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1、电力系统稳态分析第五章第1页，本讲稿共56页一、电力系统频率变化的影响一、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 1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业）异步电机转速：纺织工业、造纸工业 （2 2）异步电机功率下降）异步电机功率下降 （3 3）电子设备的准确度）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 1）对发电厂厂用机械设备运行的影响）对发电厂厂用机械设备运行的影响 （2 2）对汽轮机叶片的影响）对汽轮机叶片的影响 （3 3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。第2页，本讲稿共
2、56页二、电力系统运行频率与有功功率平衡的关系二、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要保持电力系统在某一频率下运行，就必须保一频率下运行，就必须保证在该频率下电力系统的证在该频率下电力系统的有功率功率平衡；有功不有功率功率平衡；有功不足，频率下降；有功过剩足，频率下降；有功过剩，频率升高。，频率升高。第3页，本讲稿共56页三、频率变化原因及分类三、频率变化原因及分类1 1、负荷波动分类、负荷波动分类P1一类负荷波动一类负荷波动 周期短；幅值小；由用电设备周期短；幅值小；由用电设备 的投入和退出引起；不可预测。的投入和退出引起；不可预测。P2二类负荷波动二类负荷波动 周期较
3、长，幅值较大；由大容周期较长，幅值较大；由大容 量用电设备的投入和退出引起，量用电设备的投入和退出引起，不可预测。不可预测。P3三类负荷波动三类负荷波动 周期最长，幅值最大；由生产周期最长，幅值最大；由生产 生活规律和气象条件变化引起；可生活规律和气象条件变化引起；可 以预测。以预测。第4页，本讲稿共56页2 2、频率变化原因、频率变化原因 负荷变化破坏电力系统的有功率平衡关系。负荷变化破坏电力系统的有功率平衡关系。3 3、电力系统频率的调整方法及频率调整分类、电力系统频率的调整方法及频率调整分类 频率调整方法频率调整方法 根据负荷变化调整有功电源（发电机）出力。根据负荷变化调整有功电源（发电
4、机）出力。频率调整分类频率调整分类 一次调整一次调整针对第一类负荷变动进行的调整，由于这类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。只能靠自动装置（调速器）来实现。二次调整二次调整针对第二类负荷变动进行的调整，由调频器改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。变调频电厂的机组出力来实现。第5页，本讲稿共56页 三次调整三次调整针对第三类负荷变动进行的调整，由于此类负针对第三类负荷变动进行的调整，由于此类负荷基本上可以预测，所以通常都
5、是根据预测的负荷曲线按最优荷基本上可以预测，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。调整又称为负荷的最优分配，由人工完成。第6页，本讲稿共56页四、电力系统有功率平衡及备用容量四、电力系统有功率平衡及备用容量1 1、电力系统的负荷与电源容量、电力系统的负荷与电源容量 综合负荷综合负荷=系统中所有负荷之和；系统中所有负荷之和；供电负荷供电负荷=综合负荷综合负荷+网损；网损；发电负荷发电负荷=供电负荷供电负荷+厂用负荷；厂用负荷；系统额定容量系统额定容量=系
6、统装机额定容量之和；系统装机额定容量之和；系统电源容量系统电源容量=系统中可运行机组的可发容量之和。系统中可运行机组的可发容量之和。2 2、有功功率平衡与系统备用容量、有功功率平衡与系统备用容量有功功率平衡：有功功率平衡：（额定频率下）（额定频率下）系统备用容量：系统备用容量：定义：定义：系统备用容量系统备用容量=系统电源容量系统电源容量-发电负荷发电负荷 （15152020）%第7页，本讲稿共56页作用：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、事故导致的发电机退出运行和设备检修导致的设备退出运长、事故导致的发电机退出运行和
7、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。证供电可靠性和电能质量。第8页，本讲稿共56页分类：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。第9页，本讲稿共56页发电负荷 负荷备用 （热备用
8、）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）容量国名经济备用（冷备用）第10页，本讲稿共56页五、有功电源的合理组合五、有功电源的合理组合1、有功负荷最优分配的内容、有功负荷最优分配的内容 有功电源的最优组合（有功电源的最优组合（冷备用分布冷备用分布）最优组合顺序最优组合顺序 最优组合数量最优组合数量 最优开停机时间最优开停机时间 有功负荷最优分配（有功负荷最优分配（热备用分布热备用分布）2 2、有功电源的合理组合顺序、有功电源的合理组合顺序1 1）各类发电厂的特点）各类发电厂的特点 凝汽式火力发电厂凝汽式火力发电厂 矿物能源、环境污染、燃料及运输费用
9、。矿物能源、环境污染、燃料及运输费用。第11页，本讲稿共56页 高温高压：高温高压：运行经济性较好、出力可调范围小、不易频繁运行经济性较好、出力可调范围小、不易频繁 开停机、不易承担急剧变动负荷。开停机、不易承担急剧变动负荷。中温中压：中温中压：运行经济性较差、出力调节范围较大、不易频运行经济性较差、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。繁开停机、不易承担急剧变动负荷。热电厂热电厂 矿物能源、环境污染、燃料及运输费用、供热情况下发矿物能源、环境污染、燃料及运输费用、供热情况下发电时效率高，但存在强迫功率、不易频繁开停机、不易承担急电时效率高，但存在强迫功率、不易频繁开停机、
10、不易承担急剧变动负荷。剧变动负荷。核电厂核电厂 矿物能源、环境不良影响小、建设投资大、周期长、发矿物能源、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。电成本低、不易承担急剧变动负荷、不易频繁开停机。第12页，本讲稿共56页 水电厂水电厂 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。力受水头影响。径流式水电站：径流式水电站：强迫功率、无调节能力；强迫功率、无调节能力；具有调节库容
11、的水电站：具有调节库容的水电站：存在强迫功率、技术最小出力存在强迫功率、技术最小出力小，调节范围大。小，调节范围大。第13页，本讲稿共56页2）各类发电厂合理组合顺序第14页，本讲稿共56页电力系统稳态分析第五章 电力系统的有功功率平衡与频率调整（电力系统有功负荷的最优分配频率的三次调整）主讲 周任军第15页，本讲稿共56页一、有功负荷的最优分配一、有功负荷的最优分配1 1、目的、目的 满足负荷需求，经济合理分配各发电机组有功出力，使系统总的能源消满足负荷需求，经济合理分配各发电机组有功出力，使系统总的能源消耗（燃料费用、耗（燃料费用、市场市场调度总费用）最少。调度总费用）最少。2 2、发电机
12、的耗量特性、发电机的耗量特性 耗量特性耗量特性 火电厂：火电厂：水电厂：水电厂：第16页，本讲稿共56页 汽轮发电机组耗量特性曲线汽轮发电机组耗量特性曲线 水轮发电机组耗量特性曲线水轮发电机组耗量特性曲线 比耗量比耗量 火力发电机组：火力发电机组：水力发电机组：水力发电机组：反映发电机在该运行状态下平均效率的高低。反映发电机在该运行状态下平均效率的高低。第17页，本讲稿共56页 耗量微增率耗量微增率 火力发电机组：火力发电机组：水力发电机组：水力发电机组：反映发电机组在该运行状态下，出力增加或减少单位值反映发电机组在该运行状态下，出力增加或减少单位值时，能源消耗增加或减少的多少。时，能源消耗增
13、加或减少的多少。第18页，本讲稿共56页3、有功负荷的最优分配（火电厂、不计能源消耗受限）目标函数 约束条件 等约束条件：（或 潮流方程）不等约束条件：第19页，本讲稿共56页 简单最优分配 不计不等约束、不计网损影响情况下，根据拉格朗日乘数法有：C*取得极值条件，即原函数在满足等约束条件下取得极值条件为：（1）（2）即：（3）等耗量微 增率准则 （4）-等耗量微增率准则第20页，本讲稿共56页 计及有功不等约束时，有功负荷的最优分配计及有功不等约束时，有功负荷的最优分配 先不考虑不等约束条件，按等耗量微增率准则对负荷进行先不考虑不等约束条件，按等耗量微增率准则对负荷进行分配；分配；对于分配功
14、率超过上限的机组取上限，低于下限的机组取对于分配功率超过上限的机组取上限，低于下限的机组取下限；下限；从总负荷中减去按上限或下限发电机组的出力，将剩余的从总负荷中减去按上限或下限发电机组的出力，将剩余的负荷在剩余机组中再按等耗量微增率准则进行分配。负荷在剩余机组中再按等耗量微增率准则进行分配。节点电压及无功不等约束条件的考虑节点电压及无功不等约束条件的考虑 不能违背；不能违背；与有功负荷最优分配无直接关系；与有功负荷最优分配无直接关系；有功负荷最优分配后，在潮流计算中考虑。有功负荷最优分配后，在潮流计算中考虑。第21页，本讲稿共56页 考虑网损时，有功负荷的最优分配考虑网损时，有功负荷的最优分
15、配 目标函数不变：目标函数不变：等约束条件：等约束条件：拉格朗日函数：拉格朗日函数：取得极值条件：取得极值条件：第22页，本讲稿共56页最优分配原则：最优分配原则：将各发电机的耗量微增率用相应的网损修正系数修正将各发电机的耗量微增率用相应的网损修正系数修正后，在满足等约束条件下，按等网损微增率准则分配。后，在满足等约束条件下，按等网损微增率准则分配。4、例题、例题1第23页，本讲稿共56页二、能源消耗受限制（既有火电厂，又有水电二、能源消耗受限制（既有火电厂，又有水电 厂）时，有功负荷的最优分配厂）时，有功负荷的最优分配（一水一火）（一水一火）1 1、目标、目标 在整个运行时间段内满足用户的电
16、力需求，合理分配水火电在整个运行时间段内满足用户的电力需求，合理分配水火电厂的负荷，使总燃料消耗量最少。厂的负荷，使总燃料消耗量最少。2 2、最优分配原则、最优分配原则 目标函数：目标函数：等约束条件：等约束条件：第24页，本讲稿共56页拉格朗日函数：拉格朗日函数：取得极值条件：取得极值条件：第25页，本讲稿共56页最优分配原则：最优分配原则：即在每个时间段内，在满足功率平衡的情况下，按即在每个时间段内，在满足功率平衡的情况下，按 分配，并使总的水量消耗等于规定值。分配，并使总的水量消耗等于规定值。第26页，本讲稿共56页3 3、的物理意义及计算的物理意义及计算 物理意义物理意义 就发电而言，
17、每吨标准煤相当于就发电而言，每吨标准煤相当于 立方米水，称为水煤立方米水，称为水煤换算系数。换算系数。第27页，本讲稿共56页 与允许耗水量与允许耗水量 的关系的关系 越大，水轮发电机分配得到的出力越大，水轮发电机分配得到的出力 越小，耗水量越小，耗水量 越小。反之，允许的耗水量越大越小。反之，允许的耗水量越大 ，则，则 的取值应越小。的取值应越小。第28页，本讲稿共56页 的确定的确定 采用采用迭代法迭代法，步骤如下：，步骤如下：（1）给定出）给定出 ,按最优分配原则求按最优分配原则求 （2）将）将 与允许耗水量与允许耗水量 进行比较，若进行比较，若 ，则重取则重取 ；若；若 ，则重取，则重
18、取 。再按所取再按所取 循环计算，直到循环计算，直到 ，则，则 即为所求。即为所求。例题例题2第29页，本讲稿共56页三、多个火电厂和多个水电厂的负荷分配三、多个火电厂和多个水电厂的负荷分配 给定给定 与已知与已知 比较比较 直到直到 与与 相等，则最后一次相等，则最后一次 求得的求得的 就是最优分就是最优分 配。配。一种概念。现代电力系统中优化调度方法一种概念。现代电力系统中优化调度方法第30页，本讲稿共56页例例目标函数：等式约束条件：不等式约束:总费用火电费用水电费用优化模型及求解第31页，本讲稿共56页电力系统稳态分析第五章 电力系统的有功功率平衡与频率调整3主讲 周任军第32页，本讲
19、稿共56页负荷的变化将引起频率的相应变化，电力系统的有功功率和频率调整大体上分一次、二次、三次调整。频率的一次调整（或称为一次调频）指由发电机组的调速器进行的，是对一次负荷变动引起的频率偏移作调整。频率的二次调整（或称为二次调频）指由发电机组的调频器进行的，是对二次负荷变动引起的频率偏移作调整。频率的三次调整（或称为三次调频）是对三次负荷变动引起的频率偏移作调整。将在有功功率平衡的基础上，按照最优化的原则在各发电厂之间进行分配。第33页，本讲稿共56页一、电力系统综合负荷的有功静态频率特性一、电力系统综合负荷的有功静态频率特性1 1、负荷有功功率静态频率特性、负荷有功功率静态频率特性第34页，
20、本讲稿共56页 当频率偏离额定值不大时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，负荷有功频率静态特性用一条近似直线来表示。似直线来表示。KL*(KL)由系统负荷性质决由系统负荷性质决定，定，无法调整无法调整。通常。通常负荷的负荷的频率调节效应系数频率调节效应系数或或称为负荷的称为负荷的频率调节效应、频率调节效应、负荷的单位调节功率，负荷的单位调节功率，表示表示负荷随频率的变化程度。负荷随频率的变化程度。第35页，本讲稿共56页2 2、发电机有功功率、发电机有功功率静态频率特性静态频率特性 调速器工作原理调速器工作原理1 转速测量元件转速测量元件离心飞离心飞摆及其附件；摆及其附件；2
21、 放大元件放大元件错油门错油门(或或称配压阀称配压阀)；3 执行机构执行机构油动机油动机(或称或称接力器接力器)；4 转速控制机构或称同转速控制机构或称同步器步器(调频器调频器)FLASH第36页，本讲稿共56页 调频器工作原理调频器工作原理第37页，本讲稿共56页 发电机有功功率发电机有功功率静态频率特性静态频率特性 无调速器时无调速器时 有调速器时有调速器时第38页，本讲稿共56页 有调频器时有调频器时第39页，本讲稿共56页 发电机的调差系数、单位调节功率发电机的调差系数、单位调节功率 调差系数调差系数:某台机组负荷改变时相应的频率偏移某台机组负荷改变时相应的频率偏移若若2 2为额定运行
22、点，为额定运行点，1 1为空载为空载运行点：运行点：第40页，本讲稿共56页单位调节功率单位调节功率 调差系数的倒数，表示频率变化时发电机组输出功率的变化量。调差系数的倒数，表示频率变化时发电机组输出功率的变化量。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 =33.320水轮发电机组 =24或 =5025第41页，本讲稿共56页二、电力系统频率的一次调整1、工作过程2、电力系统的有功功率 静态频率特性 发电机功率增量 称为电力系统的单位调节功率。第42页，本讲稿共56页系统的单位调节功率定义：第43页，本讲稿共56页标幺值表示标幺值表
23、示 系统的单位调节功率系统的单位调节功率k kr r=P PGNGN/P PLNLN为备用系数为备用系数 等式两端同除以等式两端同除以P PLNLN/f/fN N第44页，本讲稿共56页3 3、多机系统中等值发电机的单位调节功率、多机系统中等值发电机的单位调节功率 结论：结论：参与一次调整的发电机数量越多，等值发电机的单参与一次调整的发电机数量越多，等值发电机的单位调节功率越大，从而系统的单位调节功率越大。位调节功率越大，从而系统的单位调节功率越大。4 4、一次调整的特点、一次调整的特点 不能实现无差调节，因而在负荷变化较大的情况下（如不能实现无差调节，因而在负荷变化较大的情况下（如第二类负荷
24、变化）不能保证系统频率在要求的范围；第二类负荷变化）不能保证系统频率在要求的范围；参与一次调整的发电机数量越多，同样负荷变化情况参与一次调整的发电机数量越多，同样负荷变化情况下，系统频率波动越小。下，系统频率波动越小。第45页，本讲稿共56页5 5、一次调整的计算、一次调整的计算 计算系统等值发电机的单位调节功率计算系统等值发电机的单位调节功率 计算系统的单位调节功率计算系统的单位调节功率 计算电力系统的频率偏移计算电力系统的频率偏移 计算各发电机增发的功率计算各发电机增发的功率（需要时）（需要时）第46页，本讲稿共56页v注：v取功率的增大或频率的上升为正；v为保证调速系统本身运行的稳定，不
25、能采用过大的单位调节功率；v对于满载机组，不再参加调整。v 对于系统有若干台机参加一次调频：v 具有一次调频的各机组间负荷的分配，按其调差系数即下降特性自然分配。第47页，本讲稿共56页v三、电力系统频率的二次调整u负荷变动幅度较大 （0.5%1.5%），周期较长（几分钟）u仅靠一次调频作用不能使频率的变化保持在允许范围内u需要调频器动作u可以实现无差调节第48页，本讲稿共56页1、调整过程2、计算分析若 则3、系统负荷变化的提供：v二次调频的发电机组增发的功率 ；v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 ；v由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率 第49页，本讲稿共56
26、页四、互联网络的频率调整第50页，本讲稿共56页联络线功率例46例47第51页，本讲稿共56页联合电力系统的接线图及参数如下，联络线的功率传输限制为300MW，频率偏移超出 才进行二次调频，当子系统A出现功率缺额200MW时，如系统A不参加一次调频，联络线的功率是否越限？例题（一、二次调频）第52页，本讲稿共56页解：解：系系统统A不参加一次不参加一次调频调频，不，不进进行二次行二次调频时调频时的的频频率偏移率偏移 调频调频器不器不动动作作,不不进进行行频频率的二次率的二次调调整。整。联络线联络线上的功率上的功率变变化化 联络线传输联络线传输功率校功率校验验 联络线传输功率未超越其传输极限功率
27、。第53页，本讲稿共56页四、调频电厂选择四、调频电厂选择1、二次调频过程中的负荷转移、二次调频过程中的负荷转移 为调整过程稳定和保证调整不破坏系统负荷的最优分配，为调整过程稳定和保证调整不破坏系统负荷的最优分配，系统只设置一个调频电厂。系统只设置一个调频电厂。结论：结论：二次调整二次调整结束后，负荷变化绝结束后，负荷变化绝大部分为调速机组所大部分为调速机组所承担。承担。第54页，本讲稿共56页2 2、对调频电厂的要求、对调频电厂的要求 调频电厂应有足够的调节容量；调频电厂应有足够的调节容量；调频厂的调节容量可由下式确定。调频厂的调节容量可由下式确定。式中：式中：调整速度快，调整过程经济性和安
28、全性要好；调整速度快，调整过程经济性和安全性要好；不增加调整过程中系统联络线工作困难。不增加调整过程中系统联络线工作困难。第55页，本讲稿共56页3 3、调频厂选择、调频厂选择 枯水季节：枯水季节：由具有调节库容的大型水电厂担任；由具有调节库容的大型水电厂担任；洪水季节：洪水季节：由中温中压火力发电厂担任。由中温中压火力发电厂担任。当一个电厂的调节容量不能满足要求时，可以在系统中设当一个电厂的调节容量不能满足要求时，可以在系统中设置一个或几个辅助调频厂，但辅助调频厂只能在主调频厂满发置一个或几个辅助调频厂，但辅助调频厂只能在主调频厂满发后仍不能满足要求时才参加二次调整，且任何时候都应只有一后仍不能满足要求时才参加二次调整，且任何时候都应只有一个电厂参与二次调整，以保证调节过程的稳定性。个电厂参与二次调整，以保证调节过程的稳定性。第56页，本讲稿共56页