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1、第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整,5.1 电力系统的有功平衡与频率调整,5.2 电力系统的频率特性 5.2.1电力系统负荷的有功功率频率静态特性 5.2.2发电机组的有功功率频率静态特,5.3 电力系统的频率调整,5.3.1 频率的一次调整 5.3.2 频率的二次调整 5.3.3 调频厂的选择 5.3.4 互联系统的频率调整,5.1 电力系统中的有功平衡与频率调整,5.1.1 频率调整的必要性,1 频率变化对用户的影响,2 频率变化对发电厂及系统本身的影响,(1)系统频率的变化将引起工业用户的电动机转速的变化，这将影响产品的质量。如纺织工业、造纸工业将因频率变化出现残次品。,(2) 当
2、频率降低，使电动机有功功率降低，将影响所传动机械的出力。,(1)发电厂的厂用机械多使用异步电动机拖动，系统频率降低使电动机出力降低，若频率降低过多，将使电动机停止运转，会引起严重后果。如给水泵停止运转，将迫使锅炉停炉。,(3) 频率不稳定，将会影响电子设备的准确性。雷达、电子计算机等重要设施将因频率过低而无法运行。,(2)电力系统低频运行时容易引起汽轮器低压叶片的共振，缩短汽轮器叶片的寿命，严重时使叶片断裂，造成重大事故。,(3)系统频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流大大增加，引起系统无功损耗增加，若系统备用无功电源不足，将导致电压降低。,总之，电力系统的频率降低时将影响各行各业，频率过
3、低时甚至会使系统瓦解，造成大面积停电，必须设法使系统频率保持在规定范围内,5.1.2 电力系统的频率与有功功率平衡的关系,系统频率同发电机转速之间的关系,而发电机转速由作用在机组转轴上的功率平衡确定,原动机输入功率,各种损耗,发电机输出电磁功率,Pm由系统运行状态决定，任何时刻都和系统总的有功负荷功率相等,可见，负荷功率的任何变化都会引起发电机输出功率的变化。而原动机的输入功率则因调节系统的相对迟缓无法瞬间变化，因此发电机转轴上的绝对平衡不存在，即严格维持f不变是不可能的。,5.1.3 电力系统中有功功率的平衡和备用容量,1、有功功率负荷的变动及其调整,对系统实际负荷变化曲线的分析表明，系统负
4、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：,第一种是变化幅度小，变化周期较短（10s内）的负荷分量；,第二种是变化幅度较大，变化周期较长(一般为10s至3min)的负荷分量，如工业中大电机、电炉、电气机车等,第三种是变化缓慢的持续变动负荷。周期最长、变化幅度最大，可预测。主要是工厂作息制度、人们的生活习惯及气象条件的变化引起的。,据此,频率调整,一次调整:由发电机组的调速器进行的 对第一种负荷变动引起的频 率偏移的调整,二次调整:由发电机的调频器进行的、 对第二种负荷变动引起的 频率偏移的调整,三次调整: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 按事先给定的发电负荷曲
5、线发电。,2、有功功率平衡和备用容量,为保证可靠供电和良好的电能质量，系统还应具有一定的备用容量,为保证频率在允许范围内变动，电力系统运行中的发电机组发出的有功功率必须和负荷消耗的有功功率平衡。,备用容量按用途分负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用。,（1）负荷备用：为了适应实际负荷的经常波动或一天内计划外的负荷增加而设置的备用，设计时一般按系统最大有功负荷的2一5估算。,（2）事故备用：事故备用容量的大小一般约为最大负荷的5一10 ,（3）检修备用：为保证发电设备进行定期检修时，不致影响供电而留的备用容量。,（4）国民经济备用：计及负荷的超计划增长而设置的备用容量，一般约为系统最大负荷
6、的3%5%,备用容量按备用形式分为热备用和冷备用,(1)热备用,备用容量储存于运行机组中，能及时抵偿系统的功率缺额。负荷备用和部分事故备用容量通常采用热备用形式分布在各电厂或运行机组之间。,(2)冷备用,备用容量储存于停运机组中，检修备用和部分事故备用采用冷备用。,5.1.4 各类发电厂的特点及合理组合,在系统中有一定备用容量的前提下，就可以考虑有功功率在各发电厂之间的最优分配问题。电力系统中有功功率最优分配有两个主要内容：有功电源的最优组合和有功负荷的最优分配。,目前发电厂主要有以下三类：火力发电厂、水力发电厂、核电厂,（一）各类发电厂的特点,1、火力发电厂的主要特点,火电厂外景,（1）运行
7、需要支付燃料费用，占用运输能力，运行不受自然条件的影响。 （2）有功出力受锅炉和汽轮机最小技术负荷的限制，启停时间长且启停费用高。 （3）效率与蒸汽参数有关，高温高压设备效率最高，低温低压设备效率最低。 （4）热电厂采用抽汽供热，总效率较高。,2、水力发电厂的主要特点,(1)不需燃料费，而且水是可再生资源。但一次投资大，运行在不同程度上受自然条件的影响。 (2)出力调节范围比火电机组大，机组投入和退出用时少。 (3)水利枢纽往往兼有发电、航运、防洪等多方面的效益，因而发电用水量通常要按水库的综合效益考虑，不一定同电力负荷的需要一致。,水电厂只有与火电厂配合，才能充分发挥其经济效益。,丰满水电厂
8、外景,秦山核电站主控制室,秦山核电站汽轮机房,3、核电厂的特点 （1）反应堆和汽轮机组退出运行和再度投入花费时间长，且增加能量损耗。 （2）运行中不宜承担急剧变化的负荷。 （3）一次投资大，运行费用小。,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,应指出: 枯水季节往往由系统中的大型水电厂承担调频任务;洪水季节这任务就转移给中温中压火电厂.抽水蓄能电厂在其发电期间也可参加调频.但低温低压火电厂则因容量不足,设备陈旧
9、,不能担负调频任务.,有功功率电源的最优组合,各类发电厂组合顺序示意图,枯水季节:,冬季枯水期，由凝汽式火电厂承担基本负荷，水电厂则承担尖峰负荷。,洪水季节:,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。,5.1.5 有功功率负荷的最优分配,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。,1、耗量特性,发电设备单位时间内消耗的能源 与发出的有功功率的关系。,(2)比耗量：特性曲线上某点的纵坐标和横坐标(即输入与输出)之比,耗量特性,(1)耗量微增率: 耗量特性曲线上某点切线的斜率，,(3)发
10、电设备的效率 ：比耗量的倒数,表示在该点运行时输入增量对输出增量之比,效率曲线和微增率曲线,2、有功负荷最优分配的目标函数和约束条件,(1)目标函数:,总能源消耗量。,第i台设备发出有功功率PGi时，单位时间内消耗的能源,(2)约束条件:,等式约束:,有功功率必须保持平衡,若忽略网损，则,不等式约束:,系统的运行限制,3、等耗量微增率准则,电力系统中的各发电机组按相等的耗量微增率运行，可使总的能量损耗最小,以两套并联机组间的负荷分配为例研究,多元函数求极值，构造一个不受约束的拉氏函数,约束条件,为使L最小，有,可得,求解得：,等耗量微增率准则,表示为使总耗量最小，应按相等的耗量微增率在发电设备
11、或发电厂之间分配负荷。该结论可推广用于多个发电厂之间的负荷分配。,【例5.1】三个火电厂并列运行，各电厂的燃料消耗特性(t/h)及功率约 束条件如下：,当总负荷为400MW时，试分别确定发电厂间功率的经济分配（不计网损）,解：按等耗量微增准则,解得,PG1低于下限，故应取PG1=100MW 。其余的300MW负荷在电厂2和3之间重新分配,都在限值以内。,5.2 电力系统的频率特性,5.2.1电力系统负荷的有功功率频率静态特性,描述系统有功负荷随频率变化的关系曲线称为负荷的有功功率-频 率静态特性。简称负荷频率特性。,电力系统中各种用电设备与频率的关系大致如下,1)与频率变化无关的负荷，如照明，
12、电阻炉等电阻性负荷,2)与频率变化成正比的负荷，如拖动金属切削机床的异步电动机,3)与频率高次方成比例的负荷，如拖动鼓风机、离心水泵的电动机,整个系统的负荷功率与频率的关系为,系统频率为 时，整个系统的有功负荷 系统频率为 时，整个系统的有功负荷 上述各有功负荷占 的百分数。,以标幺值表示为,当频率偏离额定值不大时，负荷从电网中取用有功功率与电网频率的关系近似表示为一条直线：,当系统频率下降时，负荷成比例自动减少,负荷的频率调节效应。其值决定于系统中各类有功负荷的比重，不能控制。不同系统或同一系统的不同时刻其值都可能不同。,5.2.2 发电机组的有功功率频率静态特性,1、调速系统的工作原理,【
13、例5.2】,调速系统由四个部分组成：1为转速测量元件（飞摆）；2为放大元件（错油门）；3为执行机构（油动机）；4为转速控制机构（调频器）。,1、自动调速系统,ACB处于ACB，不能回复到A点。此为发电机组的调速过程，称一次调频。,从上述调整过程看，对应负荷的增大，发电机输出功率增加，频率 略低于原来值；若负荷降低，调速器调整作用使输出功率减少，频率略高 于原来值。由于调整后频率不能回到原来值，一次调整为有差调节。,2、调频器的工作原理,依靠发电机组的调速器只能实现有差调频，若频率超出允许范围，就必须继续进行频率调整，这一任务通常由机组同步器（调频器）来完成。,例：频率偏低时,手动或电动同步器使
14、D点上移(F不动，E点下移)迫使错油门活塞下移，使ab油孔重新开启。,增加进汽量,适当控制D点的移动，可以使转速恢复到频率偏差允许范围或初始值，二次调频可以实现频率的无差调节,3、发电机组的有功功率频率静态特性,发电机组的功频静态特性如图所示,图中直线的斜率,有差调节特性,发电机组的单位调节功率,表示频率发生单位变化时，发电机输出功率的变化量。负号表示二者变化方向相反,发电机组的调差系数,机组由空载到满载时，转速（频率）变化与发电机输出功率变化之比,取点2为额定运行点，点1为空载运行点,用百分数表示,调差系数与单位调节功率的关系：,发电机组的单位调节功率可以整定，由式,调差率可定量表明某机组负
15、荷改变时相应的频率偏移。例：%=5%(*=0.05)，表示当有功负荷改变1%时，频率偏移0.05%,可见,调差系数越小(单位调节功率越大)，频率偏移越小,5.3.1 频率的一次调整,电力系统负荷变化引起的频率波动取决于发电机组和负荷的调节效应,初始运行于点O，,o,当负荷增加,则,o,系统在O点达到新的平衡,为发电机组增发功率,为负荷减少功率,系统的单位调节功率系数,5.3 电力系统的频率调整,当发电机满载时，负荷功率增大，则 相当于为0， 当负荷功率减小时， ，仍可以参加调频,n台发电机：n台都参加一次调整： 只有m台参加一次调整：,课本P99 例5-1,由于KL不能人为改变，频率变化主要取
16、决于KG的大小，增加发电机 台数，可增大KS,例【5-3】,参与调频的机组愈多，KG越大，KS就愈大。,5.3.2 频率的二次调整,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。,初始运行于点O，,o,当负荷增加,则,o,系统在O点达到新的平衡,频率的二次调整,二次调频，提高发电机输出功率,由于负荷调节效应自动减少的功率,机组一次调频增发的功率,机组二次调频增发的功率,如果二次调频增发的功率 与负荷增量 相等，则 ，即所谓的无差调节。,n台机组时，,由式(1)可见，在同样的功率缺额下，多台机组并列运行的 频率变化要比一台机组运行时小得多,5.3.3 主调频厂的选择,多机系统在负荷变化时，带调速器的机组，只要有可调容量，都参加一次调整。,二次调整由少数机组(厂)承担主调频机组(厂)，可依次分为主调频厂、辅助调频厂和非调频厂。,主调频厂负责全系统的频率调整，一般12个电厂 辅助调频厂是在系统频
