電力系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整ppt課件

1、1,第五章 電力系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整,2,本章思路,提出問題,分析問題,解決問題,3,本章思路,提出問題：頻率是衡量電能質(zhì)量的指標之一。頻率經(jīng)常波動，頻率的波動超過允許值時，對發(fā)電、輸電和用產(chǎn)生不利的影響。頻率為什么經(jīng)常波動？分析問題：頻率的波動是由于作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的兩個力矩不平衡引起的。（電磁力矩是制動力矩，使發(fā)電機減速；機械力矩是驅(qū)動力矩，使發(fā)電機加速）解決問題：調(diào)整作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機械力矩，使兩個力矩平衡，則頻率在

2、允許范圍內(nèi)。,4,電力系統(tǒng)的有功功率平衡與頻率波動的關(guān)系,作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上的力矩機械力矩，原動機產(chǎn)生的，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速電磁力矩，負荷產(chǎn)生的，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子減速機械力矩=電磁力矩，作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機力矩平衡，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)額定頻率。,5,電力系統(tǒng)的有功功率平衡與頻率波動的關(guān)系,轉(zhuǎn)矩與功率成正比，用功率可以代替轉(zhuǎn)矩。假設(shè)：機械功率恒定負荷經(jīng)常波動，則電磁功率隨著變化。,6,電力系統(tǒng)的有功功率平衡與頻率波動的關(guān)系,電磁

3、功率>機械功率，發(fā)電機轉(zhuǎn)子減速，系統(tǒng)頻率下降；電磁功率<機械功率，發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，系統(tǒng)頻率上升；,7,頻率調(diào)整的原理,調(diào)整的宗旨：改變機械功率，使機械功率=電磁功率當電磁功率>機械功率，發(fā)電機轉(zhuǎn)子減速，系統(tǒng)頻率下降；調(diào)整：增加進氣量或進水量，進而增加作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機械功率。機械功率=電磁功率，轉(zhuǎn)子達到額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)頻率達到額定頻率。,8,頻率調(diào)整的原理,當電磁功率<機械功率，發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，系統(tǒng)頻

4、率上升；調(diào)整：減小進氣量或進水量，進而減小作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機械功率，機械功率=電磁功率，轉(zhuǎn)子達到額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)頻率達到額定頻率。,9,,頻率調(diào)整就是使發(fā)電機的機械功率隨電磁功率的變化而變化，即發(fā)電機所發(fā)功率隨負荷的變化而變化。因此，要研究負荷的變化規(guī)律，針對負荷的不同變化規(guī)律，要用不同的調(diào)頻手段。,10,三種負荷變動,,,,第三種負荷變動幅度最大、周期也最長（3分以上），它反映了負荷的變動趨勢。這種負荷能夠預(yù)測。,第一種負荷變動

5、幅度很小、周期很短（10秒以下），隨機性很強，無法預(yù)測,第二種負荷變動幅度較大、周期也較長（10秒至3分）。電爐、壓延機械、電氣機車等沖擊性負荷,11,發(fā)電功率的調(diào)整,針對三種負荷，有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分成一次、二次、三次調(diào)整。一次調(diào)整也稱為一次調(diào)頻，針對第一種負荷變動引起的頻率變化，由發(fā)電機組的調(diào)速器自動動作承擔。一次調(diào)整希望快速和平穩(wěn)。,12,發(fā)電功率的調(diào)整,二次調(diào)整也稱為二次調(diào)頻，針對第二種負荷變動引起的頻率變化，由發(fā)

6、電機組的調(diào)頻器手動或自動動作承擔。二次調(diào)頻一般由AGC（Automatic Generation Control）機組承擔。（調(diào)頻） 三次調(diào)整針對第三種負荷變動引起的頻率變化，也就是日常所說的安排發(fā)電計劃。（包含調(diào)峰）,13,5.1 電力系的頻率調(diào)整,一、調(diào)整頻率的必要性對用戶的影響產(chǎn)品質(zhì)量降低生產(chǎn)率降低 對發(fā)電廠的影響汽輪機葉片諧振輔機功能下降 對系統(tǒng)的影響互聯(lián)電力系統(tǒng)解列發(fā)電機解列,14,二、自動調(diào)速

7、系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)特性,,15,自動調(diào)速系統(tǒng),離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入量：發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速輸出量：汽輪機的進汽量(或水輪機的進水量)每個發(fā)電機都有調(diào)速器,16,電源有功功率靜態(tài)頻率特性,靜態(tài)頻率特性：指在穩(wěn)定運行情況下，原動機有功功率與系統(tǒng)頻率之間的關(guān)系。功率為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積。,功率最大,17,頻率的一次調(diào)整曲線,增加進氣量,18,頻率的二次調(diào)整曲線,19,發(fā)電機組原動機的靜態(tài)頻率特性,,20,發(fā)電機組原動機的靜態(tài)頻率特

8、性,21,綜合負荷的靜態(tài)頻率特性,負荷的靜態(tài)頻率特性是負荷的自然屬性，而發(fā)電機組的靜態(tài)頻率特性是由于調(diào)速器實現(xiàn)的，,22,系統(tǒng)的頻率一次調(diào)整,,,,,,,,,,,,0,f,P,A,O,,B,,,系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率,負荷的突增量,發(fā)電機增發(fā),負荷少用,23,為滿足新增負荷的需要，發(fā)電機多發(fā)有功功率（由于系統(tǒng)頻率下降，調(diào)速器調(diào)整實現(xiàn)的），同時負荷少用了有功功率（由于系統(tǒng)頻率下降，負荷的自然屬性決定的）。這個調(diào)節(jié)過程是震蕩衰減過程，我們只討

9、論調(diào)節(jié)的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)。,問題：既然調(diào)速器進行了調(diào)節(jié)，電力系統(tǒng)的頻率仍然下降，如果調(diào)速器不調(diào)節(jié)，系統(tǒng)頻率將如何呢？,24,,,,,,,,,0,f,P,A,O,,,,假設(shè)發(fā)電機組調(diào)速器不起作用，這里沒有發(fā)電機的一次調(diào)整曲線發(fā)電機所發(fā)功率恒定，為,由此可見：如果發(fā)電機調(diào)試器不起作用，調(diào)頻由負荷來實現(xiàn)，系統(tǒng)的頻率下降很多,25,發(fā)電機的調(diào)整功率越大越好？,一、如果發(fā)電機的調(diào)整功率無限大，看似負荷的變動不會引起頻率的改變，但調(diào)整功率難以在多

10、個發(fā)電機組中分配，使發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。二、有些機組已經(jīng)滿載，調(diào)速器不能再參與增功率的調(diào)節(jié)，因此發(fā)電機的調(diào)整功率整定得再大，也沒有意義。正因為如此，依靠發(fā)電機組的調(diào)速器進行的一次調(diào)頻只能調(diào)整周期較短、幅度較小的負荷變動引起的頻率偏移。負荷變動周期更長、幅度更大的調(diào)頻任務(wù)自然地落在由發(fā)電機組調(diào)頻器完成的二次調(diào)整上。,26,,,,,,,,,,,0,f,P,O,,,,,,,,C,,,,27,,,,,,,,,,,0,f,P,O,,,

11、,,,,,C,,,,,無差調(diào)節(jié),此時發(fā)電機的二次調(diào)頻增加的功率等于負荷的突增量。,28,,,29,,,,30,調(diào)頻廠的選擇,調(diào)整容量足夠大；調(diào)整速度足夠快；調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟性能應(yīng)較好；調(diào)整時不引起系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線工作困難。,31,各類型電廠在調(diào)頻中的作用,①水電廠因其具有較寬的有功功率調(diào)節(jié)范圍和較快的調(diào)節(jié)速度，最適宜擔當調(diào)頻工作，所以當系統(tǒng)中有水電廠時，一般選水電廠作為調(diào)頻廠； ②高溫高壓火電廠因其技術(shù)最小負荷較大而

12、使有功功率調(diào)節(jié)范圍較窄，且高溫高壓火電廠效率較高，再考慮到高溫高壓火電廠的負荷增減速度不能太快，故高溫高壓火電廠不宜作為調(diào)頻廠；,32,各類型電廠在調(diào)頻中的作用,③中溫中壓火電廠較高溫高壓火電廠的負荷調(diào)節(jié)范圍寬，故當系統(tǒng)中沒有水電廠，或者有水電廠而在豐水季節(jié)，從電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性出發(fā)，可以采用中溫中壓火電廠作為調(diào)頻廠； ④原子能電廠雖然可調(diào)容量較大，調(diào)整速度也不亞于火電廠，但因其運行費用較低，通常都以滿負荷運行，一般不考慮用這

13、類電廠調(diào)頻。 ⑤如果系統(tǒng)中有抽水蓄能電廠，首先應(yīng)該考慮采用這類電廠進行調(diào)頻。,33,名詞解釋,ALFC:自動負荷頻率控制AGC：自動發(fā)電控制EDC：經(jīng)濟調(diào)度控制ACE：區(qū)域控制偏差,34,有功功率負荷的變動和調(diào)整控制,發(fā)電控制（一、二次調(diào)頻）,,,發(fā)電計劃（三次調(diào)頻）,,,,,,,,實際負荷,預(yù)計負荷,控制機組,調(diào)度機組,發(fā)電,=,負荷,35,負荷預(yù)測,負荷經(jīng)常隨機波動。負荷又有一定的周期性，如本周一的負荷與上周一的

14、相似，今天與昨天相似。根據(jù)負荷，天氣，事件等的歷史數(shù)據(jù)，以及天氣，事件等的預(yù)報值，預(yù)測負荷的形態(tài)，曲線，最大值，最小值，平均值等等。,36,有功網(wǎng)損,不變損耗：與負荷的變化無關(guān)，與電壓成正比，而電壓在一天內(nèi)變化不大。主要是變壓器的空載損耗?？勺儞p耗：與負荷的平方成正比，而負荷在一天內(nèi)變化很大。主要是變壓器和線路電阻中的損耗,網(wǎng)絡(luò)總損耗約為系統(tǒng)總負荷的6%~10%,37,廠用電,水電廠：0.1%~1%火電廠：5%~8%原子能電

15、廠：4%~5%,發(fā)電負荷=綜合用電負荷(預(yù)測)+網(wǎng)損(估算)+廠用電(估算),38,廠用電率(2009年電監(jiān)會報告),全國發(fā)電廠用電率為5.69%，同比下降0.12個百分點。水電為0.58％火電為6.51％1997—2009年，我國廠用電率總體呈下降態(tài)勢，從6.80%下降到5.69%。,39,1997~2009年廠用電率變化情況,,40,電源備用容量,有功功率平衡：發(fā)電功率=廠用電+網(wǎng)損+綜合用電負荷有功電源的備用容量：備

16、用容量=發(fā)電機組的額定容量-發(fā)電功率,41,電源備用容量（按狀態(tài)分類）,熱備用：運轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率與發(fā)電負荷之差(旋轉(zhuǎn)備用)； 冷備用：未運轉(zhuǎn)的、但能隨時啟動的發(fā)電設(shè)備可以發(fā)的最大功率(不含檢修中的設(shè)備)； 冷熱備用須有合理比例。,42,電源備用容量（按用途分類）,負荷備用：適應(yīng)負荷短時波動、一日內(nèi)計劃外的負荷增加，一般為最大負荷的2%~5%。 事故備用：適應(yīng)發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時備用，一為般最大負荷的5%~10

17、%，分冷、熱備用。不小于最大機組的容量。 檢修備用：滿足檢修需要而設(shè)的(有時不設(shè))備用。 國民經(jīng)濟備用：計及負荷超計劃增長而設(shè)。,43,電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配（發(fā)電計劃，頻率的三次調(diào)整）,電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度：是在滿足安全和一定質(zhì)量要求的條件下盡可能提高運行的經(jīng)濟性，即合理地利用現(xiàn)有的能源和設(shè)備，以最少的燃料消耗量（或燃料費用或運行成本），保證對用戶可靠而滿意地供電。,44,內(nèi)容,機組優(yōu)化組合（簡要介紹） 確定系統(tǒng)中需要運行多少

18、機組，哪些機組運行，以及什么時候運行。 經(jīng)濟功率分配（重點學(xué)習(xí)）在已知機組組合的基礎(chǔ)上，確定各機組的功率輸出，在滿足機組、系統(tǒng)安全約束的同時，使系統(tǒng)的運行最優(yōu)化。,45,火電廠特點,需燃料及運輸費用，但不受自然條件影響效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)受鍋爐、汽輪機最小技術(shù)負荷限制，有功出力調(diào)整范圍較窄，增減速度慢，參數(shù)越高范圍越窄(高溫高壓30%，中溫中壓75%)機組投入退出，承擔急劇負荷響應(yīng)時間長，多耗能量，易損壞設(shè)備熱電廠抽汽供熱，效

19、率高，但技術(shù)最小負荷取決于熱負荷，為強迫功率,46,火電廠的效率,中溫中壓24.5% 高溫高壓 30.5% 超高壓力37.0% 超臨界壓力40.0% 熱電廠 ＞50%,47,水電廠特點,沒燃料費，水力可梯級開發(fā)，連續(xù)使用，但受自然條件影響；出力調(diào)節(jié)范圍大，50%以上, 增減負荷速度快，操作容易，可承擔急劇變化的負荷；決定發(fā)電量的除水量外還有水位差保證出力，水頭過低

20、，不一定能夠額定出力；抽水蓄能機組。,48,水電廠特點,水利樞紐兼顧發(fā)電、航運、防洪、灌溉、漁業(yè)、旅游，不一定與電力負荷適應(yīng)，所以必須與火電配合；維持航運、灌溉、需一定水量，對應(yīng)強迫功率；各類水電廠的調(diào)節(jié)能力不一樣:無調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)等。水庫的調(diào)節(jié)周期越長，其受自然條件的影響越小,49,水電廠在豐水期、枯水期的調(diào)用,在有水電廠的系統(tǒng)，應(yīng)充分合理地利用水利資源，避免棄水。無調(diào)節(jié)水庫水電廠的全部功率和有調(diào)節(jié)水庫

21、水電廠的強迫功率應(yīng)首先投入置于負荷曲線的底部。有調(diào)節(jié)水庫的水電廠的可調(diào)功率在洪水季節(jié)應(yīng)優(yōu)先投入，在枯水季節(jié)則應(yīng)承擔高峰負荷。,50,核電廠特點,可調(diào)容量大，退、投、增、減負荷消耗能量、時間，易損壞設(shè)備 一次投資大，運行費低，盡量利用承擔基本負荷,51,各類電廠分配負荷的原則,充分利用水力資源，避免棄水;避免頻繁開停機（100MW機組冷態(tài)啟動的需要10萬元，熱態(tài)啟動需要3-4萬元；300MW機組冷態(tài)啟動的需要20-30萬元）

22、經(jīng)濟性能好的火電機組優(yōu)先發(fā)電；,52,各類發(fā)電廠的合理組合,各類發(fā)電廠的合理組合火電廠：高溫高壓，中溫中壓，低溫低壓原子能電廠：原則上應(yīng)持續(xù)承擔額定容量負荷，在負荷曲線的更基底部分運行。,53,各類發(fā)電廠的合理組合,水電廠：無調(diào)節(jié)水庫水電廠有調(diào)節(jié)水庫水電廠洪水季節(jié)枯水季節(jié),54,各類發(fā)電廠的合理組合,抽水蓄能電廠兩種運行方式抽水發(fā)電,55,各類發(fā)電廠的組合順序,枯水季節(jié)：無調(diào)節(jié)水電廠有調(diào)節(jié)水電廠的強迫功率熱電

23、廠的強迫功率原子能電廠燃燒劣質(zhì)、當?shù)厝剂系幕痣姀S熱電廠的可調(diào)功率高溫高壓火電廠中溫中壓火電廠低溫低壓火電廠(不一定投入)有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率抽水蓄能水電廠,56,各類發(fā)電廠的合理組合順序,洪水季節(jié)：和枯水季節(jié)的不同在于這時有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率往往也歸入強迫功率成為不可調(diào)功率。,57,,,58,一些國家的民用電壓等級與頻率,阿根廷 ：電壓220V /380V，頻率50Hz 巴西 ： 電壓110V/220V ，頻率6

24、0Hz 加拿大： 電壓120V/240V ，頻率60Hz 墨西哥： 電壓127V/220V，頻率60Hz 美國： 電壓120V/240V，頻率60Hz 澳大利亞/新西蘭 ：電壓240V/415V ，頻率50Hz,59,一些國家的民用電壓等級與頻率,香港： 電壓120/220V ，頻率50Hz 印度： 電壓230V， 頻率50Hz 印尼 ： 電壓230V /380V ，頻率50Hz 日本 ： 電壓100/200V，頻率50

25、Hz 韓國 ： 電壓220 /380， 頻率60Hz 馬來西亞 ：電壓220/240V， 頻率50Hz 菲律賓： 電壓220V， 頻率60Hz 新加坡 ：電壓230V/ 400V， 頻率50Hz 臺灣： 電壓110/220V，頻率60Hz,60,二、最優(yōu)分配負荷時的目標函數(shù)和約束條件,1.耗量特性：單位時間內(nèi)，發(fā)電設(shè)備輸入與輸出的關(guān)系。,煤,水,61,比耗量與耗量微增率,M,,,比耗量：耗量特性曲線上某一點縱坐標和橫坐標的比值

26、，即單位時間內(nèi)輸入能量與輸出功率之比。如圖，線段OM的斜率是比耗量。,,,,N,ΔPG,ΔF,耗量微增率：耗量特性曲線上某一點切線的斜率。如圖，線段NM的斜率，就是耗量微增率。,62,比耗量與耗量微增率的變化,在M點比耗量與耗量微增率相等。比耗量的倒數(shù)是發(fā)電設(shè)備的效率，用 表示,,,M,,,,,,,,,,m,PG,63,2 目標函數(shù)和約束條件,我們要研究有功功率負荷的最優(yōu)分配。我們的目標是什么？運行變量受到什么約束？如何用數(shù)

27、學(xué)表達式來表達目標函數(shù)和約束條件？如何求解滿足約束后的目標函數(shù)？,64,,目標：在負荷總量不變的情況下，將這些負荷如何分配給各個發(fā)電機組，使所有機組所消耗的化石能源最少？約束：水電廠的水量約束，電網(wǎng)的功率平衡約束，發(fā)電設(shè)備的有功、無功約束，節(jié)點電壓約束等。,65,用數(shù)學(xué)表達式來表達目標函數(shù),求有功負荷在發(fā)電廠或運行機組間最優(yōu)分配的問題時，目標函數(shù)通常是使火電廠或火電機組的總煤耗最小,,式中，以 表示某發(fā)電設(shè)備發(fā)出有

28、功功率 時單位時間內(nèi)所需消耗的能源,,,66,用數(shù)學(xué)表達式來表達約束條件,1.有功平衡的約束,,如果忽略網(wǎng)損，則為,2.水庫庫容的約束：,3.發(fā)電設(shè)備有功約束：,,4.發(fā)電設(shè)備無功約束：,5.節(jié)點電壓約束：,,不等約束,67,簡單的例子,求此方程的極值：f(x,y) = xy 同時未知數(shù)滿足 x+ y = 1 因為只有一個限制條件，我們只需要用一個乘數(shù)λ.g(x,y) = x + y ? 1 Φ(x,y,λ) = f(x

29、,y) + λg(x,y) = xy + λ(x + y ? 1) 這里有三個變量，x,y, λ,將所有Φ方程關(guān)于這三個變量的偏微分設(shè)為零，得到一個方程組，最大值是以下方程組的解：y + λ= 0 x +λ= 0 得到結(jié)果x=y=1/2，極值是1/4x + y ? 1 = 0,68,最優(yōu)分配負荷時的等耗量微增率準則,目標函數(shù)是C最小,約束條件是,假設(shè)有兩個火電發(fā)電設(shè)備，耗量特性分別是,構(gòu)造拉格

30、朗日函數(shù),69,求拉格朗日函數(shù)的極值,,70,等耗量微增率準則,1號機組的耗量微增率,2號機組的耗量微增率,如果有n臺機組，則,71,OA=PG1,AB=PG2,OB=PL=PG1+PG2,按等耗量微增率準則分配負荷，λ 1與λ2平行,則線段MN最短,,,,,,,F1,F2,O,A,B,λ1,λ2,,M,N,K,L,AM=F1 AN=F2,72,例題,,,,,73,,,,,,74,發(fā)電機有功功率的約束,高于上限取上限，低于下限取