电力系统自动化---第三章 电力系统频率及有功功率的自动调节

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备用容量的分类
按作用分： (1)负荷备用：满足负荷波动、 计划外的负荷增量 2%~5% (2)事故备用：发电机因故退 出运行而预留的容量 5%~10% (3)检修备用：发电机计划检 修4%~5% (4)国民经济备用：满足工农 业超计划增长3%~5% 按其存在形式分：
(1)热备用
(2)冷备用
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二、电力系统的频率特性
PG K G f
PD ( f )
f f1 f2 A B
PG
PD 0
( f ) PD
C
PD
PD K D f
负荷功率的实际增量：
PD0 PD PD0 K D f
它同发电机功率增量平衡：
P1 P2
P
PD0 PD PG
PD0 PG PD ( K G K D )f Kf
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一、 各类发电厂的运行特点
2 水电厂
（1）不需燃料费，但一次投资大
（2）出力调节范围比火电机组大
（3）启停费用低，且操作简单
（4）出力受水头影响 （5）抽水蓄能 （6）必须释放水量－－强迫功率
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一、 各类发电厂的运行特点 3 核电厂
（1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。
（2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费
二、目标函数和约束条件
• 有功负荷最优分配的目的：在满足对一定量负荷持续 供电的前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位 时间内所消耗的能源最少。 • 满足条件：
等式约束 f(x、u、d)=0 不等式约束 g(x、u、d)≤0
使
目标函数
F=F(x、u、d) 最优
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1 目标函数 • 系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）
i 1 i 1 n
PGiN fN
n台机组的等值 单位调节功率
结论：n台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的
单位调节功率。
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一、频率的一次调整
把n台机组用一台等值机代表，等值单位调节功率标幺值
K G K Gi K Gi
i 1 i 1
n
n
PGiN fN
代入
K G K G
( PDA PDB ) ( PGA PGB ) P PG D K A KB K
PAB
K A (PDB PGB ) K B (PDA PGA ) K A KB
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联络线功率
K A (PDB PGB ) K B (PDA PGA ) PAB K A KB PDA PGA PDB PGB B系统不参 KA KB
以f N 和PDN 为基准值 的标幺值表达式
PD a0 a1 f a 2 f a 3 f
2 3
9
负荷的有功功率－频率静态特性简化表达
当频率偏离额定值不大时，负荷有功－频率静态特性用一 条近似直线来表示。
PD K D tg f
PD / PDN PD K D f / f N f
1
3.1 电力系统的频率特性
2
一、 有功平衡和频率调整
1.电力系统频率变化的影响
• 对用户的影响 （1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业 （2）异步电机功率下降 （3）电子设备的准确度 • 对发电厂和电力系统的影响 （1）对发电厂厂用机械设备运行的影响 （2）对汽轮机叶片的影响 （3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无 功消耗。
n
PGN fN
1 K G
i 1

PGN n P GiN
i
KG
i 1
KGi PGiN
PGN
PGN PGiN
i 1
18
n
K G K Gi K Gi
i 1 i 1
n
n
PGiN fN
K KG K D
PD 0 f
求出频率偏差
负荷的频率调节效应系 数或称为负荷的频率调 节效应，表示负荷随频 率的变化程度。
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2.发电机组的有功功率－频率静态特性
（1）静态调差系数:某台机组负荷改变时相应的频率偏移
f 2 f1 f P2 P1 P
运行点： P2 PGN
f / f N f P / PGN P
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4 有功功率平衡与备用容量
– 有功功率平衡：
P P P
Gi Di
loss
–备用容量：15%～20% • 作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容 量应大于发电负荷。 定义：备用容量 ＝ 系统可用电源容量 － 发电负荷
P(M W) 备用容 量
新增容 量
发电负荷
8760 t(h)
PGN PD 0 PDN PD 0 K D PDN f f N f
K* kr K G K D
PD 0 f
系统的单位调节功率 kr=PGN/PDN为备用系数 小结：系统中有功功率电源的出力不仅应满足在额定频 率下系统对有功功率的需求，而且应有一定的备用。
若2为额定运行点，1为空载
f2 f N f1 f 0
P1 0

f N f0 PGN
f N f0 f0 f N fN fN f0 f N (%) 100 fN
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单位调节功率:调差系数的倒数，表示频率变化时 发电机组输出功率的变化量。
PG KG f
3
一、有功功率和频率调整
2 频率与有功平衡的关系
• 转矩平衡与功率平衡
MT M E PT PE
• 转矩不平衡时,转子转 速变化,引起频率变化
pn f 60
• 保持频率恒定不变是十分困难的 !
4
一、有功功率和频率调整
3有功功率负荷的变化及其调整
负荷总的变化情况 随机分量
脉冲分量 持续分量
1
K G
PG f
1
K G K G
PGN fN
小结：调差系数越小，单位调节功率越大，频率偏移越小。
调差系数是可以整定的。
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3 电力系统的有功功率－频率静态特性
PD ( f )
f f1 f2 A B
PG
PD 0
( f ) PD
C
PD
P1
P2
P
13
f f 2 f1 0
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2.频率二次调整的过程
f A E
PD ( f )
( f ) PD
f1 f2
F
B
f 2
PD 0
C
PG ( f )
B
PG ( f )
0
p
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频率的二次调整 PD0 PG K G f K D f AE EF FC
PD0 PG ( K G K D )f Kf
PD 0 K KG K D f
系统的单位调节功率：计及发电机和负荷的调节效 应时，引起频率单位变化时的负荷变化量。
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标幺值表示
K KG K D PD 0 f
K G
PGN PD 0 PDN K D fN fN f
等式两端同除以PDN/fN
K G
P
i 1
n
Gi
PLDj
j 1
m
• 不等式约束
PGi min PGi PGi max QGi min QGi QGi max
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三、 等耗量微增率准则
• 以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料 消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机 组间的分配，使总的燃料消耗量最小。
1.主调频厂的选择
•调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助
调频厂。 •调频厂应满足的条件： 1）足够的调整容量 2）较快的调整速度 3）调整范围内的经济性较好
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调整容量: 水电厂>火电厂 中温中压电厂（75％）>高温高压电厂（30％） 调整速度： 水电厂>火电厂 调频厂选择： 首选：水电厂 其次：中温中压电厂
f
结论：
PD0 PG
K
（1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率
偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。 （2）可以做到无差调节。
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多台机组并列运行（三台机组，1号机组为主调频机组）
PD 0 P1 P2 P3 PD ( K G1 K G 2 K G 3 )f K D f ( K G K D )f
耗量特性
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三、电力系统有功功率的最优分配
• 比耗量：耗量特性曲线上某 点的纵坐标和横坐标之比， 即输入和输出之比
＝F / P
• 效率：比耗量倒数
＝P / F
• 耗量微增率：耗量特性曲线 上某点切线的斜率，表示在 该点的输入增量与输出增量 之比。 dF / dP
效率曲线和微增率曲线
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调频机组未动作时
PD0 PG1 ( KG K D )f
调频机组动作后
24
3
互联系统的频率调整
PDA PGA KA
PDA PAB PGA K Af A
PAB
PDB PGB KB
PDB PAB PGB K B f B
f
15
3.2 调频与调频方程式
16
一、电力系统的频率调整
一、频率的一次调整
•n台装有调速器的机组并列运行时，系统频率变化Δf时
PGi K Gi f
n n i 1
n
(i 1,2, ,n)
i 1
PG PGi K Gi f K G f
K G K Gi K Gi
等式约束 目标函数
f
PGiN PGi K Gi f f i i f N 1
每台机组的功 率增量
PGi
PGiN
f i
小结：调差系数越小的机组 增加的有功输出相对越多。
频 率 的 一 次 调 整 的 计 算 过 程
19
二、频率的二次调整
•频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特 性平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波 动范围内。
1.负荷的有功功率－频率静态特性
f f f PD a0 PDN a1 PDN f a2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱDN f a3 PDN f N N N
2 3
a 0 a1 a 2 a 3 1
加二次调整
PAB 0
PAB K A PDB K B ( PDA PGA ) KA KB PDB K B ( PD PGA ) K A KB
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二、各类发电厂的合理组合
• 系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问 题，包括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。
• 有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合 理组合。 • 有功负荷的最优分配：系统中的有功负荷在各个正在 运行的发电设备或发电厂之间的合理分配。
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一、 各类发电厂的运行特点 1 火电厂
（1）燃料及运输费用
（2）有功出力最小限制
（3）效率与蒸汽参数有关 （4）启停时间长且启停费用高 （5）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输 出功率是不可调节的强迫功率。
用高；启停及急剧调节时，易于损坏设备。
（3）一次投资大，运行费用小。
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二、各类发电厂的合理组合 原则
（1）充分利用水源。
（2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机
组的作用。
（3）尽量降低火力发电成本。
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发电
抽水
枯水期
丰水期
32
三、电力系统有功功率的最优分配
1 发电机组的耗量特性：反映发电机组单位时间内能量 输入和输出关系的曲线。
F F1 ( PG1 ) F2 ( PG 2 ) Fn ( PGn ) Fi ( PGi )
i 1
n
该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数， 描述的是单位时间内能源的消耗量。
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2 约束条件
• 等式约束
n m
P
i 1
Gi
PLDj PL
j 1
忽略有功网损
5
系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动 负荷组成：
（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等
调速器 频率的一次调整
（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电
炉启停
调频器
频率的二次调整
（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律
根据预测负 荷，在各机 组间进行最 优负荷分配 电力系统的经济运行调度（发电计划）