山大电力系统稳态分析第五章电力系统的有功功率和频率调整2012

1、第五章 电力系统的有功功率和频率调整 1 5-1 电力系统中有功功率的平衡 一、有功功率负荷 的变动和调整控制 1.有功负荷的变动有功负荷的变动 第一种变动幅度很 小，周期又很短。 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。 2 l2.频率的三次调整 l频率的一次调整：指由发电机组的调速器进频率的一次调整：指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行的、对第一种负荷变动引起的频率偏移的 调整。调整。 l频率的二次调整：指由发电机的调频器进行频率的二次调整：指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的、对第二种负荷变动引起的频率

2、偏移的调 整。整。 l三次调整：按最优化准则分配第三种有规律三次调整：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。发电负荷曲线发电。 5-1 电力系统中有功功率的平衡 3 二、有功功率负荷曲线的预计 1.有功负荷曲线： 运用累积的运行记录： 企业的预测负荷；实测负荷数据。 负荷曲线的精度程度与编制人员的经验有关。 在编制预计负荷曲线的同时，还应切实掌握系 统中各发电厂预计可投入的发电设备和发电容 量及网络损耗和厂用电等指标。 5-1 电力系统中有功功率的平衡 4 2.发电负荷：发电负荷： 除用电负荷外还应包括网络

3、损耗和各发电厂除用电负荷外还应包括网络损耗和各发电厂 的厂用电。的厂用电。 网络损耗：网络损耗： 5-1 电力系统中有功功率的平衡 不变损耗：不变损耗： 可变损耗可变损耗 变压器的励磁损耗变压器的励磁损耗 变压器和输电线路的损耗变压器和输电线路的损耗 厂用电：占电厂最大负荷的厂用电：占电厂最大负荷的 水电厂：水电厂：0.11% 火电厂：火电厂：58% 核电厂：核电厂：45% 5 三、有功功率电源和备用容量 1.有功功率电源：各类发电厂的发电机 2.电源容量： 电源容量并不始终等于所有发电机额定容量之 和。 可投入发电设备的可发功率之和称为系统电源 容量 显然，系统电源容量应不小于包括网络损耗和

4、 厂用电在内的系统(总)发电负荷。 5-1 电力系统中有功功率的平衡 6 3.备用容量： 系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用 容量。系统备用容量可分热备用和冷备用或负荷容量。系统备用容量可分热备用和冷备用或负荷 备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。 热备用：指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。因而也称运转备用或旋 转备用。 冷备用：指未运转的发电设备可能发的最大功 率。 5-1 电力系统中有功功率的平衡 7 从保证可靠供电和良好的电能质量着眼，显然， 热备用愈多愈好。因发电设备

5、从“冷状态”至投 入系统、至发出额定功率所需时间短则几分钟(水 电厂)长则十余小时(火电厂)。 但从保证系统运行的经济性着眼，热备用又不宜 过多。 5-1 电力系统中有功功率的平衡 8 详细可分为：详细可分为： 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。一般为最 大负荷的25。 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。一般约为最大负荷的510，但不得 小于系统中最大机组的容量。 检修备用：是使系统中的发电设备能定期检修 而设置的备用。 5-1 电力系统中有功功率的平衡 9 国民经济备用：国民经济备用：当计及

6、负荷的超计划增长而设 置的备用。 负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用 归纳起来仍无非以热备用和冷备用的形式存在于 系统中。 热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故 备用。 具有了备用容量，才可能谈论它们在系统中各发 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。 5-1 电力系统中有功功率的平衡 10 主要内容：有功功率电源的最优组合最优组合和有功功率 负荷的最优分配最优分配。 一、有功电源的最优组合一、有功电源的最优组合 指的是系统中发电设备或发电厂的合理组合 机组的合理开停机组的合理开停。 包括三个部分：机组的最优组合顺序、机组的最 优组合数量和机组的最优开停时间。 涉

7、及的是电力系统中冷备用容量的合理分布问 题 5-2电力系统中有功功率的最优分配 11 n各类发电厂的运行特点： n火力发电厂火力发电厂 (1)火力发电厂的锅炉和汽轮机都有一个技 术最小负荷。 (2)火力发电厂锅炉和汽轮机的退出运行和 再度投入不仅要耗费能量，而且要花费时间 ，又易于损坏设备。 (3)火力发电厂的锅炉和汽轮机承担急剧变 动的负荷时，与投入或退出时相似，既要额 外耗费能量，又花费时间。 5-2电力系统中有功功率的最优分配 12 5-2电力系统中有功功率的最优分配 (4)火力发电厂的锅炉和汽轮机有高温高压、 中温中压、低温低压之分。 (5)热电厂(供热式火力发电厂)与一般火电厂的 区

8、别在于热电厂的技术最小负荷取决于其热负 荷，因而称强迫功率。而且，由于热电厂抽气 供热，其效率较高。 所以，火电厂以承担基本不变负荷为宜。 高温高压电厂效率最高，承担负荷曲线中 基底部分，其次是中压中温，低温低压电 厂只用于尖峰负荷。 13 n原子能发电厂 l(1)原子能发电厂反应堆的负荷基本上没有 限制，因此，其技术最小负荷主要取决于汽 轮机。 l(2)原子能发电厂的反应堆和汽轮机退出运 行和再度投入或承担急剧变动负荷时，也要 耗费能量、花费时间，且易于损坏设备 l(3)原子能发电厂的一次投资大，运行费用 小。 n原子能发电厂运行费用低，应尽可能额定容原子能发电厂运行费用低，应尽可能额定容

9、量负荷，即尽可能运行于负荷曲线的基底部量负荷，即尽可能运行于负荷曲线的基底部 分。分。 5-2电力系统中有功功率的最优分配 14 n水力发电厂的特点有： n(1)为综合利用水能，保证河流下游的灌溉、通航，水 电厂必须向下游释放一定水量，在释放这部分水量的 同时发出的功率也是强迫功率。 n(2)水电厂的水轮机也有一个技术最小负荷，其值因水 电厂的具体条件而异。 n(3)水电厂的水轮机退出运行和再度投入不需耗费很多 能量，也不需花费很多时间，操作简单。 n(4)水电厂的水轮机承担急剧变动负荷时，不需额外耗 费能量和花费时间。 n(5)水电厂水头过分低落时，水轮发电机组可发的功率 要降低。 5-2电

10、力系统中有功功率的最优分配 15 l(6)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、有调节、季调节、年调节、多年调节 和抽水蓄能等几类。 n无调节水库水电厂的全部功率和有调节水库水电厂的 强迫功率都不可调，应首先投入。 有调节水电厂的可调功率，在洪水季节，为防止弃水 ，往往也优先投入；在枯水季节则恰相反，应承担高 峰负荷。利用快速起动、快速增减负荷的突出优点可 作为调频厂。 5-2电力系统中有功功率的最优分配 16 5-2电力系统中有功功率的最优分配 17 n二、最优分配负荷时的目标函数和约束条件 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

11、消耗的(一 次)能源。 1耗量特性 5-2电力系统中有功功率的最优分配 发电设备输入与输出的关系。 这关系称耗量特性。 纵坐标可为单位时间内消耗 的燃料F。 横坐标则为以kW或MW表 示的电功率PG。 18 n2.耗量微增率： n比耗量：比耗量：是原点和耗量 特性曲线上某一点连线的 斜率。 n它的倒数就是发电设备的 效率 5-2电力系统中有功功率的最优分配 F P P F 19 n耗量微增率耗量微增率： l是单位时间内输入能量微 增量与输出功率微增量的 比值。即耗量特性曲线上 某一点切线的斜率。 5-2电力系统中有功功率的最优分配 FdF PdP 20 n比耗量和耗量微增率： n比耗量和耗量微

12、增率虽通常 都有相同的单位，如T (MWh)，却是两个不同的概 念。而且，它们的数值一般 也不相等。只有在耗量特性 曲线上某一特殊点m，它们才 相等相等，在这一点，比耗量的 数值恰最小。这个比耗量的 最小值就称最小比耗量 5-2电力系统中有功功率的最优分配 21 n3.目标函数和约束条件： l有功功率负荷最优分配的目的在于：在供应同 样大小负荷有功功率 前提下，单位时间内 的能源消耗最少。 l这里的目标函数应该就是总耗量。原则上，这 总耗量应与所有变量都有关，但通常认为，它 只是各发电设备所发有功功率的函数。 5-2电力系统中有功功率的最优分配 1 n Li i P 22 目标函数可写作： 5

13、-2电力系统中有功功率的最优分配 1122 1 ()()()() (): n GGnGniGi i iGiGi FF PF PF PF P F PP 某发电设备发出有功功率时， 单位时间内所消耗的能源。 23 对一个系统： 不计网络损耗时： 5-2电力系统中有功功率的最优分配 0 1 i 1 i PPP n i L n i G 0 1 i 1 i n i L n i G PP l约束条件： 对一个节点： 0)sincos( 1 i n j ijijijijjiLiG BGUUPP 24 不等约束条件： 5-2电力系统中有功功率的最优分配 imaxiiminGGG PPP imaxiiminGG

14、G QQQ imaxiimin UUU 25 n三、最优分配负荷时的等耗量微增率准则 n1.两台发电设备间的最优负荷分配 5-2电力系统中有功功率的最优分配 26 5-2电力系统中有功功率的最优分配 n2.拉格朗日乘数法求条件极值 为求满足等约束条件 时目标函数 的最小值， 可根据给定的目标函数和等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 并求其最小值。式中的 称拉格朗日乘数。 由于拉格朗日函数中有三个变量 求它的最小 值时应有三个条件。 0),( 21 GG PPf )()()( ),(),( 21212211 2121 * LLGGGG GGGG PPPPPFPF PPfPP

15、CC ， 21,GG PP 000 * 2, * 1 * C P C P C GG ， 27 5-2电力系统中有功功率的最优分配 2.拉格朗日乘数法求条件极值 0, 0 )( 0 )( 2121 2 22 2 * 1 11 1 * LLGG G G G G G G PPPP dP PdF P C dP PdF P C 28 5-2电力系统中有功功率的最优分配 令 2 22 2 1 11 1 )( )( G G G G dP PdF dP PdF 即有 21 亦即：满足各机组微增率相等时，可使目标函数即耗量 最小。 29 5-2电力系统中有功功率的最优分配 imaxiiminGGG PPP 不等

16、约束条件的实现 30 5-2电力系统中有功功率的最优分配 31 例题：三个火电厂并列运行，各厂的耗量特性为： 当总负荷为700MW和400MW时，是分别确定发电厂间 功率的经济分配（不计网损的影响） MW200MW10000070. 030. 00 . 4 1 2 111 GGG PPPF MW250MW12000040. 032. 05 . 3 2 2 222 GGG PPPF MW300MW15000045. 030. 05 . 3 3 2 333 GGG PPPF 5-2电力系统中有功功率的最优分配 32 四、等耗量微增率准则的推广： 有功功率在火电厂与水电厂之间的最优分配问题。 五、网

17、络损耗的修正： 计及网络损耗对负荷分配的影响： 5-3电力系统的频率调整 一、调频的重要性： 1.频率变动的影响: u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，所以必须保持频率在额定值 50Hz上下，且偏移不超过一定范围。 (1)对用户的影响：用户使用的电动机的转速与系统 频率有关。频率变化将引起电动机转速的变化， 从而影响产品质量。 (2)对发电厂厂用机械的影响： 风机和泵在频率降低时，所能供应的风量和水量 将迅速减少，影响锅炉的正常运行。 33 5-3电力系统的频率调整 1.频率变动的影响: （2）对发电厂厂用机械的影响： 低频率运行还将增加汽轮机叶片所受的应力，引

18、起叶片 的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。 低频率运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正 常电压，又要求增加励磁电流，以致使发电机定子和转 子的温升都将增加。 低频率运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损 耗和励磁电流都将增大。 总之，由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统 频率质量的下降将影响各行各业。而频率过低时，甚至 会使整个系统瓦解，造成大面积停电。 34 5-3电力系统的频率调整 2.频率的误差: 频率偏离额定值的数值称为误差，误差的大小与 调频器的性能有关， 当使用调频器时，误差0.2Hz 使用现代调频装置时，误差0.05-0.15Hz 3.系统内各节点的频率稳定

19、值都必须相等。 调频时由整个系统统筹调度与解决的问题。 35 5-3电力系统的频率调整 二、功频特性 1.负荷的功频特性： 负荷的功频特性的斜率 用标么值表示： 36 f L P P f )/(/HzMWfPK LL LN N L N LNL LL P f K ff PP fPK / / / * 一般系统：5 .1, 31 * 通常取 L K 5-3电力系统的频率调整 2.发电机的功频特性： 无自动调速器时 一次调整 37 f f m P m P P f )/(/HzMWfPK GG GN N G N GNG G P f K ff PP K / / * 5-3电力系统的频率调整 38 二次调整

20、： 调频器实现，改变功频静态特性使一次调整特性曲线平移。 f m P 三、自动调速系统 1.一次调整： 调速器工作原理 39 40 5-3电力系统的频率调整 四、频率的一次调整： / GG KPf 00 / 0 NN G GNGN ffff fP PP 用百分数表示： * * %100100 GN NGG Pff fPP * / GG KPf 调差系数 41 5-3电力系统的频率调整 四、频率的一次调整： / GG KPf 00 / 0 NN G GNGN ffff fP PP 用百分数表示： * * 1 %100100100 GN NGGGN Pff fPPK * / GG KPf 调差系数

21、 PL PG 42 图图 5-27 频率的一次调整频率的一次调整 L P L P 0 P 0 P P f 0 f 0 f fKfKK fKfKPPP SLG LGLGL )( )( 0 f P K L S 0 43 5-3电力系统的频率调整 如果系统中有n台机组参加调频： 12 1 n GNGGGnGi i KKKKK 1* 1 / GN GG G Pf KPf Pf 若用标么值表示，则应归算至统一基准 * 1 1*()1* 1 1 * Gj GNG GN wG G G e jj P P PfP KK fPfPP 44 5-3电力系统的频率调整 例题：有两台汽轮发电机组，额定值分别为500MW

22、，700MW， 50Hz，调差系数 ， ，每台发电机分别带有 300MW的负荷（ ） ，当负荷突增250MW时，求： 共同的单位调节功率（以1000MW为基准）； 频率变化的有名值。 解： 1% 4 2 %5 1*1* 11 11001100 10025;10020 %4%5 GG KK 化为统一基准的标么值 * 1.5 L K 1 1 *1* 500 2512.5 10001000 GN GjG P KK 2 2 *2* 700 2014 10001000 GN GjG P KK *1* 600 1.50.9 10001000 LN LL P KK 45 5-3电力系统的频率调整 *1 *2 * 12.5140.927.4 sGjGjLj