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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,第一節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡,一、頻率變化對用戶和發(fā)電廠及系統(tǒng)本身的影響 系統(tǒng)頻率的變化將引起工業(yè)用戶的電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化,這將影響產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)頻率降低,使電動機(jī)有功功率降低,將影響所有的轉(zhuǎn)動機(jī)械的出力。頻率的不穩(wěn)定,將會影響電子設(shè)備的準(zhǔn)確性。 系統(tǒng)頻率的變化,對發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)本身也十分
2、有害。發(fā)電廠的廠用機(jī)械多使用異步電動機(jī)帶動,系統(tǒng)頻率降低使電動機(jī)出力降低,若頻率降低過多,將使電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),會引起嚴(yán)重后果。,1、有功功率的變動及其調(diào)整 電力系統(tǒng)有功功率負(fù)荷(以下簡稱負(fù)荷)時刻都在作不規(guī)則變化,如右圖所示。對系統(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)律的變動負(fù)荷所組成:第一種視變化幅度很小,變化周期短,負(fù)荷變動有很大的偶然性;第二種是變化幅度大,變化周期較長;第三種是變化緩慢
3、的持續(xù)變動負(fù)荷。,二、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡和備用容量,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。 頻率的一次調(diào)整(或稱為一次調(diào)頻)指由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行的,是對一次負(fù)荷變動引起的頻率偏移作調(diào)整。 頻率的二次調(diào)整(或稱為二次調(diào)頻)指由發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻器進(jìn)行的,是對二次負(fù)荷變動引起的頻率偏移作調(diào)整。 頻率的三次調(diào)整(或稱為三次調(diào)頻)是對三次負(fù)荷變動引起的頻
4、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。,2、有功功率平衡和備用容量 電力系統(tǒng)中,在任何時候,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
5、稱系統(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、檢修備用和國民經(jīng)濟(jì)備用等。,(1)負(fù)荷備用:是指調(diào)整系統(tǒng)中短時的負(fù)荷波動并擔(dān)負(fù)計劃外的負(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。事故備用容量的大小
6、應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)容量、發(fā)電機(jī)臺數(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,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)行一段時間以后,都必須進(jìn)行檢修。檢修分大修和小修。一般大修時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)國民經(jīng)濟(jì)備用:是考慮到
7、工農(nóng)業(yè)用戶的超計劃生產(chǎn),新用戶的出現(xiàn)等而設(shè)置的備用容量,其值根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)的增長情況而確定,一般約為系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%—5% 負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用、國民經(jīng)濟(jì)備用歸納起來以熱備用和冷備用的形式存在于系統(tǒng)中。而不難想見,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,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) 各類發(fā)電廠由于其設(shè)備容量、機(jī)械特性、使用的動力資源等不同,而有著
8、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)安排它們在電力系統(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。,三、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)有功出力最小限制,啟停時間長且啟停費(fèi)用高。(3)效率與蒸汽參數(shù)有關(guān),高溫高壓設(shè)備效率最高,低溫低壓設(shè)備效率最低。 (4)熱電廠總效率較高,但與熱負(fù)荷
9、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),2、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,啟停費(fèi)用低,且操作簡單。(3)不需燃料費(fèi),但一次投資大,抽水蓄能,水電廠的運(yùn)行依水庫調(diào)節(jié)性能的不同在不同程度上受自然條件的影響。,3、原子能發(fā)電廠的特點(diǎn)(1)最小技術(shù)負(fù)荷小,為額定負(fù)荷10~15%。(2)啟停費(fèi)用高;負(fù)荷急劇變化時,調(diào)節(jié)費(fèi)用高;啟停及急劇調(diào)節(jié)時,易于損壞設(shè)備。
10、(3)一次投資大,運(yùn)行費(fèi)用小。,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,見圖5-2。,(二)各類發(fā)電廠的合理組合,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
11、抓緊時間進(jìn)行火電廠設(shè)備的檢修。冬季枯水期,來水較少,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。,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。 (1)耗量微增率 :單位時間內(nèi)輸入能量微增量與輸出功率微增量的比值。為耗量特性曲線上某一點(diǎn)切線的斜率。(2)比耗量 :單位時間內(nèi)輸入能量與輸出功率之比。為耗量特性曲
12、線上某一點(diǎn)縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的比值。(3)發(fā)電設(shè)備的效率 :為比耗量的倒數(shù)。,四、有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配,效率曲線和微增率曲線,耗量特性,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,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)分配問題。在數(shù)學(xué)上,其性質(zhì)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、擾動變量的非線性函數(shù)
13、??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,等式約束條件:有功功率必須保持平衡的條件。 對于每個節(jié)點(diǎn): 對于整個系統(tǒng): 若不計網(wǎng)損:,不等式約束條件
14、:為系統(tǒng)的 運(yùn)行限制。變量:各發(fā)電設(shè)備輸出有功功率。,3、最優(yōu)分配負(fù)荷時的等耗量微增率準(zhǔn)則 根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和等式約束條件建立一個新的、不受約束的目標(biāo)函數(shù)——拉格朗日函數(shù)。 對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo),得到最小值時應(yīng)有的三個條件:,求解(1)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。,,,第二節(jié) 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,
15、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,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,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,整個系統(tǒng)的有功負(fù)荷, 為電力系統(tǒng)頻率為額定值 時,整個系統(tǒng)的有功負(fù)荷, 為上述有功負(fù)荷占 的百分?jǐn)?shù)。,二、發(fā)電機(jī)組的有
16、功功率—頻率靜態(tài)特性,1、自動調(diào)速系統(tǒng),如右圖所示:調(diào)速系統(tǒng)由四個部分組成:1為轉(zhuǎn)速測量元件(飛擺);2為放大元件(錯油門);3為執(zhí)行機(jī)構(gòu)(油動機(jī));4為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)(調(diào)頻器)。,概念介紹發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率:發(fā)電機(jī)組原動機(jī)或電源頻率特性的斜率。 標(biāo)志著隨頻率的升降發(fā)電機(jī)組發(fā)出功率減少或增加的多寡。,2、發(fā)電機(jī)組的有功功率—頻率靜態(tài)特性,發(fā)電機(jī)是調(diào)差系數(shù):單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差
17、系數(shù)的關(guān)系:一般來說發(fā)電機(jī)的單位調(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,負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率:綜合負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性的斜率。 一般而言:,簡述:由于負(fù)荷突增,發(fā)電機(jī)組功率不能及時變動而使機(jī)組減速,系統(tǒng)頻率下降,同時,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
18、因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少,經(jīng)過一個衰減的振蕩過程,達(dá)到新的平衡。數(shù)學(xué)表達(dá)式:KS:稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率,單位Mw/Hz。表示原動機(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。,三、 頻率的一次調(diào)整,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,不能采用過大的單位調(diào)節(jié)功率;對于滿載機(jī)組,不再參加調(diào)整。 對于系統(tǒng)有若干臺機(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
19、分配,按其調(diào)差系數(shù)即下降特性自然分配。,四、頻率的二次調(diào)整,當(dāng)負(fù)荷變動幅度較大(0.5%~1.5%),周期較長(幾分鐘),僅靠一次調(diào)頻作用不能使頻率的變化保持在允許范圍內(nèi),這時需要籍調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)頻器動作,以使發(fā)電機(jī)組的功頻特性平行移動,從而改變發(fā)電機(jī)的有功功率以保持系統(tǒng)頻率不變或在允許范圍內(nèi)。數(shù)學(xué)表達(dá)式 如果 ,即發(fā)電機(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量,則 ,即所謂的無差調(diào)節(jié)。
20、 對于N臺機(jī),則:,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時,由以下三方面提供:二次調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率 ;發(fā)電機(jī)組執(zhí)行一次調(diào)頻,按有差特性的調(diào)差系數(shù)分配而增發(fā)的功率 ;由系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負(fù)荷功率 。,頻率調(diào)整圖,五、 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)問題。通過分析各種電廠的特點(diǎn),調(diào)頻廠的選
21、擇原則為:系統(tǒng)中有水電廠時,選擇水電廠做調(diào)頻廠;當(dāng)水電廠不能做調(diào)頻廠時,選擇中溫中壓火電廠做調(diào)頻廠。,六、 互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整,由幾個地區(qū)系統(tǒng)互聯(lián)為一個大系統(tǒng)的情況,對某一個地區(qū)系統(tǒng)而言,負(fù)荷變化(增加) 時,可能伴隨著與其他系統(tǒng)交換功率的變化 ,則有,若設(shè)A、B兩系統(tǒng)互聯(lián),兩系統(tǒng)負(fù)荷變化(增加)分別為 ,引起互聯(lián)系統(tǒng)的頻率變化(降低) ,及聯(lián)絡(luò)線交換功率的變化 ,如下圖:,系統(tǒng)A:系統(tǒng)B:在
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