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1、第七章第七章电力系统的质量控制电力系统的质量控制1电力系统有功功率和频率调整课件一、频率调整的必要性：一、频率调整的必要性：1.1.电力系统频率变化的影响电力系统频率变化的影响n对用户的影响对用户的影响（1 1）异步电机转速变化，影响产品质量；）异步电机转速变化，影响产品质量；（2 2）异步电机功率下降）异步电机功率下降; ;（3 3）电子设备的准确度）电子设备的准确度. .第二节第二节 电力系统的频率质量控制电力系统的频率质量控制频率调整频率调整 Frequency Regulation 2电力系统有功功率和频率调整课件第二节第二节 电力系统的频率质量控制电力系统的频率质量控制频率调整频率调
2、整 Frequency Regulation n对发电厂和电力系统的影响对发电厂和电力系统的影响（1 1）对发电厂厂用机械设备运行的影响；对发电厂厂用机械设备运行的影响；（2 2）对汽轮机叶片的影响；）对汽轮机叶片的影响；（3 3）对异步电机及变压器励磁的影响，增）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。加无功消耗。3电力系统有功功率和频率调整课件2.频率调整的目标：频率调整的目标： 就是将系统的频率保持在允许的偏差范围内。就是将系统的频率保持在允许的偏差范围内。 我国电力系统额定频率为我国电力系统额定频率为50Hz，现行的电力工业技术管，现行的电力工业技术管理法规中规定，频率偏差的允许范
3、围，大系统为理法规中规定，频率偏差的允许范围，大系统为0.2Hz，小，小系统可放宽至系统可放宽至0.5Hz。4电力系统有功功率和频率调整课件电力系统的频率为什么会偏离额定值？电力系统的频率为什么会偏离额定值？n转矩平衡与功率平衡转矩平衡与功率平衡n转矩不平衡时转矩不平衡时, ,转子转转子转 速变化速变化, ,引起频率变化引起频率变化n保持频率恒定不变是十分困难的保持频率恒定不变是十分困难的 ! ! 5电力系统有功功率和频率调整课件第二节电力系统的频率质量控制第二节电力系统的频率质量控制频率调整频率调整Frequency Regulation 二、电力系统的有功频率二、电力系统的有功频率特性和有
4、功平衡：特性和有功平衡：（一）有功负荷（一）有功负荷1、负荷波动性质的分析：负荷波动性质的分析：6电力系统有功功率和频率调整课件 系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动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：负荷组成：（1 1）变动周期小于）变动周期小于10s10s，变化幅度小，变化幅度小: :小操作、线路摇摆等小操作、线路摇摆等（3 3）变动周期最大，变化幅度最大：如因气象、作息时间、人）变动周期最大，变化幅度最大：如因气象、作息时间、人 们生活习惯等引起的负荷变化。们生活习惯等引起的负荷变化。 （2）变动周期在（变动周期在（10s10s180s180s），变化
5、幅度较大：大电机、电），变化幅度较大：大电机、电 炉启停炉启停调速器调速器频率的一次调整频率的一次调整调频器调频器频率的二次调整频率的二次调整根据预测负根据预测负荷，在各机荷，在各机组间进行最组间进行最优负荷分配优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）电力系统的经济运行调度（发电计划）7电力系统有功功率和频率调整课件2.2.负荷的有功频率特性：负荷的有功频率特性：第二节电力系统的频率质量控制第二节电力系统的频率质量控制频率调整频率调整Frequency Regulation 8电力系统有功功率和频率调整课件电力系统中有功负荷与频率的关系，归纳为以下几类电力系统中有功负荷与频率的关系，归纳为
6、以下几类：1、与频率变化无关的负荷，如照明、电阻炉、整流负荷等；、与频率变化无关的负荷，如照明、电阻炉、整流负荷等；2、与频率成正比的负荷，如压缩机、卷扬机等；、与频率成正比的负荷，如压缩机、卷扬机等；3、与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗等；、与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗等；4、与频率的三次方成比例的负荷，如通风机、静水头阻力不大、与频率的三次方成比例的负荷，如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等；的循环水泵等；5、与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很大的给水、与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。泵等。9电力系统有功功率和频率调整
7、课件负荷的有功频率特性负荷的有功频率特性简化表达简化表达当频率偏离额定值不大时当频率偏离额定值不大时，负荷有功频率特性用一条近似，负荷有功频率特性用一条近似直线来表示。直线来表示。负荷的负荷的频率调节效应系频率调节效应系数数或称为负荷的或称为负荷的频率调频率调节效应节效应，表示负荷随频，表示负荷随频率的变化程度。率的变化程度。10电力系统有功功率和频率调整课件（二）（二）. . 有功电源及其有功频率特性：有功电源及其有功频率特性： 即发电机组的有功频率特性。反映了发电机输即发电机组的有功频率特性。反映了发电机输出的有功功率和频率之间的关系。出的有功功率和频率之间的关系。 发电机输出的有功功率发
8、电机输出的有功功率PG增增加时频率有所下降，加时频率有所下降， PG减小减小时频率有所上升。时频率有所上升。？依靠调速器的动作实现频率的一次调整。依靠调速器的动作实现频率的一次调整。11电力系统有功功率和频率调整课件单位调节功率单位调节功率: :表示频率变化时发电机组输出功率表示频率变化时发电机组输出功率的变化量。的变化量。物理意义：物理意义：当系统频率变化当系统频率变化1Hz时发动机组输出有功功率的时发动机组输出有功功率的变化量。变化量。注意：定义中的负号及注意：定义中的负号及角的位置，使得角的位置，使得K KG G恒恒为正正值。 。12电力系统有功功率和频率调整课件单位调节功率用标幺值表示
9、：单位调节功率用标幺值表示：式中，式中， 称为发电机组的调差系数，通常由称为发电机组的调差系数，通常由额定运行点和空载运行点定出。额定运行点和空载运行点定出。在额定运行点，在额定运行点，13电力系统有功功率和频率调整课件单位调节功率与调差系数的关系：单位调节功率与调差系数的关系：发电机组的调差系数可以整定。整定后在运行过程中不发电机组的调差系数可以整定。整定后在运行过程中不再变动。即发电机组有功频率特性曲线的斜率固定。再变动。即发电机组有功频率特性曲线的斜率固定。14电力系统有功功率和频率调整课件（三）有功平衡（三）有功平衡(active power balance) 有功平衡与频率的关系：有
10、功平衡与频率的关系：PfP1fNACP2f2f1DB15电力系统有功功率和频率调整课件四、频率调整的分析和计算四、频率调整的分析和计算（analysis and computation of frequency regulation)（一）、频率的一次调整（一）、频率的一次调整(the first regulation of frequency)负荷功率的实际增量：负荷功率的实际增量：它同发电机功率增量平衡：它同发电机功率增量平衡：PfP1fNACBP2f2Df316电力系统有功功率和频率调整课件系统的单位调节功率系统的单位调节功率：计及发电机和负荷的调节效：计及发电机和负荷的调节效应时，引起
11、频率单位变化时的负荷变化量。应时，引起频率单位变化时的负荷变化量。17电力系统有功功率和频率调整课件(一一)、频率的一次调整、频率的一次调整n台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化f 时时n台机组的等值台机组的等值单位调节功率单位调节功率结论：结论：n台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的 单位调节功率。单位调节功率。18电力系统有功功率和频率调整课件同除以同除以则则19电力系统有功功率和频率调整课件表明系统带负荷的程度：表明系统带负荷的程度： 越小，带负荷越沉重，越小，带负荷越沉重， 时满载。时满载。综上
12、所述：综上所述：结论一：结论一：频率偏差的大小与负荷的变化量频率偏差的大小与负荷的变化量 的大小成的大小成正比，与系统的单位调节功率正比，与系统的单位调节功率 成反比。成反比。结论二：结论二：负荷的增量由两部分供给：一部分是发电机多负荷的增量由两部分供给：一部分是发电机多发的有功功率，另外一部分是负荷自身具有的正调节效发的有功功率，另外一部分是负荷自身具有的正调节效应随频率下降而少取用的功率。应随频率下降而少取用的功率。20电力系统有功功率和频率调整课件结论三：结论三：就一次调频而言，希望系统的单位调节功率就一次调频而言，希望系统的单位调节功率KS越越大越好，实际不可能。大越好，实际不可能。其
13、中其中 KD是不可控的，而是不可控的，而KG也不可能为无穷大，必为一个限也不可能为无穷大，必为一个限值。所以是有差调节。值。所以是有差调节。结论四：结论四： 机组的调差系数越小，承担的功率增量就越大；机组的机组的调差系数越小，承担的功率增量就越大；机组的额定容量越大，承担的功率增量也越大。额定容量越大，承担的功率增量也越大。21电力系统有功功率和频率调整课件例题：例题：某电力系统的发电机组总容量为某电力系统的发电机组总容量为3600MW,各类发电机各类发电机组的容量和调差系数如下：组的容量和调差系数如下：水轮机组水轮机组 100MW 5台台 汽轮机组汽轮机组 200MW 6台台系统总负荷为系统
14、总负荷为3000MW,负荷的频率调节效应系数为负荷的频率调节效应系数为KD*=1.5。设原来运行时设原来运行时f=50Hz，现负荷突然增加，现负荷突然增加300MW。试完成。试完成：（1）设所有机组均具有调节能力，求频率偏差和各类发电机）设所有机组均具有调节能力，求频率偏差和各类发电机组承担的功率增量；组承担的功率增量；（2）如仅水轮机组具有调节能力，频率偏差为多少？）如仅水轮机组具有调节能力，频率偏差为多少？22电力系统有功功率和频率调整课件解：解：求各类发电机组的求各类发电机组的水轮机组：水轮机组： 100MW汽轮机组：汽轮机组： 200MW（1）23电力系统有功功率和频率调整课件各类发电
15、机组承担的功率增量为：各类发电机组承担的功率增量为：水轮机组：水轮机组：汽轮机组：汽轮机组：(2)只有水轮机组参与调节：只有水轮机组参与调节：24电力系统有功功率和频率调整课件小小 结：结：1、负荷的有功频率特性：、负荷的有功频率特性：2、有功电源的有功频率特性：、有功电源的有功频率特性：3、有功平衡：一次调频、有功平衡：一次调频 调速器调速器 二次调频二次调频 调频电厂调频电厂本次课的重点：一次调频的原理和计算。本次课的重点：一次调频的原理和计算。25电力系统有功功率和频率调整课件频率的二次调整频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特性：通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移
16、动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动范围内。范围内。1.主调频厂的选择主调频厂的选择调频厂：调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助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。调频厂应满足的条件：调频厂应满足的条件：1 1）足够的调整容量）足够的调整容量2 2）较快的调整速度）较快的调整速度3 3）调整范围内的经济性较好）调整范围内的经济性较好(二二)、频率的二次调整、频率的二次调整(the second regulation of frequency)26电力系统有功功率和频率调整课件调整容量调整容量: :
17、 水电厂水电厂 火电厂火电厂中温中压电厂（中温中压电厂（7575） 高温高压电厂（高温高压电厂（3030） 调整速度：调整速度： 水电厂水电厂 火电厂火电厂调频厂选择：调频厂选择： 首选：水电厂首选：水电厂 其次：中温中压电厂其次：中温中压电厂27电力系统有功功率和频率调整课件2.2.频率二次调整的过程频率二次调整的过程pf0f1ABf2CEF28电力系统有功功率和频率调整课件频率的二次调整频率的二次调整结论：结论：（1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率 偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。（2）
18、可以做到）可以做到无差调节无差调节。29电力系统有功功率和频率调整课件( (三）三） 互联系统的频率调整互联系统的频率调整30电力系统有功功率和频率调整课件联络线功率联络线功率B系统不参系统不参加二次调整加二次调整31电力系统有功功率和频率调整课件互联系统的频率调整常采用如下三种方式互联系统的频率调整常采用如下三种方式 ：1、频率保持不变，、频率保持不变，f=02、联络线功率保持不变，、联络线功率保持不变，PAB=03、PDA-PGA= PDB-PGB=032电力系统有功功率和频率调整课件四、各类发电厂的合理组合四、各类发电厂的合理组合n系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问系统中有备
19、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。题，包括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。n有功电源的最优组合：有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合系统中发电设备和发电厂的合理组合。理组合。n有功负荷的最优分配有功负荷的最优分配：系统中的有功负荷在各个正在：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。运行的发电设备或发电厂之间的合理分配。33电力系统有功功率和频率调整课件（一）、（一）、 各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点1 1 火电厂火电厂（1 1）燃料及运输费用）燃料及运输费用（2 2）有功出力最小限制）有功出力
20、最小限制（3 3）效率与蒸汽参数有关）效率与蒸汽参数有关（4 4）启停时间长且启停费用高）启停时间长且启停费用高34电力系统有功功率和频率调整课件（一）、（一）、 各类发电厂的运行特点各类发电厂的运行特点2 2 水电厂水电厂（1 1）不需燃料费，但一次投资大）不需燃料费，但一次投资大（2 2）出力调节范围比火电机组大）出力调节范围比火电机组大（3 3）启停费用低，且操作简单）启停费用低，且操作简单（4 4）出力受水头影响）出力受水头影响（5 5）抽水蓄能）抽水蓄能（6 6）必须释放水量强迫功率）必须释放水量强迫功率35电力系统有功功率和频率调整课件（一）、（一）、 各类发电厂的运行特点各类发电
21、厂的运行特点3 核电厂核电厂（1）一次投资大，运行费用小。）一次投资大，运行费用小。（2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停）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。及急剧调节时，易于损坏设备。（3）效率高，宜满载运行，一般不用其带变动负荷。）效率高，宜满载运行，一般不用其带变动负荷。36电力系统有功功率和频率调整课件（二）、各类发电厂的合理组合（二）、各类发电厂的合理组合n原则原则（1 1）充分利用水源。）充分利用水源。（2 2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。用。（3 3）尽量降低火力发电成本。
22、）尽量降低火力发电成本。37电力系统有功功率和频率调整课件4 4 有功功率平衡与备用容量有功功率平衡与备用容量n备用容量：备用容量：15%15%20%20%n作用：作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量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。应大于发电负荷。定义：定义：备用容量备用容量 系统可用电源容量系统可用电源容量 发电负荷发电负荷n 有功功率平衡：有功功率平衡：五、有功功率平衡与备用容量五、有功功率平衡与备用容量38电力系统有功功率和频率调整课件按作用分：按作用分：(1)负荷备用：满足负荷波动、计划外负荷备用：满足负荷波动、计划外的负荷增量的负荷增量2
23、%5%(2)事故备用：发电机因故退出运行而事故备用：发电机因故退出运行而预留的容量预留的容量5%10%(3)检修备用：发电机计划检修检修备用：发电机计划检修4%5%(4)国民经济备用：满足工农业超计划国民经济备用：满足工农业超计划增长增长3%5%按其存在形式分：按其存在形式分：(1)热备用热备用(2)冷备用冷备用备用容量的分类备用容量的分类39电力系统有功功率和频率调整课件4.5 4.5 电力系统有功功率的最优分配电力系统有功功率的最优分配1 1 发电机组的耗量特性：发电机组的耗量特性：反映发电机组单位时间内能量反映发电机组单位时间内能量输入输入和和输出输出关系的曲线。关系的曲线。耗量特性耗量
24、特性40电力系统有功功率和频率调整课件4.5 4.5 电力系统有功功率的最优分电力系统有功功率的最优分配配n比耗量：比耗量：耗量特性曲线上某点耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即的纵坐标和横坐标之比，即输入和输出之比输入和输出之比n效率：效率：比耗量倒数比耗量倒数n耗量微增率耗量微增率：耗量特性曲线上：耗量特性曲线上某点切线的斜率，表示在该某点切线的斜率，表示在该点的输入增量与输出增量之点的输入增量与输出增量之比。比。效率曲线和微增率曲线效率曲线和微增率曲线 41电力系统有功功率和频率调整课件二、目标函数和约束条件二、目标函数和约束条件n有功负荷最优分配的目的有功负荷最优分配的目的：在满
25、足对一定量负荷持续：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。时间内所消耗的能源最少。n 满足条件：满足条件： 等式约束等式约束 f(x、u、d)=0 不等式约束不等式约束 g(x、u、d)0 使使 目标函数目标函数 F=F(x、u、d) 最优最优42电力系统有功功率和频率调整课件1 1 目标函数目标函数n系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，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。描述的是
26、单位时间内能源的消耗量。43电力系统有功功率和频率调整课件2 2 约束条件约束条件n等式约束等式约束n不等式约束不等式约束忽略有功网损忽略有功网损44电力系统有功功率和频率调整课件三、三、 等耗量微增率准则等耗量微增率准则n以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料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：消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机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组间的分配，使总的燃料消耗量最小。 等式约束等式约束 目标函数目标函数45电力系统有功功率和频率调整课件三、三、 等耗量微增率准则等耗量
27、微增率准则n作图法求解（只有两台机组）作图法求解（只有两台机组） 在在OO上找到一点作垂线，上找到一点作垂线， 与两条耗量特性曲线的交点与两条耗量特性曲线的交点 间距离最短。间距离最短。 在耗量特性曲线具有凸性的情在耗量特性曲线具有凸性的情 况下，况下，两条曲线的切线平行时，两条曲线的切线平行时， 燃料消耗量最少燃料消耗量最少。 曲线的切线即斜率，就是该点的曲线的切线即斜率，就是该点的耗量微增率。耗量微增率。46电力系统有功功率和频率调整课件n切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。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。这就是等微增率准则。n物理意义物理意义47电
28、力系统有功功率和频率调整课件四、多个发电厂间的负荷经济分配四、多个发电厂间的负荷经济分配1.1.不计网损的有功最优分配不计网损的有功最优分配n目标函数最小：目标函数最小：n等式约束条件：等式约束条件：n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。解。n构造拉格朗日函数构造拉格朗日函数 48电力系统有功功率和频率调整课件n求拉格朗日函数的无条件极值求拉格朗日函数的无条件极值49电力系统有功功率和频率调整课件不等式约束的处理不等式约束的处理n功率上下限约束功率上下限约束 先不考虑该约束条件进行经济分配计算，若发现越先不考虑该约束条件进
29、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。按经济分配。n节点电压及无功功率约束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。在经济功率分配后的潮流计算中处理。例例4850电力系统有功功率和频率调整课件2.2.考虑网损的有功最优分配考虑网损的有功最优分配n等式约束变为等式约束变为n目标函数不变目标函数不变n拉格朗日函数为拉格朗日函数为经过网损修正后经过网损修正后的等微增率准则的等微增率准则网损修正系数网损修正系数51电力系统有功功率和频率调整课件五、一个水电厂和一个火电厂间有功负荷的最优五、一个水电厂和
30、一个火电厂间有功负荷的最优分配分配n目标：目标：在整个运行周期内满足用户的电力需求，合理在整个运行周期内满足用户的电力需求，合理分配水火电厂的负荷，使总燃料消耗量最少。分配水火电厂的负荷，使总燃料消耗量最少。n等式约束等式约束：n目标函数最小目标函数最小：这是一个求泛函极值问题，一般应用变分法求解。这是一个求泛函极值问题，一般应用变分法求解。52电力系统有功功率和频率调整课件调整容量调整容量: : 水电厂水电厂 火电厂火电厂中温中压电厂（中温中压电厂（7575） 高温高压电厂（高温高压电厂（3030） 调整速度：调整速度： 水电厂水电厂 火电厂火电厂调频厂选择：调频厂选择： 首选：水电厂首选：
31、水电厂 其次：中温中压电厂其次：中温中压电厂53电力系统有功功率和频率调整课件2.2.频率二次调整的过程频率二次调整的过程p f 0 f1A B f2C E F54电力系统有功功率和频率调整课件频率的二次调整频率的二次调整结论：结论：（1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率 偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。（2）可以做到）可以做到无差调节无差调节。AE EF FC55电力系统有功功率和频率调整课件多台机组并列运行（三台机组，多台机组并列运行（三台机组，1号机组为主调频机号机组为主调频机组）组）例例4 44 4例例4 45 5调频机组未动作时调频机组未动作时调频机组动作后调频机组动作后56电力系统有功功率和频率调整课件三、互联系统的频率调整三、互联系统的频率调整57电力系统有功功率和频率调整课件联络线功率联络线功率例例4 46 6例例4 47 7B系统不参系统不参加二次调整加二次调整58电力系统有功功率和频率调整课件
