1、1第十三章第十三章電力系統有功功率平衡與頻率調電力系統有功功率平衡與頻率調整整213-1 13-1 有功平衡和頻率調整有功平衡和頻率調整 1.1.電力系統頻率變化的影響電力系統頻率變化的影響 對用戶的影響對用戶的影響（1 1）異步電機轉速變化）異步電機轉速變化- -影響產品質量（紡織工影響產品質量（紡織工業、造紙工業等）業、造紙工業等）（2 2）異步電機功率變化）異步電機功率變化- -影響效率影響效率（3 3）電子設備的精度）電子設備的精度 對發電廠和電力系統的影響對發電廠和電力系統的影響（1 1）對發電廠廠用機械設備運行的影響）對發電廠廠用機械設備運行的影響（2 2）對汽輪機葉片的影響）對汽

2、輪機葉片的影響（3 3）對異步電機及變壓器勵磁的影響，增加無）對異步電機及變壓器勵磁的影響，增加無 功消耗。功消耗。32 2 頻率與有功平衡的關系頻率與有功平衡的關系 轉矩平衡與功率平衡轉矩平衡與功率平衡 轉矩不平衡時轉矩不平衡時, ,轉子轉轉子轉 速變化速變化, ,引起頻率變化引起頻率變化 保持頻率恒定不變是十分困難的保持頻率恒定不變是十分困難的 ! ! ETETPPMM 60pnf 43有功功率負荷的變化及其調整5 系統負荷可以看作由以下三種具有不同變化規律的變動系統負荷可以看作由以下三種具有不同變化規律的變動 負荷組成：負荷組成：（1 1）變動周期小于）變動周期小于10s10s，變化幅度

3、小，變化幅度小: :小操作、小負荷的投小操作、小負荷的投切及波動等切及波動等（3 3）變動周期最大，變化幅度最大：氣象、生產班制、生活）變動周期最大，變化幅度最大：氣象、生產班制、生活規律規律（2）變動周期在（變動周期在（10s10s180s180s），變化幅度較大：大電機、電），變化幅度較大：大電機、電 爐啟停爐啟停調速器調速器頻率的一次調整頻率的一次調整調頻器調頻器頻率的二次調整頻率的二次調整根據預測負根據預測負荷，在各機荷，在各機組間進行最組間進行最優負荷分配優負荷分配電力系統的經濟運行調度（發電計劃）電力系統的經濟運行調度（發電計劃）64 4 有功功率平衡與備用容量有功功率平衡與備用容

4、量備用容量：備用容量：15%15%25%25% 作用：作用：為了保證供電可靠性及電能質量合格，系統電源容為了保證供電可靠性及電能質量合格，系統電源容量應大于發電負荷。量應大于發電負荷。定義：定義：備用容量備用容量 系統可用電源容量系統可用電源容量 發電負荷發電負荷 有功功率平衡：有功功率平衡：,GiLiLossPPP8760t(h)P(MW)發電負荷發電負荷備用容備用容量量新增容新增容量量7按作用分：按作用分：(1)負荷備用：滿足負荷波動、計劃外負荷備用：滿足負荷波動、計劃外的負荷增量的負荷增量2%5%(2)事故備用：發電機因故退出運行而事故備用：發電機因故退出運行而預留的容量預留的容量5%1

5、0%(3)檢修備用：發電機計劃檢修檢修備用：發電機計劃檢修4%5%(4)國民經濟備用：滿足工農業超計劃國民經濟備用：滿足工農業超計劃增長增長3%5%按其存在形式分：按其存在形式分：(1)熱備用熱備用(2)冷備用冷備用備用容量的分類備用容量的分類81.1.負荷的有功功率頻率靜態特性（負荷功頻特性）負荷的有功功率頻率靜態特性（負荷功頻特性）13-2 電力系統的頻率特性電力系統的頻率特性 332210NDNNDNNDNDNDffPaffPaffPaPaP13210 aaaa 332210fafafaaPD的標幺值表達式的標幺值表達式為基準值為基準值和和以以DNNPf9負荷的有功功率頻率靜態特性負荷的

6、有功功率頻率靜態特性簡化表達簡化表達當頻率偏離額定值不大時當頻率偏離額定值不大時，負荷有功頻率靜態特性用一，負荷有功頻率靜態特性用一條近似直線來表示。條近似直線來表示。fPtgKDD fPffPPKDNDNDD/負荷的負荷的頻率調節效應系頻率調節效應系數數或稱為負荷的或稱為負荷的頻率調頻率調節效應節效應，表示負荷隨頻，表示負荷隨頻率的變化程度。率的變化程度。例例13131 1102 2 發電機組的有功功率頻率靜態特性發電機組的有功功率頻率靜態特性 調速器的工作原理調速器的工作原理1 為轉速測量元件為轉速測量元件離心飛擺及其附件；離心飛擺及其附件；2 為放大元件為放大元件錯油錯油門門(或稱配壓閥

7、或稱配壓閥)；3 為執行機構為執行機構油動油動機機(或稱接力器或稱接力器)；4 為轉速控制機構或為轉速控制機構或稱同步器稱同步器(調頻器調頻器)11調頻器的工作原理調頻器的工作原理12發電機組的有功功率頻率靜態特性發電機組的有功功率頻率靜態特性（1 1）靜態調差系數靜態調差系數: :某臺機組負荷改變時相應的頻率偏移某臺機組負荷改變時相應的頻率偏移若若2 2為額定運行點，為額定運行點，1 1為空載為空載運行點：運行點：PfPPff 1212 PfPPffGNN/ 01122 0 ffPffPPNGN GNNPff0 NNNNffffff 00 100(%)0 NNfff 13單位調節功率單位調節

8、功率: :調差系數的倒數，表示頻率變化時調差系數的倒數，表示頻率變化時發電機組輸出有功功率的變化量。發電機組輸出有功功率的變化量。fPKGG11GGPKf NGNGGfPKK小結：小結：調差系數越小，單位調節功率越大，頻率偏移越小。調差系數越小，單位調節功率越大，頻率偏移越小。說明系統的運行頻率越穩定。說明系統的運行頻率越穩定。注意：注意：調差系數是可以整定的，它是由發電機的速度調節機調差系數是可以整定的，它是由發電機的速度調節機構決定的，受機構的限制，汽輪機一般為：構決定的，受機構的限制，汽輪機一般為： 16.725水輪機一般為：水輪機一般為： 2550GKGK143 電力系統的有功功率頻率

9、靜態特性電力系統的有功功率頻率靜態特性PfP1f1A)( fPDC)( fPD BP2f2GP 0DP DP 15012ffffKPGGfKPDD負荷功率的實際增量：負荷功率的實際增量：它同發電機功率增量平衡：它同發電機功率增量平衡：fKPPPDDDD00GDDPPP0fKfKKPPPDGDGD)(0fPKKKDDG0系統的單位調節功率系統的單位調節功率：計及發電機組和負荷的調節：計及發電機組和負荷的調節效應時，系統頻率單位變化時引起有功負荷的變化效應時，系統頻率單位變化時引起有功負荷的變化量。量。PfP1f1A)(fPDC)(fPD BP2f2GP 0DP DP 16標幺值表示fPKKKDD

10、G 0fPfPKfPKDNDNDNGNG 0 fPffPPKPPKDNDNDDDNGNG00 fPKKkKDDGr0*系統的單位調節功率系統的單位調節功率kr=PGN/PDN為備用系數為備用系數 等式兩端同除以等式兩端同除以PDN/fN小結：小結：系統中有功功率電源的出力不僅應滿足在額定頻系統中有功功率電源的出力不僅應滿足在額定頻率下系統對有功功率的需求，而且應有一定的備用。率下系統對有功功率的需求，而且應有一定的備用。1713-3 電力系統的頻率調整電力系統的頻率調整一、頻率的一次調整一、頻率的一次調整n臺裝有調速器的機組并列運行時，系統頻率變化臺裝有調速器的機組并列運行時，系統頻率變化 f

11、 f時時)21(,n,i fKPGiGiniGniGiGiGfKfKPP11NGiNniGiniGiGfPKKK11n臺機組的等值臺機組的等值單位調節功率單位調節功率結論：結論：n臺機組的等值單位調節功率遠大于一臺機組的臺機組的等值單位調節功率遠大于一臺機組的單位調節功率。（單位調節功率。（上式公式中若發電機已滿載，其單位上式公式中若發電機已滿載，其單位調節功率調節功率 為為0）GiK18NGiNniGiniGiGfPKKK11把把n臺機組用一臺等值機代替，等值單位調節功率標幺值臺機組用一臺等值機代替，等值單位調節功率標幺值GNGiNniGiGPPKK1niiGiNGNGPPK11niGiNG

12、NPP1NGNGGfPKK代入代入19頻率的一次調整的計算過程頻率的一次調整的計算過程fPKKKDDG0NGiNniGiniGiGfPKKK11NGiNiiGiGifPfffKP1iGiNGifPP例例13-2 例例13-3求出頻率偏差求出頻率偏差每臺機組的功每臺機組的功率增量率增量小結：小結：調差系數越小的機組調差系數越小的機組增加的有功輸出相對越多。增加的有功輸出相對越多。20頻率的二次調整頻率的二次調整：通過操作調頻器，使發電機組的頻率特：通過操作調頻器，使發電機組的頻率特性平行移動，從而將負荷變化引起的頻率偏移控制在允許的性平行移動，從而將負荷變化引起的頻率偏移控制在允許的波動范圍內。

13、波動范圍內。1.主調頻廠的選擇主調頻廠的選擇調頻廠：調頻廠：擔負二次調頻任務的電廠，分為主調頻廠和輔助擔負二次調頻任務的電廠，分為主調頻廠和輔助 調頻廠。調頻廠。調頻廠應滿足的條件：調頻廠應滿足的條件：1 1）足夠的調整容量）足夠的調整容量2 2）較快的調整速度）較快的調整速度3 3）調整范圍內的經濟性較好）調整范圍內的經濟性較好二、頻率的二次調整二、頻率的二次調整21調整容量調整容量: : 水電廠水電廠 火電廠火電廠 中溫中壓電廠（中溫中壓電廠（7575） 高溫高壓電廠（高溫高壓電廠（3030） 調整速度：調整速度： 水電廠水電廠 火電廠火電廠調頻廠選擇：調頻廠選擇： 首選：水電廠首選：水電

14、廠 其次：中溫中壓電廠其次：中溫中壓電廠222.2.頻率二次調整的過程頻率二次調整的過程pf0)( fPDf1A)( fPGB)(fPD f22f )(fPG C0DP EFB 23頻率的二次調整頻率的二次調整fKfKPPDGGD0fKfKKPPDGGD)(0KPPfGD0結論：結論：（1）由于二次調頻增加了發電機的出力，在同樣）由于二次調頻增加了發電機的出力，在同樣 的頻率偏移下，系統能承受的負荷變化量增加了。的頻率偏移下，系統能承受的負荷變化量增加了。 （2）能夠做到）能夠做到無差調節無差調節。AE EF FC24多臺機組并列運行（三臺機組，多臺機組并列運行（三臺機組，1 1號機組為主調頻

15、機組）號機組為主調頻機組）0123123() ()DDGGGDGDPPPPPKKKfKfKKf fKKPPDGGD )(10例例13-413-4例例13-513-5調頻機組未動作時調頻機組未動作時調頻機組動作后調頻機組動作后2513-4 13-4 互聯系統的頻率調整互聯系統的頻率調整DBGBBPPKAGADAKPP AAGAABDAfKPPP BBGBABDBfKPPP KPPKKPPPPfGDBAGBGADBDA )()(BAGADABGBDBAABKKPPKPPKP )()(ABP 26BAGADABGBDBAABKKPPKPPKP )()(聯絡線功率聯絡線功率BGBDBAGADAKPPK

16、PP 0 ABPBAGADBDBBAGADABDBAABKKPPKPKKPPKPKP )()(例例13-613-6例例13-713-7B系統不參系統不參加二次調整加二次調整2713-4 13-4 各類發電廠的合理組合各類發電廠的合理組合系統中有備用容量時，可考慮有功功率的最優分配問題，包系統中有備用容量時，可考慮有功功率的最優分配問題，包括有功電源的最優組合及有功負荷的最優分配。括有功電源的最優組合及有功負荷的最優分配。有功電源的最優組合有功電源的最優組合：系統中發電設備和發電廠的合理組合。：系統中發電設備和發電廠的合理組合。有功負荷的最優分配有功負荷的最優分配：系統中的有功負荷在各個正在運行

17、的：系統中的有功負荷在各個正在運行的發電設備或發電廠之間的合理分配。發電設備或發電廠之間的合理分配。28一、一、 各類發電廠的運行特點各類發電廠的運行特點1 1 火電廠火電廠（1 1）燃料及運輸費用）燃料及運輸費用（2 2）有功出力最小限制）有功出力最小限制（3 3）效率與蒸汽參數有關）效率與蒸汽參數有關（4 4）啟停時間長且啟停費用高）啟停時間長且啟停費用高（5 5）熱電廠總效率較高，但與熱負荷相應的輸出功率是不可）熱電廠總效率較高，但與熱負荷相應的輸出功率是不可 調節的強迫功率。調節的強迫功率。29一、一、 各類發電廠的運行特點各類發電廠的運行特點2 2 水電廠水電廠（1 1）不需燃料費，

18、但一次投資大）不需燃料費，但一次投資大（2 2）出力調節范圍比火電機組大）出力調節范圍比火電機組大（3 3）啟停費用低，且操作簡單）啟停費用低，且操作簡單（4 4）出力受水頭影響）出力受水頭影響（5 5）抽水蓄能）抽水蓄能（6 6）必須釋放水量強迫功率）必須釋放水量強迫功率30一、一、 各類發電廠的運行特點各類發電廠的運行特點3 核電廠核電廠（1）最小技術負荷小，為額定負荷）最小技術負荷小，為額定負荷1015。（2）啟停費用高；負荷急劇變化時，調節費用高；啟停及）啟停費用高；負荷急劇變化時，調節費用高；啟停及 急劇調節時，易于損壞設備。急劇調節時，易于損壞設備。（3）一次投資大，運行費用小。）

19、一次投資大，運行費用小。31二、各類發電廠的合理組合二、各類發電廠的合理組合原則原則（1 1）充分利用水源。）充分利用水源。（2 2）降低火電機組的單位煤耗，發揮高效機組的作用。）降低火電機組的單位煤耗，發揮高效機組的作用。（3 3）盡量降低火力發電成本。）盡量降低火力發電成本。32枯水期枯水期豐水期豐水期抽水抽水發電發電334.5 4.5 電力系統有功功率的最優分配電力系統有功功率的最優分配1 1 發電機組的耗量特性：發電機組的耗量特性：反映發電機組單位時間內能量反映發電機組單位時間內能量輸入輸入和和輸出輸出關系的曲線。關系的曲線。耗量特性耗量特性344.5 4.5 電力系統有功功率的最優分

20、配電力系統有功功率的最優分配比耗量：比耗量：耗量特性曲線上某點的耗量特性曲線上某點的縱坐標和橫坐標之比，即輸入和縱坐標和橫坐標之比，即輸入和輸出之比輸出之比效率：效率：比耗量倒數比耗量倒數耗量微增率耗量微增率：耗量特性曲線上某：耗量特性曲線上某點切線的斜率，表示在該點的輸點切線的斜率，表示在該點的輸入增量與輸出增量之比。入增量與輸出增量之比。PF / FP / dPdF / 效率曲線和微增率曲線效率曲線和微增率曲線 35二、目標函數和約束條件二、目標函數和約束條件有功負荷最優分配的目的有功負荷最優分配的目的：在滿足對一定量負荷持續供電的：在滿足對一定量負荷持續供電的前提下，使發電設備在生產電能

21、的過程中單位時間內所消耗前提下，使發電設備在生產電能的過程中單位時間內所消耗的能源最少。的能源最少。 滿足條件：滿足條件： 等式約束等式約束 f(x、u、d)=0 不等式約束不等式約束 g(x、u、d)0 使使 目標函數目標函數 F=F(x、u、d) 最優最優361 1 目標函數目標函數系統單位時間內消耗的燃料（火電機組）系統單位時間內消耗的燃料（火電機組） niGiiGnnGGPFPFPFPFF12211)()()()(該目標函數是各發電設備發出有功功率的函數，該目標函數是各發電設備發出有功功率的函數，描述的是單位時間內能源的消耗量。描述的是單位時間內能源的消耗量。372 2 約束條件約束條

22、件等式約束等式約束不等式約束不等式約束 nimjLLDjGiPPP11 nimjLDjGiPP11忽略有功網損忽略有功網損 maxminmaxminGiGiGiGiGiGiQQQPPP38三、三、 等耗量微增率準則等耗量微增率準則以兩臺火電機組為例，忽略有功網損；假定各臺機組的燃料以兩臺火電機組為例，忽略有功網損；假定各臺機組的燃料消耗量和輸出功率不受限制，要求：消耗量和輸出功率不受限制，要求：確定負荷功率在兩臺機確定負荷功率在兩臺機組間的分配，使總的燃料消耗量最小組間的分配，使總的燃料消耗量最小。 等式約束等式約束 目標函數目標函數021 LDGGPPP)()( min2211GGPFPFF

23、 39三、三、 等耗量微增率準則等耗量微增率準則作圖法求解（只有兩臺機組）作圖法求解（只有兩臺機組） 在在OO上找到一點作垂線，上找到一點作垂線， 與兩條耗量特性曲線的交點與兩條耗量特性曲線的交點 間距離最短。間距離最短。 在耗量特性曲線具有凸性的情在耗量特性曲線具有凸性的情 況下，況下，兩條曲線的切線平行時，兩條曲線的切線平行時， 燃料消耗量最少燃料消耗量最少。 曲線的切線即斜率，就是該點的曲線的切線即斜率，就是該點的耗量微增率。耗量微增率。40切線平行時，斜率相等，也就是耗量微增率相等。切線平行時，斜率相等，也就是耗量微增率相等。這就是等微增率準則。這就是等微增率準則。物理意義物理意義2211GGdP/dFdP/dF ，節約的燃料消耗為：增加，機組減少調整負荷分配，機組，并且總輸出功率不變等：假如兩臺機組微增率不PPdPdFdPdFGG212211022112211 P)dPdFdPdF(PdPdFPdPdFFGGGG 41四、多個發電廠間的負荷經濟分配四、多個發電廠間的負荷經濟分配1.1.不計網損的有功最優分配不計網損的有功最優分配目標函數最小：目標函數最小：等式約束條件：等式約束條件：這是多元函數求條件極值問題，可以利用拉格朗日乘數法求這是多元函數求條件極值問題，可以利用拉格朗日乘數法求解。解。構造拉格朗日函數構造拉格朗日函數 niGii)P(F