电力系统分析第五章有功平衡

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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五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整n5.1 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电力系统负荷的有功功率频率静态特性频率静态特性5.2.2发电机组的有功功率发电机组的有功功率频率静态特频率静态特n5.3 电力系统的频率调整5.3.1 频率的一次调整频率的一次调整5.3.2 频率的二次调整频率的二次调整5.3.3 5.3.3 调频厂的选择调频厂的选择5.3.4 5.3.4 互联系统的频率调整互联系统的频率调整第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整5.1 电力系统中的有功平衡与频率调整 5.1.1 频率

2、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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整(2)电力系统低频运行时容易引起汽

3、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

4、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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整5.1.35.1.3 电力系统中有功功率的平衡和备用容量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

5、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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整n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线发电。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整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。所有发

6、电机 组有功出力 之和所有有 功负荷所有发电厂厂用 电有功功率之和网络有功功 率损耗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 为系统最大负荷的3%5%备用容量按备用形式分为热备用和冷备用第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整(1)热备用备用容量储存于

7、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 5.1.4 各类发电厂的特点及合理组合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第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整 火电厂外景第五章 电力系统有功

8、功率的平衡和频率调整（1）运行需要支付燃料费用，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

9、发挥其经济效益。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整 丰满水电厂外景第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整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。秦山核电站汽轮机房秦山核电站主控制室第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整原则（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

10、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,不能担负调频任务.第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整有功功率电源的最优组合l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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整洪水季节: 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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整5.1.

11、55.1.5 有功功率负荷的最优分配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)发电设备的效率 ：比耗量的倒数表示单位时间内在该 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 第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整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

12、 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 :系统的运行限制第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整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，有可得第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整求解得：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 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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整 【例5.1】三个火电厂并列运行，各电厂的燃料

13、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 第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整解得 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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整2.已知两台机组并联共同向一负荷供电，它们的耗量特性分别 为F1a18P10.004P12 t/h，F2a26P20.0045P22 t/h ， 120MWP1400MW，120MWP2400MW，求当负荷功 率PL420MW时，负荷的最优经济分配。第五章 电力系统有功功率的平

14、衡和频率调整5.2 电力系统的频率特性5.2.15.2.1电力系统负荷的有功功率电力系统负荷的有功功率频率静态特性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，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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整以标

15、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 5.2.2 发电机组的有功功率发电机组的有功功率频率静态特性频率静态特性1、调速系统的工作原理【例5.2】第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整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

16、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。第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整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 节第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整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