電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調(diào)整

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1、第十三章電力系統(tǒng)的有功功率平衡和頻率調(diào)整,電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo) 頻率也是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo),13.0,概述,13-1: 頻率調(diào)整的必要性 13-2: 電力系統(tǒng)的頻率特性 13-3: 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 13-4: 有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,頻率調(diào)整的必要性,13.1,1、有功功率的基本概念：由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，相聯(lián)系統(tǒng)只有一個(gè)頻率，是一個(gè)全局問(wèn)題，與電壓不同。 2、電力系統(tǒng)的頻率水平由有功功率平衡決定，在負(fù)荷變化時(shí)，如果有功電源充足，能保證用戶需要，且具有及時(shí)進(jìn)行調(diào)整的能力，則能保證頻率在合理的范圍之內(nèi)，反之，則將出現(xiàn)較大的頻率偏移。,頻率調(diào)整的必要性,13.1,3、頻

2、率的重要性 影響用戶產(chǎn)品的質(zhì)量（異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率均與頻率有關(guān)） 影響電子設(shè)備的準(zhǔn)確性 對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的不良影響 1）對(duì)發(fā)電機(jī)葉片的不良影響，振動(dòng) 2）f，降低給水泵、循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)等的出力和效率（輔助效率和內(nèi)能） 3）f，異步電動(dòng)機(jī)和變壓器的勵(lì)磁電流，QL，為Q平衡和電壓調(diào)整增加困難。 4）互聯(lián)系統(tǒng)解列 5）發(fā)電機(jī)解列,頻率調(diào)整的必要性,13.1,4、允許的頻率偏移 嚴(yán)格保證頻率不變是不可能的，fN =50HZ，允許的頻率偏 移（系統(tǒng)運(yùn)行頻率與額定頻率之差）： f =0.2Hz0.5Hz ( 0.4%fN 1%fN ) 5、頻率調(diào)整的分類 根據(jù)負(fù)荷變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)

3、整大體上也可分為： 一次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行； 二次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器進(jìn)行； 三次調(diào)頻：由調(diào)度部門(mén)根據(jù)負(fù)荷曲線進(jìn)行最優(yōu)分配。 前兩種是事后的，第三種是事前的。 一次調(diào)頻是所有運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)組都可參加的，取決于發(fā)電機(jī)組是否已經(jīng)滿負(fù)荷發(fā)電。這類 發(fā)電廠稱為負(fù)荷監(jiān)視廠。 二次調(diào)頻是由平衡節(jié)點(diǎn)來(lái)承擔(dān)。,,負(fù)荷曲線組成：有功負(fù)荷分為三種不同變化規(guī)律的變動(dòng)負(fù)荷，如右圖1、2、3所示； 第1種負(fù)荷分量：變化幅度小，變化周期短（一般10秒以內(nèi)） （調(diào)速器：一次調(diào)頻） 第2種負(fù)荷分量：變化幅度較大，變化周期一般在10s3min的負(fù)荷，如電爐、延壓機(jī)械、電氣機(jī)車(chē)，等；（調(diào)頻器：二次調(diào)頻） 第3種負(fù)荷分量：變

4、化緩慢的持續(xù)變動(dòng)負(fù)荷，由工廠作息制度、居民生活規(guī)律、氣象條件等決定：（調(diào)度員：日運(yùn)行方式）,有功功率電源及備用容量,,系統(tǒng)有功功率平衡： PG = PL + P,總裝機(jī)容量：所有發(fā)電機(jī)的額定容量之和,系統(tǒng)電源容量：可投入發(fā)電設(shè)備的可發(fā)功率之和,系統(tǒng)備用容量：系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷部分，一般占最大發(fā)電負(fù)荷的15%--20%,第二節(jié) 電力系統(tǒng)負(fù)荷及電源的頻率靜態(tài)特性,一、負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性,,與頻率無(wú)關(guān)照明、電爐等,1、負(fù)荷性質(zhì)：,與頻率的一次方成正比球磨機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等,與頻率的二次方成正比變壓器的渦流損耗等,與頻率的三次方成正比通風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵等,與頻率的高次方成正比靜水頭阻力大的給水泵,電力系

5、統(tǒng)的頻率特性,13.2,1. 負(fù)荷的 Pf 靜態(tài)特性, 負(fù)荷靜態(tài)頻率特性：系統(tǒng)處于運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中有功負(fù)荷隨頻率的變化特性。各類負(fù)荷的頻率特性：,電力系統(tǒng)的頻率特性,13.2,1. 負(fù)荷的 Pf 靜態(tài)特性, 當(dāng)頻率偏移額定值不大時(shí)，用線性方程近似表示負(fù)荷靜態(tài)頻率特性,KD (KD*)：負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)（頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)）KD* =13（頻率下降1 %，負(fù)荷有功功率變化 KD* %）,KD* 取決于全系統(tǒng)各類負(fù)荷的比重，不同系統(tǒng)或同一系統(tǒng)不同時(shí)刻的KD* 都可能不同。 KD* 是調(diào)度部門(mén)必須掌握的一個(gè)數(shù)據(jù)，是考慮按頻率減負(fù)荷方案和低頻事故時(shí)用一次切除負(fù)荷來(lái)恢復(fù)頻率的計(jì)算依據(jù)。,例13-1,某電

6、力系統(tǒng)中，與頻率無(wú)關(guān)的負(fù)荷占30，與頻率一次方、二次方、三次方成正比的負(fù)荷分別占40、10、20。求系統(tǒng)頻率由50Hz降到48Hz和45Hz時(shí)，相應(yīng)的負(fù)荷變化百分值。,1.頻率降為48Hz時(shí), f*=48/50=0.96, 系統(tǒng)的負(fù)荷,PD%=4.7,2. f降為45Hz時(shí), f*=45/50=0.9, 類似計(jì)算可得,PD*=0.887 ， PD%=11.3,調(diào)速 系統(tǒng)的工作原理,,二. 發(fā)電機(jī)的 Pf 靜態(tài)特性,（離心式機(jī)械液壓調(diào)速系統(tǒng)）,(*)：靜態(tài)調(diào)差系數(shù)，調(diào)差率（負(fù)荷變化1%，頻率變化*%） 調(diào)差系數(shù)越小，頻率偏移越小！,電力系統(tǒng)的頻率特性,13.2,二.發(fā)電機(jī)的 Pf 靜態(tài)特性,發(fā)電

7、機(jī)靜態(tài)頻率特性：系統(tǒng)處于運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)發(fā)電機(jī)有功功率與頻率的變化關(guān)系,KG ( KG* )：機(jī)組單位調(diào)節(jié)功率，f發(fā)生單位變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組輸出功率的變化量。,電力系統(tǒng)的頻率特性,13.2,三.電力系統(tǒng)的 Pf 靜態(tài)特性,要確定電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化引起的頻率波動(dòng)，需要同時(shí)考慮負(fù)荷及發(fā)電機(jī)兩者的調(diào)節(jié)效應(yīng)?？紤]一臺(tái)發(fā)電機(jī)和一個(gè)負(fù)荷的情況。,假定系統(tǒng)的負(fù)荷增加PD0,負(fù)荷的實(shí)際增量：,( 負(fù)荷的實(shí)際增量應(yīng)與發(fā)電機(jī)組的功率輸出的增量相等 ),電力系統(tǒng)的頻率特性,13.2,三.電力系統(tǒng)的 Pf 靜態(tài)特性,K：系統(tǒng)的 Pf 靜特性系數(shù)，或系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，計(jì)及發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的共同作用時(shí)，引起 f 單位變化的負(fù)荷變化

8、量。,根據(jù) K 可以確定在允許的頻率偏移范圍內(nèi)，系統(tǒng)所能承受的負(fù)荷變化量。,備用系數(shù)，一般應(yīng)滿足：Kr 1,備用容量越大(kr1) ，系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率越大 無(wú)備用容量(kr=1) ，發(fā)電機(jī)單位調(diào)節(jié)功率為零,機(jī)組滿載時(shí)的功頻靜特性,有功功率電源應(yīng)該有一定的備用容量,,電力系統(tǒng)的頻率特性,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,PG i = -KG i f (i=1,2,,n),n臺(tái)機(jī)組輸出功率總增量,當(dāng)系統(tǒng)頻率變動(dòng)時(shí),第i臺(tái)機(jī)組的輸出功率增量,在PG相同的條件下，多臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)的頻率變化比一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的要小。,,等值單位調(diào)節(jié)功率,,,若把n臺(tái)機(jī)組用一臺(tái)等值機(jī)來(lái)代替,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,在計(jì)

9、算KG或時(shí)，如第j臺(tái)機(jī)組已滿載運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)應(yīng)取KGj0或j= 。,等值調(diào)差系數(shù),等值單位調(diào)節(jié)功率,對(duì)多臺(tái)機(jī)組的情況：,PD0 f,,,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,,Conclusion,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率K*愈大，頻率就愈穩(wěn)定。 備用容量較小時(shí)，K*亦較小。 以系統(tǒng)的功頻靜特性為基礎(chǔ)的頻率一次調(diào)整的作用是有限的，它只能適應(yīng)變化幅度小、變化周期較短的變化負(fù)荷。,同步器二次調(diào)頻,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,調(diào)速器,同步器,,頻率的二次調(diào)整過(guò)程,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,,PD(f),,,,A,P1,f1,,PD0,,PD(f),PG(f),B,,,f2,

10、,f,,PG,,,-KDf,負(fù)荷功率的初始增量 PD0=PG -KGf -KDf,PD0 -PG= -(KG+KD) f = -Kf,,系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率,,,,PG(f),B,f2,,,-KGf,,Conclusion,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,二次調(diào)頻并不能改變系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，但能減小系統(tǒng)頻率的偏移。 二次調(diào)頻可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，一次調(diào)頻肯定是有差調(diào)節(jié)。 二次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)頻率無(wú)差調(diào)節(jié)的前提是系統(tǒng)具有充足的備用容量。,系統(tǒng)調(diào)頻,13-3 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,負(fù)荷變化時(shí)通常首先由主調(diào)頻電廠進(jìn)行二次調(diào)頻力圖恢復(fù)系統(tǒng)頻率。 若仍有功率缺額則由配置了調(diào)速器的機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻。,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,

11、13.3,1. 頻率的一次調(diào)整,調(diào)速器的有差調(diào)節(jié)特性，一次調(diào)頻是有差調(diào)頻 所有發(fā)電機(jī)均裝有調(diào)速器，均參加一次調(diào)頻 機(jī)械液壓調(diào)速系統(tǒng) 電氣液壓調(diào)速系統(tǒng) 自動(dòng)裝置中詳細(xì)介紹 單靠一次調(diào)頻不能使頻率偏移保持在允許的范圍之內(nèi),發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器，根據(jù)系統(tǒng)頻率的偏移，改變機(jī)組的出力，使有功功率重新達(dá)到平衡，這就是頻率的一次調(diào)整。,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,2. 頻率的二次調(diào)整,二次調(diào)整也就是通常所說(shuō)的頻率調(diào)整 同步器平行移動(dòng)發(fā)電機(jī)的功頻靜特性來(lái)調(diào)節(jié)頻率和分配機(jī)組間的有功功率,由發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)（同步器）來(lái)實(shí)現(xiàn)的頻率調(diào)整。,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,3. 發(fā)電機(jī)的分類,有可調(diào)容量的機(jī)組

12、均參加頻率的一次調(diào)整 只有一臺(tái)或少數(shù)幾個(gè)機(jī)組參加頻率的二次調(diào)整,主調(diào)頻機(jī)組：參與二次調(diào)頻的機(jī)組，條件：有足夠大的調(diào)頻容量和調(diào)節(jié)范圍，出力調(diào)整速度應(yīng)滿足系統(tǒng)負(fù)荷變化速度的要求等。 輔助調(diào)頻機(jī)組：只有在系統(tǒng)頻率超過(guò)某一規(guī)定的偏移范圍時(shí)才參與頻率調(diào)整 非調(diào)頻機(jī)組：按調(diào)度中心預(yù)先給定的負(fù)荷曲線運(yùn)行，不參與頻率的二次調(diào)整,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,4. 主調(diào)頻發(fā)電廠的選擇,條件： 1) 足夠調(diào)整容量和范圍 2) 調(diào)整速度 3) 安全經(jīng)濟(jì)原則，聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)和中樞點(diǎn)電壓波動(dòng) 水電廠最適宜承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)，但應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性。 （調(diào)整范圍可以達(dá)到 50%PN 以上，速度快，一分鐘可以由空載滿載。火電廠鍋爐

13、、汽機(jī)受最小技術(shù)負(fù)荷限制，鍋爐25%(中溫中壓)75%(高溫高壓)額定容量，汽機(jī)10 15%額定容量，每分鐘僅能上升2 5%）,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,5. 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,頻率調(diào)整可能引起網(wǎng)絡(luò)潮流的重新分布,,,= 0, 則: f = 0,= 0, 則: PAB = 0,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,5. 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,習(xí)題 KGA = 270 MW/HZ，KDA = 21 MW/HZ， KGB = 480 MW/HZ，KDB = 39 MW/HZ， PAB = 300 MW，B 系統(tǒng)增加負(fù)荷150MW,（1）求 A、B均僅進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)的系統(tǒng)頻率：, ( K

14、GA + KDA + KGB + KDB ) f = 150 810 f = 150 f = 0.185 HZ f = 50 0.185 = 49.815HZ 聯(lián)絡(luò)線功率變化量（即A系統(tǒng)的負(fù)荷增加量）： PAB = ( KGA + KDA ) f = 291 0.185 = 53.835 MW,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,5. 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,習(xí)題 KGA = 270 MW/HZ，KDA = 21 MW/HZ， KGB = 480 MW/HZ，KDB = 39 MW/HZ， PAB = 300 MW，B 系統(tǒng)增加負(fù)荷150MW,（1）求 A、B均僅進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)的系統(tǒng)

15、頻率：,A、B發(fā)電機(jī)和負(fù)荷功率的變化量：,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,5. 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,習(xí)題 KGA = 270 MW/HZ，KDA = 21 MW/HZ， KGB = 480 MW/HZ，KDB = 39 MW/HZ， PAB = 300 MW，B 系統(tǒng)增加負(fù)荷150MW,（2）A、B均參加一次調(diào)頻，但二次調(diào)頻僅由A承擔(dān)，PABmax = 400MW，求系統(tǒng)頻率的最小變化量,應(yīng)充分利用二次調(diào)頻容量，則： PAB = 100 ( KGB + KDB ) f = 50 519 f = 50 f = 0.098 HZ,,,,電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,13.3,6. 頻率調(diào)整與

16、電壓調(diào)整的關(guān)系, 頻率下降將引起無(wú)功缺口擴(kuò)大，電壓下降 f Qg Qd V f 1% V 0.82% 電壓下降使有功缺口減少 f、V 偏低時(shí)，先解決 f ，再解決 V f、V 的獨(dú)立性 全網(wǎng)頻率統(tǒng)一，調(diào)頻涉及整個(gè)系統(tǒng)；無(wú)功功率平衡和電壓調(diào)整可以按地區(qū)就地解決 當(dāng)線路有功潮流不超過(guò)允許范圍時(shí)，有功電源的任意分布不會(huì)妨礙頻率的調(diào)整；無(wú)功平衡和調(diào)壓則同無(wú)功電源的合理分布關(guān)系密切,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,1. 有功功率電源,發(fā)電廠是目前電力系統(tǒng)唯一的有功功率電源 火力發(fā)電廠：總?cè)萘恳话胍陨?，有功調(diào)整范圍小 燃油火力發(fā)電廠 燃汽火力發(fā)電廠 燃煤火力發(fā)電廠效率高容量大 低溫低壓（4

17、50，35大氣壓） 中溫中壓（520，100大氣壓） 高溫高壓（550，180大氣壓） 超臨界機(jī)組（575，200以上大氣壓）,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,1. 有功功率電源, 熱力發(fā)電廠：發(fā)電+供熱 強(qiáng)迫出力：為保證供熱而必須發(fā)出的有功功率 水力發(fā)電廠：有功調(diào)整范圍大 多年調(diào)節(jié)庫(kù)容水力發(fā)電廠 日、季、年調(diào)節(jié)庫(kù)容水力發(fā)電廠 徑流式水力發(fā)電廠：無(wú)調(diào)節(jié)水庫(kù) 抽水蓄能庫(kù)容水力發(fā)電廠，兩級(jí)水庫(kù)水電廠 核能發(fā)電廠,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,2. 有功功率負(fù)荷, 有功功率負(fù)荷隨天氣、季節(jié)、每天的時(shí)間、天氣、人們的生活工作習(xí)慣等變化，以各種負(fù)荷曲線來(lái)反映，是電力調(diào)度部門(mén)的

18、重要依據(jù)。 右圖中 基荷：日負(fù)荷曲線最低點(diǎn)以下部分 峰荷：基荷與最大負(fù)荷之間的部分,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,2. 有功功率負(fù)荷, 實(shí)際負(fù)荷變化的特點(diǎn) 實(shí)際負(fù)荷變化由三種成分構(gòu)成： 變化幅度很小，變化周期最短（一般為10S以內(nèi)），一般由中小型用電設(shè)備的投入切除引起，帶有很大的隨機(jī)性 變化幅度較大，變化周期較短（10S-3m），一般為軋鋼機(jī)等較大的間斷性負(fù)荷 變化緩慢權(quán)的持續(xù)變化部分，由人們的作息制度、生活習(xí)慣、天氣等決定,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,3. 有功功率在電廠間的合理分配,基本原則： 基荷由具有強(qiáng)迫功率，不可調(diào)功率或高效率的熱力發(fā)電廠，電力發(fā)電廠

19、，核能發(fā)電廠，逕流式水力發(fā)電廠，泄洪灌溉等水力發(fā)電廠等承擔(dān)。 峰荷由有調(diào)節(jié)水庫(kù)的水力發(fā)電廠，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠和中溫中壓火力發(fā)電廠等承擔(dān)。,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,4. 有功功率電源的備用,為滿足預(yù)計(jì)外的負(fù)荷需求和負(fù)荷變化，需要以下幾種備用： 負(fù)荷備用：為滿足負(fù)荷波動(dòng)和計(jì)劃外增加的負(fù)荷而設(shè)置的備用（最大負(fù)荷的2-5%）。 事故備用：在電力系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然故障時(shí)，為保證向用戶正常供電而設(shè)置的備用。（5%10%， 最大單機(jī)容量） 檢修備用：為發(fā)電設(shè)備的定期檢修及設(shè)置的備用。 國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用：考慮到國(guó)民經(jīng)濟(jì)超計(jì)劃增長(zhǎng)而設(shè)置的備用。,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,4. 有功功率電源的備用,熱備用：所有發(fā)電機(jī)組最大可能出力之和與該時(shí)刻總負(fù)荷的差值，（根據(jù)需要隨時(shí)可以投入的備用） 熱備用包括部分事故備用和全部負(fù)荷備用 冷備用：處于待機(jī)狀態(tài)，但設(shè)備完好，隨時(shí)可以啟動(dòng)的發(fā)電設(shè)備,有功功率平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的合理分配,13.4,5. 有功功率平衡,任何時(shí)刻，發(fā)電設(shè)備可能發(fā)出的有功功率總和PG，應(yīng)大于廠用PS，負(fù)荷功率PLD，有功網(wǎng)損PLOSS和最小熱備用PRES之和： PGPLD+PS+PLOSS+PRES 有功功率曲線 機(jī)組啟動(dòng)計(jì)劃 調(diào)度,