 5 3电力系统的频率调整 5 3 1频率调整的必要性5 3 2自动调速系统及其调节特性5 3 3频率的一次调整5 3 4频率的二次调整5 3 5频率调整电厂的选择 35 5 3 1频率调整的必要性 1 电力系统频率变动对用户的影响频率变化将引起电动机转速的变化 从而影响用户的产品质量 频率的不稳定将会影响电子设备的工作 2 频率降低对系统本身和发电厂的影响系统的无功负荷将增大 使系统电压水平下降影响锅炉的正常运行增加汽轮机叶片损坏的机会发电机定子和转子的温升都将增加变压器的铁芯损耗和励磁电流都将增大可能会使整个系统瓦解 造成大面积停电 3 调整频率的手段 发电机组原动机的自动调节转速系统调速器 进行频率的 一次调整 调频器 进行频率的 二次调整 36 5 3 2自动调速系统及其调节特性 5 3 2 1离心飞摆式自动调速系统 1 原理图 2 频率的 一次调整 作用原理 3 频率的 二次调整 作用原理5 3 2 2电源有功功率静态频率特性 发电机组中原动机机械功率的静态频率特性 1 未配置自动调速系统的静态频率特性 2 配置自动调速系统 调速器作用的静态频率特性 调频器作用的静态频率特性 D1 E1 C1 F1 B1 离心飞摆式自动调速系统 转速偏差对进汽 水门开度的负反馈作用 负荷 转速 38 5 3 2 1离心飞摆式自动调速系统 频率的 一次调整 作用原理 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A B 使C点下降至C 调频器不动时 D点不动 杠杆DE绕D点顺时针转动到DE 使F点下降至F 和E点下降使E 39 5 3 2 1离心飞摆式自动调速系统 频率的 一次调整 作用原理 续 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 相应使机组转速上升 A 点回升 提升C 点 同时 活塞上移 使杠杆A B绕A 逆时针转动 也提升C 点 当A 点回升到A 点 C 点回升C点 E 点回升E时 使油管a b的小孔重新堵住 油动机活塞停止移动 40 5 3 2 1离心飞摆式自动调速系统 频率的 一次调整 作用原理 续 调节过程结束时 杠杆AB的位置为A CB C点为原位置 B 的位置较B高 A 的位置较A略低 相应的进汽量或进水量较原来多 机组转速较原来略低 特点 调速器的一次频率调整 一定是有差调节 调整后原动机的转速或频率有所变动 转速或频率偏差不为0 41 5 3 2 1离心飞摆式自动调速系统 频率的 二次调整 作用原理 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特点 可以实现有差调节 无差调节 42 5 3 2 2电源有功功率静态频率特性 未配置自动调速系统的静态频率特性 机组转速很小 蒸汽或水在叶轮上加的转矩很大 功率输出小 机组转速很大 蒸汽或水在叶轮上加的转矩很小 功率输出小额定条件时转速转矩适中 功率输出最大 线性直线 二次曲线 43 5 3 2 2电源有功功率静态频率特性 配置有自动调速系统 一次调频 1 频率一次调整时的静态频率特性调速器随机组转速的变动不断改变进汽 水 量 相应机组的静态频率特性平行移动 使原动机的运行点不断从一根静态频率特性曲线向另一根静态频率特性曲线过渡 连接不同曲线上运行点 得到有频率一次调整时的静态频率特性 44 5 3 2 2电源有功功率静态频率特性 配置有自动调速系统 一次调频曲线 为简化分析 直线1 2代替曲线1 2 直线2 3 代替曲线2 3 图5 24一次调整时原动机的静态频率特性 进汽 水 斜线 功率增大 频率减小 有差调节 最大开度 Pm不变 45 5 3 2 2电源有功功率静态频率特性 配置有自动调速系统 二次调频 2 频率二次调整时的静态频率特性手动或自动操作调频器 改变机组进汽 水 量时 进一步使有一次调整时的静态频率特性平行移动 相应原动机的运行点也不断从仅有一次调整时的静态频率特性曲线过渡另一根曲线 连接不同曲线上的运行点 得到有频率二次调整时的静态频率特性 可实现有差或无差调节 46 5 3 2 2电源有功功率静态频率特性 配置有自动调速系统 二次调频曲线 图5 25有二次调整时原动机的静态频率特性 无差调节 有差调节 进汽 水 近似直线 曲线 47 5 3 3频率的一次调整 5 3 3 1原动机和综合负荷的静态频率特性5 3 3 2发电机的单位调节功率5 3 3 3发电机的单位调节功率与机组调差系数的关系5 3 3 4负荷的单位调节功率和频率调节效应5 3 3 5系统的单位调节功率5 3 3 6算例分析 48 5 3 3 1原动机和综合负荷的静态频率特性 图5 26静态频率特性 发电机组原动机 综合负荷 49 5 3 3 2发电机的单位调节功率 即发电机组原动机或电源频率特性的斜率意义 表示随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的量 发电机的单位调节功率单位 MW Hz MW 0 1Hz 标幺值 50 5 3 3 3发电机的单位调节功率与机组调差系数的关系 单位调节功率是机组调差系数的倒数 调差系数可整定 汽轮发电机组 3 5或KG 33 2 20水轮发电机组 2 4或KG 50 25 51 5 3 3 4负荷的单位调节功率和频率调节效应 负荷的单位调节功率为负荷静态频率特性的斜率意义 随频率的升降负荷消耗功率增加或减少的量KL 不能整定 大致为1 5 负荷的单位调节功率单位 MW Hz MW 0 1Hz 标幺值 额定条件下负荷的频率调节效应 一定频率下负荷随频率变化的变化率 52 5 3 3 5系统的单位调节功率 一次调频的功率频率调整原理图一次调频的发电机与负荷功率变化量一次调频的功率方程与系统单位调节功率定义系统单位调节功率的补充说明N台机组的单位调节功率计算公式 53 5 3 3 5系统的单位调节功率 一次调频的功率频率调整原理图 图5 28频率的一次调整 54 5 3 3 5系统的单位调节功率 一次调频的发电机与负荷功率变化量 原始点O点 负荷突然增加 PLO PL到P L机组功率不能及时变动 减速 系统频率下降 调速器动作 机组功率增大频率下降 负荷减少新运行点为O 点 55 5 3 3 5系统的单位调节功率 一次调频的功率方程与系统单位调节功率定义 定义 系统负荷增加或减少时 频率的下降或上升的量负荷功率突然增大量 机组功率增大量 负荷减少量功率增大和频率上升为正 功率增大 功率减小 频率下降 56 5 3 3 5系统的单位调节功率 系统单位调节功率的补充说明 KS 的基准功率取为系统原始运行状态的总负荷 用调速器进行频率的一次调整只能限制周期较短 幅度较小的负荷变动引起的频率偏移 为保证发电机组调速器运行的稳定性 不能采用过小的调差系数或过大的单位调节功率 原因 无法根据频率变化确定机组功率增量 系统中有些机组满载不能调整使其增加输出功率 从而使全系统发电机组的等值调差系数增大 57 5 3 3 5系统的单位调节功率 N台机组的单位调节功率计算公式 系统中n台机组参加调频时 58 5 3 3 6算例分析 例5 5 Page 208 单位调节功率的计算负荷突变时功率频率调整量的计算 补充 负荷突变时功率频率调整量的物理意义一次调频的二次功率分配原理 补充 一次调频的二次功率分配轨迹一次调频的二次功率分配计算过程 59 5 3 3 6算例分析 例5 5 Page 208 单位调节功率的计算 已知 求解 解 充分理解机组不能参加调频的含义 机组满载 空载 不能增加 减少 功率 因此 当负荷增加 减少 满载 空载 机组时不能参加调频 相应其单位调节功率为0 60 5 3 3 6算例分析 负荷突变时功率频率调整量的计算 补充 已知 求解 解 一次调频后频率和功率的变化量 61 5 3 3 6算例分析 负荷突变时功率频率调整量的物理意义 功率频率的变化量正负符号规定 功率增大为正 频率上升为正 负荷突然增大 PL0 经机组及负荷的一次调频后 运行点从0到0 相应频率 发电机与负荷功率的变化量为 f PG和 PL 即频率下降了 f 发电机输出功率增加了 PG 负荷功率下降了 PL 一次调频后实际的频率和功率 62 5 3 3 6算例分析 一次调频的二次功率分配原理 补充 配置有调速器的机组首先不考虑功率调整量是否足够 而按照负荷突变量确定系统频率的变化量及各机组功率的调整量 若机组功率调整量大于其最大可调量 则设过调机组出力增量为最大可调量 以此计算一次功率分配对应的频率调整量和系统功率调整量 然后计算二次功率分配的不平衡功率 并设过调机组不参予调频 修正系统单位调节功率 重新根据不平衡功率计算二次功率分配的频率调整量 机组与负荷的功率调整量 63 5 3 3 6算例分析 一次调频的二次功率分配轨迹 0 01 011 012 64 5 3 3 6算例分析 一次调频的二次功率分配计算过程 假设已知初始功率和频率 不考虑发电机调整量是否足够 则一次调频结束后的实际功率和频率为 65 5 3 3 6算例分析 一次调频功率的功率分配计算过程 续 假设存在过调机组 调整功率大于其额定值 则一次调频的二次功率分配过程如下 1 设一次频率过程中的一次功率分配对应过调机组的最大功率调整量为 一次功率分配对应的频率调整量为 66 5 3 3 6算例分析 一次调频功率的功率分配计算过程 续 2 二次功率分配时系统的单位调整功率修正 一次功率分配结束后系统的功率调整量 一次功率分配结束后系统的不平衡功率 二次功率分配时过调机组单位调节功率为0 二次功率分配时的频率变化量 67 5 3 4频率的二次调整 二次调频的功率频率调整原理图二次调频的频率调整量计算公式二次调频的频率调整量计算公式推广互联系统的频率调整与联络线的功率问题互联系统的功率缺额互联系统的频率调整与联络线的功率方程互联系统的频率与联络线功率计算公式互联系统的功率缺额与联络线功率的关系 68 5 3 4频率的二次调整 二次调频的功率频率调整原理图 一次曲线平移 69 5 3 4频率的二次调整 二次调频的频率调整量计算公式 负荷突然增大量 发电机组二次调整增加功率 一次调整增加功率 负荷自身减少的功率 70 5 3 4频率的二次调整 二次调频的频率调整量计算公式推广 n台机组进行一次调整 第n台机组进行二次调整 功率缺额 雷同一次调频 71 5 3 4频率的二次调整 互联系统的频率调整与联络线的功率问题 图5 29两个系统的联合 72 5 3 4频率的二次调整 互联系统的功率缺额 定义 KA KB 联合前A B两系统的单位调节功率 PLA PLB为A B两系统负荷功率突变量 PGA PGB为A B两系统二次调整功率变量 Pab为联络线上交换功率变量 PA PB为A B两系统功率缺额变量 PA PLA PGA PB PLB PGB 73 5 3 4频率的二次调整 互联系统的频率调整与联络线的功率方程 联络线的功率从A到B 对A系统 相当于负荷 对B系统