有功功率和频率调整

1电力系统分析基础PowerSystemAnalysisBasis（五）主讲人：张明胜2第五章电力系统的有功功率和频率调整1、电力系统中有功功率的平衡2、有功功率的最优分配各类发电厂的运行特点和合理组合不计网损时水、火电厂间的经济功率分配计及网损时各发电厂间的经济功率分配3、电力系统频率的调整电力系统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3一.电力系统频率变化的影响•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。§5.1电力系统中有功功率的平衡4二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§5.1电力系统中有功功率的平衡负荷变化MT：由于惯性大变化慢ME：有功负荷变化快产生瞬时不平衡转矩不平衡发电机转速变化频率变化(+0.2HZ+0.5HZ)5三有功功率负荷的变化及其调整§5.1电力系统中有功功率的平衡6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）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、电炉启停调速器频率的一次调整调频器频率的二次调整根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）7§5.1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：8760t(h)P(MW)发电负荷备用容量新增容量四、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8按作用分：(1)负荷备用：满足负荷波动、计划外的负荷增量2%~5%(2)事故备用：发电机因故退出运行而预留的容量5%~10%(3)检修备用：发电机计划检修4%~5%(4)国民经济备用：满足工农业超计划增长3%~5%按其存在形式分：(1)热备用(2)冷备用备用容量的分类9•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。§5.2电力系统中有功功率的最优分配10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§5.2电力系统中有功功率的最优分配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112水电厂（1）不需燃料费，但一次投资大（2）出力调节范围比火电机组大（3）启停费用低，且操作简单（4）出力受水头影响（5）抽水蓄能（6）必须释放水量－－强迫功率一、各类发电厂的运行特点§5.2电力系统中有功功率的最优分配123核电厂（1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。（2）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。（3）一次投资大，运行费用小。一、各类发电厂的运行特点§5.2电力系统中有功功率的最优分配13•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§5.2电力系统中有功功率的最优分配14枯水期丰水期抽水发电151、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§5.2电力系统中有功功率的最优分配16•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。PF/＝FP/＝dPdF/效率曲线和微增率曲线1、发电机组的耗量特性§5.2电力系统中有功功率的最优分配17•有功负荷最优分配的目的：在满足对一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§5.2电力系统中有功功率的最优分配18(1)目标函数•系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）niGiiGnnGGPFPFPFPFF12211)()()()(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§5.2电力系统中有功功率的最优分配19(2)约束条件•等式约束•不等式约束11nmGiLDjLijPPPnimjLDjGiPP11忽略有功网损maxminmaxminGiGiGiGiGiGiQQQPPP2、目标函数和约束条件§5.2电力系统中有功功率的最优分配20•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，使总的燃料消耗量最小。等式约束目标函数021LDGGPPP)()(min2211GGPFPFF3、等耗量微增率准则§5.2电力系统中有功功率的最优分配21•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§5.2电力系统中有功功率的最优分配22•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2211GGdP/dFdP/dF，节约的燃料消耗为：增加，机组减少调整负荷分配，机组，，并且总输出功率不变等：假如两台机组微增率不PPdPdFdPdFGG212211022112211P)dPdFdPdF(PdPdFPdPdFFGGGG23（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niGii)P(FF1niLDGiPP10niLDGiPPFL14、多个发电厂间的负荷经济分配§5.2电力系统中有功功率的最优分配24•求拉格朗日函数的无条件极值niLDGiPPFL1)n,,,i(PFPLGiGi210GiPF)n,1,2,i(dPdFGiiniGii)P(FF125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。maxGiGiminGiPPPmaxGiGiminGiQQQmaxiiminiVVV261、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§5.3电力系统的频率调整一、负荷的有功功率－频率静态特性27230123LLNLNLNLNNNNfffPaPaPaPaPfff13210aaaa230123LPaafafafNLNfP以和为基准值的标幺值表达式§5.3电力系统的频率调整28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。LLPKtgf//LLNLLNPPPKfff负荷的单位调节功率，表示负荷随频率的变化程度。5.1*LK29二、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为转速控制机构或称同步器(调频器)30•调频器的工作原理31（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§5.3电力系统的频率调整32（3）、有调频器时二、发电机组的有功功率－频率静态特性§5.3电力系统的频率调整332、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。GNNGGNNGGGGPfKfPfPKHzMwfPK//*二、发电机组的有功功率－频率静态特性§5.3电力系统的频率调整34§5.3电力系统的频率调整2)发电机的调差系数：单位调节功率的倒数。100100%0000NNGNNGNGNNGNNGfffPffPPffPffPf二、发电机组的有功功率－频率静态特性35§5.3电力系统的频率调整3)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=3~5或=33.3~20•水轮发电机组=2~4或=50~25NGNNGNGGGfPfPKKK100%11100%1**%*GK%*GK二、发电机组的有功功率－频率静态特性36fPOP0PLf0PGPL´ΔPL0AP0'Bf0'O'B'A'三、频率的一次调整§5.3电力系统的频率调整1)简述：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。37'0oofff0LsGLPKKKf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。fPOP0PLf0PGPL´ΔPL0AP0'Bf0'O'B'A'00LGLLGLGLSOAOBBAPOBBOKfBAABKfPAOOBBAKfKfKKfKf383)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，按其调差系数即下降特性自然分配。LGSKKK三、频率的一次调整§5.3电力系统的频率调整39•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40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§5.3电力系统的频率调整四、频率的二次调整412.频率调整图§5.3电力系统的频率调整四、频率的二次调整423.当系统负荷增加时，由以下三方面提供：•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