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1、 第第4章章电力系统有功功率平衡与频率调整电力系统有功功率平衡与频率调整1 4.1 概述概述 4.2 有功功率和频率有功功率和频率 4.3 电力系统频率特性电力系统频率特性 4.4 电力系统频率控制电力系统频率控制 4.5 有功功率平衡有功功率平衡24.1 概述概述1 1、电力系统频率控制的必要性、电力系统频率控制的必要性 A A 频率对电力用户的影响频率对电力用户的影响 (1)(1)电力系统频率变化会引起异步电动电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化机转速变化, ,这会使得电动机所驱动的加工这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化工业产品的机械的转速发生变化, ,转速不稳转速
2、不稳定会影响产品质量定会影响产品质量,甚至会出现次品和废甚至会出现次品和废品。品。 34.1 概述概述1 1、电力系统频率控制的必要性、电力系统频率控制的必要性 A A 频率对电力用户的影响频率对电力用户的影响 （2 2）电力系统频率波动会影响某些测量）电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能和控制用的电子设备的准确性和性能, ,频率频率过低时有些设备甚至无法工作。这对一些过低时有些设备甚至无法工作。这对一些重要工业和国防是不能允许的。重要工业和国防是不能允许的。 44.1 概述概述1 1、电力系统频率控制的必要性、电力系统频率控制的必要性 A A 频率对电力用户的影响频
3、率对电力用户的影响 （3 3）电力系统频率降低将使电动机的转电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低速和输出功率降低, ,导致其所带动机械的转导致其所带动机械的转速和出力降低速和出力降低, ,影响电力用户设备的正常运影响电力用户设备的正常运行行。 54.1 概述概述1 1、电力系统频率控制的必要性、电力系统频率控制的必要性 A A 频率对电力系统的影响频率对电力系统的影响 （1 1）频率下降时频率下降时, ,汽轮机叶片的振动会汽轮机叶片的振动会变大变大, ,轻则影响使用寿命轻则影响使用寿命, ,重则可能产生裂重则可能产生裂纹。对于额定频率为纹。对于额定频率为50Hz50Hz的电力系统的电
4、力系统, ,当频当频率低到率低到45Hz45Hz附近时附近时, ,某些汽轮机的叶片可能某些汽轮机的叶片可能因发生共振而断裂因发生共振而断裂, ,造成重大事故。造成重大事故。 64.1 概述概述1 1、电力系统频率控制的必要性、电力系统频率控制的必要性 A A 频率对电力系统的影响频率对电力系统的影响 （2 2）频率下降到频率下降到47-48Hz47-48Hz时时, ,火电厂由异步电火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机）的出力随之下降动机驱动的辅机（如送风机）的出力随之下降, ,从从而使火电厂发电机发出的有功功率下降而使火电厂发电机发出的有功功率下降。这种趋这种趋势如果不能及时制止势如果不能及
5、时制止, ,就会在短时间内使电力系统就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度频率下降到不能允许的程度。这种现象称为频率这种现象称为频率雪山崩雪山崩。出现频率雪崩会造成大面积停电出现频率雪崩会造成大面积停电, ,甚至使甚至使整个系统瓦解整个系统瓦解。74.1 概述概述1 1、电力系统频率控制的必要性、电力系统频率控制的必要性 A A 频率对电力系统的影响频率对电力系统的影响 （3 3）在核电厂中在核电厂中, ,反应堆冷却介质泵对反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求供电频率有严格要求。当频率降到一定数当频率降到一定数值时值时, ,冷却介质泵即自动跳开冷却介质泵即自动跳开, ,使反应堆停使反
6、应堆停止运行止运行。84.1 概述概述1 1、电力系统频率控制的必要性、电力系统频率控制的必要性 A A 频率对电力系统的影响频率对电力系统的影响 （4 4）电力系统频率下降时电力系统频率下降时, ,异步电动机和变压异步电动机和变压器的励磁电流增加器的励磁电流增加, ,使无功消耗增加使无功消耗增加, ,引起系统电引起系统电压下降压下降, ,频率下降还会引起励磁机出力下降频率下降还会引起励磁机出力下降, ,并使并使发电机电势下降发电机电势下降, ,导致全系统电压水平降低。如果导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低电力系统原来的电压水平偏低, ,在频率下降到一定在频率下降到一定值时
7、值时, ,可能出现所谓电压雪崩现象可能出现所谓电压雪崩现象, ,出现电压雪崩出现电压雪崩也会造成大面积停电也会造成大面积停电, ,甚至使系统瓦解。甚至使系统瓦解。 94.1 概述概述2 2、电力系统有功功率控制的必要性电力系统有功功率控制的必要性 A 维持电力系统频率在允许范围之内维持电力系统频率在允许范围之内 电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗荷消耗(包括网损包括网损)的有功功率总和之间的平衡来的有功功率总和之间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变化的维持
8、的。但是电力系统的负荷是时刻变化的,从而从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内许范围之内 ，就是要及时调节系统内并联运行机，就是要及时调节系统内并联运行机组有功功率。组有功功率。 104.1 概述概述2 2、电力系统有功功率控制的必要性电力系统有功功率控制的必要性 B 提高电力系统运行的经济性提高电力系统运行的经济性 当当系系统统频频率率在在额额定定值值附附近近时时，虽虽然然频频率率满满足足要要求求，但但没没有有说说明明哪哪些些机机组组参参与与并并联联运运行行，并并联联运运行行的的机机组组各各应应该该发发多多少少有有功功功功率率。电电
9、力力系系统统有有功功功功率率控控制制的的任任务务之之一一就就是是要要解解决决这这个个问问题题。这这就就是是电电力力系系统统经经济调度问题。济调度问题。114.1 概述概述2 2、电力系统有功功率控制的必要性电力系统有功功率控制的必要性 C 保证联合电力系统的协调运行保证联合电力系统的协调运行 电电力力系系统统的的规规模模在在不不断断地地扩扩大大,已已经经出出现现了了将将几几个个区区域域电电力力系系统统联联在在一一起起组组成成的的联联合合电电力力系系统统，有有的的联联合合电电力力系系统统实实行行分分区区域域控控制制，要要求求不不同同区区域域系系统统间间交交换换的的电电功功率率和和电电量量按按事事
10、先先约约定定的的协协议议进进行行。这这时时电电力力系系统统有有功功功功率率控控制制要要对对不不同同区区域域系系统统之之间间联联络络线线上上通过的功率和电量实行控制。通过的功率和电量实行控制。 124.1 概述概述3 3、本章的主要内容、本章的主要内容 为什么P和f联系起来 有功功率平衡 调频原理 调频方法和措施134.2 有功功率和频率有功功率和频率1 1、基本概念、基本概念 电力系统的频率由发电机的转速电力系统的频率由发电机的转速决定，相联系统只有一个频率，决定，相联系统只有一个频率，是一个全局问题，与电压不同。是一个全局问题，与电压不同。 144.2 有功功率和频率有功功率和频率2 2、频
11、率、频率n额定频率：额定频率：50Hzn频率偏移：系统运行频率与额定频率偏移：系统运行频率与额定频率之差。频率之差。 154.2 有功功率和频率有功功率和频率 3、 电电力力系系统统的的频频率率水水平平由由有有功功功功率率平平衡衡决决定定，如如果果有有功功电电源源充充足足，能能保保证证用用户户需需要要，且且具具有有及及时时进进行行调调整整的的能能力力，则则能能保保证证频频率率在在合合理理的的范范围围之之内内，反反之之，则将出现较大的频率偏移。则将出现较大的频率偏移。 164.3 电力系统频率特性电力系统频率特性 1 1、发电机组和电力系统等效发电机组的、发电机组和电力系统等效发电机组的 功率频
12、率静态特性功率频率静态特性 OPGPG2PG1ff1f212发电机组的发电机组的功功率频率静态特率频率静态特性如右图，当性如右图，当功率增加到其功率增加到其额定功率时，额定功率时，输出功率不随输出功率不随频率变化。频率变化。174.3 电力系统频率特性电力系统频率特性1 1、发电机组和电力系统等效发电机组的、发电机组和电力系统等效发电机组的 功率频率静态特性功率频率静态特性 OPGPG2PG1ff1f212等效发电机组等效发电机组的的功率频率静功率频率静态特性如右图态特性如右图所示，它跟所示，它跟发发电机组的电机组的功率功率频率静态特性频率静态特性相似。相似。184.3 电力系统频率特性电力系
13、统频率特性1 1、发电机组和电力系统等效发电机组的、发电机组和电力系统等效发电机组的 功率频率静态特性功率频率静态特性 由此可见，由此可见，发电机组和等效发电机组的发电机组和等效发电机组的功率频率功率频率静态特性都是向下倾斜的，其程度用调差系数表示：静态特性都是向下倾斜的，其程度用调差系数表示： 194.3 电力系统频率特性电力系统频率特性2 2、电力系统综合负荷的静态频率特性、电力系统综合负荷的静态频率特性 电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负荷吸取的有功功率有的与频率无关，这些负荷吸取的有功功率有的与频率无关，有的与频率的一次方成正比，有的与频
14、率的有的与频率的一次方成正比，有的与频率的二次方成正比，有的与频率的更高次方成正二次方成正比，有的与频率的更高次方成正比。比。 204.3 电力系统频率特性电力系统频率特性综合负荷与频率的关系可表示成：综合负荷与频率的关系可表示成： 214.3 电力系统频率特性电力系统频率特性2 2、电力系统综合负荷的静态频率特性、电力系统综合负荷的静态频率特性 在额定频率附近，负荷的静态频率特性近在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线似为直线PLOfPL1f1负荷的静态频率特负荷的静态频率特性曲线的斜率称为性曲线的斜率称为负荷的频率调节效负荷的频率调节效应系数。应系数。224.3 电力系统频率特性电力
15、系统频率特性负荷的频率调节效应系数记为负荷的频率调节效应系数记为K KL L234.3 电力系统频率特性电力系统频率特性3 3、电力系统的频率特性、电力系统的频率特性 电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。如果把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力如果把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力系统是由两个环节组成的闭环系统。发电机组的功系统是由两个环节组成的闭环系统。发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性的交点就是电力率频率特性和负荷的功率频率特性的交点就是电力系统的频率的稳定运行点。系统的频率的稳定运行点。244.3 电力系统频率特性电力系统
16、频率特性3 3、电力系统的频率特性、电力系统的频率特性 OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2如图，当等效发电机如图，当等效发电机运行在特性运行在特性G1，综合，综合负荷特性为负荷特性为L1时，系时，系统运行在统运行在a点，系统频点，系统频率为率为f1。254.3 电力系统频率特性电力系统频率特性3 3、电力系统的频率特性、电力系统的频率特性 OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2当系统负荷增加，综当系统负荷增加，综合负荷特性为合负荷特性为L2时，时，如果不改变发电机调如果不改变发电机调速系统的设定值，等速系统的设定值，等效发电机特性仍然为效发电机特性仍然为G1
17、, 系统运行在系统运行在b点，点，系统频率为系统频率为f2。264.3 电力系统频率特性电力系统频率特性3 3、电力系统的频率特性、电力系统的频率特性 OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2如果当系统负荷增加，综如果当系统负荷增加，综合负荷特性变为合负荷特性变为L2时，改时，改变发电机调速系统的设定变发电机调速系统的设定值，等效发电机特性变为值，等效发电机特性变为G2, 则系统运行在则系统运行在c点，系点，系统频率回到统频率回到f1。274.4 电力系统频率调整电力系统频率调整 1 1、电力系统频率的一次调整、电力系统频率的一次调整 OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L
18、2G1G2当系统负荷增加，综合负荷当系统负荷增加，综合负荷特性为特性为L2时，发电机调速时，发电机调速系统的设定值不变，等效发系统的设定值不变，等效发电机特性仍然为电机特性仍然为G1, 系统运系统运行在行在b点，系统频率为点，系统频率为f2。这种由发电机特性和负荷调这种由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变节效应共同承担系统负荷变化使系统运行在另一频率的化使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调频率调整称为频率的一次调整。整。284.4 电力系统频率调整电力系统频率调整1 1、电力系统频率一次调整、电力系统频率一次调整 OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2 对于右
19、图，频率一次对于右图，频率一次调整的结果：调整的结果：发电机有功功率增加了发电机有功功率增加了PL2-PL1，负荷调节效应，负荷调节效应是负荷少吸收有功功率是负荷少吸收有功功率为为PL3-PL2，系统频率降，系统频率降低到低到f2。294.4 电力系统频率调整电力系统频率调整1 1、电力系统频率一次调整、电力系统频率一次调整 当系统负荷减少时，频率的一次调整过当系统负荷减少时，频率的一次调整过程与上述相反。即系统频率升高，发电机有程与上述相反。即系统频率升高，发电机有功功率减少，负荷调节效应使负荷吸取的有功功率减少，负荷调节效应使负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率有所增加。功功率相对于原频
20、率下的功率有所增加。304.4 电力系统频率调整电力系统频率调整2 2、电力系统频率二次调整、电力系统频率二次调整 OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2当系统负荷变化较大，当系统负荷变化较大，频率的一次调整结果，频率的一次调整结果，系统频率过高或过低时，系统频率过高或过低时，需要改变发电机调速系需要改变发电机调速系统的设定值，使系统频统的设定值，使系统频率恢复到规定范围内。率恢复到规定范围内。对于右图，等效发电机对于右图，等效发电机特性变为特性变为G2, 系统频率系统频率回到回到f1。314.4 电力系统频率调整电力系统频率调整2 2、电力系统频率二次调整、电力系统频率二次调
21、整 当系统负荷变化较大，通过改变当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到规定范围内的频率调整称为频恢复到规定范围内的频率调整称为频率的二次调整。率的二次调整。324.4 电力系统频率调整电力系统频率调整2 2、电力系统频率二次调整、电力系统频率二次调整 电力系统频率的二次调整任务是电力系统频率的二次调整任务是由调频发电厂中的发电机组承担的。由调频发电厂中的发电机组承担的。334.4 电力系统频率调整电力系统频率调整3 3、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 在频率的三次调整之前，让我们在频率的
22、三次调整之前，让我们先看看电力系统负荷的变化情况。先看看电力系统负荷的变化情况。 见下图见下图344.4 电力系统频率调整电力系统频率调整3 3、电力系统有功功率调整、电力系统有功功率调整 （频率的三次调整）（频率的三次调整）负荷总的变化情况负荷总的变化情况 随机分量随机分量 脉冲分量脉冲分量 持续分量持续分量354.4 电力系统频率调整电力系统频率调整3 3、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 由上图可见，总的负荷可分成三个部分：由上图可见，总的负荷可分成三个部分： 随机分量随机分量 脉冲分量脉冲分量 持续分量持续分量一次调频一次调频一、二次调频一
23、、二次调频发电计划加二次调频发电计划加二次调频364.4 电力系统频率调整电力系统频率调整3 3、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 负荷的持续分量，调度部门用日负荷曲线负荷的持续分量，调度部门用日负荷曲线来描述。日负荷曲线示例如下：来描述。日负荷曲线示例如下：374.4 电力系统频率调整电力系统频率调整3 3、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 从以上日负荷曲线可看到，把负荷分成基从以上日负荷曲线可看到，把负荷分成基荷和峰荷。相应地，调度部门把发电厂分为荷和峰荷。相应地，调度部门把发电厂分为三类：三类：
24、带基荷发电厂带基荷发电厂 调峰发电厂调峰发电厂 调频发电厂调频发电厂384.4 电力系统频率调整电力系统频率调整3 3、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 调度部门按日负荷曲线把发电计划下发到调度部门按日负荷曲线把发电计划下发到各类发电厂，计划发电计划与实际负荷不可各类发电厂，计划发电计划与实际负荷不可能完全一致，其差值称为计划外负荷。计划能完全一致，其差值称为计划外负荷。计划外负荷由调频厂承担。外负荷由调频厂承担。 394.4 电力系统频率调整电力系统频率调整3 3、电力系统有功功率调整（频率的三次调、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）整） 由
25、此可见，调度部门使用发电计划来由此可见，调度部门使用发电计划来解决大部分有功功率平衡问题的。解决大部分有功功率平衡问题的。 404.5 电力系统有功功率平衡及负荷电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配的合理分配1 1、有功电源、有功电源 发电厂是目前电力系统唯一的有功功率电源。发电厂是目前电力系统唯一的有功功率电源。 （1）火力发电厂：总容量一半以上。）火力发电厂：总容量一半以上。l燃油火力发电厂燃油火力发电厂l燃汽火力发电厂燃汽火力发电厂l燃烧火力发电厂效率高容量大燃烧火力发电厂效率高容量大l低温低压（低温低压（450，35大气压）大气压）l中温中压（中温中压（520，100大气压）大气压）l
26、高温高压（高温高压（550，180大气压）大气压）l超临界机组超临界机组 (575，200以上以上)（2）热力发电厂：发电）热力发电厂：发电+供热供热 强迫出力：为保证供热而必须发出的有强迫出力：为保证供热而必须发出的有功功率。功功率。414.5 电力系统有功功率平衡及负电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配荷的合理分配（3） 水力发电厂水力发电厂l多年调节库容水力发电厂多年调节库容水力发电厂l日调节库容水力发电厂日调节库容水力发电厂l径流式库容水力发电厂径流式库容水力发电厂l抽水蓄能库容水力发电厂抽水蓄能库容水力发电厂（4） 核能发电厂核能发电厂424.5 电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配
27、电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配水电厂强迫出力Fig 4.1热电厂强迫出力核电厂高效率大机组火电厂中温中压凝气式火电厂中温中压火电厂水电厂可调功率抽头蓄能基荷峰荷434.5 电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配2、 有功功率负荷有功功率负荷 有功功率负荷随天气、季节、每天的时间、天有功功率负荷随天气、季节、每天的时间、天气气,人们的生活工作习惯等变化，以各种负荷曲人们的生活工作习惯等变化，以各种负荷曲线来反映，是电力调度部门的重要依据。线来反映，是电力调度部门的重要依据。基荷：日负荷曲线最低点以下部分，基荷：日负荷曲线最低点以下部分，峰荷：基荷与最大负荷
28、之间的部分。峰荷：基荷与最大负荷之间的部分。444.5 电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配2、 有功功率负荷有功功率负荷 实际负荷变化的特点实际负荷变化的特点 实际负荷变化由三种成分构成：实际负荷变化由三种成分构成：n变化幅度很小，变化周期最短（一般为变化幅度很小，变化周期最短（一般为10S以内），以内），一般由中小型用电设备的投入切除引起，带有很大的一般由中小型用电设备的投入切除引起，带有很大的随机性。随机性。n变化幅度较大，变化周期较短（变化幅度较大，变化周期较短（10S-3m），一般为），一般为轧钢机等的较大的间断性负荷；轧钢机等的较大的间断性负荷；
29、n变化缓慢权的持续变化部分，由人们的作息制度、生变化缓慢权的持续变化部分，由人们的作息制度、生活习惯、天气等决定。活习惯、天气等决定。453、两并联机组的有功功率分配基本原则：l基荷由具有强迫功率，不可调功率或高效率的热力发电厂，电力发电厂，核能发电厂，迳流式水力发电厂，泄洪灌溉等水力发电厂等承担。l峰荷由有调节水库的水力发电厂，燃气轮机发电厂和中温中压火力发电厂等承担。464.5 电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配4、 有功功率电源的备用有功功率电源的备用 为满足预计外的负荷需求和负荷变化，需要以下几种备用：为满足预计外的负荷需求和负荷变化，需要以下几种
30、备用：负荷备用：为满足负荷波动和计划外增加的负荷而设置的备负荷备用：为满足负荷波动和计划外增加的负荷而设置的备用（最大负荷的用（最大负荷的3-5%）。）。事故备用：在电力系统中发电设备发生偶然故障时，为保证事故备用：在电力系统中发电设备发生偶然故障时，为保证向用户正常供电而设置的备用。（向用户正常供电而设置的备用。（5%10%，最大单最大单机容量）机容量）检修备用：为发电设备的定期检修及设置的备用。检修备用：为发电设备的定期检修及设置的备用。国民经济备用：考虑到国民经济超计划增长而设置的备用。国民经济备用：考虑到国民经济超计划增长而设置的备用。l热备用：所有发电机组最大可能出力之和与该时刻总负热备用：所有发电机组最大可能出力之和与该时刻总负荷的差值，（根据需要随时可以投入的备用）荷的差值，（根据需要随时可以投入的备用） 热备用包括部分事故备用和全部负荷备用。热备用包括部分事故备用和全部负荷备用。l冷备用：处于待机状态，但设备完好，随时可以启动的冷备用：处于待机状态，但设备完好，随时可以启动的发电设备。发电设备。47
