电力系统课件第五章

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1、第五章 电力系统有功功率的平衡和 频率调整,第一节 电力系统中有功功率的平衡 第二节 电力系统的频率调整,本章将阐述正常、稳态运行状况的优化和调整，主要是有功功率和频率的调整，系统中有功功率的最优分布和频率调整的问题。 有功功率与频率的关系 电力系统的一次调频 电力系统的二次调频 有功功率的最优分配(三次调频) 互联系统的频率及输送功率的调整,5.1 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,电力设备在额定频率下设计：好的技术经济性能，是电能质量的另一项重要指标。,用户观点：要求提供合格的f优质电能商品。,影响举例： 电动机： f 降低，转速改变，电动机有功功率降低

2、，影响产品质量。 电子设备：对f 敏感，要求更高，现代投资环境。 火电厂主要设备：水泵、风机、磨煤机都是异步机， f 下降，异步电动机和变压器励磁电流大大增加，消耗的无功功率增大，引起系统所需无功功率增加，从而引起电压降低，使调压困难，输出有功功率下降， f 进一步下降，恶性循环。,汽轮机叶片：f 偏移可能引起共振，缩短寿命，严重时断裂。,频率偏移的允许范围,目前我国规定：500.2Hz,发达国家：500.1Hz 随着频率自动控制技术的进步，我国一些电网已经做到500.1Hz。,二、有功功率与系统频率的关系,在稳态情况下，全系统各点的频率都相等，所有发电机都保持同步运行。每一台发电机的转速与系

3、统频率之间的关系为：,1、电力系统的频率与发电机的转速的关系,n:发电机转速，P发电机的极对数。,发电机的转速取决于原动机的机械功率PM和发电机输出地电磁功率PE 。,电网f:由发电机转速体现 。 当发电机PM与PE平衡时， 和f不变，负荷PL随机变化引起 PE随机变化， PM无法突变，引起f随机变化。 结论：频率偏移不可避免。,为了保持系统的频率在额定值附近，需要不断调整原动机的输入功率，使发电机的输出功率与系统负荷有功功率的变化相适应，从而使发电机的稳态转速不至于过大。,因此，系统频率的控制，与负荷有功功率的变化及其在发电机间的分配以及发电机组功率的控制密切相关,1、有功功率的变动及其调整

4、,三、电力系统中有功功率的平衡和备用容量,电力系统有功功率负荷（以下简称负荷）时刻都在作不规则变化，如右图所示。对系统实际负荷变化曲线的分析表明，系统负荷可以看作是由三种具有不同变化规律的变动负荷所组成： 第一种是变化幅度很小，变化周期短（以几秒为周期），负荷变动有很大的偶然性； 第二种是变化幅度大，变化周期较长（以几分钟为周期）； 第三种是变化缓慢的持续变动负荷，幅度最大，周期最长。,频率的一次调整（或称为一次调频）是对第一种负荷变动引起的频率偏移作调整,由发电机组的调速器进行调整的，当调速器的测速系统感受到发电机的转速变化（如转速下降），调速器的执行机构会自动调节发电机的功率（增加发电机的

5、功率）；由调速器来平衡负荷变动的方式常称为频率的一次调整；一次调频是所有运行中的发电机组都可以参加，取决于发电机组是否已经满负荷发电。,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、三次调整三种。,频率的三次调整（或称为三次调频）是对第三种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。,频率的二次调整（或称为二次调频）是对第二种负荷变动引起的频率偏移作调整。只由发电机组的调速器动作不能满足频率偏差的要求，故由发电机组的调频器来调整，这种调整称为电力系统频率的二次调整；二次调频厂往往是系统的平衡节点。,2、有功功

6、率电源,投入运行的发电设备可发功率之和是真正可供调度的系统电源容量，其不应小于包括网损和厂用电在内的系统（总）发电负荷。,电力系统中有功功率电源是各类发电厂的发电机。,系统中的总装机容量=所有发电机额定容量之和。,但系统中的电源容量并不一定始终等于所有发电机额定容量之和，这是因为不是所有发电机组都是不间断地全部投入运行（停运、检修等），且投入运行的发电机组也不是全部按额定容量发电。,系统中的电源容量=可投入发电设备的可发率之和。,3、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,

7、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在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。,（5-1）,（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。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

8、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。,（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。 （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%。,负荷备用和事故备用，是在系统每天的运行过

9、程中都必须加以考虑和安排，检修备用在安排每年运行方式时加以考虑，国民经济备用属于电力系统规划和设计考虑的内容。,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。,热备用：是指所有投入运行的发电机组可能发出的最大功率之和与全系统发电负荷之差，因而称为运转备用或旋转备用。,负荷备用必须以热备用的形式存在于系统之中，事故备用中一部分应为热备用，另一部分用冷备用的形式存在。,冷备用：冷备用容量是指系统中处于停止运行状态，但可以随时待命启动的发电机组最大出力的总和。,冷备用可以作为检修备用和国民经济备用及一

10、部分事故备用。,电力系统中的发电厂主要有以下三类 水力发电厂 火力发电厂 原子能发电厂（核电厂） 各类发电厂由于其设备容量、机械特性、使用的动力资源等不同，而有着不同的技术经济特性。必须结合它们的特点，合理地组织这些发电厂的运行方式，恰当安排它们在电力系统日负荷曲线和年负荷曲线中的位置，以提高电力系统运行的经济性。,四、各类发电厂的特点及合理组合,1、火力发电厂的主要特点 （1）要支付燃料及运输费用，不受自然条件的影响。 （2）火力发电厂的锅炉和汽轮机都有一个技术最小负荷的限制，启停时间长且启停费用高。 （3）不同参数的火力发电设备，效率不同。高温高压设备效率最高，可以灵活调节的范围窄，中温中

11、压设备效率较前者低，但可以灵活调节的范围较前者宽，低温低压设备效率最低，技术经济指标最差。 （4）热电厂（带有热负荷的火电厂），由于抽气供热，总效率高于一般凝汽式火电厂，但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率。,（一）各类发电厂的特点,3、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量强迫功率。 （2）出力调节范围比火电机组大，其最小技术负荷由水电厂具体条件决定，启停费用低，且操作简单。 （3）不需燃料费，但一次投资大，水电厂的运行依水库调节性能的不同，在不同程度上受自然条件的影响。,2、原子能发电厂的特点 （1）反应堆负荷基本没限制，最小技术负荷取决于汽轮机，为额定负荷1015。 （2）启停费用

12、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。,（4）水电厂按其有无调节水库、调节水库的大小或功能分为无调节、日调节、季调节、年调节、多年调节和抽水蓄能等几类。,无调节水库水电厂任何时刻发出的功率都取决于河流的天然流量，当天然流量没有变化的时候，这种水电厂发出的功率也基本没有变化。,有调节水库水电厂的运行方式主要取决于水库调度所给定的水电厂耗水量，洪水季节，给定的耗水量交大，往往满负荷运行；枯水季节，给定的耗水量较小，为了尽可能有效利用这部分水量，节约火电厂的燃料消耗，往往承担急剧变动的负荷。,日调节、季调节、年调节、多年调节之分，则取决于水库

13、容量，水库容量越大，调节能力越强。,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。 根据上述原则，在夏季丰水期和冬季枯水期各类电厂在日负荷曲线中的安排示意图，见图5-2。,（二）各类发电厂的合理组合,火电厂：承担基本不变的负荷，避免频繁开停设备或增减负荷，高温高压电厂因效率最高，因优先投入，中温中压电厂、低温低压电厂设备陈旧、效率很低，只能在高峰负荷期间发出必要的功率。,核电厂：可调容量大，一次投资大，运行费用小，应持续承担额定容量负荷，在负荷曲线的基底部分运行。,无调节水库水电厂：全部功率应首先投入。,有调节水库水电厂：强迫功率都不

14、可调，首先投入。在丰水季节，为防止弃水，优先投入，枯水季节则相反，应承担高峰负荷。使火电厂的负荷更平稳，从而减少设备开停或负荷增减，从而节约总的燃料消耗。,抽水蓄能水电厂：在低谷时，其水轮机发电组作为电动机水泵方式运行，因而作负荷考虑，在高峰负荷时发电，与常规水电厂无异。,图5-2 各类发电厂组合顺序示意图 （a）枯水季节 （b）丰水季节,夏季丰水期，水量充足，水电厂应带基本负荷以避免弃水、节约燃煤。在此期间，可抓紧时间进行火电厂设备的检修。 冬季枯水期，来水较少，应由凝汽式火电厂承担基本负荷，水电厂则承担尖峰负荷。,有功功率负荷的最优分配：是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

15、厂之间的合理分配，经典的方法可是按等耗量微增率准则进行分配。,五、有功功率负荷的最优分配,电力系统最优运行：研究的问题主要是在保证用户用电需求的前提下，如何优化地调度系统中各发电机组和系统中可调状态变量的运行工况，从而使系统发电所消耗的总燃料消耗量或网络损耗达到最小。,1、耗量特性 电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是，在满足一定约束条件的前提下，尽可能节约消耗的能源。,五、有功功率负荷的最优分配,（5-2）,(1)比耗量 ：单位时间内输入能量与输出功率之比。为耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值。,图5-3 耗量特性,如图5-3所示，纵坐标为单位时间内消耗的燃料F(或水量W)吨/小时,

16、横坐标以kW或MW表示的电功率 。,图5-4 效率曲线和微增率曲线,图5-3 耗量特性,(2)发电设备的效率 ：当耗量特性纵横坐标的单位相同时，,2、目标函数和约束条件 明确了有功功率负荷的大小和耗量特性，在系统中有一定的备用容量时，就可以考虑这些负荷在已运行发电设备或发电厂之间的最优分配问题。在数学上，其性质是在一定的约束条件下，使某一函数为最优，而这些约束条件和目标函数都是各种变量状态变量、控制变量、扰动变量的非线性函数。可表达为在满足等约束条件：,和不等式约束条件,的前提下，使目标函数,为最优,有功负荷的最优分配的目的在于：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。这目标函数应该是总耗量。原则上，这总耗量应与所有变量有关，但通常认为，它只是各发电设备所发有功功率 的函数，即目标函数可写作,（5-4）,（5-5）,（5-6）,等式约束条件：有功功率必须保持平衡的条件。 对于每个节点： 对于整个系统： 若不计网损：,（5-7）,（5-8）,（5-9）,不等式约束条件：分别为发电设备各节点有功功率