电力系统课件第五章

负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用归纳起 来以热备用和冷备用的形式存在于系统中。而不难想见， 热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用。
热备用：是指所有投入运行的发电机组可能发出的最大 功率之和与全系统发电负荷之差，因而称为运转备用或旋 转备用。 负荷备用必须以热备用的形式存在于系统之中，事故备 用中一部分应为热备用，另一部分用冷备用的形式存在。
三、电力系统中有功功率的平衡和备用容量
1、有功功率的变动及其调整 电力系统有功功率负荷（以 下简称负荷）时刻都在作不规 则变化，如右图所示。对系统 实际负荷变化曲线的分析表明， 系统负荷可以看作是由三种具 有不同变化规律的变动负荷所 组成： 第一种是变化幅度很小，变 化周期短（以几秒为周期）， 负荷变动有很大的偶然性； 第二种是变化幅度大，变化 周期较长（以几分钟为周期）； 第三种是变化缓慢的持续变 动负荷，幅度最大，周期最长。
冷备用：冷备用容量是指系统中处于停止运行状态，但 可以随时待命启动的发电机组最大出力的总和。 冷备用可以作为检修备用和国民经济备用及一部分事故 备用。
四、各类发电厂的特点及合理组合
电力系统中的发电厂主要有以下三类 水力发电厂 火力发电厂 原子能发电厂（核电厂） 各类发电厂由于其设备容量、机械特性、使用的动力资源等 不同，而有着不同的技术经济特性。必须结合它们的特点，合 理地组织这些发电厂的运行方式，恰当安排它们在电力系统日 负荷曲线和年负荷曲线中的位置，以提高电力系统运行的经济 性。
发电厂之间的最优分配问题。在数学上，其性质是在一定的 约束条件下，使某一函数为最优，而这些约束条件和目标函 数都是各种变量——状态变量、控制变量、扰动变量的非线 性函数。可表达为在满足等约束条件：
（1）负荷备用：是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划 外的负荷增加而设置的备用。负荷备用容量的大小应根据系 统负荷的大小、运行经验并考虑系统中各类用电的比重确定 。一般为最大负荷的 2 ％一 5 ％，大系统采用较小数值，小系 统采用较大数值。
（2）事故备用：是使电力用户在发电设备发生偶然性事故时 不受严重影响，维持系统正常供电所需的备用。事故备用容 量的大小应根据系统容量、发电机台数、单位机组容量、机 组的事故概率、系统的可靠性指标等确定，—般约为最大负 荷的5％一10 ％，但不得小于系统中最大机组的容量。

2、有功功率电源
电力系统中有功功率电源是各类发电厂的发电机。 系统中的总装机容量=所有发电机额定容量之和。 但系统中的电源容量并不一定始终等于所有发电机额定容 量之和，这是因为不是所有发电机组都是不间断地全部投入 运行（停运、检修等），且投入运行的发电机组也不是全部 按额定容量发电。 系统中的电源容量=可投入发电设备的可发率之和。 投入运行的发电设备可发功率之和是真正可供调度的系统 电源容量，其不应小于包括网损和厂用电在内的系统（总） 发电负荷。
5.1 电力系统中有功功率的平衡
一、频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响 电力设备在额定频率下设计：好的技术经济性能，是电能质 量的另一项重要指标。 用户观点：要求提供合格的f优质电能商品。 影响举例： 电动机： f 降低，转速改变，电动机有功功率降低，影响产 品质量。 电子设备：对f 敏感，要求更高，现代投资环境。 火电厂主要设备：水泵、风机、磨煤机都是异步机， f 下降 ，异步电动机和变压器励磁电流大大增加，消耗的无功功率增 大，引起系统所需无功功率增加，从而引起电压降低，使调压 困难，输出有功功率下降， f 进一步下降，恶性循环。
(1)比耗量 ：单位时 间内输入能量与输出功率之 比。为耗量特性曲线上某一 点纵坐标和横坐标的比值。
F / P 或 W / P
图5-3 耗量特性
（5-2）
图5-3 耗量特性
图5-4 效率曲线和微增率曲线
(2)发电设备的效率 ：当耗量特性纵横坐标的单位相同 1/ 时，
第五章 电力系统有功功率的平衡和 频率调整
第一节 电力系统中有功功率的平衡 第二节 电力系统的频率调整

本章将阐述正常、稳态运行状况的优化和调整，主要是有 功功率和频率的调整，系统中有功功率的最优分布和频率调
整的问题。统的二次调频 有功功率的最优分配(三次调频) 互联系统的频率及输送功率的调整
节性能的不同，在不同程度上受自然条件的影响。
（4）水电厂按其有无调节水库、调节水库的大小或功能分 为无调节、日调节、季调节、年调节、多年调节和抽水蓄能 等几类。 无调节水库水电厂任何时刻发出的功率都取决于河流的天 然流量，当天然流量没有变化的时候，这种水电厂发出的功 率也基本没有变化。
有调节水库水电厂的运行方式主要取决于水库调度所给定 的水电厂耗水量，洪水季节，给定的耗水量交大，往往满负 荷运行；枯水季节，给定的耗水量较小，为了尽可能有效利 用这部分水量，节约火电厂的燃料消耗，往往承担急剧变动 的负荷。 日调节、季调节、年调节、多年调节之分，则取决于水库 容量，水库容量越大，调节能力越强。
图5-2 各类发电厂组合顺序示意图
（a）枯水季节
（b）丰水季节
夏季丰水期，水量充足，水电厂应带基本负荷以避免弃水、 节约燃煤。在此期间，可抓紧时间进行火电厂设备的检修。 冬季枯水期，来水较少，应由凝汽式火电厂承担基本负荷， 水电厂则承担尖峰负荷。
五、有功功率负荷的最优分配
有功功率负荷的最优分配：是指系统的有功功率负荷在各 个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配，经典的方 法可是按等耗量微增率准则进行分配。
是不可调节的强迫功率。
2、原子能发电厂的特点
（1）反应堆负荷基本没限制，最小技术负荷取决于汽轮机， 为额定负荷10～15％。
（2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；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。 3、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量－－强迫功率。 （ 2 ）出力调节范围比火电机组大，其最小技术负荷由水电 厂具体条件决定，启停费用低，且操作简单。 （ 3 ）不需燃料费，但一次投资大，水电厂的运行依水库调
汽轮机叶片：f 偏移可能引起共振，缩短寿命，严重时断裂。 频率偏移的允许范围 目前我国规定：50±0.2Hz 发达国家：50±0.1Hz 随着频率自动控制技术的进步，我国一些电网已经做到 50±0.1Hz。
二、有功功率与系统频率的关系
1、电力系统的频率与发电机的转速的关系
在稳态情况下，全系统各点的频率都相等，所有发电机都 保持同步运行。每一台发电机的转速与系统频率之间的关系 为：
nP f Hz 60
n:发电机转速，P发电机的极对数。 发电机的转速取决于原动机的机械功率PM和发电机输出地 电磁功率PE 。
电网f:由发电机转速ω体现 。
当发电机PM与PE平衡时， ω和f不变，负荷PL随机变化引 起 PE随机变化， PM无法突变，引起f随机变化。 结论：频率偏移不可避免。 为了保持系统的频率在额定值附近，需要不断调整原动机的 输入功率，使发电机的输出功率与系统负荷有功功率的变化相 适应，从而使发电机的稳态转速不至于过大。 因此，系统频率的控制，与负荷有功功率的变化及其在发电 机间的分配以及发电机组功率的控制密切相关
无调节水库水电厂：全部功率应首先投入。
有调节水库水电厂：强迫功率都不可调，首先投入。在丰 水季节，为防止弃水，优先投入，枯水季节则相反，应承担 高峰负荷。使火电厂的负荷更平稳，从而减少设备开停或负 荷增减，从而节约总的燃料消耗。
抽水蓄能水电厂：在低谷时，其水轮机发电组作为电动机 水泵方式运行，因而作负荷考虑，在高峰负荷时发电，与常 规水电厂无异。
(3)耗量微增率 ：单位时间内输入能量微增量与输出功率 微增量的比值。为耗量特性曲线上某一点切线的斜率。
F / P dF / dP 或 W / P dW / dP
（5-3）
2、目标函数和约束条件 明确了有功功率负荷的大小和耗量特性，在系统中有一
定的备用容量时，就可以考虑这些负荷在已运行发电设备或
（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。 根据上述原则，在夏季丰水期和冬季枯水期各类电厂在 日负荷曲线中的安排示意图，见图5-2。
火电厂：承担基本不变的负荷，避免频繁开停设备或增 减负荷，高温高压电厂因效率最高，因优先投入，中温中 压电厂、低温低压电厂设备陈旧、效率很低，只能在高峰 负荷期间发出必要的功率。 核电厂：可调容量大，一次投资大，运行费用小，应持 续承担额定容量负荷，在负荷曲线的基底部分运行。
3、有功功率平衡和备用容量 电力系统中，在任何时候，所有发电厂发出的有功功率的 总和 pG ，而 PL 包括所有用户的有功功率 PC 、所有发电厂厂 用电有功负荷 PD 和网络的有功损耗 PS ，即
PG PL PD PS PC
（5-1）
为保证可靠供电和良好的电能质量，电力系统的有功功率 平衡在额定运行参数下确定。而且，还应具有一定的备用容 量，也就是在系统最大负荷情况下，系统电源容量大于发电 负荷的部分称系统的备用容量。 系统备用容量一般分负荷备用、事故备用、检修备用和国 民经济备用等。
负荷的变化将引起频率的相应变化，电力系统的有功功率 和频率调整大体上分一次、二次、三次调整三种。

频率的一次调整（或称为一次调频）是对第一种负荷变动 引起的频率偏移作调整,由发电机组的调速器进行调整的，当 调速器的测速系统感受到发电机的转速变化（如转速下降） ，调速器的执行机构会自动调节发电机的功率（增加发电机 的功率）；由调速器来平衡负荷变动的方式常称为频率的一 次调整；一次调频是所有运行中的发电机组都可以参加，取 决于发电机组是否已经满负荷发电。

频率的二次调整（或称为二次调频）是对第二种负荷变动 引起的频率偏移作调整。只由发电机组的调速器动作不能满 足频率偏差的要求，故由发电机组的调频器来调整，这种调 整称为电力系统频率的二次调整；二次调频厂往往是系统的 平衡节点。 频率的三次调整（或称为三次调频）是对第三种负荷变动 引起的频率偏移作调整。将在有功功率平衡的基础上，按照 最优化的原则在各发电厂之间进行分配。