電力系統(tǒng)分析有功平衡ppt課件

第五章 電力系統(tǒng)有功功率的平衡和頻率調整,5.1 電力系統(tǒng)的有功平衡與頻率調整,5.2 電力系統(tǒng)的頻率特性5.2.1電力系統(tǒng)負荷的有功功率頻率靜態(tài)特性5.2.2發(fā)電機組的有功功率頻率靜態(tài)特,5.3 電力系統(tǒng)的頻率調整,5.3.1 頻率的一次調整5.3.2 頻率的二次調整5.3.3 調頻廠的選擇5.3.4 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調整,5.1 電力系統(tǒng)中的有功平衡與頻率調整,5.1.1 頻率調整的必要性,1 頻率變化對用戶的影響,2 頻率變化對發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響,(1)系統(tǒng)頻率的變化將引起工業(yè)用戶的電動機轉速的變化，這將影響產(chǎn)品的質量。如紡織工業(yè)、造紙工業(yè)將因頻率變化出現(xiàn)殘次品。,(2) 當頻率降低，使電動機有功功率降低，將影響所傳動機械的出力。,(1)發(fā)電廠的廠用機械多使用異步電動機拖動，系統(tǒng)頻率降低使電動機出力降低，若頻率降低過多，將使電動機停止運轉，會引起嚴重后果。如給水泵停止運轉，將迫使鍋爐停爐。,(3) 頻率不穩(wěn)定，將會影響電子設備的準確性。雷達、電子計算機等重要設施將因頻率過低而無法運行。,(2)電力系統(tǒng)低頻運行時容易引起汽輪器低壓葉片的共振，縮短汽輪器葉片的壽命，嚴重時使葉片斷裂，造成重大事故。,(3)系統(tǒng)頻率降低時，異步電動機和變壓器的勵磁電流大大增加，引起系統(tǒng)無功損耗增加，若系統(tǒng)備用無功電源不足，將導致電壓降低。,總之，電力系統(tǒng)的頻率降低時將影響各行各業(yè)，頻率過低時甚至會使系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電，必須設法使系統(tǒng)頻率保持在規(guī)定范圍內(nèi),5.1.2 電力系統(tǒng)的頻率與有功功率平衡的關系,系統(tǒng)頻率同發(fā)電機轉速之間的關系,而發(fā)電機轉速由作用在機組轉軸上的功率平衡確定,原動機輸入功率,各種損耗,發(fā)電機輸出電磁功率,Pm由系統(tǒng)運行狀態(tài)決定，任何時刻都和系統(tǒng)總的有功負荷功率相等,可見，負荷功率的任何變化都會引起發(fā)電機輸出功率的變化。而原動機的輸入功率則因調節(jié)系統(tǒng)的相對遲緩無法瞬間變化，因此發(fā)電機轉軸上的絕對平衡不存在，即嚴格維持f不變是不可能的。,5.1.3 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡和備用容量,1、有功功率負荷的變動及其調整,對系統(tǒng)實際負荷變化曲線的分析表明，系統(tǒng)負荷可以看作是由三種具有不同變化規(guī)律的變動負荷所組成：,第一種是變化幅度小，變化周期較短（10s內(nèi)）的負荷分量；,第二種是變化幅度較大，變化周期較長(一般為10s至3min)的負荷分量，如工業(yè)中大電機、電爐、電氣機車等,第三種是變化緩慢的持續(xù)變動負荷。周期最長、變化幅度最大，可預測。主要是工廠作息制度、人們的生活習慣及氣象條件的變化引起的。,據(jù)此,頻率調整,一次調整:由發(fā)電機組的調速器進行的對第一種負荷變動引起的頻 率偏移的調整,二次調整:由發(fā)電機的調頻器進行的、對第二種負荷變動引起的 頻率偏移的調整,三次調整:按最優(yōu)化準則分配第三種有規(guī)律變動的負荷，即責成各發(fā)電廠按事先給定的發(fā)電負荷曲線發(fā)電。,2、有功功率平衡和備用容量,為保證可靠供電和良好的電能質量，系統(tǒng)還應具有一定的備用容量,為保證頻率在允許范圍內(nèi)變動，電力系統(tǒng)運行中的發(fā)電機組發(fā)出的有功功率必須和負荷消耗的有功功率平衡。,備用容量按用途分負荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用。,（1）負荷備用：為了適應實際負荷的經(jīng)常波動或一天內(nèi)計劃外的負荷增加而設置的備用，設計時一般按系統(tǒng)最大有功負荷的2一5估算。,（2）事故備用：事故備用容量的大小一般約為最大負荷的5一10 ,（3）檢修備用：為保證發(fā)電設備進行定期檢修時，不致影響供電而留的備用容量。,（4）國民經(jīng)濟備用：計及負荷的超計劃增長而設置的備用容量，一般約為系統(tǒng)最大負荷的3%5%,備用容量按備用形式分為熱備用和冷備用,(1)熱備用,備用容量儲存于運行機組中，能及時抵償系統(tǒng)的功率缺額。負荷備用和部分事故備用容量通常采用熱備用形式分布在各電廠或運行機組之間。,(2)冷備用,備用容量儲存于停運機組中，檢修備用和部分事故備用采用冷備用。,5.1.4 各類發(fā)電廠的特點及合理組合,在系統(tǒng)中有一定備用容量的前提下，就可以考慮有功功率在各發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題。電力系統(tǒng)中有功功率最優(yōu)分配有兩個主要內(nèi)容：有功電源的最優(yōu)組合和有功負荷的最優(yōu)分配。,目前發(fā)電廠主要有以下三類：火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、核電廠,（一）各類發(fā)電廠的特點,1、火力發(fā)電廠的主要特點,火電廠外景,（1）運行需要支付燃料費用，占用運輸能力，運行不受自然條件的影響。 （2）有功出力受鍋爐和汽輪機最小技術負荷的限制，啟停時間長且啟停費用高。 （3）效率與蒸汽參數(shù)有關，高溫高壓設備效率最高，低溫低壓設備效率最低。 （4）熱電廠采用抽汽供熱，總效率較高。,2、水力發(fā)電廠的主要特點,(1)不需燃料費，而且水是可再生資源。但一次投資大，運行在不同程度上受自然條件的影響。 (2)出力調節(jié)范圍比火電機組大，機組投入和退出用時少。 (3)水利樞紐往往兼有發(fā)電、航運、防洪等多方面的效益，因而發(fā)電用水量通常要按水庫的綜合效益考慮，不一定同電力負荷的需要一致。,水電廠只有與火電廠配合，才能充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益。,豐滿水電廠外景,秦山核電站主控制室,秦山核電站汽輪機房,3、核電廠的特點 （1）反應堆和汽輪機組退出運行和再度投入花費時間長，且增加能量損耗。 （2）運行中不宜承擔急劇變化的負荷。 （3）一次投資大，運行費用小。,原則（1）充分利用水源。（2）降低火電機組的單位煤耗，發(fā)揮高效機組的作用。（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 荷曲線中的安排示意圖，見圖5-2。,（二）各類發(fā)電廠的合理組合,應指出:枯水季節(jié)往往由系統(tǒng)中的大型水電廠承擔調頻任務;洪水季節(jié)這任務就轉移給中溫中壓火電廠.抽水蓄能電廠在其發(fā)電期間也可參加調頻.但低溫低壓火電廠則因容量不足,設備陳舊,不能擔負調頻任務.,有功功率電源的最優(yōu)組合,各類發(fā)電廠組合順序示意圖,枯水季節(jié):,冬季枯水期，由凝汽式火電廠承擔基本負荷，水電廠則承擔尖峰負荷。,洪水季節(jié):,夏季豐水期，水量充足，水電廠應帶基本負荷以避免棄水、節(jié)約燃煤。在此期間，可抓緊時間進行火電廠設備的檢修。,5.1.5 有功功率負荷的最優(yōu)分配,電力系統(tǒng)中有功功率負荷合理分配的目標是，在滿足一定約束條件的前提下，盡可能節(jié)約消耗的能源。,1、耗量特性,發(fā)電設備單位時間內(nèi)消耗的能源 與發(fā)出的有功功率的關系。,(2)比耗量：特性曲線上某點的縱坐標和橫坐標(即輸入與輸出)之比,耗量特性,(1)耗量微增率: 耗量特性曲線上某點切線的斜率，,(3)發(fā)電設備的效率 ：比耗量的倒數(shù),表示在該點運行時輸入增量對輸出增量之比,效率曲線和微增率曲線,2、有功負荷最優(yōu)分配的目標函數(shù)和約束條件,(1)目標函數(shù):,總能源消耗量。,第i臺設備發(fā)出有功功率PGi時，單位時間內(nèi)消耗的能源,(2)約束條件:,等式約束:,有功功率必須保持平衡,若忽略網(wǎng)損，則,不等式約束:,系統(tǒng)的運行限制,3、等耗量微增率準則,電力系統(tǒng)中的各發(fā)電機組按相等的耗量微增率運行，可使總的能量損耗最小,以兩套并聯(lián)機組間的負荷分配為例研究,多元函數(shù)求極值，構造一個不受約束的拉氏函數(shù),約束條件,為使L最小，有,可得,求解得：,等耗量微增率準則,表示為使總耗量最小，應按相等的耗量微增率在發(fā)電設備或發(fā)電廠之間分配負荷。該結論可推廣用于多個發(fā)電廠之間的負荷分配。,【例5.1】三個火電廠并列運行，各電廠的燃料消耗特性(t/h)及功率約束條件如下：,當總負荷為400MW時，試分別確定發(fā)電廠間功率的經(jīng)濟分配（不計網(wǎng)損）,解：按等耗量微增準則,解得,PG1低于下限，故應取PG1=100MW 。其余的300MW負荷在電廠2和3之間重新分配,都在限值以內(nèi)。,5.2 電力系統(tǒng)的頻率特性,5.2.1電力系統(tǒng)負荷的有功功率頻率靜態(tài)特性,描述系統(tǒng)有功負荷隨頻率變化的關系曲線稱為負荷的有功功率-頻 率靜態(tài)特性。簡稱負荷頻率特性。,電力系統(tǒng)中各種用電設備與頻率的關系大致如下,1)與頻率變化無關的負荷，如照明，電阻爐等電阻性負荷,2)與頻率變化成正比的負荷，如拖動金屬切削機床的異步電動機,3)與頻率高次方成比例的負荷，如拖動鼓風機、離心水泵的電動機,整個系統(tǒng)的負荷功率與頻率的關系為,系統(tǒng)頻率為 時，整個系統(tǒng)的有功負荷系統(tǒng)頻率為 時，整個系統(tǒng)的有功負荷上述各有功負荷占 的百分數(shù)。,以標幺值表示為,當頻率偏離額定值不大時，負荷從電網(wǎng)中取用有功功率與電網(wǎng)頻率的關系近似表示為一條直線：,當系統(tǒng)頻率下降時，負荷成比例自動減少,負荷的頻率調節(jié)效應。其值決定于系統(tǒng)中各類有功負荷的比重，不能控制。不同系統(tǒng)或同一系統(tǒng)的不同時刻其值都可能不同。,5.2.2 發(fā)電機組的有功功率頻率靜態(tài)特性,1、調速系統(tǒng)的工作原理,【例5.2】,調速系統(tǒng)由四個部分組成：1為轉速測量元件（飛擺）；2為放大元件（錯油門）；3為執(zhí)行機構（油動機）；4為轉速控制機構（調頻器）。,1、自動調速系統(tǒng),ACB處于ACB，不能回復到A點。此為發(fā)電機組的調速過程，稱一次調頻。,從上述調整過程看，對應負荷的增大，發(fā)電機輸出功率增加，頻率 略低于原來值；若負荷降低，調速器調整作用使輸出功率減少，頻率略高 于原來值。由于調整后頻率不能回到原來值，一次調整為有差調節(jié)。,2、調頻器的工作原理,依靠發(fā)電機組的調速器只能實現(xiàn)有差調頻，若頻率超出允許范圍，就必須繼續(xù)進行頻率調整，這一任務通常由機組同步器（調頻器）來完成。,例：頻率偏低時,手動或電動同步器使D點上移(F不動，E點下移)迫使錯油門活塞下移，使ab油孔重新開啟。,增加進汽量,適當控制D點的移動，可以使轉速恢復到頻率偏差允許范圍或初始值，二次調頻可以實現(xiàn)頻率的無差調節(jié),3、發(fā)電機組的有功功率頻率靜態(tài)特性,發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性如圖所示,圖中直線的斜率,有差調節(jié)特性,發(fā)電機組的單位調節(jié)功率,表示頻率發(fā)生單位變化時，發(fā)電機輸出功率的變化量。負號表示二者變化方向相反,發(fā)電機組的調差系數(shù),機組由空載到滿載時，轉速（頻率）變化與發(fā)電機輸出功率變化之比,取點2為額定運行點，點1為空載運行點,用百分數(shù)表示,調差系數(shù)與單位調節(jié)功率的關系：,發(fā)電機組的單位調節(jié)功率可以整定，由式,調差率可定量表明某機組負荷改變時相應的頻率偏移。例：%=5%(*=0.05)，表示當有功負荷改變1%時，頻率偏移0.05%,可見,調差系數(shù)越小(單位調節(jié)功率越大)，頻率偏移越小,5.3.1 頻率的一次調整,電力系統(tǒng)負荷變化引起的頻率波動取決于發(fā)電機組和負荷的調節(jié)效應,初始運行于點O，,o,當負荷增加,則,o',系統(tǒng)在O點達到新的平衡,為發(fā)電機組增發(fā)功率,為負荷減少功率,系統(tǒng)的單位調節(jié)功率系數(shù),5.3 電力系統(tǒng)的頻率調整,當發(fā)電機滿載時，負荷功率增大，則 相當于為0， 當負荷功率減小時， ，仍可以參加調頻,n臺發(fā)電機：n臺都參加一次調整：只有m臺參加一次調整：,課本P99 例5-1,由于KL不能人為改變，頻率變化主要取決于KG的大小，增加發(fā)電機 臺數(shù)，可增大KS,例【5-3】,參與調頻的機組愈多，KG越大，KS就愈大。,5.3.2 頻率的二次調整,手動或自動調節(jié)調頻器使發(fā)電機組的頻率特性平行的上下移動。,初始運行于點O，,o,當負荷增加,則,o',系統(tǒng)在O點達到新的平衡,頻率的二次調整,二次調頻，提高發(fā)電機輸出功率,由于負荷調節(jié)效應自動減少的功率,機組一次調頻增發(fā)的功率,機組二次調頻增發(fā)的功率,如果二次調頻增發(fā)的功率 與負荷增量 相等，則 ，即所謂的無差調節(jié)。,n臺機組時，,由式(1)可見，在同樣的功率缺額下，多臺機組并列運行的 頻率變化要比一臺機組運行時小得多,5.3.3 主調頻廠的選擇,多機系統(tǒng)在負荷變化時，帶調速器的機組，只要有可調容量，都參加一次調整。,二次調整由少數(shù)機組(廠)承擔主調頻機組(廠)，可依次分為主調頻廠、輔助調頻廠和非調頻廠。,主調頻廠負責全系統(tǒng)的頻率調整，一般12個電廠 輔助調頻廠是在系統(tǒng)頻率超過某一規(guī)定偏移范圍時才 參與調頻(300MW大系統(tǒng)，超過±0.2Hz時),主調頻廠一般在負荷中心，要求：(1)有足夠可調容量；(2)有一定調整速度；(3)調整時能符合安全、經(jīng)濟的要求；(4)一般選水電廠、中溫中壓火電廠。(5)主調頻廠起全系統(tǒng)功率平衡的作用，可作平衡節(jié)點,5.3.4 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調整,聯(lián)合前: A,B系統(tǒng)均為獨立電力系統(tǒng),互聯(lián)后:,互聯(lián)系統(tǒng)應有相同的頻率，故,A、B系統(tǒng)的功率缺額,若互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電機功率的二次 調整增量能與全系統(tǒng)負荷增量 平衡，則可實現(xiàn)無差調節(jié)。,由上得:頻率變化取決于兩系統(tǒng)的功率缺額和單位調節(jié)功率。,分析:,(1)當兩系統(tǒng)都進行二次調整，且兩系統(tǒng)的功率缺額與其單位調節(jié)功率成比例時，即,此時，聯(lián)絡線上交換功率,(2)若B系統(tǒng)沒有調頻廠，即 ，其負荷變化量 將由A 系統(tǒng)的二次調頻來承擔。,若要保持 ，應有,B系統(tǒng)的功率缺額全部由A通過聯(lián)絡線輸送到B。這時聯(lián)絡線 的交換功率最大,此時聯(lián)絡線上的功率變化,若要實現(xiàn)無差調節(jié)，必須滿足 不超過允許范圍。否則即使系統(tǒng)功率能 夠平衡，受聯(lián)絡線功率的限制，電力系統(tǒng)頻率不能保持不變。,【例5.4】兩系統(tǒng)由聯(lián)絡線連結為互聯(lián)系統(tǒng)。正常運行時，聯(lián)絡線上沒有交換功率。兩系統(tǒng)的容量分別為1500MW和1000MW，各自的調節(jié)功率（分別以兩系統(tǒng)容量為基準的標幺值）如圖所示。設A系統(tǒng)負荷增加100MW，試計算下列情況下的頻率變化量和聯(lián)絡線上流過的交換功率：,解：先將標幺值還原為有名值,(1) A、B兩系統(tǒng)機組都參加一次調頻,通過聯(lián)絡線由B向A輸送功率,(2) A、B兩系統(tǒng)機組都不參加一、二次調頻,系統(tǒng)機組都已經(jīng)滿載，調速器無法調整，只能依靠負荷自身的調節(jié)效應，頻率質量不能保證，最嚴重。,(3) A、B兩系統(tǒng)機組都參加一、二次調頻，且都增發(fā)50MW,由于進行了二次調頻，發(fā)電機增發(fā)功率與負荷增量平衡，系統(tǒng)頻率無偏移。B增發(fā)的功率全部通過聯(lián)絡線送往A系統(tǒng),(4) 兩系統(tǒng)都參加一次調頻，A系統(tǒng)有機組參加二次調頻，增發(fā)60MW,(5) A系統(tǒng)不參加一次、二次調頻，B系統(tǒng)參加一次調頻,由于A系統(tǒng)機組不參加調頻，該系統(tǒng)的功率缺額主要由B系統(tǒng)供應，以致聯(lián)絡線上流過大量交換功率,【例5.2】某電力系統(tǒng)中，與頻率無關的負荷占30%，與頻率一次方成正比的負荷占40%，與頻率二次方成正比的負荷占10%，與頻率三次方稱正比的負荷占20%。求系統(tǒng)頻率由50Hz降到48Hz時，相應負荷功率的變化百分值及其負荷的頻率調節(jié)效應系數(shù)。,解：頻率48Hz時，,系統(tǒng)負荷為,負荷變化為,即4.7%,負荷的頻率調節(jié)效應系數(shù),若系統(tǒng)有功負荷為1000MW,【例5.3】我國某電力系統(tǒng)中發(fā)電機組的容量和它的調差系數(shù)百分值分別如下：水輪機組600MW，%=3；汽輪機組1200MW，%=4.5。系統(tǒng)總負荷為1400MW，其中水輪機組帶500MW負荷，負荷的單位調節(jié)功率標幺值為1.5，現(xiàn)系統(tǒng)的總負荷增加150MW，問：,若兩機組均只進行一次調頻，求系統(tǒng)的頻率變化和各機組 增發(fā)的功率；,(2)若水輪機組的同步器動作增發(fā)60MW功率，同時兩系統(tǒng)進行一次調頻，求系統(tǒng)的頻率變化和各機組增發(fā)的功率；,【例5.3】,