第十三章_电力系统有功功率平衡与频率[1]

1、第第1313章章 电力系统有功功率平衡和频率调整电力系统有功功率平衡和频率调整n13.113.1 频率调整的必要性频率调整的必要性n13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n13.3 13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整n13.4 13.4 有功功率平衡和系统负荷在有功功率平衡和系统负荷在 各类发电厂间的合理分配各类发电厂间的合理分配13.1 13.1 频率调整的重要性频率调整的重要性n频率是电能质量的一个重要指标。频率是电能质量的一个重要指标。n频率变化对用电设备及电力系统本身产生不良影响。频率变化对用电设备及电力系统本身产生不良影响。n为什么要调频？为什么要调频？

2、 频率是由发电机转速决定；发电机转速由转子上的转频率是由发电机转速决定；发电机转速由转子上的转矩平衡决定；发电机转子转矩平衡受发电机输出功率的影矩平衡决定；发电机转子转矩平衡受发电机输出功率的影响；发电机输出功率由负荷决定；系统负荷是时时刻刻变响；发电机输出功率由负荷决定；系统负荷是时时刻刻变化的，因此频率也是时时刻刻变化的。化的，因此频率也是时时刻刻变化的。13.1 13.1 频率调整的重要性频率调整的重要性n电力系统负荷变化电力系统负荷变化1变化幅度很小，变化周期很短变化幅度很小，变化周期很短 (10S以内）负荷分量以内）负荷分量2变化幅度较大，变化周期较长变化幅度较大，变化周期较长 （1

3、0S3min)负荷分量负荷分量3变化缓慢的持续变化负荷变化缓慢的持续变化负荷(作息作息制度、生活方式、季节等）。制度、生活方式、季节等）。13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性13.2.1 系统负荷的有功功率系统负荷的有功功率频率静态特性频率静态特性n负荷的静态频率特性：系统稳态运行时，有功功率负荷随频负荷的静态频率特性：系统稳态运行时，有功功率负荷随频率的变化特性。率的变化特性。n负荷和频率的关系（负荷的静态频率特性的数学表达式）负荷和频率的关系（负荷的静态频率特性的数学表达式）以以PDN和和fN作为功率和频率的基准值，可得标幺值表示的的负作为功率和频率的基准值，可得标幺值

4、表示的的负荷静态频率特性（上式两端同除以荷静态频率特性（上式两端同除以PDN）332210)()()(NDNNDNNDNDNDffPaffPaffPaPaP13210aaaa332210fafafaaPD13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n当频率偏离额定值不大时，负荷的静态频率特性常表示为一当频率偏离额定值不大时，负荷的静态频率特性常表示为一条直线条直线fPtgKDDDNNDNDNDDPfKffPPK负荷的频率调负荷的频率调节效应系数节效应系数例例13-1.doc13-1.doc1、KD的数值取决于全系统各类负荷的比重，不的数值取决于全系统各类负荷的比重，不同系统或同一系

5、统不同时刻，同系统或同一系统不同时刻， KD都可能不同。都可能不同。 KD一般为一般为13。2、KD的数值通常由试验或计算求得，是调度部门必的数值通常由试验或计算求得，是调度部门必须掌握的数据。须掌握的数据。3、 KD是无法控制的量（因为负荷是无法控制的）。是无法控制的量（因为负荷是无法控制的）。13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性13.2.2 13.2.2 发电机的有功功率发电机的有功功率-频率静态特性频率静态特性1 1、调速系统的工作原理、调速系统的工作原理n调速：当有功平衡遭到破坏，引起频率变化时，原动机的调调速：当有功平衡遭到破坏，引起频率变化时，原动机的调速系统自

6、动改变进汽（水）量，增加或减少发电机的出力。速系统自动改变进汽（水）量，增加或减少发电机的出力。n发电机组有功发电机组有功频率静态特性：稳态运行时，发电机组有功频率静态特性：稳态运行时，发电机组有功出力与频率的关系。出力与频率的关系。n调速器：根据测量环节的工作原理分为机械液压调速系统和调速器：根据测量环节的工作原理分为机械液压调速系统和电气液压调速系统。电气液压调速系统。13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n离心式机械液压调速系统离心式机械液压调速系统1 1 转速测量元件转速测量元件2 2 放大元件放大元件3 3 执行机构执行机构4 4 转速控制机构或称同步器转速控制机构

7、或称同步器n工作原理工作原理n有差调节有差调节13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n2 2、发电机组的静态调差系数、发电机组的静态调差系数n调差系数也称调差率，可定量调差系数也称调差率，可定量表明某台机组负荷改变时，相应表明某台机组负荷改变时，相应的转速（频率）偏移。的转速（频率）偏移。PfPPff1212NGNGNNfPPPff13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性如果如果2 2电位额定运行点电位额定运行点：P P2 2=P=PGNGN f f2 2=f=fN N; ;点点1 1为空载运行点：为空载运行点：P P1 1=0=0f f1 1=f=f0 0,

8、 ,可得：可得：NNGNNfffPff00 或13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n单位调节功率：调差系数的倒数（或称发电机的功频静特单位调节功率：调差系数的倒数（或称发电机的功频静特性系数），表示频率发生单位变化时，发电机输出功率的性系数），表示频率发生单位变化时，发电机输出功率的变化量。变化量。fPKGG1GNNGGNNGPfKPfK111、发电机的调差系数、发电机的调差系数和相应的单位调节功率和相应的单位调节功率K KG G是可以是可以整定的。整定的。2 2、单位调节功率越大，频率偏移越小。、单位调节功率越大，频率偏移越小。13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系

9、统的频率特性13.2.3 13.2.3 电力系统的有功功率电力系统的有功功率频率静态特性频率静态特性nA A点为原始平衡点点为原始平衡点n假定负荷增加，特性曲线假定负荷增加，特性曲线 变化，新的稳定运行点为变化，新的稳定运行点为B B。n频率变化量为频率变化量为n发电机功率输出增量为：发电机功率输出增量为：n由于负荷的频率调节效应所由于负荷的频率调节效应所 产生的负荷功率变化量为产生的负荷功率变化量为012ffffKPGGfKPDD13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n负荷功率的实际增量负荷功率的实际增量n实际增量与发电机组的功率增量相平衡实际增量与发电机组的功率增量相平衡

10、fKPPPDDDD00频率下降时为负值频率下降时为负值GDDPPP0fKfKKPPPDGDGD)(0系统的单位调节功率系统的单位调节功率13.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n上式说明：系统负荷增加时，在发电机组功频特性和负荷本上式说明：系统负荷增加时，在发电机组功频特性和负荷本身的调节效应共同作用下达到新的功率平衡。身的调节效应共同作用下达到新的功率平衡。n系统的功率系统的功率-频率静特性系数（系统的单位调节功率）：计频率静特性系数（系统的单位调节功率）：计及发电机组和负荷的调节效应时，引起频率单位变化的负荷及发电机组和负荷的调节效应时，引起频率单位变化的负荷变化量。根据变

11、化量。根据K K的大小可以确定在允许的频率偏移范围内，的大小可以确定在允许的频率偏移范围内，系统所能承受的负荷变化量。系统所能承受的负荷变化量。fPKKKDDG013.2 13.2 电力系统的频率特性电力系统的频率特性n采用标幺值采用标幺值fPfPKfPKDNDNDNGNG0fPffPPKPPKDNDNDDDNGNG00fPKKkKDDGr0备用系数DNGNrPPk/两边同除以 PDN/fN13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整13.2.1 13.2.1 频率的一次调整（一次调频）频率的一次调整（一次调频） 假设有假设有n n台有调速器的机组并列运行台有调速器的机组并列运行n当系统频率

12、变化当系统频率变化ff时，第时，第i i台机组输出功率增量为：台机组输出功率增量为：nn n台机组输出功率总增量为：台机组输出功率总增量为：nn n台机组的等值单位调节功率为：台机组的等值单位调节功率为：), 2 , 1( ,nifKPGiGifKfKPPGniGiniGiG11niNGiNGiniGiGfPKKK11结论：n n台机组的单位调节台机组的单位调节功率远大于一台机组的单位功率远大于一台机组的单位调节功率；在输出功率变动调节功率；在输出功率变动值相同的情况下，多台机组值相同的情况下，多台机组并列运行时的频率变化比单并列运行时的频率变化比单台机组独立运行小得多。台机组独立运行小得多。

13、13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整n若把若把n n台机组用一台等值机来代表，可求得等值机单位调台机组用一台等值机来代表，可求得等值机单位调节功率标幺值节功率标幺值GNniGiNGiGPPKK1niiGiNGNGPPK11niGiNGNPP1注意：当某台机组满载运行时，当负荷增加时其单位调注意：当某台机组满载运行时，当负荷增加时其单位调节功率取节功率取0 0。13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整n系统频率的一次调整分析系统频率的一次调整分析niNGiNGiniGiGfPKKK11fPKKKDDG0NGiNiiGiGifPfffKP1iGiNGifPP结论：结论：调差系数越小

14、（单位调节功率越大），机组调差系数越小（单位调节功率越大），机组增加的有功功率（相对于自身额定值）就越多。增加的有功功率（相对于自身额定值）就越多。例例13-2 例例13-313.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整13.3.2 频率的二次调频率的二次调整（二次调频）整（二次调频）1、同步器的工作原理、同步器的工作原理13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整2 工频静态特性的平移工频静态特性的平移13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整3.3.频率的二次调整过程频率的二次调整过程fKfKPPDGGD0二次调频功率增量一次调频发电机组功率增量负荷本身的调节效应的功率增量F13.3

15、 电力系统的频率调整电力系统的频率调整n二次调整时的功率平衡方程二次调整时的功率平衡方程n结论结论：（1 1）二次调频不能改变系统的单位调节功率）二次调频不能改变系统的单位调节功率k k值；值； （2 2）二次调频增加了发电机的出力，在同样的频）二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了；或者在相同率偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了；或者在相同的负荷变化量下，系统频率的偏移减小了。的负荷变化量下，系统频率的偏移减小了。 (3)(3)当二次调节量等于负荷的初始增量时，频率维当二次调节量等于负荷的初始增量时，频率维持不变（可实现无差调节）。持不变（可实现无差调

16、节）。fKfKPPDGGD0fKfKKPPDGGD)(0KPPfGD013.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整n13.3.3 13.3.3 互联系统的频率调节互联系统的频率调节n对系统对系统A A：n对系统对系统B B：n互联系统频率相同：互联系统频率相同： 负荷变化量二次调频量单位调节功率联络线交换功率增量联络线交换功率增量AAGAABDAfKPPPBBGBABDBfKPPPfffBA13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整n解上述方程组解上述方程组n结论：结论：1、若总的二次调频量与系统总负荷增量相等，则若总的二次调频量与系统总负荷增量相等，则可实现无差调节。可实现无差调节。

17、KPPKKPPPPfGDBAGBGADBDA)()(BAGADABGBDBAABKKPPKPPKP)()(13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整n对联络线交换功率增量的进一步讨论对联络线交换功率增量的进一步讨论1 1、 两系统都进行二次调频，两系统的功率缺额同单位调节功两系统都进行二次调频，两系统的功率缺额同单位调节功率成比例，即满足：率成比例，即满足： 联络线交换功率增量为零。联络线交换功率增量为零。2、 若两个系统各自的二次调频量都等于各自的负荷增量，则若两个系统各自的二次调频量都等于各自的负荷增量，则联络线功率增量为联络线功率增量为0。3 3、 如果如果B B系统不进行二次调频，

18、即：系统不进行二次调频，即：当互联系统功率能够平衡时：当互联系统功率能够平衡时：BGBDBAGADAKPPKPP0PGBBAGADBDBBAGADABDBAABKKPPKPKKPPKPKP)()(DBABGADPPPP 013.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整13.3.4 13.3.4 主调频厂的选择主调频厂的选择n按是否承担二次调频，发电厂分类：主调频厂、辅助调按是否承担二次调频，发电厂分类：主调频厂、辅助调频厂、非调频厂频厂、非调频厂n主调频厂选择：主调频厂选择：（1 1）应有足够的调整容量及调整范围；）应有足够的调整容量及调整范围；（2 2）足够快的调整速度；（）足够快的调整速度

19、；（3 3）调整出力时符合安全和）调整出力时符合安全和经济的原则。（经济的原则。（4 4）联络线功率及中枢点电压是否越限。）联络线功率及中枢点电压是否越限。1.1.从调整范围和调整速度方面，水电厂最适宜承担调频任从调整范围和调整速度方面，水电厂最适宜承担调频任务。从经济方面，枯水季节，水电厂进行调频；丰水季务。从经济方面，枯水季节，水电厂进行调频；丰水季节，火电厂调频。节，火电厂调频。13.3 电力系统的频率调整电力系统的频率调整13.3.5 13.3.5 频率调整与电压调整的关系频率调整与电压调整的关系n系统的有功和无功需求既同电压有关也同频率有关。系统的有功和无功需求既同电压有关也同频率有

20、关。n频率下降时，系统的无功需求略有增加。若系统无功不足，频率下降时，系统的无功需求略有增加。若系统无功不足，则电压会下降。则电压会下降。n频率增高时，系统的无功需求略有减少，系统电压上升。频率增高时，系统的无功需求略有减少，系统电压上升。n电压提高时，系统的有功需求略有增加，如果有功电源不电压提高时，系统的有功需求略有增加，如果有功电源不充足，频率会下降。充足，频率会下降。n电压下降时，有功需求减少，频率会升高。电压下降时，有功需求减少，频率会升高。1.1.当有功和无功均不足时，频率和电压都偏低，应先解决有当有功和无功均不足时，频率和电压都偏低，应先解决有功平衡问题，因为频率的提高能减少无功

21、缺额。功平衡问题，因为频率的提高能减少无功缺额。13.4 13.4 有功功率平衡和系统负荷有功功率平衡和系统负荷在各类发电厂间的合理分配在各类发电厂间的合理分配13.4.1 13.4.1 有功功率平衡和备用容量有功功率平衡和备用容量n有功平衡必须在有功平衡必须在额定参数（特别是额定参数（特别是f fN N) )下确立，并且有一下确立，并且有一定的备有容量。定的备有容量。0)(LsLDGDGPPPPPP13.4 13.4 有功功率平衡和系统负荷有功功率平衡和系统负荷在各类发电厂间的合理分配在各类发电厂间的合理分配n备用容量分类：备用容量分类：1 1、按作用分：、按作用分： （1 1）负荷备用（）

22、负荷备用（2%2%5%5%）: :一日中计划外负荷增加和系统一日中计划外负荷增加和系统的短时负荷波动；根据系统总负荷大小、运行经验及系统中的短时负荷波动；根据系统总负荷大小、运行经验及系统中各类用户的比重来确定。各类用户的比重来确定。 （2 2）事故备用（）事故备用（5%5%10%10%）：由系统中机组台数、机组容）：由系统中机组台数、机组容量大小、机组的故障率、及系统的可靠性指标来确定。量大小、机组的故障率、及系统的可靠性指标来确定。 （3 3）检修备用：检修一般安排在年负荷曲线的低谷处。）检修备用：检修一般安排在年负荷曲线的低谷处。 （4 4）国民经济备用：经济的超计划增长。）国民经济备用

23、：经济的超计划增长。13.4 13.4 有功功率平衡和系统负荷有功功率平衡和系统负荷在各类发电厂间的合理分配在各类发电厂间的合理分配2 .2 .按存在形式分：按存在形式分：（1 1）旋转备用（热备用）：抵消由于随机事件而引起的功率）旋转备用（热备用）：抵消由于随机事件而引起的功率缺额，全部的旋转备用容量都承担频率调整任务，包含了缺额，全部的旋转备用容量都承担频率调整任务，包含了负荷备用和事故备用。负荷备用和事故备用。（2 2）冷备用：处于停机状态，作为检修备用、国民经济备用）冷备用：处于停机状态，作为检修备用、国民经济备用和一部分事故备用。和一部分事故备用。13.4 13.4 有功功率平衡和系

24、统负荷有功功率平衡和系统负荷在各类发电厂间的合理分配在各类发电厂间的合理分配13.4.2 13.4.2 各类发电厂负荷的合理分配各类发电厂负荷的合理分配n电力系统中的发电厂主要有火力发电厂、水力发电厂和核电力系统中的发电厂主要有火力发电厂、水力发电厂和核能发电厂三类。能发电厂三类。n各类发电厂由于设备容量，机组规格和使用的动力资源的各类发电厂由于设备容量，机组规格和使用的动力资源的不同有着不同的技术经济特性。必须结合它们的特点，合不同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

25、负荷曲线中的位置，以提高系统运行的统日负荷曲线和年负荷曲线中的位置，以提高系统运行的经济性。经济性。n火电厂的特点（包括热电厂）火电厂的特点（包括热电厂）(1)(1)火电厂在运行中需要支付燃料费用，但它的运行不受自然火电厂在运行中需要支付燃料费用，但它的运行不受自然条件的影响。条件的影响。(2)(2)火力发电设备的效率同蒸汽参数有关，高温高压设备的效火力发电设备的效率同蒸汽参数有关，高温高压设备的效率也高，中温中压设备效率较低，低温低压设备的效率更低。率也高，中温中压设备效率较低，低温低压设备的效率更低。(3)(3)受锅炉和汽轮机的最小技术负荷的限制。火电厂有功出力受锅炉和汽轮机的最小技术负荷

26、的限制。火电厂有功出力的调整范围比较小，其中高温高压设备可以灵活调节的范围的调整范围比较小，其中高温高压设备可以灵活调节的范围最窄，中温中压设备的略宽。负荷的增减速度也慢。机组的最窄，中温中压设备的略宽。负荷的增减速度也慢。机组的投入和退出运行费时长，消耗能量多，且易损坏设备。投入和退出运行费时长，消耗能量多，且易损坏设备。(4)(4)带有热负荷的火电厂称为热电厂，它采用抽汽供热，其总带有热负荷的火电厂称为热电厂，它采用抽汽供热，其总效率要高于一般的凝汽式火电厂。但是与热负荷相适应的那效率要高于一般的凝汽式火电厂。但是与热负荷相适应的那部分发电功率是不可调节的强迫功率。部分发电功率是不可调节的强迫