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1、天津理工大学本科教学教案第 7-8 周，第 1-3 次课 第五章 电力系统的有功功率和频率调整主要内容：教学内容：了解电力系统有功功率与频率之间的关系、有功功率平衡及备用容量要求的必要性，各类发电厂的运行特点和合理组合。了解经济功率分布的基本原理和计算方法。掌握负荷和发电机的功-频静态特性及其应用方法。掌握一次调频、二次调频和联络线调频的基本概念和计算方法。了解负荷-频率控制的基本原理。教学重点：有功功率变化与调整控制；耗量特性、目标函数及约束条件；等耗量微增率准则与有功负荷最优分配；联合电力系统频差及联络线上功率的计算。教学难点：水火电厂有功负荷最优分配；调频计算。教学方法：课堂教学为主，充
2、分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。教学要求：掌握有功功率调整计算5.1电力系统中有功功率的平衡5.1.1有功功率负荷的变动和调整控制在电力系统运行中，负荷作功需要一定的有功功率，同时，传输这些功率也要在网络中造成有功功率损耗。因此，电源发出的有功功率必须满足下列平衡式：第三种负荷第二种负荷第一种负荷图 5-1 有功功率负荷的变动tP式中所有电源发出的有功功率；所有负荷需要的有功功率；网络中的有功功率损耗。可见，发电机发出的功率比负荷功率大的多才行。当系统中负荷增大时，网络损耗也将增大，发电机发出的功率也要增加。在实际电力系统中，负荷随时在变化，所以必须靠调节电源侧，使发电机发出的功率
3、随负荷功率的变化而变化。负荷曲线的形状往往是无一定规律可循，但可将这种无规则的曲线看成是几种有规律的曲线的迭加。如图5-1所示，将一种负荷曲线分解成三种曲线负荷。第一种负荷曲线的变化，频率很快，周期很短，变化幅度很小。这是由于想象不到的小负荷经常性变化引起的。第二种负荷曲线的变化，频率较慢，周期较长，幅度较大。这是由于一些冲击性、间歇性负荷的变动引起的，如大工厂中大电机、电炉、电气机车等一开一停。第三种负荷曲线的变化，非常缓慢，幅度很大。这是由于生产、生活、气象等引起的。这种负荷是可以预计的。对于第一种负荷变化引起的频率偏移进行调整，称为频率的“ 一次调整”。调节方法一般是调节发电机组的调速器
4、系统。对于第二种负荷变化引起的频率偏移进行调整，称为频率的“二次调整”，调节方法是调节发电机组的调频器系统。对于第三种负荷的变化，通常是根据预计的负荷曲线，按照一定的优化分配原则，在各发电厂间、发电机间实现功率的经济分配，称为有功功率负荷的优化分配。5.1.2有功功率负荷曲线的预计进行有功功率和频率调整时引以为据的多半是有功功率日负荷曲线5.1.3有功功率电源和备用容量电力系统中的有功功率电源是发电厂中的发电机，而系统中装机容量总是大于发电容量，即要有一定的备用容量。系统的备用容量包括：负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用。总备用容量占最大发电负荷的（1520）%。然而系统中装机容量的确
5、定，不仅考虑到最大发电负荷，而且还考虑到适当的备用容量。即为：装机容量5.2电力系统中有功功率的最优分配5.2.1各类发电厂的运行特点和合理组合1.各类发电厂的运行特点 火电厂特点：（1）技术最小负荷（约束条件）（2）锅炉和汽轮机退出运行和再度投入花费时间，易损坏设备（3）承担急剧变动的负荷时，耗能花费时间（4）高压，中压，低压，各有不足（5）热电厂技术最小负荷取决于热负荷（强迫功率），效率较高水电厂特点：（1）水电要向下游释放一定水量，同时发出功率（2）水轮机也有技术最小负荷（3）投入运行不需耗费很多能力，也不需要花费很多时间，操作简单（4）水轮机承担急剧变化负荷时，不需外耗能量和时间（5）
6、水头过分低落时，水轮发电机组可发的功率降低（6）调节水库1.各类发电厂的合理组合各类发电厂承担负荷的顺序枯水季节：无调节水电厂；有调节水电厂的强迫功率；热电厂的强迫功率；原子能电厂；燃烧劣质、当地燃料的火电厂；热电厂的可调节功率；高温高压火电厂；中温中压火电厂；低温低压火电厂（不一定投入）；有调节水电厂的可调功率；抽水蓄能水电厂洪水季节：与枯水季节不同的在于有调节水电厂的可调功率往往也归入强迫功率成为不可调功率5.2.2最优分配负荷时的目标函数和约束条件耗量特性发电机的耗量特性反映发电机单位时间内消耗的能源与发出有功功率的关系。如图5-2所示，图中纵坐标表示单位时间内消耗的燃料F（标准煤），单
7、位为“t/h”，或表示单位时间内消耗的水量W，单位为“m3/s”；横坐标表示发电功率PG，单位为“kW”或 “MW”。耗量特性曲线上某一点纵坐标与横坐标的比值称为比耗量。如点的比耗量：FPGiPGiFi图5-2 耗量特性PGiFi 或 评价发电机组的经济特性，常常用到耗量特性曲线上某一点纵坐标与横坐标的增量比，我们称之为耗量微增率，以表示。表示单位时间内输入能量增量与输出功率增量的比值。如点的耗量微增率： 2.目标函数和约束条件火力发电厂的能量消耗主要与发电机组输出的有功功率PG有关，而与输出的无功功率QG及电压UG关系较小，因此对于机系统，单位时间内消耗燃料的目标函数为约束条件为等约束条件：
8、 （略网损）不等约束条件：、 、 5.2.3最优分配负荷时的等耗两微增率准则拉格朗日乘数法：建立一个新的不受约束的目标函数拉格朗日函数： 各变量对函数求偏导，然后令偏导等于零，求其最小值。 解得：即： 此式为有功功率负荷最优分配的等耗量微增率准则，满足这个条件的解为最优分配方案。5.2.4等耗能微增率准则的推广运用电力系统中有火电厂又有水电厂时，考虑到水电厂发电设备消耗的能源受到限制。例如，水电厂一昼夜间消耗的水量受约束于水库调度。于是，约束条件（比讨论火电厂间的最优分配时）多一个。以表示单位时间内水电厂消耗的水量，它是所发出功率的函数，表示水电厂在0至时间段可消耗的水量。因此有约束条件：由此
9、式可知，水电厂在时间段内消耗的水量不得超过水库的容水量。水、火电厂之间的最优分配准则为： 即 其中为火电厂的耗量微增率，为水电厂的耗量微增率。为拉格朗日乘数，可看作是一个煤水换算系数。相当于把1立方米/小时的水量通过折算为1吨/小时的煤量。如果系统中有个电厂，其中个火电厂，个水电厂，则有功功率负荷最优分配准则可表示为：即 以上是不计网损时的负荷最优分配。如果网络线路较长，负荷很重，则网损较大，忽略网损就会产生分配上的误差。考虑网损后等约束条件为：等耗量微增率准则：应用前面类似的方法求其满足等耗量微增率准则的函数最小值，即得最优分配方案。5.3电力系统的频率调整5.3.1频率的一次调整通过调节发
10、电机组的调速器系统可进行频率的一次调整。负荷与电源的有功功率静态频率特性如图5-3所示，设在O点运行时负荷突然增加，发电机组将因调速器的一次调整作用增发功率，负荷将因它本身的调节效应面减小功率，系统的频率偏差为。此时有f0PLPGfPLP0 P00f0 PL O ABB A OPGPL0Pf图 5-3 频率的一次调整发电机的单位调节功率：/负荷的单位调节功率：/系统的单位调节功率等于发电机的单位调节功率与负荷的单位调节功率之和 所以 可见一次调频只能做到有差调节，在运行中为减小，希望大些，但负荷特性一定时为常值，只有大些，系统中多数发电机均能进行一次调频，如果有台机都能一次调频，若某些机组已达
11、到满发，则不能参加调频，只有台能调，所以，因此总的发电机的单位调节功率也不能提的很高。发电机的单位调节功率与调差系数有互为倒数关系： 所以常常用调差系数来描述一次调频时发电机组的频率特性。调差系数与之对应的发电机组的单位调节功率是可以整定的。一般整定为如下数值：汽轮发电机组： =35 水轮发电机组： =24 当一次调频不能使之在允许的频率波动范围（Hz）之内时，则要靠二次调频，将将缩小在允许值之间。5.3.2频率的二次调整通过调节发电机组的调频器系统可进行频率的二次调整，增加发电机组发出的功率，如图5-4所示，由图可见：OA=OC+CB+BAOC表示由于二次调整作用使发电机组增发的功率；CA
12、f0 B P0 f0 P0f0P0 PL O O ABB C A OPGPGPLPG0PL0fffP图 5-4 频率的二次调整CB=表示由于调速器的调整作用而增大的发电机功率；BA=表示因负荷本身的调节效应而减小的负荷功率。这里分析频率偏差为不失一般性，将仍以表示，因此从而有 频率偏移控制在Hz频率的二次调整不是所有发电机组都要进行的，只能是很少的发电厂做为专门的调频厂，即二次调频是在调频厂进行的。调频厂的选择原则：具有足够的调整容量；具有较快的调整速度；调整范围内的经济性能好。5.3.3互联系统的频率调整如果调频厂不位于负荷的中心，则应避免调频厂与系统其它部分联系的联络线上的流通功率超出允许
13、值，然而必须在调整系统频率的同时控制联络线上的流通功率。如图5-5所示A、B两系统相互联络，图中KA、KB分别为联合前A、B两系统的单位调节功率。设A、B两系统均有进行二次调整的电厂，它们的功率变化量分别为、；A、B两系统的负荷变化量、。于是，在联合前：KAPGAPLAKBPGBPLB图5-5 两个系统联合ABPab对A系统有 （5-1）对B系统有 （5-2）在联合后，全系统的频率变化量将一致，即有。通过联络线由A向B输送的交换功率为，对A系统，可把这个交换功率看作是一个负荷功率，对B系统，可把这个交换功率看作是一个电源功率，从而有 （5-3） （5-4）将以上两式相加，整理得 （5-5）令 ，、分别为A、B两系统的功率缺额，于是 （5-6）以此代入式（5-3）或式（5-4），可得： （5-7）由上可知，互联系统频率的变化取决于这个系统总的功率缺额和总的系统单位调节功率。联络线上的交换功率取决于两个系统的单位调节功率、二次调整的能力及负荷变化的情况。当交换功率超过线路允许的范围时，即使互联系统具有足够的二次调整能力，由于受联络线交换功率的限制，系统频率也不能保持不变。第 页