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1、第五章第五章有功功率平衡和频率调整有功功率平衡和频率调整12 一月 2023内容提要内容提要n频率偏移产生的频率偏移产生的原因原因、影响影响、以及允许的以及允许的频率偏离量频率偏离量？n保持频率偏移量不超过保持频率偏移量不超过一定范围的条件一定范围的条件n（如何保持有功功率的平衡如何保持有功功率的平衡）n电力系统的电力系统的频率调整频率调整n有功功率的有功功率的最优分配最优分配12 一月 20235.1电力系统的频率偏移电力系统的频率偏移频率变化的原因频率变化的原因?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)电钟电钟频率变化对电力系统的影响(1)水泵、风机、磨煤机水
2、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：50Hz(0.20.5)Hz 系统中负系统中负荷的变荷的变化化你答对了吗你答对了吗?12 一月 20235.2 5.2 电力系统有功功率的平衡电力系统有功功率的平衡 运行中：运行中：u备用容量备用容量:1.按作用形式分按作用形式分 负荷备用(2-5%Plmax)检修备用(可能不安排)事故备用(5-10%Plmax或系统中最 大一台单机容量）国民经济发展备用(3-5%Plmax）12 一月 20232、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:
3、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.供电负荷 3.发电负荷12 一月 2023有功功率负荷变动曲线有功功率负荷变动曲线12 一月 2023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，周期又第一种变动幅度很小，周期又第一种变动幅度很小，周期又第一种变动幅度很小，周期又很短。很短。很短。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
4、要有电炉、压延机械、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电气机车等带有冲击性的负荷 这一种是由于生产、生活、气象等变这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动化引起的负荷变动 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种负荷基本可以预计。可以预计。可以预计。可以预计。12 一月 2023n据此据此,频率调整频率调整一次调整一次调
5、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。12 一月 20235.3 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:l有功功率电源的最优组合
6、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,也就是也就是所谓的机组合理开停所谓的机组合理开停.l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设备或发电厂之间的合理分配.最常用的是按等耗量微最常用的是按等耗量微增率准则分配增率准则分配.12 一月 2023火电厂外景火电厂外景12 一月 2023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：l 需燃料及运输费用，但不受自然条件影响需燃料及运
7、输费用，但不受自然条件影响l效率与蒸汽参数有关效率与蒸汽参数有关 l受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整受锅炉、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，参数越高范围越窄范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高高温高压压30%，中温中压，中温中压75%)l机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备量，易损坏设备l热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率热负荷，为强迫功率12 一月 2023丰满水电厂外景丰满水电厂外景12 一月 2023(2
8、)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，但受自不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。然条件影响。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，操增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷作容易，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12 一月 2023秦山核电站外景秦山核电站外景12 一月
9、2023(3)核电厂特点：核电厂特点：l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l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n应指出应指出:枯水季节枯水季节往往由系统中的往往由系统中的大型水电厂大型水电厂承担承担调频调频任务任务;洪水季节洪水季节这任务就转移给这任务就转移给中温中压火电厂中温中压火电厂.抽抽水蓄能电厂水蓄能电厂在其发电期间也可在其发电期间也可参加调频参加调频.但但低温低压低温低压火电厂火电厂则因容量不足则因容量不足,设备陈旧设备陈旧,不能担负调频任务不能担负调频任务
10、.12 一月 2023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:12 一月 2023洪水季节洪水季节:12 一月 2023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1.耗量特性耗量特性:发电设备单位时间内发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功消耗的能源与发出的有功功率的关系。如图所示功率的关系。如图所示:l 比耗量比耗量:单位时间内输单位时间内输入能量与输出功率之间的入能量与输出功率之间的比值比值.l耗量微增率耗量微增率:耗量耗量特性特性曲线曲线上某点切线的斜率上某点切线的斜率 12 一月 20232
11、.目标函数和约束条件目标函数和约束条件l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有有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小负荷有功功率的前提下，单位时间内的能源消耗最少。这里功功率的前提下，单位时间内的能源消耗最少。这里的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12 一月 2023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:l不等式条件不等式条件 各节点发电设备各节点发电
12、设备有功功率有功功率、无功功率无功功率和和电压电压大小大小不得逾越的限额不得逾越的限额:12 一月 2023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12 一月 2023 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。12 一月 2023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
13、以求得进而可以求得.l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,剩余功率在剩余功率在其他机组间重新按等耗量微增率原则分配其他机组间重新按等耗量微增率原则分配.12 一月 2023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 12 一月 2023 上式中用小的时间段这和来表示积分效果，表示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量。火电厂的燃料，表示水电厂消耗的水量。水电的约束条件水电的约束条件l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
14、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:12 一月 2023 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”可略可略去，可改写为：去，可改写为：n由上可知，只要将水力发电厂的水耗量乘以某一由上可知，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力发电厂与水力发电厂之间负荷的最优分应用到火力发电厂与水力发电厂之间负荷的最优分配。配。即即水煤转换系数水煤转换系数12 一月 2023网
15、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：12 一月 2023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)12 一月 2023.电力系统的频率调整电力系统的频率调整一、频率调整的必要性一、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，电力系所有用电设备都是按系统额定频率设计的，电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会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产生不利影响;频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电停电;因此必须保持频率在额定值上下，
16、且偏移不超过一因此必须保持频率在额定值上下，且偏移不超过一定范围。定范围。12 一月 2023调速系统的基本原理调速系统的基本原理二、自动调速系统二、自动调速系统12 一月 2023调速系统的基本原理调速系统的基本原理二、自动调速系统二、自动调速系统12 一月 2023三、电源有功功率静态频率特性三、电源有功功率静态频率特性原动机未配置自动调速系统时，其机械功原动机未配置自动调速系统时，其机械功率与频率的关系：率与频率的关系：原动机配置自动调速系统后：原动机配置自动调速系统后：原动机的机械功率原动机的机械功率静态频率特性静态频率特性12 一月 2023 简化之：简化之：四、发电机的频率特性四、
17、发电机的频率特性 如上图，发电机频率特性的斜率为如上图，发电机频率特性的斜率为 12 一月 2023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：12 一月 2023单位调节功率的标么值为单位调节功率的标么值为:n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所以电力系统频率的一次调整一次调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的或与之对应的发电机的单位调节功率单位调节
18、功率有关。有关。12 一月 2023五、负荷的频率特性五、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12 一月 2023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，当负荷增加，当负荷增加则则:系统的单位调节功率系数系统的单位调节功率系数12 一月 2023n 一次调频为一次调频为有差调频有差调频。n n台发电机：台发电机：n台都参加一次调整：台都参加一次调整：只有只有m台参加一次调整：台参加一次调
19、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。，所以仍可以参加调频。12 一月 2023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
20、12 一月 2023n 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一次调频:n无差调频无差调频:若若 ,即发电机如数增即发电机如数增发了负荷功率的原始增量发了负荷功率的原始增量,亦即实现了所谓的无亦即实现了所谓的无差调节差调节.如上图虚线所示如上图虚线所示.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。12 一月 2023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，只只要要有有可调容量，都参加一次调整。可调容量，都参加一次调整。l二二次次调调整整由由
21、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、调频机调频机(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12 一月 2023互联电力系统的频率调整互联电力系统的频率调整n
22、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:12 一月 2023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12 一月 2023 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调节功单位调节功率率。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,可保持可保持频率不变，但功率缺额需通过联络线传输。频率不变，但功率缺额需通过联络线传输。l分析分析: