1、電力系統分析第四章第四章 電力系統有功功率和頻率調整電力系統有功功率和頻率調整第四章 電力系統的有功功率和頻率控制4.1 4.1 電力系統有功功率的平衡電力系統有功功率的平衡4.3 4.3 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4.2 4.2 電力系統的頻率調整電力系統的頻率調整4.1 電力系統有功功率的平衡引言：引言：衡量電能質量的指標包括：頻率質量、電壓質量和波形質衡量電能質量的指標包括：頻率質量、電壓質量和波形質量，分別以量，分別以表示。表示。衡量運行經濟性的主要指標為：衡量運行經濟性的主要指標為：線損率：線路損耗電能與始端輸入電能的比值線損率：線路損耗電能與始端輸入電能的

2、比值 ；比耗量：生產單位電能所消耗的一次能源。比耗量：生產單位電能所消耗的一次能源。z1W100%W有功功率的最優分布包括：有功功率的最優分布包括：有功功率負荷預測、有功功率電源的最優組合、有功功率負荷預測、有功功率電源的最優組合、 等。等。4.1 電力系統有功功率的平衡2、頻率與有功平衡的關系：、頻率與有功平衡的關系： 1）轉矩平衡與功率平衡：）轉矩平衡與功率平衡： 2）轉矩不平衡時，轉子轉速變化，）轉矩不平衡時，轉子轉速變化， 引起頻率變化：引起頻率變化：TETEM= MP = Ppnf =601、頻率偏差的概念：實際頻率與額定頻率之間的差值；、頻率偏差的概念：實際頻率與額定頻率之間的差值

3、； 一、頻率偏差及頻率調整的必要性一、頻率偏差及頻率調整的必要性4.1 電力系統有功功率的平衡3、頻率調整的必要性（頻率變化的影響）：、頻率調整的必要性（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：紡織工業、造紙工業）異步電機轉速：紡織工業、造紙工業產品殘次產品殘次（2 2）異步電機功率下降）異步電機功率下降輸出功率與系統頻率之間的正相關性輸出功率與系統頻率之間的正相關性（3 3）電子設備的準確度）電子設備的準確度以系統頻率為時鐘以系統頻率為時鐘 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輸煤

4、、水泵、風機輸煤、水泵、風機（2 2）對汽輪機葉片的影響）對汽輪機葉片的影響低頻共振低頻共振（3 3）對異步電機及變壓器勵磁的影響，增加無功消耗。）對異步電機及變壓器勵磁的影響，增加無功消耗。4.1 電力系統有功功率的平衡 根據有功負荷隨時間不規則變化按其根據有功負荷隨時間不規則變化按其變化幅度和周期變化幅度和周期，將，將負荷變動分為三類：負荷變動分為三類： （1 1）變動幅度很小，變化周期很短，變動幅度很小，變化周期很短，這種負荷變動有很大這種負荷變動有很大的偶然性，屬隨機負荷變動；的偶然性，屬隨機負荷變動； （2 2）變動幅度較大，變化周期較長，變動幅度較大，變化周期較長，屬于這種負荷的主

5、要屬于這種負荷的主要有：電爐、電氣機車等帶有沖擊性的負荷變動；有：電爐、電氣機車等帶有沖擊性的負荷變動； （3 3）變動幅度最大，變化周期最長，變動幅度最大，變化周期最長，其變動基本上可以預其變動基本上可以預計，是由生產、生活、氣象等變化引起的負荷變動。計，是由生產、生活、氣象等變化引起的負荷變動。二、有功功率負荷的變化及調整二、有功功率負荷的變化及調整1 1、有功負荷變動的分類：、有功負荷變動的分類：4.1 電力系統有功功率的平衡有功功率負荷有功功率負荷的變化及調整的變化及調整 這三種負荷變動都將使電力系統的頻率發生一定的變化，有這三種負荷變動都將使電力系統的頻率發生一定的變化，有 功功率電

6、源的輸出功率也發生變化。功功率電源的輸出功率也發生變化。 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：（1）變動周期小于10s，變化幅度小:小操作、線路搖擺等（3）變動周期最大（180s），變化幅度最大：氣象、生產、 生活規律（2）變動周期在（10s，180s），變化幅度較大：大電機、電 爐啟停調速器頻率的一次調整調頻器頻率的二次調整根據預測負荷，在各機組間進行最優負荷分配電力系統的經濟運行調度（發電計劃）4.1 電力系統有功功率的平衡根據負荷變動的分類，有功平衡和頻率調整也相應分為三類：根據負荷變動的分類，有功平衡和頻率調整也相應分為三類： a. 一次調頻：一次調頻：由發電機

7、調速器進行；由發電機調速器進行； b. 二次調頻：二次調頻：由發電機調頻器進行；由發電機調頻器進行； c. 三次調頻：三次調頻：由調度部門根據負荷預測曲線進行最優分配。由調度部門根據負荷預測曲線進行最優分配。 前兩種是事后的，第三種是事前的。前兩種是事后的，第三種是事前的。 一次調頻時所有運行中的發電機組都可以參加，取決于發一次調頻時所有運行中的發電機組都可以參加，取決于發 電機組是否已經滿負荷發電，這類發電廠稱為負荷監視廠；電機組是否已經滿負荷發電，這類發電廠稱為負荷監視廠； 二次調頻是由平衡節點來承擔；二次調頻是由平衡節點來承擔； 三次調頻則屬于電力系統經濟運行調度的范疇。三次調頻則屬于電

8、力系統經濟運行調度的范疇。 2 2、有功平衡和頻率調整：、有功平衡和頻率調整：4.1 電力系統有功功率的平衡1 1、有功功率平衡：、有功功率平衡：GiLDiLoss,P=P+ P有功功率電源：有功功率電源：電力系統各類發電廠的發電機；電力系統各類發電廠的發電機；系統電源容量（系統裝機容量）：系統電源容量（系統裝機容量）：系統中所有發電廠機組系統中所有發電廠機組 額定容量的總和；額定容量的總和；備用容量：備用容量：系統電源容量大于發電負荷的部分。系統電源容量大于發電負荷的部分。三、有功功率平衡和備用容量三、有功功率平衡和備用容量即保證有功功率電源發出有功與系統發電負荷相平衡。即保證有功功率電源發

9、出有功與系統發電負荷相平衡。2 2、相關的一些基本概念：、相關的一些基本概念： 備用容量 系統可用電源容量 發電負荷8760t(h)P(MW)發電負荷備用容量新增容量4.1 電力系統有功功率的平衡4.1 電力系統有功功率的平衡作用：為了保證供電可靠性及電能質量合格，系統電源容量作用：為了保證供電可靠性及電能質量合格，系統電源容量 必須大于發電負荷。必須大于發電負荷。分類：按存在形式分為：熱備用和冷備用；分類：按存在形式分為：熱備用和冷備用； 按作用分為：負荷備用、事故備用、檢修備用、國民按作用分為：負荷備用、事故備用、檢修備用、國民 經濟備用等。經濟備用等。3 3、備用容量的分類：、備用容量的

10、分類：負荷備用：負荷備用：調整負荷波調整負荷波動或超計劃負荷增加；動或超計劃負荷增加；事故備用：事故備用：發電設備發生偶然事故時，維持發電設備發生偶然事故時，維持系統正常供電所需的備用；系統正常供電所需的備用；檢修備用：檢修備用：使系統中發電使系統中發電設備能定期檢修而設置；設備能定期檢修而設置；國民經濟備用：國民經濟備用：著眼未來著眼未來4.1 電力系統有功功率的平衡3 3、備用容量的分類：、備用容量的分類：負荷備用：負荷備用：2%-5%2%-5%；事故備用：事故備用：5%-10%5%-10%；檢修備用：檢修備用：一般不設；一般不設；國民經濟備用：國民經濟備用：3%-5%3%-5%熱備用：熱

11、備用：抵償隨機事件引抵償隨機事件引起的功率缺額，包括負荷起的功率缺額，包括負荷備用和事故備用，一般為備用和事故備用，一般為8 8%-10%-10%冷備用：冷備用：抵償隨機事件引抵償隨機事件引起的，可用于檢修備用，起的，可用于檢修備用，國民經濟備用和一部分事國民經濟備用和一部分事故備用故備用一般而言，系統總的備用容量為最大發電負荷的15%20%4.3 電力系統的頻率特性 頻率是電力系統運行的一個重要的質量指標，直接影頻率是電力系統運行的一個重要的質量指標，直接影響著負荷的正常運行；要維持頻率在正常的范圍內，響著負荷的正常運行；要維持頻率在正常的范圍內，電力系統頻率調整：一次調頻和二次調頻。電力系

12、統頻率調整：一次調頻和二次調頻。引言：引言：電力系統的頻率特性1.負荷的有功功率頻率靜態特性 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DNNPf一般只取到這部分4.3 電力系統的頻率調整，LDLDLDPK=K 0fLDNNLD*LDLDNLDNPffK=KPfP負荷吸收有功的大小隨負荷吸收有功的大小隨 系統頻率變化的靜態特性；在實際中，用系統頻率變化的靜態特性；在實際中，用直線直線表示。表示。 綜合負荷的單位調節功率：綜合負荷的單位調節功率： 一、電力系統頻率特性一

13、、電力系統頻率特性（負荷的頻率調節效應系數）（負荷的頻率調節效應系數） 標幺值形式：標幺值形式：（近似計算時，取其標幺值大小為（近似計算時，取其標幺值大小為1.51.5）4.3 電力系統的頻率調整例例4.1，例，例4.2 補充例題：某電力系統總有功負荷為補充例題：某電力系統總有功負荷為4000MW時系統頻率為時系統頻率為50Hz，負荷的頻率調節效應系數標幺值，負荷的頻率調節效應系數標幺值KLD*=1.5，計算負荷單，計算負荷單位調節功率？位調節功率？（）LDLDLDNLDLD*N40001.512050=MW/HzPK=fPK= K=f 解：根據定義解：根據定義4.3 電力系統的頻率調整1 1

14、 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 2 為放大元件為放大元件 錯油門錯油門( (或稱配壓閥或稱配壓閥) )；3 3 為執行機構為執行機構 油動機油動機( (或稱接力器或稱接力器) )；4 4 為轉速控制機構或稱同為轉速控制機構或稱同 步器步器( (調頻器調頻器) )1 1）調速器、調頻器工作原理）調速器、調頻器工作原理ACBPfPPff 1212 PfPPffGNN/ 01122 0 ffPffPPNGN GNNPff0 NNNNffffff 00 有功負荷增加-系統頻率下降-調速器作用-發電機有功輸出增加有功負荷減少-系統頻率上升-調速器作用-發電機有功輸

15、出減少斜率的負數 發電機的發電機的調速器調整（一次調頻）調速器調整（一次調頻）是一個是一個的過程，的過程， 而而調頻器調整（二次調頻）調頻器調整（二次調頻）則可以實現則可以實現。靜態調差系數:某臺機組出力改變時相應的頻率偏移單位調節功率單位調節功率: :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功率的變化量。發電機組輸出功率的變化量。fPKGG1fPKGG1NGNGGfPKK小結： 調差系數越小，單位調節功率越大，頻率偏移越小。 調差系數是可以整定的，通常： 汽輪機： 水輪機：*0.040.06,25 16.70.020.04,50 25GGKK4.3 電力系統的

16、頻率調整 頻率一次調整的有差調節性質反映在功頻靜特性直線的頻率一次調整的有差調節性質反映在功頻靜特性直線的即即負荷變動時原動機的轉速或頻率隨負荷增加而降低負荷變動時原動機的轉速或頻率隨負荷增加而降低； 二次調頻既可做到有差調節，也可做到無差調節，反映在二次調頻既可做到有差調節，也可做到無差調節，反映在4.3 電力系統的頻率調整（）GNGN100100 =100 = 50 MW/Hz450PK=% fGG1G2G12PP- PK= -= -ff - fGGG2G1G-50(50 - 49.5)= -25MW60+ 25 = 85MWP = -Kf =P= P- P =補充例題補充例題2：某一容量

17、為：某一容量為100MW的發電機，調差系數整定為的發電機，調差系數整定為4%，當系統頻率為，當系統頻率為50Hz時，發電機出力為時，發電機出力為60MW；若系統；若系統頻率下降為頻率下降為49.5Hz時，發電機的出力是多少？時，發電機的出力是多少？根據定義：根據定義：解：根據發電機的單位調節功率與調差系數的關系：解：根據發電機的單位調節功率與調差系數的關系：負荷突增負荷突增PLD，發電機組功率不能及時變動而使機組減，發電機組功率不能及時變動而使機組減速，系統頻率下降；速，系統頻率下降； 同時，發電機組功率由于調速器的同時，發電機組功率由于調速器的一次調整作用而增大一次調整作用而增大 ： PG1

18、PG2，f1 f2 ；負荷功率因其本身的調負荷功率因其本身的調節效應而減少，經過一節效應而減少，經過一個衰減的振蕩過程由個衰減的振蕩過程由32，達到新的平衡；即整個過程為從平衡點達到新的平衡；即整個過程為從平衡點1新的平衡點新的平衡點2。 4.3 電力系統的頻率調整假設系統只有一臺發電機組、一個綜合負荷假設系統只有一臺發電機組、一個綜合負荷 4.3 電力系統的頻率調整GGLDLDP =Kf= P+ Kf LDGLLGDLDSDPP=K + K= K + K= Kff KS 稱為系統的單位調節功率，單位稱為系統的單位調節功率，單位MW/Hz；表示負荷增；表示負荷增 加或減少時，加或減少時，在在原

19、動機調速器和負荷本身的調節效應共同原動機調速器和負荷本身的調節效應共同 作用下作用下 系統頻率下降或上升的多少。系統頻率下降或上升的多少。2 2、數學表達式：發電機輸出有功增量與負荷實際增量相平衡、數學表達式：發電機輸出有功增量與負荷實際增量相平衡NS*SLDNfK= KP標標幺幺值值：4.3 電力系統的頻率調整nGEGii=1K=KmGEGii=1K=K3 3、對于系統有若干臺發電機組參加一次調頻：、對于系統有若干臺發電機組參加一次調頻： SGELDK = K+ K系統的單位調節功率：系統的單位調節功率： 若系統中若系統中n臺機組全部參與調頻，等值單位調節功率為：臺機組全部參與調頻，等值單位

20、調節功率為：若系統中只有若系統中只有m臺機組參與調頻，等值單位調節功率為：臺機組參與調頻，等值單位調節功率為：4.3 電力系統的頻率調整例題例題43：某系統發電機組的總容量為：某系統發電機組的總容量為3475MW，系統總負荷，系統總負荷3300MW，負荷的頻率調節效應系數，負荷的頻率調節效應系數KLD*=1.5；各發電機組的；各發電機組的容量和調差系數分別為：容量和調差系數分別為： 水輪發電機組水輪發電機組 100MW 5臺臺=2.5；75MW 5臺臺=2.75 汽輪發電機組汽輪發電機組 100MW 6臺臺 =3.5；50MW 20臺臺=4.0 較小容量汽輪機組合計較小容量汽輪機組合計1000

21、MW =4.0試分別計算下述四種情況系統單位調節功率試分別計算下述四種情況系統單位調節功率KS（MW/Hz）：）：（1）全部機組都參加一次調整；）全部機組都參加一次調整；（2）全部機組都不參加一次調整；）全部機組都不參加一次調整；（3）僅水輪機組參加一次調整；）僅水輪機組參加一次調整；（4）僅水輪機組和）僅水輪機組和20臺臺50MW的汽輪機組參加一次調整。的汽輪機組參加一次調整。 4.3 電力系統的頻率調整GNGNGG*NNPPK= K=100f% f 各發電機組的單位調節功率：各發電機組的單位調節功率：（）G2375K=100 = 273 MW/Hz2.7550 575MW水輪機組：水輪機組

22、：（）G3600K=100 = 343 MW/Hz3.550 6100MW汽輪機組：汽輪機組：（）G41000K=100 = 500 MW/Hz4.050 2050MW汽輪機組：汽輪機組：（）G51000K=100 = 500 MW/Hz4.050 1000MW小容量汽輪機組：小容量汽輪機組：（）LDNLDLD*NP3300K= K= 1.5= 99 MW/Hzf50負荷：負荷：解：首先分別計算負荷和各發電機組的單位調節功率解：首先分別計算負荷和各發電機組的單位調節功率（）G1500K=100 = 400 MW/Hz2.5505100MW水輪機組：水輪機組：4.3 電力系統的頻率調整（）5SG

23、ELDGiLDi=12115K= K+ K=K+ K=MW/Hz（）SLD99K = K=MW/Hz（）SG1G2LD772K = K+ K+ K=MW/Hz（）SG1G2G4LD1272K = K+ K+ K+ K=MW/Hz（1）全部機組都參加一次調整：）全部機組都參加一次調整：（2）全部機組都不參加一次調整：）全部機組都不參加一次調整：（3）僅水輪機組參加一次調整：）僅水輪機組參加一次調整：（4）僅水輪機組和）僅水輪機組和20臺臺50MW的汽輪機組參加一次調整：的汽輪機組參加一次調整： 然后根據不同情況計算然后根據不同情況計算KS：4.3 電力系統的頻率調整GNNG*GS*G*LD*LD

24、NLDNPfK= K=100K= K+ KP% PGNG1*LDNGN2G2*LDN500100 =100 = 6.12.53300375100 =100 = 4.12.753300PK=% PPK=% PS*G1*G2*LD*K= K+ K+ K= 6.1+ 4.1+1.5 = 11.7NS*SLDNfK= KPS*50K=77211.73300 方法一：根據標幺值定義方法一：根據標幺值定義方法二：方法二：KS的標幺值是以負荷的額定容量為基準值，以此進的標幺值是以負荷的額定容量為基準值，以此進行換算：行換算：4.3 電力系統的頻率調整 LDLDNLD2SN2LDS2NPPPK =fffP30

25、0f =0.142HzK2115f = ff = 50.142Hz（）SG1G2LD772K =K +K +K=MW/HzLD2NSP300f =0.389Hzf = ff = 50.389HzK772（）5SGiLDi=12115K =K +K=MW/Hz(1)全部機組都參加一次調整：全部機組都參加一次調整：(3)僅水輪機組參加一次調整：僅水輪機組參加一次調整：補充補充2：負荷突然減少：負荷突然減少300MW時，時，(1)(3)系統頻率？系統頻率？4.3 電力系統的頻率調整將發電機組的功頻靜特性曲線平行移動，從而將發電機組的功頻靜特性曲線平行移動，從而 改變發電機的有功功率使負荷變動引起的頻

26、率偏差保持在改變發電機的有功功率使負荷變動引起的頻率偏差保持在 允許范圍內；即二次調整使頻率偏差減小或為允許范圍內；即二次調整使頻率偏差減小或為0 0。三、電力系統頻率的二次調整三、電力系統頻率的二次調整一次調整后，一次調整后， f2可能會超出頻率可能會超出頻率偏差允許范圍，此時調頻器進行偏差允許范圍，此時調頻器進行二次調整，即：使功頻靜特性曲二次調整，即：使功頻靜特性曲線平行移動由線平行移動由PGPG或或PG，到到3點可有效縮小頻率變化范圍，點可有效縮小頻率變化范圍，到到1點可實現頻率無差調節。點可實現頻率無差調節。 4.3 電力系統的頻率調整-G0G3G4P= PPGGP =Kf- -LD

27、Kf3 3）由系統的負荷頻率調節效應所由系統的負荷頻率調節效應所3 3、數學表達式：、數學表達式：當系統負荷增加時，由以下三方面提供：當系統負荷增加時，由以下三方面提供：1 1）的發電機組的發電機組2 2）發電機組執行）發電機組執行，按有差，按有差 特性調差系數分配而特性調差系數分配而4.3 電力系統的頻率調整G0GLDLDLDG0GLDSPKf = P+ KfPP = K + K= KfnLDGs0GELDSGEGii=1PP= K+ K= K K=Kf其其中中：發電機輸出有功增量與負荷實際增量相平衡，則發電機輸出有功增量與負荷實際增量相平衡，則 當二次調整發電機組增發的功率當二次調整發電機組增發的功率PG0與負荷功率的原始增與負荷功率的原始增 量量PLD 相等時，相等時，f =0，實現了無差調節。，實現了無差調節。 在有在有n臺發電機組的電力系統中，當綜合負荷發生變動時，臺發電機組的電力系統中，當綜合負荷發生變動時， 所有機組都參與一次