電力系統(tǒng)ppt課件

1、第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調(diào)整,第一節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡第二節(jié) 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,本章將闡述正常、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況的優(yōu)化和調(diào)整，主要是有功功率和頻率的調(diào)整，系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分布和頻率調(diào)整的問(wèn)題。 有功功率與頻率的關(guān)系 電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻 電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻 有功功率的最優(yōu)分配(三次調(diào)頻) 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率及輸送功率的調(diào)整,5.1 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡,一、頻率變化對(duì)用戶和

2、發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響,電力設(shè)備在額定頻率下設(shè)計(jì)：好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，是電能質(zhì)量的另一項(xiàng)重要指標(biāo)。,用戶觀點(diǎn)：要求提供合格的f優(yōu)質(zhì)電能商品。,影響舉例： 電動(dòng)機(jī)： f 降低，轉(zhuǎn)速改變，電動(dòng)機(jī)有功功率降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量。 電子設(shè)備：對(duì)f 敏感，要求更高，現(xiàn)代投資環(huán)境。 火電廠主要設(shè)備：水泵、風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)都是異步機(jī)， f 下降，異步電動(dòng)機(jī)和變壓器勵(lì)磁電流大大增加，消耗的無(wú)功功率增大，引起系統(tǒng)所需無(wú)功功率

3、增加，從而引起電壓降低，使調(diào)壓困難，輸出有功功率下降， f 進(jìn)一步下降，惡性循環(huán)。,汽輪機(jī)葉片：f 偏移可能引起共振，縮短壽命，嚴(yán)重時(shí)斷裂。,頻率偏移的允許范圍,目前我國(guó)規(guī)定：50±0.2Hz,發(fā)達(dá)國(guó)家：50±0.1Hz 隨著頻率自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)一些電網(wǎng)已經(jīng)做到50±0.1Hz。,二、有功功率與系統(tǒng)頻率的關(guān)系,在穩(wěn)態(tài)情況下，全系統(tǒng)各點(diǎn)的頻率都相等，所有發(fā)電機(jī)都保持同步運(yùn)行。每一臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

4、與系統(tǒng)頻率之間的關(guān)系為：,1、電力系統(tǒng)的頻率與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的關(guān)系,n:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，P發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率PM和發(fā)電機(jī)輸出地電磁功率PE 。,電網(wǎng)f:由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω體現(xiàn) 。 當(dāng)發(fā)電機(jī)PM與PE平衡時(shí)， ω和f不變，負(fù)荷PL隨機(jī)變化引起 PE隨機(jī)變化， PM無(wú)法突變，引起f隨機(jī)變化。 結(jié)論：頻率偏移不可避免。,為了保持系統(tǒng)的頻率在額定值附近，需要不斷調(diào)整原動(dòng)機(jī)的輸入功率，使發(fā)電機(jī)的輸

5、出功率與系統(tǒng)負(fù)荷有功功率的變化相適應(yīng)，從而使發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速不至于過(guò)大。,因此，系統(tǒng)頻率的控制，與負(fù)荷有功功率的變化及其在發(fā)電機(jī)間的分配以及發(fā)電機(jī)組功率的控制密切相關(guān),1、有功功率的變動(dòng)及其調(diào)整,三、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡和備用容量,電力系統(tǒng)有功功率負(fù)荷（以下簡(jiǎn)稱負(fù)荷）時(shí)刻都在作不規(guī)則變化，如右圖所示。對(duì)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷變化曲線的分析表明，系統(tǒng)負(fù)荷可以看作是由三種具有不同變化規(guī)律的變動(dòng)負(fù)荷所組成： 第一種是變化幅度很小，變化周期短（以

6、幾秒為周期），負(fù)荷變動(dòng)有很大的偶然性； 第二種是變化幅度大，變化周期較長(zhǎng)（以幾分鐘為周期）； 第三種是變化緩慢的持續(xù)變動(dòng)負(fù)荷，幅度最大，周期最長(zhǎng)。,頻率的一次調(diào)整（或稱為一次調(diào)頻）是對(duì)第一種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移作調(diào)整,由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行調(diào)整的，當(dāng)調(diào)速器的測(cè)速系統(tǒng)感受到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化（如轉(zhuǎn)速下降），調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率（增加發(fā)電機(jī)的功率）；由調(diào)速器來(lái)平衡負(fù)荷變動(dòng)的方式常稱為頻率的一次調(diào)整；一次調(diào)頻是所有運(yùn)

7、行中的發(fā)電機(jī)組都可以參加，取決于發(fā)電機(jī)組是否已經(jīng)滿負(fù)荷發(fā)電。,負(fù)荷的變化將引起頻率的相應(yīng)變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上分一次、二次、三次調(diào)整三種。,頻率的三次調(diào)整（或稱為三次調(diào)頻）是對(duì)第三種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移作調(diào)整。將在有功功率平衡的基礎(chǔ)上，按照最優(yōu)化的原則在各發(fā)電廠之間進(jìn)行分配。,頻率的二次調(diào)整（或稱為二次調(diào)頻）是對(duì)第二種負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移作調(diào)整。只由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器動(dòng)作不能滿足頻率偏差的要求，故由發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器來(lái)

8、調(diào)整，這種調(diào)整稱為電力系統(tǒng)頻率的二次調(diào)整；二次調(diào)頻廠往往是系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)。,2、有功功率電源,投入運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備可發(fā)功率之和是真正可供調(diào)度的系統(tǒng)電源容量，其不應(yīng)小于包括網(wǎng)損和廠用電在內(nèi)的系統(tǒng)（總）發(fā)電負(fù)荷。,電力系統(tǒng)中有功功率電源是各類發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)。,系統(tǒng)中的總裝機(jī)容量=所有發(fā)電機(jī)額定容量之和。,但系統(tǒng)中的電源容量并不一定始終等于所有發(fā)電機(jī)額定容量之和，這是因?yàn)椴皇撬邪l(fā)電機(jī)組都是不間斷地全部投入運(yùn)行（停運(yùn)、檢修等），且投入運(yùn)行的發(fā)電

9、機(jī)組也不是全部按額定容量發(fā)電。,系統(tǒng)中的電源容量=可投入發(fā)電設(shè)備的可發(fā)功率之和。,3、有功功率平衡和備用容量 電力系統(tǒng)中，在任何時(shí)候，所有發(fā)電廠發(fā)出的有功功率的總和 ，而 包括所有用戶的有功功率 、所有發(fā)電廠廠用電有功負(fù)荷 和網(wǎng)絡(luò)的有功損耗 ，即,為保證可靠供電和良好的電能質(zhì)量，電力系統(tǒng)的有功功率平衡在額定運(yùn)行參數(shù)下確定。而且，還應(yīng)具有一定的備用容量，也就是在系統(tǒng)最大負(fù)荷情況下，系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分稱系

10、統(tǒng)的備用容量。 系統(tǒng)備用容量一般分負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用和國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用等。,（5-1）,（1）負(fù)荷備用：是指調(diào)整系統(tǒng)中短時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)并擔(dān)負(fù)計(jì)劃外的負(fù)荷增加而設(shè)置的備用。負(fù)荷備用容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并考慮系統(tǒng)中各類用電的比重確定。一般為最大負(fù)荷的2％一5％，大系統(tǒng)采用較小數(shù)值，小系統(tǒng)采用較大數(shù)值。 （2）事故備用：是使電力用戶在發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然性事故時(shí)不受嚴(yán)重影響，維持系統(tǒng)正常供電所需的備用。事故備用

11、容量的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)容量、發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)、單位機(jī)組容量、機(jī)組的事故概率、系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)等確定，—般約為最大負(fù)荷的5％一10 ％，但不得小于系統(tǒng)中最大機(jī)組的容量。,（3）檢修備用：為保證系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備進(jìn)行定期檢修時(shí)，不致影響供電而在系統(tǒng)中留有的備用容量。所以發(fā)電設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間以后，都必須進(jìn)行檢修。檢修分大修和小修。一般大修時(shí)分批分期安排在一年中最小負(fù)荷季節(jié)進(jìn)行。小修則利用節(jié)假日進(jìn)行，以盡量減少因檢修停機(jī)所需的備用容量。 （4）國(guó)民經(jīng)

12、濟(jì)備用：是考慮到工農(nóng)業(yè)用戶的超計(jì)劃生產(chǎn)，新用戶的出現(xiàn)等而設(shè)置的備用容量，其值根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)情況而確定，一般約為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%—5%。,負(fù)荷備用和事故備用，是在系統(tǒng)每天的運(yùn)行過(guò)程中都必須加以考慮和安排，檢修備用在安排每年運(yùn)行方式時(shí)加以考慮，國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用屬于電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)考慮的內(nèi)容。,負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用、國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用歸納起來(lái)以熱備用和冷備用的形式存在于系統(tǒng)中。而不難想見(jiàn)，熱備用中至少應(yīng)包括全部負(fù)荷備用和一部分事故備用。

13、,熱備用：是指所有投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組可能發(fā)出的最大功率之和與全系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷之差，因而稱為運(yùn)轉(zhuǎn)備用或旋轉(zhuǎn)備用。,負(fù)荷備用必須以熱備用的形式存在于系統(tǒng)之中，事故備用中一部分應(yīng)為熱備用，另一部分用冷備用的形式存在。,冷備用：冷備用容量是指系統(tǒng)中處于停止運(yùn)行狀態(tài)，但可以隨時(shí)待命啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)組最大出力的總和。,冷備用可以作為檢修備用和國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用及一部分事故備用。,電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠主要有以下三類水力發(fā)電廠火力發(fā)電廠原子能發(fā)電廠（核電廠）

14、 各類發(fā)電廠由于其設(shè)備容量、機(jī)械特性、使用的動(dòng)力資源等不同，而有著不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性。必須結(jié)合它們的特點(diǎn)，合理地組織這些發(fā)電廠的運(yùn)行方式，恰當(dāng)安排它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)日負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線中的位置，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。,四、各類發(fā)電廠的特點(diǎn)及合理組合,1、火力發(fā)電廠的主要特點(diǎn) （1）要支付燃料及運(yùn)輸費(fèi)用，不受自然條件的影響。 （2）火力發(fā)電廠的鍋爐和汽輪機(jī)都有一個(gè)技術(shù)最小負(fù)荷的限制，啟停時(shí)間長(zhǎng)且啟停費(fèi)用高。 （3）不

15、同參數(shù)的火力發(fā)電設(shè)備，效率不同。高溫高壓設(shè)備效率最高，可以靈活調(diào)節(jié)的范圍窄，中溫中壓設(shè)備效率較前者低，但可以靈活調(diào)節(jié)的范圍較前者寬，低溫低壓設(shè)備效率最低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最差。 （4）熱電廠（帶有熱負(fù)荷的火電廠），由于抽氣供熱，總效率高于一般凝汽式火電廠，但與熱負(fù)荷相應(yīng)的輸出功率是不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫功率。,（一）各類發(fā)電廠的特點(diǎn),3、水力發(fā)電廠的特點(diǎn) （1）必須釋放水量－－強(qiáng)迫功率。 （2）出力調(diào)節(jié)范圍比火電機(jī)組大

16、，其最小技術(shù)負(fù)荷由水電廠具體條件決定，啟停費(fèi)用低，且操作簡(jiǎn)單。 （3）不需燃料費(fèi)，但一次投資大，水電廠的運(yùn)行依水庫(kù)調(diào)節(jié)性能的不同，在不同程度上受自然條件的影響。,2、原子能發(fā)電廠的特點(diǎn) （1）反應(yīng)堆負(fù)荷基本沒(méi)限制，最小技術(shù)負(fù)荷取決于汽輪機(jī)，為額定負(fù)荷10～15％。 （2）啟停費(fèi)用高；負(fù)荷急劇變化時(shí)，調(diào)節(jié)費(fèi)用高；啟停及急劇調(diào)節(jié)時(shí)，易于損壞設(shè)備。 （3）一次投資大，運(yùn)行費(fèi)用小。,（4）水電廠按其有無(wú)調(diào)節(jié)水庫(kù)、調(diào)節(jié)水庫(kù)的大小或

17、功能分為無(wú)調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)和抽水蓄能等幾類。,無(wú)調(diào)節(jié)水庫(kù)水電廠任何時(shí)刻發(fā)出的功率都取決于河流的天然流量，當(dāng)天然流量沒(méi)有變化的時(shí)候，這種水電廠發(fā)出的功率也基本沒(méi)有變化。,有調(diào)節(jié)水庫(kù)水電廠的運(yùn)行方式主要取決于水庫(kù)調(diào)度所給定的水電廠耗水量，洪水季節(jié)，給定的耗水量交大，往往滿負(fù)荷運(yùn)行；枯水季節(jié)，給定的耗水量較小，為了盡可能有效利用這部分水量，節(jié)約火電廠的燃料消耗，往往承擔(dān)急劇變動(dòng)的負(fù)荷。,日調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)之

18、分，則取決于水庫(kù)容量，水庫(kù)容量越大，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。,原則（1）充分利用水源。 （2）降低火電機(jī)組的單位煤耗，發(fā)揮高效機(jī)組的作用。 （3）盡量降低火力發(fā)電成本。 根據(jù)上述原則，在夏季豐水期和冬季枯水期各類電廠在日負(fù)荷曲線中的安排示意圖，見(jiàn)圖5-2。,（二）各類發(fā)電廠的合理組合,火電廠：承擔(dān)基本不變的負(fù)荷，避免頻繁開停設(shè)備或增減負(fù)荷，高溫高壓電廠因效率最高，因優(yōu)先投入，中溫中壓電廠、低溫低壓電廠設(shè)備陳舊、效率很低，

19、只能在高峰負(fù)荷期間發(fā)出必要的功率。,核電廠：可調(diào)容量大，一次投資大，運(yùn)行費(fèi)用小，應(yīng)持續(xù)承擔(dān)額定容量負(fù)荷，在負(fù)荷曲線的基底部分運(yùn)行。,無(wú)調(diào)節(jié)水庫(kù)水電廠：全部功率應(yīng)首先投入。,有調(diào)節(jié)水庫(kù)水電廠：強(qiáng)迫功率都不可調(diào)，首先投入。在豐水季節(jié)，為防止棄水，優(yōu)先投入，枯水季節(jié)則相反，應(yīng)承擔(dān)高峰負(fù)荷。使火電廠的負(fù)荷更平穩(wěn)，從而減少設(shè)備開?；蜇?fù)荷增減，從而節(jié)約總的燃料消耗。,抽水蓄能水電廠：在低谷時(shí)，其水輪機(jī)發(fā)電組作為電動(dòng)機(jī)水泵方式運(yùn)行，因而作負(fù)荷考慮，在

20、高峰負(fù)荷時(shí)發(fā)電，與常規(guī)水電廠無(wú)異。,圖5-2 各類發(fā)電廠組合順序示意圖（a）枯水季節(jié) （b）豐水季節(jié),夏季豐水期，水量充足，水電廠應(yīng)帶基本負(fù)荷以避免棄水、節(jié)約燃煤。在此期間，可抓緊時(shí)間進(jìn)行火電廠設(shè)備的檢修。冬季枯水期，來(lái)水較少，應(yīng)由凝汽式火電廠承擔(dān)基本負(fù)荷，水電廠則承擔(dān)尖峰負(fù)荷。,有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配：是指系統(tǒng)的有功功率負(fù)荷在各個(gè)正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配，經(jīng)典的方法可是按等耗量微增率準(zhǔn)則進(jìn)行分配。,五、有

21、功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配,電力系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行：研究的問(wèn)題主要是在保證用戶用電需求的前提下，如何優(yōu)化地調(diào)度系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)組和系統(tǒng)中可調(diào)狀態(tài)變量的運(yùn)行工況，從而使系統(tǒng)發(fā)電所消耗的總?cè)剂舷牧炕蚓W(wǎng)絡(luò)損耗達(dá)到最小。,1、耗量特性 電力系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷合理分配的目標(biāo)是，在滿足一定約束條件的前提下，盡可能節(jié)約消耗的能源。,五、有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配,（5-2）,(1)比耗量 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸入能量與輸出功率之比。為耗量特性曲線上某一點(diǎn)縱坐標(biāo)

22、和橫坐標(biāo)的比值。,圖5-3 耗量特性,如圖5-3所示，縱坐標(biāo)為單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃料F(或水量W)噸/小時(shí),橫坐標(biāo)以kW或MW表示的電功率 。,圖5-4 效率曲線和微增率曲線,圖5-3 耗量特性,(2)發(fā)電設(shè)備的效率 ：當(dāng)耗量特性縱橫坐標(biāo)的單位相同時(shí)，,2、目標(biāo)函數(shù)和約束條件 明確了有功功率負(fù)荷的大小和耗量特性，在系統(tǒng)中有一定的備用容量時(shí)，就可以考慮這些負(fù)荷在已運(yùn)行發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問(wèn)題。在數(shù)學(xué)上，其性質(zhì)

23、是在一定的約束條件下，使某一函數(shù)為最優(yōu)，而這些約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是各種變量——狀態(tài)變量、控制變量、擾動(dòng)變量的非線性函數(shù)?？杀磉_(dá)為在滿足等約束條件：,和不等式約束條件,的前提下，使目標(biāo)函數(shù),為最優(yōu),有功負(fù)荷的最優(yōu)分配的目的在于：在供應(yīng)同樣大小負(fù)荷有功功率 的前提下，單位時(shí)間內(nèi)的能源消耗最少。這目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該是總耗量。原則上，這總耗量應(yīng)與所有變量有關(guān)，但通常認(rèn)為，它只是各發(fā)電設(shè)備所發(fā)有功功率 的函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)可寫作,（5-4

24、）,（5-5）,（5-6）,等式約束條件：有功功率必須保持平衡的條件。 對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)： 對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)： 若不計(jì)網(wǎng)損：,（5-7）,（5-8）,（5-9）,不等式約束條件：分別為發(fā)電設(shè)備各節(jié)點(diǎn)有功功率 ，無(wú)功功率 和電壓大小不得超越的限額，即,（5-10）,上式中， 通常取發(fā)電設(shè)備的額定有功功率； 因發(fā)電機(jī)設(shè)備的類型而異，對(duì)火力發(fā)電設(shè)備的 不得低于額定有功功率的25%~70%。

25、 取決于發(fā)電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子繞組的溫升， 主要取決于發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性和定子端部溫升等。 和 則由對(duì)電能質(zhì)量的要求所決定。,3、最優(yōu)分配負(fù)荷時(shí)的等耗量微增率準(zhǔn)則 為了簡(jiǎn)化分析，將有功負(fù)荷的分配局限在兩臺(tái)發(fā)電設(shè)備或兩個(gè)火力發(fā)電廠之間，并略去網(wǎng)絡(luò)損耗。 分析這類方法可用條件極值的拉格朗日乘數(shù)法，為求滿足等約束條件 時(shí)目標(biāo)函數(shù) 的最小值，根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和等式

26、約束條件建立一個(gè)新的、不受約束的目標(biāo)函數(shù)——拉格朗日函數(shù)。 對(duì)拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到最小值時(shí)應(yīng)有的三個(gè)條件：,（5-11）,（5-12）,由于,（5-13）,（5-14）,（5-15）,又由于 、 分別為發(fā)電設(shè)備1、2各自承擔(dān)有功功率 、 時(shí)的耗量微增率 、 ，求解（5-14）得到：,這就是著名的等耗量微增率準(zhǔn)則，表示為使總耗量最小，應(yīng)按相等

27、的耗量微增率在發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間分配負(fù)荷。,公式（5-14）中的第三式就是給定的等約束條件—功率平衡的條件。 無(wú)疑，以上分析方法和推導(dǎo)得到的結(jié)論可推廣用于更多地發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的負(fù)荷分配，式（5-15）應(yīng)該改寫為,（5-16）,等微增率準(zhǔn)則的物理解釋：,煤耗微增率是機(jī)組增加單位出力時(shí)所增加的燃料消耗量，如果在某一有功功率分配情況下，各機(jī)組的煤耗微增率不等，例如機(jī)組i的煤耗微增率小于機(jī)組j，在此情況下，若將機(jī)組i的出力增

28、加一個(gè)微小增量并同時(shí)將機(jī)組j減少同一數(shù)量，使功率仍保持平衡，則其結(jié)果是機(jī)組i因此而增加的燃料消耗量將小于機(jī)組j減少的燃料消耗量，即可以使全系統(tǒng)的燃料消耗量減少，由此說(shuō)明應(yīng)該增加機(jī)組i的出力并減少j的出力，直至它們的煤耗量微增率相等為止。,5.2 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,一、電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率——頻率靜態(tài)特性 當(dāng)頻率變化時(shí)，電力系統(tǒng)中的有功功率負(fù)荷也將發(fā)生變化。當(dāng)電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中有功負(fù)荷隨頻率的變化特性稱為負(fù)荷的有功

29、功率-頻率靜態(tài)特性。 電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的有功功率與頻率的關(guān)系用數(shù)學(xué)式表示為 式中， 為電力系統(tǒng)頻率為 時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷， 為電力系統(tǒng)頻率為額定值 時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷， 為上述有功負(fù)荷占 的百分?jǐn)?shù)。,（5-17）,式（5-17）表明，當(dāng)電力系統(tǒng)的頻率降低時(shí)，電力系統(tǒng)的有功負(fù)荷也降低。,一般情況下，式（5-17）的多項(xiàng)式寫到三次方項(xiàng)即可，因與頻率更高次方成正比的有功負(fù)荷比重很小，故可以忽略

30、。這種關(guān)系式稱為電力系統(tǒng)的有功功率—頻率靜態(tài)特性方程。,這種關(guān)系可以用曲線來(lái)表示，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，允許頻率變化的范圍很小，在較小的頻率變化范圍內(nèi)，例如45~50Hz范圍內(nèi)，這種關(guān)系接近一直線。,,,圖5-6 負(fù)荷的有功功率—頻率靜態(tài)特性曲線,左圖所示的是電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率—頻率靜態(tài)特性曲線，它是一直線段，當(dāng)系統(tǒng)的頻率略有下降，負(fù)荷的有功功率成正比自動(dòng)減小，圖中直線的斜率為,（5-18）,或用標(biāo)幺值表示為：,（5-19）,、

31、 表示電力系統(tǒng)的有功負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)效應(yīng)。當(dāng)頻率下降時(shí)，有功負(fù)荷也自動(dòng)減少。 、 為有功負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，或簡(jiǎn)稱為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。 的數(shù)值決定于全電力系統(tǒng)各類有功負(fù)荷的比重，不同電力系統(tǒng)或同一電力系統(tǒng)不同時(shí)刻的 值都可能不同，為不可控量。,是電力系統(tǒng)調(diào)度部門應(yīng)該掌握的一個(gè)數(shù)據(jù)，在實(shí)際電力系統(tǒng)中，它需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)求得，一般電力系統(tǒng) =1~3，它表示頻率變化1%時(shí)，負(fù)荷有功功率相應(yīng)地變化1%

32、~3%。,二、發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性,1、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng),發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)是由原動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)系統(tǒng)有功功率平衡遭到破壞，引起頻率變化，原動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)將自動(dòng)改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的進(jìn)汽（水）量，相應(yīng)增加或減少發(fā)電機(jī)的出力，當(dāng)調(diào)速器的調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，建立新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的有功功率同頻率之間的關(guān)系，稱為發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性。,目前，我國(guó)原動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)有很多種，根據(jù)測(cè)量環(huán)節(jié)的工作原理，可以分為機(jī)械液壓調(diào)速系統(tǒng)和電氣液壓調(diào)

33、速系統(tǒng)兩大類。下面僅介紹原始的機(jī)械調(diào)速系統(tǒng)—離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)。,如右圖所示：調(diào)速系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：Ⅰ 為轉(zhuǎn)速測(cè)量元件（飛擺）； Ⅱ?yàn)榉糯笤ㄥe(cuò)油門）； Ⅲ為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油動(dòng)機(jī)）； Ⅳ為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)（調(diào)頻器）。,圖5-7 離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖,工作原理：調(diào)速器的飛擺由套筒帶動(dòng)，套筒則由原動(dòng)機(jī)主軸帶動(dòng)，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，因機(jī)組負(fù)荷增大，轉(zhuǎn)速下降，飛擺由于離心力減小，在彈簧的作用下向轉(zhuǎn)軸靠攏，使滑塊A點(diǎn)向下移動(dòng)到A’。此時(shí)，油動(dòng)機(jī)還未動(dòng)作

34、，故杠桿ACB的B點(diǎn)不動(dòng)，整個(gè)杠桿以B點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)到A’B，C點(diǎn)下降到C’點(diǎn)，而D點(diǎn)固定，CF之間的距離也是固定的，因此D點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到DE’，E點(diǎn)下降到E’，錯(cuò)落門Ⅱ活塞向下移動(dòng)，打開通向油動(dòng)機(jī)的油孔，壓力油便進(jìn)入油動(dòng)機(jī)，活塞向上移動(dòng)，使汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽門或水輪機(jī)的導(dǎo)向葉片開度增大，增加進(jìn)汽量或水量。使原動(dòng)機(jī)的輸入功率增加，機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率）遍開始回升，隨著轉(zhuǎn)速上升，套筒開始從A’點(diǎn)回升，同時(shí)杠桿B點(diǎn)也跟著上升，帶動(dòng)杠桿DFE以D點(diǎn)逆時(shí)針

35、轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)C點(diǎn)及杠桿DFE恢復(fù)到原來(lái)的位置時(shí)，錯(cuò)油門活塞重新堵住兩個(gè)油孔，油動(dòng)機(jī)活塞上、下兩側(cè)油壓相互平衡，調(diào)整過(guò)程結(jié)束，此時(shí)B點(diǎn)上升到B ’’點(diǎn)，A點(diǎn)略有下降到達(dá)A’’，相應(yīng)的機(jī)組轉(zhuǎn)速比原來(lái)的較低，這就是頻率的一次調(diào)整。,可見(jiàn)，若負(fù)荷增大，調(diào)速器使發(fā)電機(jī)輸出功率增加，頻率低于初始值，若負(fù)荷減小，調(diào)速器使發(fā)電機(jī)的輸出功率減小，頻率高于初始值。,當(dāng)負(fù)荷增加引起的轉(zhuǎn)速下降較大時(shí)，由機(jī)組調(diào)速器自動(dòng)進(jìn)行一次調(diào)整，并不能使轉(zhuǎn)速完全恢復(fù)，為了轉(zhuǎn)速（頻

36、率）恢復(fù)到允許偏差的范圍內(nèi)，需要進(jìn)行二次調(diào)整。,為使負(fù)荷增加后機(jī)組的轉(zhuǎn)速仍能維持原始轉(zhuǎn)速，在外界信號(hào)的作用下，調(diào)頻器轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪、蝸桿，將D點(diǎn)抬高，杠桿DE繞F點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，錯(cuò)油門再次向下移動(dòng)進(jìn)一步增加進(jìn)汽或進(jìn)水量，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，離心飛擺的位置由A’’向上升。而在油動(dòng)機(jī)活塞向上移動(dòng)時(shí)，杠桿AB繞A’’逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)CFE向上移動(dòng)，再次堵住錯(cuò)油門小孔，A點(diǎn)回到原來(lái)的位置，CB平行上移，整個(gè)系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)，這就是頻率的二次調(diào)整。,(一)

37、概念介紹 1）發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)或電源頻率特性的斜率。,2、發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性,（5-20）,上式 和 分別是發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率的有名值和標(biāo)幺值，負(fù)號(hào)表示發(fā)電機(jī)輸出有功功率的變化和頻率變化的方向相反，即發(fā)電機(jī)輸出有功功率增加時(shí)，頻率是降低的。,圖5-8 發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜特性,2）發(fā)電機(jī)是調(diào)差系數(shù),這個(gè)單位調(diào)節(jié)功率和機(jī)組的調(diào)差系數(shù) 有一定的關(guān)系。 所謂機(jī)組的

38、調(diào)差系數(shù)，是以百分?jǐn)?shù)表示的機(jī)組空載運(yùn)行時(shí)的頻率 與額定條件下運(yùn)行時(shí)的頻率 的差值，即,（5-21）,可定量表明一臺(tái)機(jī)組負(fù)荷改變時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速偏移。例如：當(dāng) ( 從0~1)，若有功負(fù)荷改變1%，頻率偏移為0.05%；若有功負(fù)荷改變20%，則頻率將偏移1%（0.5Hz）。,（5-22）,發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：,當(dāng)取 的基準(zhǔn)值 時(shí)，它的標(biāo)幺值為,（5-23）,一般來(lái)說(shuō)發(fā)電機(jī)的單位

39、調(diào)節(jié)功率是可以整定的： 汽輪發(fā)電機(jī)組 =3%~5%,或 =33.3~20 水輪發(fā)電機(jī)組 =2%~4%,或 =50~25,這與負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng) 不同，發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù) 或相應(yīng)的單位調(diào)節(jié)功率 是可以整定的。調(diào)差系數(shù)的大小對(duì)頻率偏移的影響很大，調(diào)差系數(shù)越?。磫挝徽{(diào)節(jié)功率越大），頻率偏移也越小。,圖5-9 頻率的一次調(diào)整,三、頻率的一次調(diào)整,在電力系統(tǒng)中，所有發(fā)電機(jī)組都具有

40、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，它們共同承擔(dān)頻率的一次調(diào)整，主要是針對(duì)全系統(tǒng)有功負(fù)荷的隨機(jī)變化，同時(shí)考慮全系統(tǒng)等值發(fā)電機(jī)組的頻率特性和全系統(tǒng)總負(fù)荷的頻率特性。,圖中的直線 和 分別為等值發(fā)電機(jī)組和總負(fù)荷的頻率特性，它們的交點(diǎn)O對(duì)應(yīng)于等值發(fā)電機(jī)組的出力 和總負(fù)荷吸收的有功功率 相平衡。負(fù)荷增加后，負(fù)荷所吸收的有功功率由原來(lái)的 增加到 。,新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)為直線 和 的交點(diǎn)為 ，在該點(diǎn)等值發(fā)電機(jī)組的出力和增加后的負(fù)荷所

41、取用的有功功率打到新的平衡，系統(tǒng)的頻率有所降低，有,這里的 實(shí)際上小于零，等值發(fā)電機(jī)組的有功功率增量與頻率增量之間的關(guān)系。,可以得出,負(fù)荷由于其頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)而產(chǎn)生的功率增量,（5-24）,（5-25）,KS：稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動(dòng)機(jī)調(diào)速器和負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。,KG和 KL用標(biāo)幺值表示時(shí)：,兩端同時(shí)除以統(tǒng)一的基準(zhǔn)值PLN/ fN可以導(dǎo)出：,稱為系統(tǒng)的熱備用系數(shù)。,由于負(fù)荷的

42、KL不可調(diào)，發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率KG調(diào)節(jié)幅度也有限，故以此調(diào)頻只能限制周期短、幅度小的負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移。,（5-26）,（5-27）,工作原理總結(jié)由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率不能及時(shí)變動(dòng)而使機(jī)組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時(shí)，發(fā)電機(jī)組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少，經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減的振蕩過(guò)程，達(dá)到新的平衡。,3）注意：取功率的增大或頻率的上升為正；為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過(guò)大的單位調(diào)節(jié)功

43、率；對(duì)于滿載機(jī)組，不再參加調(diào)整。對(duì)于系統(tǒng)有若干臺(tái)機(jī)參加一次調(diào)頻： 具有一次調(diào)頻的各機(jī)組間負(fù)荷的分配，按其調(diào)差系數(shù)即下降特性自然分配。一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)。,（5-28）,四、頻率的二次調(diào)整,在實(shí)際電力系統(tǒng)中，基本上所有機(jī)組都裝有自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，因此所有機(jī)組都 一次調(diào)頻。而當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)幅度較大（0.5%~1.5%），周期較長(zhǎng)（幾分鐘），引起的頻率變化，依靠一次調(diào)頻作用已不能保持在允許范圍內(nèi)，就需要由發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器動(dòng)作，使發(fā)

44、電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性平移來(lái)改變發(fā)電機(jī)的有功功率，以保證電力系統(tǒng)頻率不變或在允許范圍內(nèi)。,然而，頻率的二次調(diào)整，既不是所有的機(jī)組都參與，也不是連續(xù)不斷地進(jìn)行，而是每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次，其周期因系統(tǒng)而異，二次調(diào)頻是由發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器實(shí)現(xiàn)的，一般只由系統(tǒng)的調(diào)頻廠即系統(tǒng)的中的平衡節(jié)點(diǎn)的發(fā)電廠擔(dān)負(fù)的。,圖5-10 頻率的二次調(diào)整,頻率的二次調(diào)整，就是手動(dòng)或自動(dòng)地操作調(diào)頻器，使發(fā)電機(jī)組的頻率特性平行上下移動(dòng)，使負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率偏移保持

45、在允許的范圍內(nèi)，下圖說(shuō)明二次調(diào)頻的作用。,圖中的直線 和 分別為等值發(fā)電機(jī)組和總負(fù)荷的頻率特性，當(dāng)負(fù)荷變化到 時(shí)，若二次調(diào)頻不動(dòng)作，則直線 和 相交于點(diǎn) 點(diǎn)，頻率下降到 ，若二次調(diào)頻使 移動(dòng)到 ，則二次調(diào)頻發(fā)出的功率為線段OC，由于頻率的偏差發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻增加的功率為線段CB，由于負(fù)荷的頻率特性自動(dòng)調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負(fù)荷功率為線段AB。,由圖可知,得,可見(jiàn)，在相同的系統(tǒng)單位單位調(diào)節(jié)功率下，由于調(diào)頻廠增

46、發(fā)的二次調(diào)頻功率 ，則頻率的偏差 減小，如果系統(tǒng)調(diào)頻廠的容量比較大，而發(fā)電機(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量，即 ，則 ，即所謂的無(wú)差調(diào)節(jié)。,當(dāng)系統(tǒng)中有n臺(tái)機(jī)組，由第n臺(tái)機(jī)組擔(dān)負(fù)二次調(diào)頻任務(wù)時(shí)，有：,（5-29）,（5-30）,由上述可見(jiàn)，在進(jìn)行頻率的二次調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷的增減基本上由調(diào)頻機(jī)組或調(diào)頻廠來(lái)承擔(dān)，如調(diào)頻廠不位于負(fù)荷中心，有可能出現(xiàn)在控制系統(tǒng)頻率的同時(shí)，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線交換的有功功率超出允許值的情況，

47、這樣就出現(xiàn)了在調(diào)整系統(tǒng)頻率的同時(shí)，控制聯(lián)絡(luò)線上流通功率的問(wèn)題。,調(diào)頻廠的選擇,調(diào)頻廠須滿足的條件：調(diào)整的容量應(yīng)足夠大；調(diào)整的速度應(yīng)足夠快；調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能應(yīng)該好；注意系統(tǒng)內(nèi)及互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。通過(guò)分析各種電廠的特點(diǎn)，調(diào)頻廠的選擇原則為：系統(tǒng)中有水電廠時(shí)，選擇水電廠做調(diào)頻廠；當(dāng)水電廠不能做調(diào)頻廠時(shí)，選擇中溫中壓火電廠做調(diào)頻廠。,五、互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,若A、B系統(tǒng)互聯(lián)，兩系統(tǒng)負(fù)荷變化（增加）分別為 、

48、，引起互聯(lián)系統(tǒng)的頻率變化（降低） ，及聯(lián)絡(luò)線交換功率 ，以 、 表示A、B兩系統(tǒng)二次調(diào)頻而得到的發(fā)電機(jī)組的功率增量。,圖5-11 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,設(shè)聯(lián)絡(luò)線上的交換功率 ，由A向B流動(dòng)時(shí)為正值，對(duì)A系統(tǒng) 可看作是一個(gè)負(fù)荷，對(duì)B系統(tǒng) 可看作一個(gè)電源；KA 、KB分別為兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。,系統(tǒng)A： 系統(tǒng)B：,,（5-32）,上式

49、 ,其中， 分別為A、B兩系統(tǒng)的功率缺額。,將式（5-32）代入式（5-31），可得：,（5-33）,由式（5-32）可得，當(dāng)整個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的二次調(diào)整增量 （即 ），能同整個(gè)電力系統(tǒng)負(fù)荷功率增量 （ ）相平衡，有 ，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，否則出現(xiàn)頻率偏移。,以下討論聯(lián)絡(luò)線上流動(dòng)的交換功率：,（1）當(dāng)A、B系統(tǒng)都進(jìn)行二次調(diào)頻

50、，而且兩部分的功率缺額同其單位調(diào)節(jié)功率成正比，既滿足：,（5-34）,聯(lián)絡(luò)線上的交換功率 ，如果沒(méi)有功率缺額時(shí)，,（2）當(dāng)有一個(gè)系統(tǒng)不進(jìn)行二次調(diào)頻，例如 ，則B系統(tǒng)的負(fù)荷變化量 將由A系統(tǒng)的二次調(diào)頻來(lái)承擔(dān)，并由通過(guò)聯(lián)絡(luò)線送來(lái)的 來(lái)抵償，這相當(dāng)于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的情況，這時(shí)：,（5-35）,當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)功率能夠平衡， 時(shí)，則有 即聯(lián)絡(luò)線交換的功率 最大，但只有當(dāng)