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1、第五章电力系统本讲稿第一页，共四十六页第一节 电力系统中有功功率的平衡 一、频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响 系统频率的变化将引起工业用户的电动机转速的变化，这将影响产品的质量。当频率降低，使电动机有功功率降低，将影响所有的转动机械的出力。频率的不稳定，将会影响电子设备的准确性。系统频率的变化，对发电机及电力系统本身也十分有害。发电厂的厂用机械多使用异步电动机带动，系统频率降低使电动机出力降低，若频率降低过多，将使电动机停止运转，会引起严重后果。本讲稿第二页，共四十六页频率变化的原因频率变化的原因?频率变化对负荷的影响频率变化对负荷的影响(1)异步机异步机(2)电子设备电子设备(3)电钟
2、电钟频率变化对电力系统的影响频率变化对电力系统的影响(1)水泵、风机、磨煤机水泵、风机、磨煤机(2)汽轮机的叶片汽轮机的叶片(3)变压器的励磁变压器的励磁频率允许偏移的范围：频率允许偏移的范围：50Hz(0.20.5)Hz 系统中负荷系统中负荷的变化的变化你答对了吗你答对了吗?第一节 电力系统中有功功率的平衡 本讲稿第三页，共四十六页有功功率负荷变动曲线有功功率负荷变动曲线本讲稿第四页，共四十六页有功功率负荷变动曲线有功功率负荷变动曲线据此图据此图据此图据此图,负荷可以分为三种负荷可以分为三种负荷可以分为三种负荷可以分为三种:第一种变动幅度很小，周期又很短。第一种变动幅度很小，周期又很短。第一
3、种变动幅度很小，周期又很短。第一种变动幅度很小，周期又很短。变动有很大的偶然性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、气象等变化引起的这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动负荷变动 第二种变动幅度较大，周期也较长第二种变动幅度较大，周期也较长第二种变动幅度较大，周期也较长第二种变动幅度较大，周期也较长.第三种变动幅度最大，周期也最长第三种变动幅度最大，周期也最长第三种变动幅度最大，周期也最长第三种变动幅度最大，周期也最长.该种负荷基本该种负荷基本该种负荷基本该
4、种负荷基本可以预计。可以预计。可以预计。可以预计。本讲稿第五页，共四十六页v据此,频率调整频率调整一次调整一次调整:由发电机组的调速器进行的由发电机组的调速器进行的 对第一种负荷变动引起的频对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整率偏移的调整 二次调整二次调整:由发电机的调频器进行的、由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变动引起的对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整频率偏移的调整 三次调整三次调整:按最优化准则分配第三种有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。按事先给定的发电荷曲线发电。本讲稿第六页，共四十六页有功功率平
5、衡和备用容量有功功率平衡和备用容量 电力系统中，在任何时候，所有发电厂发出的有功功率的总和 ，而 包括所有用户的有功功率 、所有发电厂厂用电有功负荷 和网络的有功损耗 ，即 为保证可靠供电和良好的电能质量，电力系统的有功功率平衡额定运行参数下确定。而且，还应具有一定的备用容量，也就是在系统最大负荷情况下，系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用容量。系统备用容量一般分负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。本讲稿第七页，共四十六页（1）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。负荷备用容量的大小应根据系统负荷的大小、运行经验并考虑系统中各类用电的比重确定
6、。一般为最大负荷的2一5，大系统采用较小数值，小系统采用较大数值（2）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。事故备用容量的大小应根据系统容量、发电机台数、单位机组容量、机组的事故概率、系统的可靠性指标等确定，般约为最大负荷的5一10，但不得小于系统中最大机组的容量。本讲稿第八页，共四十六页（3）检修备用：为保证系统的发电设备进行定期检修时，不致影响供电而在系统中留有的备用容量。所以发电设备运行一段时间以后，都必须进行检修。检修分大修和小修。一般大修时分批分期安排在一年中最小负荷季节进行。小修则利用节假日进行，以尽量减少因检修停机所需的备用容量
7、。（4）国民经济备用：是考虑到工农业用户的超计划生产，新用户的出现等而设置的备用容量，其值根据国民经济的增长情况而确定，一般约为系统最大负荷的3%5%负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用归纳起来以热备用和冷备用的形式存在于系统中。而不难想见，热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用本讲稿第九页，共四十六页按存在形式分为按存在形式分为两者差一个网损两者差一个网损两者差一个厂用电两者差一个厂用电 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)n负荷的分类负荷的分类:1.用电负荷 2.
8、供电负荷 3.发电负荷本讲稿第十页，共四十六页电力系统中有功功率的最优分配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的最优分配:v有功功率电源的最优组合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即指系统中发电设备或发电厂的合理组合,也就也就是所谓的机组合理开停是所谓的机组合理开停.v有功功率负荷的最优分配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备或发电厂之间的合理分配.最常用的是按等耗量微增最常用的是按等耗量微增率准则分配率准则分配.本讲稿第十一页，共四十六页火电厂外景
9、火电厂外景本讲稿第十二页，共四十六页各类发电厂的运行特点和合理组合各类发电厂的运行特点和合理组合(1)火电厂特点：火电厂特点：v 需燃料及运输费用，但不受自然条件影响需燃料及运输费用，但不受自然条件影响v效率与蒸汽参数有关效率与蒸汽参数有关 v受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整范围较受锅炉、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，参数越高范围越窄窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高压高温高压30%，中，中温中压温中压75%)v机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备损坏设备v热电厂抽汽供热，效率
10、高，但技术最小负荷取决于热负荷，热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率为强迫功率本讲稿第十三页，共四十六页丰满水电厂外景丰满水电厂外景本讲稿第十四页，共四十六页l(2)水电厂特点：水电厂特点：l不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。条件影响。l出力调节范围大，出力调节范围大，50%以上以上,增减负荷速度快，操作增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷容易，可承担急剧变化的负荷l决定发电量的除水量外还有水位差决定发电量的除水量外还有水位差 保证出力保证出力l抽水蓄能机组（天荒坪抽水蓄能机组（天荒坪630
11、万千瓦）万千瓦）l必须与火电配合必须与火电配合 l维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率本讲稿第十五页，共四十六页秦山核电站外景秦山核电站外景本讲稿第十六页，共四十六页(3)核电厂特点：核电厂特点：v可调容量大，退、投、增、减负荷消耗能量、时间，可调容量大，退、投、增、减负荷消耗能量、时间，易损坏设备易损坏设备v一次投资大，运行费低，尽量利用承担基本负荷一次投资大，运行费低，尽量利用承担基本负荷v应指出应指出:枯水季节枯水季节往往由系统中的大型水电厂承担调频任务往往由系统中的大型水电厂承担调频任务;洪水季节洪水季节这任务就转移给中温中压火电厂这任务就转
12、移给中温中压火电厂.抽水蓄能电厂抽水蓄能电厂在其发电期间也可参加调频在其发电期间也可参加调频.但低温低压火电厂则因容量但低温低压火电厂则因容量不足不足,设备陈旧设备陈旧,不能担负调频任务不能担负调频任务.本讲稿第十七页，共四十六页有功功率电源的最优组合有功功率电源的最优组合l各类发电厂组合顺序示意图各类发电厂组合顺序示意图枯水季节枯水季节:本讲稿第十八页，共四十六页洪水季节洪水季节:本讲稿第十九页，共四十六页最优分配负荷的目标函数和约束条件最优分配负荷的目标函数和约束条件l1 1.耗量特性耗量特性:发电设备单位时间内消耗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。的能源与发出的有功功率
13、的关系。如图所示如图所示:比耗量比耗量:单位时间内输入能量单位时间内输入能量与输出功率之间的比值与输出功率之间的比值.耗量微增率耗量微增率:耗量特性曲线上某耗量特性曲线上某点切线的斜率点切线的斜率 本讲稿第二十页，共四十六页2.目标函数和约束条件目标函数和约束条件v目标函数目标函数 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。这里的提下，单位时间内的能源消耗最少。这里的目标函数目标函数就应该是就应该是总耗量最少总耗量最少。即为。即为 为网络总损耗为网络总损耗以以 表示某发电设备发出有功功率时单位时表
14、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。间内所需消耗的能源。n 等式约束条件等式约束条件本讲稿第二十一页，共四十六页不计网络损耗时，上式可改写为不计网络损耗时，上式可改写为:不等式条件不等式条件 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限额:本讲稿第二十二页，共四十六页用拉格郎日乘数法求解用拉格郎日乘数法求解l可建立如下拉格朗日函数可建立如下拉格朗日函数:式中式中 为拉格朗日乘数为拉格朗日乘数本讲稿第二十三页，共四十六页 l以两台机为例以两台机为例 目标函数目标函数:等式约束条件等式约束条件:等耗量微增率准则等耗量
15、微增率准则 所以可得所以可得: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。发电设备或发电厂之间分配负荷。本讲稿第二十四页，共四十六页根据等耗量微增率准则得根据等耗量微增率准则得:进而可以求得进而可以求得.对不等式约束条件的考虑对不等式约束条件的考虑:有功功率越限有功功率越限,则按限额发电则按限额发电,剩剩余功率在其他机组间重新按等耗量微增余功率在其他机组间重新按等耗量微增率原则分配率原则分配.本讲稿第二十五页，共四十六页等耗量微增率准则的推广应用等耗量微增率准则的推广应用实践中实践中:由于能源消耗受限制由于能源消耗受限制
16、 本讲稿第二十六页，共四十六页 上式中用小的时间段这和来表示积分效果，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表示火电厂的燃料，表示水电厂消耗的水量。量。水电的约束条件水电的约束条件为了简化分析，将负荷的分配局限于一个为了简化分析，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。火电一个水力发电设备之间，并略去网损。同理由同理由:新的拉格朗日函数新的拉格朗日函数:本讲稿第二十七页，共四十六页 得得:若时间段取的很短若时间段取的很短,则可将式中的下标则可将式中的下标“k”可略去，可可略去，可改写为：改写为：v由上可知，只要将水力发电厂的水耗量乘以某
17、一个待由上可知，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。力发电厂与水力发电厂之间负荷的最优分配。即即水煤转换系数水煤转换系数本讲稿第二十八页，共四十六页网损的修正网损的修正l等式约束条件修正为：等式约束条件修正为：本讲稿第二十九页，共四十六页式中为网损微增率式中为网损微增率式中为网损微增率式中为网损微增率(灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度)本讲稿第三十页，共四十六页第二节第二节 电力系统的频率调整电力系统的频率调整一、电力系统负荷的有功功率频率静态特性 当频率变化时，电力
18、系统中的有功功率负荷也将发生变化。当电力系统处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的有功功率-频率静态特性。电力系统综合负荷的有功功率与频率的关系用数学式表示为式中，为电力系统频率为 时，整个系统的有功负荷，为电力系统频率为额定值 时，整个系统的有功负荷，为上述有功负荷占 的百分数。本讲稿第三十一页，共四十六页负荷的频率特性负荷的频率特性负荷从电网中取用有功功率负荷从电网中取用有功功率 与电网频率的关系如图与电网频率的关系如图:其标么值为：其标么值为：负荷的静态频率特性 负荷的单位调节功率(单位单位 )不能整定不能整定本讲稿第三十二页，共四十六页二、发电机组的有功功率二、发电机
19、组的有功功率频率静态特性频率静态特性1、自动调速系统本讲稿第三十三页，共四十六页二、发电机组的有功功率二、发电机组的有功功率频率静态特性频率静态特性1、自动调速系统本讲稿第三十四页，共四十六页1.概念介绍1)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。2、发电机组的有功功率频率静态特性本讲稿第三十五页，共四十六页2)发电机组调差系数：单位调节功率的倒数。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：v汽轮发电机组 =35或 =33.320水轮发电机组 =24或 =5025本讲稿第三十六页，共四十
20、六页3)负荷的单位调节功率：综合负荷的静态频率特性的斜率。一般而言：本讲稿第三十七页，共四十六页电力系统的一次调频（调速器作用）电力系统的一次调频（调速器作用）初始运行点初始运行点O O，当负荷增，当负荷增加加则则:系统的单位调节功率系数系统的单位调节功率系数本讲稿第三十八页，共四十六页v 一次调频为一次调频为有差调频有差调频。v n n台发电机：台发电机：n n台都参加一次调整：台都参加一次调整：只有只有m m台参加一次调整：台参加一次调整：n 当发电机当发电机满载满载时，负荷功率增大，则时，负荷功率增大，则 相当于为相当于为0,但当负荷功率减小时，但当负荷功率减小时，所以仍可以参加调频。，
21、所以仍可以参加调频。本讲稿第三十九页，共四十六页电力系统的二次调频电力系统的二次调频电力系统的二次调频电力系统的二次调频:手动或自动调节调频器使发电机手动或自动调节调频器使发电机手动或自动调节调频器使发电机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组的频率特性平行的上下移动组的频率特性平行的上下移动组的频率特性平行的上下移动初始运行点初始运行点O，当负荷增加，当负荷增加二次调整增发的功率二次调整增发的功率 系统的单位调节功率系统的单位调节功率频率的二次调整频率的二次调整本讲稿第四十页，共四十六页 n台机组：第台机组：第n台参加二次调频台参加二次调频，n台全部参加一次调频台全部参加
22、一次调频:n无差调频无差调频:若若 ,即发电机如数增发了即发电机如数增发了负荷功率的原始增量负荷功率的原始增量,亦即实现了所谓的无差调节亦即实现了所谓的无差调节.如如上图虚线所示上图虚线所示.n注意注意:以上公式中以功率增大和频率上升为正。以上公式中以功率增大和频率上升为正。本讲稿第四十一页，共四十六页调频厂的选择 调频厂须满足的条件：v调整的容量应足够大；v调整的速度应足够快；v调整范围内的经济性能应该好；v注意系统内及互联系统的协调问题。通过分析各种电厂的特点，调频厂的选择原则为：v系统中有水电厂时，选择水电厂做调频厂；v当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂。本讲稿第四十二页
23、，共四十六页多机系统的频率调整多机系统的频率调整l多多机机系系统统在在负负荷荷变变化化时时，带带调调速速器器的的机机组组，只只要要有有可可调调容容量量，都参加一次调整。都参加一次调整。l二二次次调调整整由由少少数数机机组组(厂厂)承承担担主主调调频频机机组组(厂厂)，负负荷荷增增量量主主要要由由它它们们承承担担，可可依依次次分分为为第第一一、第第二二、调调频频机机(厂厂)l主调频厂一般在负荷中心，要求：主调频厂一般在负荷中心，要求：(1)有足够可调容量；有足够可调容量；(2)有一定调整速度；有一定调整速度；(3)调整时能符合安全、经济的要求；调整时能符合安全、经济的要求；(4)一般选水电厂、中
24、温中压火电厂。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，可作平衡节点主调频厂起全系统功率平衡的作用，可作平衡节点本讲稿第四十三页，共四十六页互联电力系统的频率调整互联电力系统的频率调整n电力系统互联的益处？潜在威胁？电力系统互联的益处？潜在威胁？l联合前联合前:A,B系统均为独立电力系统系统均为独立电力系统l互联后互联后:本讲稿第四十四页，共四十六页其中其中 ,分别为分别为A,B系统的功率缺额系统的功率缺额.n联合后联合后:两系统的频率应相等，即有两系统的频率应相等，即有本讲稿第四十五页，共四十六页l 由上得由上得:l频率变化取决于两系统的频率变化取决于两系统的功率缺额功率缺额和和单位单位调节功率。调节功率。当当 时时,联络线上由联络线上由A流向流向B的功率要增加的功率要增加;当当 时时,联络线上由联络线上由A流向流向B的功率要减少的功率要减少;当当 时时,可保持频可保持频率不变，但功率缺额需通过联络线传输。率不变，但功率缺额需通过联络线传输。l分析分析:本讲稿第四十六页，共四十六页