第四章 电力系统有功功率和频率控制2014

1、第四章电力系统的有功功率和频率控制4.1 有功功率和频率控制的必要性有功功率和频率控制的必要性4.2电力系统的有功功率平衡电力系统的有功功率平衡4.3电力系统的频率特性电力系统的频率特性4.4电力系统的频率调整电力系统的频率调整4.5电力系统的自动调频方法电力系统的自动调频方法4.6电力系统有功负荷的经济分配电力系统有功负荷的经济分配4.7电力系统网损微增率的计算电力系统网损微增率的计算4.8自动自动发电控制发电控制4.9 机组的经济组合机组的经济组合4.1 有功功率和频率控制的必要性有功功率和频率控制的必要性v电力系统运行的基本任务 安全、可靠、经济、优质地供电（优质：频率、电压合格）v保证

2、系统有功功率平衡：v互联成网的交流电力系统在稳态运行方式下具有同一频率v频率偏移：系统运行频率与额定频率之差 有功功率电源不足或负荷增大时，系统频率下降， 有功功率电源过剩或负荷减小时，系统频率上升v负荷具有不确定性和多变性，在实际运行中系统频率会发生波动，故需不断调节有功电源的输出，使电力系统保持有功功率平衡一、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，只有在额定频率下才能有好的技术经济性能，是电能质量的一个重要指标。 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;v电网频率f是发电机转速的表现，当发电机PM与PE（+有功损耗）平衡时，和f不变v负荷随机变化，

3、PE随机变化v不可能严格保证任何时刻额定频率，频率偏移不可避免，需合理规定允许的偏移范围。v我国目前：50Hz（0.20.5)Hz，发达国家0.1Hz一、电力系统频率变化的影响1 1、对用户的影响、对用户的影响 （1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业 （2）异步电机功率下降 （3）电子设备的准确度2 2、对发电厂和电力系统的影响、对发电厂和电力系统的影响 （1）对发电厂厂用机械设备运行的影响 （2）对汽轮机叶片的影响 （3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。频率不稳定给运行中的电气设备带来的危害：z对用户的影响v产品质量降低v生产率降低 z对发电厂的影响v 汽轮机叶片谐振v辅机功能下

4、降v 对系统的影响v互联电力系统解列v发电机解列二、电力系统运行频率与有功功率平衡的关系 要保持电力系统在某一频率下运行，就必须保证在该频率下电力系统的有功率功率平衡；有功不足，频率下降；有功过剩，频率升高。名词解释v有功功率电源：可投入发电设备的可发功率之和，不应小于包括网损和厂用电在内的系统（总）发电负荷。v系统的备用容量：系统电源容量大于发电负荷的部分，可分为热备用和冷备用，或负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。4.2 电力系统的有功功率平衡电力系统的有功功率平衡三、频率变化原因及分类1、负荷波动分类P1一类负荷波动 周期短；幅值小；由用电设备 的投入和退出引起；不可预测。P2

5、二类负荷波动 周期较长，幅值较大；由大容 量用电设备的投入和退出引起， 不可预测。P3三类负荷波动 周期最长，幅值最大；由生产 生活规律和气象条件变化引起；可 以预测。2、频率变化原因 负荷变化破坏电力系统的有功率平衡关系。3、电力系统频率的调整方法及频率调整分类 频率调整方法 根据负荷变化调整有功电源（发电机）出力。 频率调整分类 一次调整针对第一类负荷变动进行的调整，由于这类负荷的变动周期很短、幅值较小，又具有很强的偶然性，所以只能靠自动装置（调速器）来实现。 二次调整针对第二类负荷变动进行的调整，由调频器改变调频电厂的机组出力来实现。 三次调整针对第三类负荷变动进行的调整，由于此类负荷基

6、本上可以预测，所以通常都是根据预测的负荷曲线按最优分配原则在系统各发电机（发电厂）之间进行分配。所以三次调整又称为负荷的最优分配，由人工完成。 四、电力系统有功率平衡及备用容量1、电力系统的负荷与电源容量 综合负荷=系统中所有负荷之和； 供电负荷=综合负荷+网损； 发电负荷=供电负荷+厂用负荷； 系统额定容量=系统装机额定容量之和； 系统电源容量=系统中可运行机组的可发容量之和。2、有功功率平衡与系统备用容量有功功率平衡： （额定频率下）系统备用容量： 定义：系统备用容量=系统电源容量-发电负荷（1520）%PPPLiGi作用： 在系统出现第一类、第二类负荷的波动、负荷的超计划增长、事故导致的

7、发电机退出运行和设备检修导致的设备退出运行情况下，保证电力系统在要求频率水平下的功率平衡，以保证供电可靠性和电能质量。分类： 按用途： 负荷备用针对一类、二类负荷波动和预测外负荷设置（2%5%）。 事故备用针对事故导致发电设备退出设置（5%10%，且不小于系统最大一台机组的额定容量）。 检修备用针对发电设备检修退出运行设置（视情况）。 国民经济备用针对国民经济的超计划增长设置（3%5%） 按形式： 热备用系统运行机组所具有的备用容量； 冷备用系统中可运行而未运行机组的可发容量。发电负荷 负荷备用 （热备用） 运行机组可发容量事故备用 （热备用） 可运行机 （冷备用） 组的可发检修备用 （冷备用

8、） 容量国名经济备用（冷备用）根据经济运行的目的按各类发电厂的特点可以将基荷和峰荷非别分配给各类发电厂五、有功电源的合理组合1、有功负荷最优分配的内容 有功电源的最优组合（冷备用分布） 最优组合顺序 最优组合数量 最优开停机时间 有功负荷最优分配（热备用分布）2、有功电源的合理组合顺序1）各类发电厂的特点 凝汽式火力发电厂 矿物能源、环境污染、燃料及运输费用。 高温高压：运行经济性较好、出力可调范围小、不易频繁 开停机、不易承担急剧变动负荷。 中温中压：运行经济性较差、出力调节范围较大、不易频 繁开停机、不易承担急剧变动负荷。 热电厂 矿物能源、环境污染、燃料及运输费用、供热情况下发电时效率高

9、，但存在强迫功率、不易频繁开停机、不易承担急剧变动负荷。 核电厂 矿物能源、环境不良影响小、建设投资大、周期长、发电成本低、不易承担急剧变动负荷、不易频繁开停机。 水电厂 可再生能源、环境不良影响小、开停机时间短、调节速度快、开停机及调节出力时经济性好、建设周期长，投资大、出力受水头影响。 径流式水电站：强迫功率、无调节能力； 具有调节库容的水电站：存在强迫功率、技术最小出力小，调节范围大。v电力系统经济调度：是在满足安全和一定质量要求的条件下尽可能提高运行的经济性，即合理地利用现有的能源和设备，以最少的燃料消耗量（或燃料费用或运行成本），保证对用户可靠而满意地供电。v最优潮流：满足各节点正常

10、功率平衡及各种安全性不等式约束条件下，求以发电费用（耗量）或网损为目标函数的最优的潮流分布。v最优潮流的优点：将安全性运行和最优经济运行等问题综合地用统一的数学模型来描述。 2）各类发电厂合理组合顺序4.3电力系统的频率特性电力系统的频率特性v一一 电力系统负荷的静态频率特性电力系统负荷的静态频率特性v二二 发电机组的频率特性发电机组的频率特性v三三 电力系统的功率频率静态特性电力系统的功率频率静态特性v四四 联合电力系统的功率平率特性联合电力系统的功率平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负荷从电网中取用有功功率与电网频率的关系如图: 如果分别取如果分别取PDe和和fe作为作为

11、PD和和f 的基准值的基准值一、电力系统负荷的静态频率特性一、电力系统负荷的静态频率特性 neneeDeDffaffaffaaPP)()()(2210nnDfafafafaaP*3*32*2*10*.关键点关键点：一个用电设备消耗功率的大小与：一个用电设备消耗功率的大小与频率有关。当系统频率发生偏移时，设备频率有关。当系统频率发生偏移时，设备消耗负荷会发生改变，改变量的大小通过消耗负荷会发生改变，改变量的大小通过负荷的频率调节效应系数负荷的频率调节效应系数 K KD D来反映。来反映。v电力系统负荷的功率电力系统负荷的功率 - - 频率特性频率特性 负荷的静态频率特性：负荷的静态频率特性：)(

12、 fFPD频率下降时，负荷功率也下降到频率下降时，负荷功率也下降到 ；频率上升时，负荷功率也上升到频率上升时，负荷功率也上升到 。负荷特性有利于系统中有功功率在另一频负荷特性有利于系统中有功功率在另一频率下重新平衡，这种现象称为率下重新平衡，这种现象称为负荷调节效负荷调节效应应。DbPDaP负荷的频率调节效应系数：负荷的频率调节效应系数：因为频率变化很小，所以因为频率变化很小，所以 为一直线，取为一直线，取值范围在值范围在13之间。之间。dfdPKDDdfdPKDDfPDfefbPDePDbab fePDePDff * / DDDDeDDePKMWHzfPPPKfff负荷的单位调节功率负荷的单

13、位调节功率：综合负：综合负荷的静态频率特性的斜率。荷的静态频率特性的斜率。*1.5DK一般而言：一般而言：fKPDDfKPDDnnDfafafafaaP*3*32*2*10*.用曲线表示用曲线表示负荷的频率负荷的频率调节调节效应系数效应系数 负荷消耗的有功功率随系统频率的增加而增加。负荷消耗的有功功率随系统频率的增加而增加。例例二、发电机组的调速特性二、发电机组的调速特性v功率平衡时功率平衡时,P,Pe e=P=Pm m, ,= =0 0= = N NvP Pe e发生变化发生变化, ,功率平衡被打破功率平衡被打破, , 变化变化, ,释放转子释放转子动能使系统能量守衡。系统频率发生变化。动能

14、使系统能量守衡。系统频率发生变化。v调速器测量到转速的变化，调整机组的进水量或调速器测量到转速的变化，调整机组的进水量或进汽量，改变进汽量，改变P Pm m，使转速，使转速向向N N靠近靠近, ,但不能调但不能调整到等于整到等于N N, ,因为调速器的调节特性为因为调速器的调节特性为有差调节有差调节eGeGJPPTTdtdT1、调速器的、调速器的调整过程调整过程2、发电机组的、发电机组的调速器调速器特性特性v四部分组成：测量、放大、执行和整定四部分组成：测量、放大、执行和整定调速系统的基本原理1GK有差调节有差调节调差系数调差系数GPf调差特性与机组间有调差特性与机组间有功功率的分配功功率的分

15、配调差特性为区域，有调差特性为区域，有失失灵区灵区。GK,PGfPGbPGaPGfabfef1P1P2fABCfNP1P2P1P2P1P2PLPf13、发电机组的静态调节特性发电机组的静态调节特性 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持性。 00 0 NNGGNGNfffffPPP 简化之：发电机的频率特性发电机的频率特性 如上图，发电机频率特性的斜率为 00ffPfPKGGGee发电机的单位调节功率（单位发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）PGfPGbPGaPGfabfef1发电机的单位调节功率（单位发电机的单位调节功率（单位MW/Hz）该单位调节功率和

16、机组的该单位调节功率和机组的调差系数调差系数有互为倒数的关系。有互为倒数的关系。机组的调差系数： （机组由空载到满载时，转速变机组由空载到满载时，转速变化与输出功率变化之比）化与输出功率变化之比）。就是以百分数表示的机组空载运行的频率f0与额定条件允许的频率fN的差值GNNGNGGPffPffPfK0001e00e0e 0%100100 NNGGNGNGNNGNfffffPPPfPfffPf 单位调节功率的标么值为:100%10eeeeeefffPfKffPPKGGGGGn调差系数调差系数 或与之对应的发电机的或与之对应的发电机的单位调节单位调节功率功率是是可以整定可以整定.所以电力系统频率的

17、所以电力系统频率的一次调一次调整整问题主要就与问题主要就与调差系数调差系数或与之对应的发电机或与之对应的发电机的的单位调节功率单位调节功率有关。有关。汽轮发电机组汽轮发电机组 =46或或 =16.725水轮发电机组水轮发电机组 =24或或 =5025% % *GK*GK*1fPKGGfPG*GGeGeGPfPPffPf发电机组的调差系数发电机组的调差系数 发电机组的调节方程（调节准则）0*GPf调差特性与机组间有功功率分配的关调差特性与机组间有功功率分配的关系系P1P2P1P2PP12f*1*2*2*1*0GGGPPPf两机组间的功率增量分配发电机组的调节方程（调节准则） 对没有调节容量的机组

18、(调差系数趋于无限大)，属于无差调节； 多台机组调差系数等于零是不能并联运行的； 一台机组的调差系数等于零与多台有差调节机组的并列运行是不现实的。在电力系统中，所有机组的调速器都为有差调节有差调节，由它们共同承担负荷的波动 *几点注意几点注意 5调节特性的失灵区调节特性的失灵区eWff失灵度失灵度*/RPRPfRPfWWWWWfPfWfWPWPWfePe三三 、电力系统的电力系统的功率功率频率频率静态静态特性特性v电力系统的频率特性电力系统的频率特性 系统频率特性是由负荷频率特性和发电机频率特性共同系统频率特性是由负荷频率特性和发电机频率特性共同形成的。形成的。无调速无调速有调速有调速GDDP

19、PP到状态B，PD未变，PG没增加到状态C，再调可以到状态DPfPD = f(f)PD = f(f)APDf1=feBDPD1PDCPD2f3f2PPG由由可得可得表明系统负荷增加时，在机组调节作用和负荷调节效应影响表明系统负荷增加时，在机组调节作用和负荷调节效应影响下使有功功率达到下使有功功率达到新的平衡新的平衡。其中其中称为称为系统的功率频率特性系数系统的功率频率特性系数或或 系统的单位调节功率系统的单位调节功率Ks值越大，负荷变化引起的频率波动就越小，频率值越大，负荷变化引起的频率波动就越小，频率越稳定。越稳定。GDDPPPfKfKKPPPSDGDGD)(fPKKKDGS)(* n台机组

20、时，系统的台机组时，系统的KG计算计算niGiGnGGGNKKKKK121仅仅m台机组参加调频台机组参加调频miGiGmGGGMKKKKK121v大规模复杂电力系统一般都是互联的联合电大规模复杂电力系统一般都是互联的联合电力系统。最简单的包括两个地区的联合电力力系统。最简单的包括两个地区的联合电力系统。地区系统都用一台发电机等效表示，系统。地区系统都用一台发电机等效表示，之间有一条联络线。之间有一条联络线。四四 联合电力系统的联合电力系统的功功频频率特性频频率特性BAGBLBBGBLBAabBAGBLBGALABabGBLBAabGALAKKPPKPPKPKKPPPPffKPPPfKPPP)(

21、)()()(联络线上的流通功率问题联络线上的流通功率问题v联合电力系统中的频率变化取决于总的调节联合电力系统中的频率变化取决于总的调节效应。这种调节的结果将产生频率偏差和通效应。这种调节的结果将产生频率偏差和通过联络线交换功率的偏差。过联络线交换功率的偏差。v为了维持频率和联络线的功率，要进行二次为了维持频率和联络线的功率，要进行二次调整。调整。一、频率的一次调整一、频率的一次调整v一次调整过程一次调整过程( (自然调整过程，系统的固自然调整过程，系统的固有特性有特性): ): 系统的负荷发生变化时，系统系统的负荷发生变化时，系统中所有机组均释放转子动能来平衡系统中所有机组均释放转子动能来平衡

22、系统负荷的变化，导致系统频率变化，紧接负荷的变化，导致系统频率变化，紧接着各机组调速器感受到转速变化而调整着各机组调速器感受到转速变化而调整机组出力，使系统频率有所恢复机组出力，使系统频率有所恢复, ,由于是由于是有差调节，系统频率不能恢复到有差调节，系统频率不能恢复到f fN N。4.4 电力系统的频率调整1 1、频率的二次调整、频率的二次调整 由于一次调整是有差调节，由于一次调整是有差调节，f f不能恢复到不能恢复到f fN N。系统中设置调频机组，由其调频器动作，增发功系统中设置调频机组，由其调频器动作，增发功率率P PL0L0，完全承担系统负荷的变化，使系统频率，完全承担系统负荷的变化

23、，使系统频率恢复到恢复到f fN N。二次调整。负荷频率控制。二次调整。负荷频率控制LFCLFC（Load Load Frequency Control)Frequency Control)。AGC (Automatic Generation Control)：二次二次调整和三次调整。调整和三次调整。二、频率的二次调整二、频率的二次调整无调速无调速有调速有调速GDDPPP到状态B，PD未变，PG没增加到状态C，再调可以到状态D二次调频，回到状态DPfPD = f(f)PD = f(f)APDf1=feBDPD1PDCPD2f3f2PPGfKCBfKACCBACABPfKfKKPPPLGLSLG

24、LGL00 )(0000LGSGLPABPfKPP二次调整二次调整一次调整一次调整负荷增加负荷增加P PL0L0=AB=AB多机系统的频率调整l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。l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)l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，可作平衡节点调频厂的选择4.5 电力系统的自动调频方法2 2、区域控制误差、区域控制误差(A

25、rea Control Error) ACEijTspiTijTiiTiiiPPPfKPACEAGCAGC的控制方式：的控制方式：1)1)恒定频率控制恒定频率控制 i i=0,K=0,Ki i=1,ACE=1,ACEi i= =f f2)2)恒定净交换功率控制恒定净交换功率控制 i i=1,K=1,Ki i=0,ACE=0,ACEi i= =P PTiTi3)3)联络线功率和频率偏差控制联络线功率和频率偏差控制 i i=1, ACE=1, ACEi i= =P PTiTi+K+Ki if f 若若K Ki i=K=Ksisi，则，则-K-Ki if f为区域为区域i i内与内与f f相相对应的

26、负荷增量，对应的负荷增量，- -P PTiTi为其它区域向区为其它区域向区域域i i输送的净功率增量，则输送的净功率增量，则- -P PTiTi-K-Ki if f实际上是区域实际上是区域i i中总的负荷增量中总的负荷增量P PLiLi。l若，若，-ACEi=- -P PTiTi-K-Ki if=0f=0： 区域区域i i的负荷增量为的负荷增量为P PLiLi+ +P PTiTi, , 且且P PLiLi+ +P PTiTi=-K=-Ki if f， P PLiLi=-=-P PTiTi-K-Ki if f 若，若，- -P PTiTi-K-Ki if=0f=0，则，则P PLiLi=0=0。l若，若，-ACEi=- -P PTiTi-K-Ki if0f0， 则则P PLiLi= = =- -P PTiTi-K-Ki if0f0，说明本区域负荷，说明本区域负荷增加。增加。l若，若，-ACEi=- -P PTiTi-K-Ki if0f0， 则则P PLiLi= = =- -P PTiTi-K-Ki if0f0，说明本区域负荷，说明本区域负荷减小。减小。v不