东北电力大学电力系统课件讲座.ppt

课程负责人：穆钢教授申报单位：东北电力大学,第五章有功功率平衡和频率调整,2020年5月16日星期六,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）电力系统的频率调整有功功率的最优分配,2020年5月16日星期六,5.1电力系统的频率偏移,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(0.20.5)Hz,系统中负荷的变化,你答对了吗?,2020年5月16日星期六,5.2电力系统有功功率的平衡,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)检修备用(可能不安排)事故备用(5-10%Plmax或系统中最大一台单机容量）国民经济发展备用(3-5%Plmax）,2020年5月16日星期六,2、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,2020年5月16日星期六,有功功率负荷变动曲线,2020年5月16日星期六,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。,2020年5月16日星期六,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，即责成各发电厂按事先给定的发电荷曲线发电。,2020年5月16日星期六,5.3电力系统中有功功率的最优分配,有功功率的最优分配:有功功率电源的最优组合即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即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.最常用的是按等耗量微增率准则分配.,2020年5月16日星期六,火电厂外景,2020年5月16日星期六,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,2020年5月16日星期六,丰满水电厂外景,2020年5月16日星期六,(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。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630万千瓦）必须与火电配合维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率,2020年5月16日星期六,秦山核电站外景,2020年5月16日星期六,(3)核电厂特点：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.,2020年5月16日星期六,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:,2020年5月16日星期六,洪水季节:,2020年5月16日星期六,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。如图所示:比耗量:单位时间内输入能量与输出功率之间的比值.耗量微增率:耗量特性曲线上某点切线的斜率,2020年5月16日星期六,2.目标函数和约束条件目标函数有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小负荷用功功率的前提下，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,2020年5月16日星期六,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:,2020年5月16日星期六,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,2020年5月16日星期六,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。,2020年5月16日星期六,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.,2020年5月16日星期六,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,2020年5月16日星期六,上式中用小的时间段这和来表示积分效果，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。,同理由:,新的拉格朗日函数:,2020年5月16日星期六,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,2020年5月16日星期六,网损的修正,等式约束条件修正为：,2020年5月16日星期六,式中为网损微增率(灵敏度),2020年5月16日星期六,.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，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;频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电;因此必须保持频率在额定值上下，且偏移不超过一定范围。,2020年5月16日星期六,调速系统的基本原理,二、自动调速系统,2020年5月16日星期六,调速系统的基本原理,二、自动调速系统,2020年5月16日星期六,三、电源有功功率静态频率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,2020年5月16日星期六,简化之：四、发电机的频率特性如上图，发电机频率特性的斜率为,2020年5月16日星期六,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：,2020年5月16日星期六,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。,2020年5月16日星期六,五、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:,其标么值为：,负荷的静态频率特性,不能整定,2020年5月16日星期六,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,2020年5月16日星期六,一次调频为有差调频。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。,2020年5月16日星期六,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,2020年5月16日星期六,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。,2020年5月16日星期六,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，都参加一次调整。二次调整由少数机组(厂)承担主调频机组(厂)，负荷增量主要由它们承担，可依次分为第一、第二、调频机(厂)主调频厂一般在负荷中心，要求：(1)有足够可调容量；(2)有一定调整速度；(3)调整时能符合安全、经济的要求；(4)一般选水电厂、中温中压火电厂。(5)主调频厂起全系统功率平衡的作用，可作平衡节点,2020年5月16日星期六,互联电力系统的频率调整,电力系统