第五章电力系统有功功率的平衡与频率调整PPT课件

第五章电力系统有功功率的平衡和频率调整 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 第一节概述 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 对用户的影响产品质量降低生产率降低对发电厂的影响汽轮机叶片谐振对系统的影响 一 频率不稳定给运行中的电气设备带来的危害 二 引起频率偏移的原因 三 有功功率的平衡 电力系统中 在任何时候 所有发电厂发出的有功功率的总和 而包括所有用户的有功功率 所有发电厂厂用电有功负荷和网络的有功损耗 即 为保证可靠供电和良好的电能质量 电力系统的有功功率平衡额定运行参数下确定 而且 还应具有一定的备用容量 也就是在系统最大负荷情况下 系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用容量 系统备用容量一般分负荷备用 事故备用 检修备用和国民经济备用等 1 负荷备用 是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用 负荷备用容量的大小应根据系统负荷的大小 运行经验并考虑系统中各类用电的比重确定 一般为最大负荷的2 一5 大系统采用较小数值 小系统采用较大数值 2 事故备用 是使电力用户在发电设备发生偶然性事故时不受严重影响 维持系统正常供电所需的备用 事故备用容量的大小应根据系统容量 发电机台数 单位机组容量 机组的事故概率 系统的可靠性指标等确定 般约为最大负荷的5 一10 但不得小于系统中最大机组的容量 3 检修备用 为保证系统的发电设备进行定期检修时 不致影响供电而在系统中留有的备用容量 所以发电设备运行一段时间以后 都必须进行检修 检修分大修和小修 一般大修时分批分期安排在一年中最小负荷季节进行 小修则利用节假日进行 以尽量减少因检修停机所需的备用容量 4 国民经济备用 是考虑到工农业用户的超计划生产 新用户的出现等而设置的备用容量 其值根据国民经济的增长情况而确定 一般约为系统最大负荷的3 5 负荷备用 事故备用 检修备用 国民经济备用归纳起来以热备用和冷备用的形式存在于系统中 而不难想见 热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用 第二节负荷的频率静特性和电源的频率静特性 一 电力系统负荷的频率静态特性当频率变化时 电力系统中的有功功率负荷也将发生变化 当电力系统处于稳态运行时 系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的有功功率 频率静态特性 电力系统综合负荷的有功功率与频率的关系用数学式表示为式中 为电力系统频率为时 整个系统的有功负荷 为电力系统频率为额定值时 整个系统的有功负荷 为上述有功负荷占的百分数 式子表明 当电力系统频率降低时 电力系统负荷的有功功率也将随之降低 发电机的频率调整是由原动机的调速系统来实现的 当系统有功功率平衡遭到破坏 引起频率变化时 原动机的调速系统将自动改变原动机的进汽 水 量 相应增加或减少发电机的出力 原动机调速系统有很多类型 下面介绍广为应用的离心飞摆式机械调速系统 其原理示意如图所示 二 发电机组的有功功率 频率静态特性 1 自动调速系统 如右图所示 调速系统由四个部分组成 1为转速测量元件 飞摆 2为放大元件 错油门 3为执行机构 油动机 4为转速控制机构 调频器 概念介绍发电机的单位调节功率 发电机组原动机或电源频率特性的斜率 标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡 2 发电机组的有功功率 频率静态特性 发电机是调差系数 单位调节功率的倒数 发电机的单位调节功率与调差系数的关系 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 3 5或 33 3 20水轮发电机组 2 4或 50 25 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 1 有功功率的变动及其调整电力系统有功功率负荷 以下简称负荷 时刻都在作不规则变化 如右图所示 对系统实际负荷变化曲线的分析表明 系统负荷可以看作是由三种具有不同变化规律的变动负荷所组成 第一种视变化幅度很小 变化周期短 负荷变动有很大的偶然性 第二种是变化幅度大 变化周期较长 第三种是变化缓慢的持续变动负荷 第三节 电力系统中的频率调整 负荷的变化将引起频率的相应变化 电力系统的有功功率和频率调整大体上分一次 二次 三次调整三种 频率的一次调整 或称为一次调频 指由发电机组的调速器进行的 是对一次负荷变动引起的频率偏移作调整 频率的二次调整 或称为二次调频 指由发电机组的调频器进行的 是对二次负荷变动引起的频率偏移作调整 频率的三次调整 或称为三次调频 是对三次负荷变动引起的频率偏移作调整 将在有功功率平衡的基础上 按照最优化的原则在各发电厂之间进行分配 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 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 数学表达式 KS 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 一 频率的一次调整 注意 取功率的增大或频率的上升为正 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 对于满载机组 不再参加调整 对于系统有若干台机参加一次调频 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 二 频率的二次调整 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使频率的变化保持在允许范围内 这时需要籍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 数学表达式如果 即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量 则 即所谓的无差调节 对于N台机 则 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 频率调整图 电力系统中的发电厂主要有以下三类水力发电厂火力发电厂原子能发电厂 核电厂 各类发电厂由于其设备容量 机械特性 使用的动力资源等不同 而有着不同的技术经济特性 必须结合它们的特点 合理地组织这些发电厂的运行方式 恰当安排它们在电力系统日负荷曲线和年负荷曲线中的位置 以提高电力系统运行的经济性 第四节电力系统有功功率经济分配 1 火力发电厂的主要特点 1 要支付燃料及运输费用 不受自然条件的影响 2 有功出力最小限制 启停时间长且启停费用高 3 效率与蒸汽参数有关 高温高压设备效率最高 低温低压设备效率最低 4 热电厂总效率较高 但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率 一 各类发电厂的特点 2 水力发电厂的特点 1 必须释放水量 强迫功率 2 出力调节范围比火电机组大 启停费用低 且操作简单 3 不需燃料费 但一次投资大 抽水蓄能 水电厂的运行依水库调节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响 3 原子能发电厂的特点 1 最小技术负荷小 为额定负荷10 15 2 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 易于损坏设备 3 一次投资大 运行费用小 原则 1 充分利用水源 2 降低火电机组的单位煤耗 发挥高效机组的作用 3 尽量降低火力发电成本 根据上述原则 在夏季丰水期和冬季枯水期各类电厂在日负荷曲线中的安排示意图 见图5 2 二 各类发电厂的合理组合 图5 2各类发电厂组合顺序示意图 a 枯水季节 b 丰水季节 夏季丰水期 水量充足 水电厂应带基本负荷以避免弃水 节约燃煤 在此期间 可抓紧时间进行火电厂设备的检修 冬季枯水期 来水较少 应由凝汽式火电厂承担基本负荷 水电厂则承担尖峰负荷 1 耗量特性电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是 在满足一定约束条件的前提下 尽可能节约消耗的能源 1 耗量微增率 单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量的比值 为耗量特性曲线上某一点切线的斜率 2 比耗量 单位时间内输入能量与输出功率之比 为耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值 3 发电设备的效率 为比耗量的倒数 四 有功功率负荷的最优分配 效率曲线和微增率曲线 耗量特性 2 目标函数和约束条件明确了有功功率负荷的大小和耗量特性 在系统中有一定的备用容量时 就可以考虑这些负荷在已运行发电设备或发电厂之间的最优分配问题 在数学上 其性质是在一定的约束条件下 使某一函数为最优 而这些约束条件和目标函数都是各种变量 状态变量 控制变量 扰动变量的非线性函数 可表达为在满足等约束条件 和不等式约束条件 的前提下 使目标函数 为最优 有功负荷的最优分配的目的在于 在供应同样大小负荷有功功率的前提下 单位时间内的能源消耗最少 这目标函数应该是总耗量 原则上 这总耗量应与所有变量有关 但通常认为 它只是各发电设备所发有功功率的函数 即目标函数可写作 等式约束条件 有功功率必须保持平衡的条件 对于每个节点 对于整个系统 若不计网损 不等式约束条件 为系统的运行限制 变量 各发电设备输出有功功率 3 最优分配负荷时的等耗量微增率准则根据给定的目标函数和等式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 对拉格朗日函数求导 得到最小值时应有的三个条件 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 1 当一部分机组因检修退出运行时 为保证系统中仍有足够的向负荷供电能力