电力系统的频率4节课资料.ppt

1、电气工程基础,第9章 电力系统的频率与有功控制,频率概述 电力系统的频率特性 电力系统的频率调整 电力系统经济调度与最优潮流,电气工程基础,9.1 频率概述,电能质量的一个重要指标 一个交流系统一个频率 负荷是动态变化的，频率是动态变化的 规定的频率偏移范围 负荷的变化规律 频率控制方式：一次调频、二次调频和发电计划（三次调频）,3,1、电力系统中有功功率的平衡 各类发电厂的运行特点 各类发电厂的合理组合 2、电力系统频率的调整 负荷及电源的频率静态特性 频率的一、二次调整 互联系统的频率调整 3、有功功率的最优分配（三次调整） 不计网损时水、火电厂间的经济功率分配 计网及损时各发电厂间的经济

2、功率分配,4,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 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。,预备：电力系统频率变化的不良影响,5,频率与有功平衡的关系 频率由发电机转速决定 转速与其轴上的转矩平衡有关 转矩平衡与功率平衡,电力系统中有功功率的平衡,6,三有功功率负荷的 变化及其调整,电力系统中有功功率的平衡,7,系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动 负荷组成：,（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等,

3、（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律,（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电 炉启停,8,电力系统中有功功率的平衡,备用容量：15%20% 作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷。 定义：备用容量 系统可用电源容量 发电负荷,有功功率平衡：,四、有功功率电源和备用容量,系统电源容量：可投入发电设备的可发功率之和,9,备用容量的分类,10,系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问题，包括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。 有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合理组合。包括：机组的最优组合顺序，机组的最优组合

4、数量，机组的最优开停时间。 有功负荷的最优分配：系统中的有功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。,11,承担急剧变化负荷时与投、退相似，额外耗能、费时,一、 各类发电厂的运行特点,1 火电厂,支付燃料费用,技术最小负荷,锅炉 25%70%,汽机 10%15%,效率与蒸汽参数有关,高温高压：效率高、调节范围小,中温中压：较前者低、但调节范围大,低温低压：指标最差、不用于调节,热电厂：抽气供热，效率最高，有不可调节的强迫功率,火电厂,12,2 水电厂 （1）不需燃料费，但一次投资大 （2）出力调节范围大； （3）启停费用低，且操作简单 （4）出力受水头影响 (5) 雨季：必须释放水

5、量强迫功率 此外： 抽水蓄能电厂,一、 各类发电厂的运行特点,13,3 核电厂 （1）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。 (2) 调节能力弱，一般不承担备用。 （3）一次投资大，运行费用小。 4 风电场 (1) 调节能力弱，一般不承担备用。,一、 各类发电厂的运行特点,14,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，增加燃用劣质煤、当地煤。,二、 各类发电厂的合理组合,15,枯水期,丰水期,抽水,发电,16,1、定义：,负荷,与用户的生产状态有关,与频率无关照明、电炉等,与接入点系统电压有关

6、,与系统频率有关仅考虑频率因素,假设不变,2、负荷性质：,与频率的一次方成正比球磨机、卷扬机等,与频率的二次方成正比变压器的涡流损耗等,与频率的三次方成正比通风机、循环水泵等,与频率的高次方成正比静水头阻力大的给水泵,一、负荷的有功功率频率静态特性,17,18,负荷的有功功率频率静态特性简化表达,当频率偏离额定值不大时，负荷有功频率静态特性用一条近似直线来表示。,负荷的单位调节功率，表示负荷随频率的变化程度。,19,二、 发电机组的有功功率频率静态特性,调速器的工作原理,1 为转速测量元件离心飞摆及其附件； 2 为放大元件错油门(或称配压阀)； 3 为执行机构油动机(或称接力器)； 4 为转速

7、控制机构或称同步器(调频器),20,调频器的工作原理,21,（1）、无调速系统时: PT=c1f-c2f2,（2）、有调速系统时,二、 发电机组的有功功率频率静态特性,22,（3）、有调频器时,二、 发电机组的有功功率频率静态特性,23,2、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。,二、 发电机组的有功功率频率静态特性,24,发电机的调差系数：单位调节功率的倒数。,二、发电机组的有功功率频率静态特性,25,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 =35或

8、=33.320 水轮发电机组 =24或 =5025,二、发电机组的有功功率频率静态特性,26,三、频率的一次调整,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。,27,系统的单位调节功率：计及发电机和负荷的调节效应时，引起频率单位变化时的负荷变化量。,28,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

9、其调差系数即下降特性自然分配。,三、 频率的一次调整,29,频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动范围内。,1.主调频厂的选择 调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助 调频厂。 调频厂应满足的条件： 1）足够的调整容量 2）较快的调整速度 3）调整范围内的经济性较好,四、频率的二次调整,30,调整容量: 水电厂火电厂中温中压电厂（75）高温高压电厂（30） 调整速度： 水电厂火电厂调频厂选择： 首选：水电厂 其次：中温中压电厂,四、频率的二次调整,31,频率调整图,四、频率的二次调整,32,3. 当系统负荷增加时，由

10、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 。,四、频率的二次调整,33,4. 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，且由第s台机组担负二次调整的任务，则：,四、频率的二次调整,电气工程基础,9.2 电力系统的频率特性,9.2.1 发电机组的频率特性,发电机组功频静特性系数,1.0,1.0,机组的静态调差系数(调差率),电气工程基础,9.2.2 电力负荷的频率特性,1.0,1.0,负荷的频率调节效应系数,电气工程基础,9.

11、2.3 电力系统有功-频率特性,【定义】全系统等值机组的功频静特性系数,电气工程基础,9.3 电力系统的频率调整,一次调整：发电机调速、负荷响应(有差)，连续的 二次调整：自动发电控制AGC, 离散的 三次调整：经济调度ED 互联系统的频率调整,电气工程基础,2005年11.20日龙政直流双极闭锁后华东电网实测频率,电气工程基础,河海大学, 鞠平,2007年1月23日田湾核电一台1000MW机组进行的甩负荷试验,电气工程基础,仿真曲线与实测曲线拟合情况,电气工程基础,9.3.1 频率的一次调整,自然闭环控制：发电机、负荷属性，有差 是电力系统频率稳定的基础 所有机组都参与（装有调速器、尚可调节

12、） 分散控制：基于就地信息 小于1秒,电气工程基础,一次调频示意图,电气工程基础,9.3.2 频率的二次调整,集中控制：基于集中信息，由调度中心计算后实施 过去有所谓调频厂的概念 只有安装了AGC的机组才参与调节 计算周期：10秒 实现了闭环控制 是电力系统频率稳定的重要补充,电气工程基础,二次调频示意图,五、互连系统频率的调整,联络线功率,B系统不参加二次调整,电气工程基础,9.3.4 互联系统的频率调整,A,B,A、B系统的综合频率特性系数,A、B系统的功率缺额,电气工程基础,例9.3 求频率变化和联络线功率增量。,1500MW,1000MW,解：标幺值化为有名值,(1) 两系统机组都参加

13、一次调频,电气工程基础,(2) 两系统机组都不参加一次调频,(3) B系统机组不参加一次调频,电气工程基础,(4) 两系统机组都参加一、二次调频，都增发50MW,电气工程基础,(5) 两系统机组都参加一次调频，且仅A系统部分机组参加二次调频，增发60MW,电气工程基础,(6) 两系统机组都参加一次调频，且仅B系统部分机组参加二次调频，增发60MW,53,六 自动发电控制,1 国内外自动发电控制的研究与应用情况 2 对频率控制的要求 3自动发电控制是保证频率质量的重要技术手段 （1）传统的频率调节很难使频率满足要求； （2）负荷波动使发电功率与负荷难以平衡； （3）单机容量增大使单台机故障带来的

14、损失增大，人工调节需较长时间。 4自动发电控制是实现在线经济分配的必备手段,电气工程基础,9.3.3 频率的三次调整：经济调度,集中控制：基于集中信息，由调度中心计算后实施 5分钟、1天、1小时 所有机组参加 开环控制,55,1、 发电机组的耗量特性：反映发电机组单位时间内能量输入和输出关系的曲线。,耗量特性,三、电力系统有功功率的最优分配,56,比耗量：耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即输入和输出之比 效率：比耗量倒数 耗量微增率：耗量特性曲线上某点切线的斜率，表示在该点的输入增量与输出增量之比。,效率曲线和微增率曲线,1、发电机组的耗量特性,57,有功负荷最优分配的目的：在满足对一

15、定量负荷持续供电的前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位时间内所消耗的能源最少。 满足条件： 等式约束 f(x、u、d)=0 不等式约束 g(x、u、d)0 使 目标函数 F=F(x、u、d) 最优,2、目标函数和约束条件,58,(1) 目标函数,系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）,该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，描述的是单位时间内能源的消耗量。,2、目标函数和约束条件,59,(2) 约束条件,等式约束 不等式约束,忽略有功网损,2、目标函数和约束条件,60,以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机组间的分配，使总的

16、燃料消耗量最小。 等式约束 目标函数,3、等耗量微增率准则,61,作图法求解（只有两台机组） 在OO上找到一点作垂线， 与两条耗量特性曲线的交点 间距离最短。 在耗量特性曲线具有凸性的情 况下，两条曲线的切线平行时， 燃料消耗量最少。 曲线的切线即斜率，就是该点的耗量微增率。,3、等耗量微增率准则,62,切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。这就是等微增率准则。 物理意义,63,（1）.不计网损的有功最优分配 目标函数最小： 等式约束条件： 这是多元函数求条件极值问题，可以利用拉格朗日乘数法求解。 构造拉格朗日函数,4、多个发电厂间的负荷经济分配,64,求拉格朗日函数的无条件极值,65,

17、不等式约束的处理,功率上下限约束 先不考虑该约束条件进行经济分配计算，若发现越限，越限的发电厂按极限分配负荷，其余发电厂再按经济分配。 节点电压及无功功率约束 在经济功率分配后的潮流计算中处理。,66,（2）.考虑网损的有功最优分配,等式约束变为 目标函数不变 拉格朗日函数为,经过网损修正后的等微增率准则,网损修正系数,网损微增率的物理意义：某发电厂所发功率的变化引起的网路总损耗的变化阻抗矩阵法,网损微增率,电气工程基础,电力系统优化潮流,生活生产中的优化问题； 优化问题的数学表达式； 数学中产生了一个子学科：统筹学；1950年 电力系统生产的两大优化问题： 经济调度：发电费用最小问题； 无功

18、优化：网损最小问题； 1956年，高斯-赛德尔潮流计算实现了； 1962年，法国EDF的学者Carpentier提出的。,电气工程基础,发电费用最小问题及数学表达,s.t.,法国人Carpentier发明了OPF,电气工程基础,河海大学, 鞠平,William F Tinney等人给出简化梯度算法在牛顿法潮流的基础上,电气工程基础,河海大学, 鞠平,华人学者David Sun给出了牛顿法,电气工程基础,河海大学, 鞠平,90年代，内点法出现了,电气工程基础,河海大学, 鞠平,OPF牛顿法简介,电气工程基础,河海大学, 鞠平,暂时不考虑不等式约束，写出拉格朗日函数为：,上式的Kuhn-Tucker条件为：,用牛顿法求解该非线性方程组，可以得到如下的迭代方程式：,简单变量不等式约束的考虑,电气工