第九章 電力系統(tǒng)頻率 4節(jié)課

電氣工程基礎(chǔ)第9章電力系統(tǒng)的頻率與有功控制頻率概述電力系統(tǒng)的頻率特性電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與最優(yōu)潮流電氣工程基礎(chǔ)9.1頻率概述電能質(zhì)量的一個重要指標一個交流系統(tǒng)一個頻率負荷是動態(tài)變化的，頻率是動態(tài)變化的規(guī)定的頻率偏移范圍負荷的變化規(guī)律頻率控制方式：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和發(fā)電計劃（三次調(diào)頻）31、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡各類發(fā)電廠的運行特點各類發(fā)電廠的合理組合2、電力系統(tǒng)頻率的調(diào)整負荷及電源的頻率靜態(tài)特性頻率的一、二次調(diào)整互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整3、有功功率的最優(yōu)分配（三次調(diào)整）不計網(wǎng)損時水、火電廠間的經(jīng)濟功率分配計網(wǎng)及損時各發(fā)電廠間的經(jīng)濟功率分配4對用戶的影響（1）異步電機轉(zhuǎn)速：紡織工業(yè)、造紙工業(yè)（2）異步電機功率下降（3）電子設(shè)備的準確度對發(fā)電廠和電力系統(tǒng)的影響（1）對發(fā)電廠廠用機械設(shè)備運行的影響（2）對汽輪機葉片的影響（3）對異步電機及變壓器勵磁的影響，增加無功消耗。預備：電力系統(tǒng)頻率變化的不良影響5頻率與有功平衡的關(guān)系頻率—由發(fā)電機轉(zhuǎn)速決定轉(zhuǎn)速與其軸上的轉(zhuǎn)矩平衡有關(guān)轉(zhuǎn)矩平衡與功率平衡電力系統(tǒng)中有功功率的平衡負荷變化MT：由于慣性大變化慢ME：有功負荷變化快產(chǎn)生瞬時不平衡轉(zhuǎn)矩不平衡發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化頻率變化(+0.2HZ+0.5HZ)6三有功功率負荷的變化及其調(diào)整電力系統(tǒng)中有功功率的平衡7

系統(tǒng)負荷可以看作由以下三種具有不同變化規(guī)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，變化幅度最大：氣象、生產(chǎn)、生活規(guī)律（2）變動周期在（10s，180s），變化幅度較大：大電機、電爐啟停調(diào)速器頻率的一次調(diào)整調(diào)頻器頻率的二次調(diào)整根據(jù)預測負荷，在各機組間進行最優(yōu)負荷分配頻率的三次調(diào)整電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度（發(fā)電計劃）8電力系統(tǒng)中有功功率的平衡備用容量：15%～20%作用：為了保證供電可靠性及電能質(zhì)量合格，系統(tǒng)電源容量應(yīng)大于發(fā)電負荷。定義：備用容量＝系統(tǒng)可用電源容量－發(fā)電負荷

有功功率平衡：8760t(h)P(MW)發(fā)電負荷備用容量新增容量四、有功功率電源和備用容量系統(tǒng)電源容量：可投入發(fā)電設(shè)備的可發(fā)功率之和9按作用分：(1)負荷備用：滿足負荷波動、計劃外的負荷增量2%~5%(2)事故備用：發(fā)電機因故退出運行而預留的容量5%~10%(3)檢修備用：發(fā)電機計劃檢修4%~5%(4)國民經(jīng)濟備用：滿足工農(nóng)業(yè)超計劃增長3%~5%按其存在形式分：(1)熱備用(2)冷備用備用容量的分類10系統(tǒng)中有備用容量時，可考慮有功功率的最優(yōu)分配問題，包括有功電源的最優(yōu)組合及有功負荷的最優(yōu)分配。有功電源的最優(yōu)組合：系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備和發(fā)電廠的合理組合。包括：機組的最優(yōu)組合順序，機組的最優(yōu)組合數(shù)量，機組的最優(yōu)開停時間。有功負荷的最優(yōu)分配：系統(tǒng)中的有功負荷在各個正在運行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配。電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配11承擔急劇變化負荷時與投、退相似，額外耗能、費時一、各類發(fā)電廠的運行特點1火電廠電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配支付燃料費用技術(shù)最小負荷鍋爐25%—70%汽機10%—15%效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)高溫高壓：效率高、調(diào)節(jié)范圍小中溫中壓：較前者低、但調(diào)節(jié)范圍大低溫低壓：指標最差、不用于調(diào)節(jié)熱電廠：抽氣供熱，效率最高，有不可調(diào)節(jié)的強迫功率火電廠122水電廠（1）不需燃料費，但一次投資大（2）出力調(diào)節(jié)范圍大；（3）啟停費用低，且操作簡單（4）出力受水頭影響(5)雨季：必須釋放水量—強迫功率此外：抽水蓄能電廠一、各類發(fā)電廠的運行特點電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配133核電廠（1）啟停費用高；負荷急劇變化時，調(diào)節(jié)費用高；啟停及急劇調(diào)節(jié)時，易于損壞設(shè)備。(2)調(diào)節(jié)能力弱，一般不承擔備用。（3）一次投資大，運行費用小。4風電場(1)調(diào)節(jié)能力弱，一般不承擔備用。一、各類發(fā)電廠的運行特點電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配14原則（1）充分利用水源。（2）降低火電機組的單位煤耗，發(fā)揮高效機組的作用。（3）盡量降低火力發(fā)電成本，增加燃用劣質(zhì)煤、當?shù)孛?。二、各類發(fā)電廠的合理組合電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配15枯水期豐水期抽水發(fā)電161、定義：負荷與用戶的生產(chǎn)狀態(tài)有關(guān)與頻率無關(guān) —照明、電爐等與接入點系統(tǒng)電壓有關(guān)與系統(tǒng)頻率有關(guān)——僅考慮頻率因素假設(shè)不變2、負荷性質(zhì)：與頻率的一次方成正比 —球磨機、卷揚機等與頻率的二次方成正比 —變壓器的渦流損耗等與頻率的三次方成正比 —通風機、循環(huán)水泵等與頻率的高次方成正比 —靜水頭阻力大的給水泵電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、負荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性17電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整18負荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性簡化表達當頻率偏離額定值不大時，負荷有功－頻率靜態(tài)特性用一條近似直線來表示。負荷的單位調(diào)節(jié)功率，表示負荷隨頻率的變化程度。19二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性調(diào)速器的工作原理1為轉(zhuǎn)速測量元件—離心飛擺及其附件；2為放大元件—錯油門(或稱配壓閥)；3為執(zhí)行機構(gòu)—油動機(或稱接力器)；4為轉(zhuǎn)速控制機構(gòu)或稱同步器(調(diào)頻器)20調(diào)頻器的工作原理21（1）、無調(diào)速系統(tǒng)時:PT=c1f-c2f2（2）、有調(diào)速系統(tǒng)時二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整22（3）、有調(diào)頻器時二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整232、概念介紹發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機組原動機或電源頻率特性的斜率。標志著隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出功率減少或增加的多寡。二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整24電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)：單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性25電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：一般來說發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機組=3~5或=33.3~20水輪發(fā)電機組=2~4或=50~25二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性26fPOP0PLf0PGPL′ΔPL0AP0'Bf0'O'B'A'三、頻率的一次調(diào)整電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整由于負荷突增，發(fā)電機組功率不能及時變動而使機組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時，發(fā)電機組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，達到新的平衡。27系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率：計及發(fā)電機和負荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)時，引起頻率單位變化時的負荷變化量。fPOP0PLf0PGPL′ΔPL0AP0'Bf0'O'B'A'28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；對于滿載機組，不再參加調(diào)整。對于系統(tǒng)有若干臺機參加一次調(diào)頻：具有一次調(diào)頻的各機組間負荷的分配，按其調(diào)差系數(shù)即下降特性自然分配。三、頻率的一次調(diào)整電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整29頻率的二次調(diào)整：通過操作調(diào)頻器，使發(fā)電機組的頻率特性平行的移動，從而使負荷變化引起的頻率偏移在允許的波動范圍內(nèi)。1.主調(diào)頻廠的選擇調(diào)頻廠：負有二次調(diào)頻任務(wù)的電廠，分為主調(diào)頻廠和輔助調(diào)頻廠。調(diào)頻廠應(yīng)滿足的條件：1）足夠的調(diào)整容量2）較快的調(diào)整速度3）調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟性較好四、頻率的二次調(diào)整30調(diào)整容量:

水電廠>火電廠

中溫中壓電廠（75％）>高溫高壓電廠（30％）

調(diào)整速度：

水電廠>火電廠

調(diào)頻廠選擇：

首選：水電廠

其次：中溫中壓電廠

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整31頻率調(diào)整圖電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整323.當系統(tǒng)負荷增加時，由以下三方面提供：二次調(diào)頻的發(fā)電機組增發(fā)的功率；發(fā)電機組執(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)的負荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負荷功率。電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整334.數(shù)學表達式如果，即發(fā)電機組如數(shù)增發(fā)了負荷功率的原始增量，則，即所謂的無差調(diào)節(jié)。對于N臺機，且由第s臺機組擔負二次調(diào)整的任務(wù)，則：電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整電氣工程基礎(chǔ)9.2電力系統(tǒng)的頻率特性9.2.1發(fā)電機組的頻率特性發(fā)電機組功頻靜特性系數(shù)1.01.0機組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)(調(diào)差率)電氣工程基礎(chǔ)9.2.2電力負荷的頻率特性1.01.0負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)電氣工程基礎(chǔ)9.2.3電力系統(tǒng)有功-頻率特性【定義】全系統(tǒng)等值機組的功頻靜特性系數(shù)電氣工程基礎(chǔ)9.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一次調(diào)整：發(fā)電機調(diào)速、負荷響應(yīng)(有差)，連續(xù)的二次調(diào)整：自動發(fā)電控制AGC,離散的三次調(diào)整：經(jīng)濟調(diào)度ED互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整電氣工程基礎(chǔ)2005年11.20日龍政直流雙極閉鎖后華東電網(wǎng)實測頻率

電氣工程基礎(chǔ)河海大學,鞠平2007年1月23日田灣核電一臺1000MW機組進行的甩負荷試驗

電氣工程基礎(chǔ)仿真曲線與實測曲線擬合情況電氣工程基礎(chǔ)9.3.1頻率的一次調(diào)整自然閉環(huán)控制：發(fā)電機、負荷屬性，有差是電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)所有機組都參與（裝有調(diào)速器、尚可調(diào)節(jié)）分散控制：基于就地信息小于1秒電氣工程基礎(chǔ)一次調(diào)頻示意圖電氣工程基礎(chǔ)9.3.2頻率的二次調(diào)整集中控制：基于集中信息，由調(diào)度中心計算后實施過去有所謂調(diào)頻廠的概念只有安裝了AGC的機組才參與調(diào)節(jié)計算周期：10秒實現(xiàn)了閉環(huán)控制是電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的重要補充電氣工程基礎(chǔ)二次調(diào)頻示意圖電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整五、互連系統(tǒng)頻率的調(diào)整聯(lián)絡(luò)線功率B系統(tǒng)不參加二次調(diào)整電氣工程基礎(chǔ)9.3.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整ABA、B系統(tǒng)的綜合頻率特性系數(shù)A、B系統(tǒng)的功率缺額電氣工程基礎(chǔ)例9.3求頻率變化和聯(lián)絡(luò)線功率增量。1500MW1000MW解：標幺值化為有名值(1)兩系統(tǒng)機組都參加一次調(diào)頻電氣工程基礎(chǔ)(2)兩系統(tǒng)機組都不參加一次調(diào)頻(3)B系統(tǒng)機組不參加一次調(diào)頻電氣工程基礎(chǔ)(4)兩系統(tǒng)機組都參加一、二次調(diào)頻，都增發(fā)50MW電氣工程基礎(chǔ)(5)兩系統(tǒng)機組都參加一次調(diào)頻，且僅A系統(tǒng)部分機組參加二次調(diào)頻，增發(fā)60MW電氣工程基礎(chǔ)(6)兩系統(tǒng)機組都參加一次調(diào)頻，且僅B系統(tǒng)部分機組參加二次調(diào)頻，增發(fā)60MW53六自動發(fā)電控制1國內(nèi)外自動發(fā)電控制的研究與應(yīng)用情況2對頻率控制的要求3自動發(fā)電控制是保證頻率質(zhì)量的重要技術(shù)手段（1）傳統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)很難使頻率滿足要求；（2）負荷波動使發(fā)電功率與負荷難以平衡；（3）單機容量增大使單臺機故障帶來的損失增大，人工調(diào)節(jié)需較長時間。4自動發(fā)電控制是實現(xiàn)在線經(jīng)濟分配的必備手段電氣工程基礎(chǔ)9.3.3頻率的三次調(diào)整：經(jīng)濟調(diào)度集中控制：基于集中信息，由調(diào)度中心計算后實施5分鐘、1天、1小時所有機組參加開環(huán)控制551、發(fā)電機組的耗量特性：反映發(fā)電機組單位時間內(nèi)能量輸入和輸出關(guān)系的曲線。耗量特性三、電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配56比耗量：耗量特性曲線上某點的縱坐標和橫坐標之比，即輸入和輸出之比效率：比耗量倒數(shù)耗量微增率：耗量特性曲線上某點切線的斜率，表示在該點的輸入增量與輸出增量之比。效率曲線和微增率曲線1、發(fā)電機組的耗量特性電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配57有功負荷最優(yōu)分配的目的：在滿足對一定量負荷持續(xù)供電的前提下，使發(fā)電設(shè)備在生產(chǎn)電能的過程中單位時間內(nèi)所消耗的能源最少。

滿足條件：

等式約束f(x、u、d)=0

不等式約束g(x、u、d)≤0

使

目標函數(shù)F=F(x、u、d)

最優(yōu)2、目標函數(shù)和約束條件電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配58(1)目標函數(shù)系統(tǒng)單位時間內(nèi)消耗的燃料（火電機組）該目標函數(shù)是各發(fā)電設(shè)備發(fā)出有功功率的函數(shù)，描述的是單位時間內(nèi)能源的消耗量。2、目標函數(shù)和約束條件電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配59(2)約束條件等式約束不等式約束忽略有功網(wǎng)損2、目標函數(shù)和約束條件電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配60以兩臺火電機組為例，忽略有功網(wǎng)損；假定各臺機組的燃料消耗量和輸出功率不受限制，要求：確定負荷功率在兩臺機組間的分配，使總的燃料消耗量最小。

等式約束目標函數(shù)3、等耗量微增率準則電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配61作圖法求解（只有兩臺機組）在OO’上找到一點作垂線，與兩條耗量特性曲線的交點間距離最短。在耗量特性曲線具有凸性的情況下，兩條曲線的切線平行時，燃料消耗量最少。曲線的切線即斜率，就是該點的耗量微增率。3、等耗量微增率準則電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配62切線平行時，斜率相等，也就是耗量微增率相等。這就是等微增率準則。物理意義63（1）.不計網(wǎng)損的有功最優(yōu)分配目標函數(shù)最?。旱仁郊s束條件：這是多元函數(shù)求條件極值問題，可以利用拉格朗日乘數(shù)法求解。構(gòu)造拉格朗日函數(shù)4、多個發(fā)電廠間的負荷經(jīng)濟分配電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配64求拉格朗日函數(shù)的無條件極值65不等式約束的處理功率上下限約束先不考慮該約束條件進行經(jīng)濟分配計算，若發(fā)現(xiàn)越限，越限的發(fā)電廠按極限分配負荷，其余發(fā)電廠再按經(jīng)濟分配。節(jié)點電壓及無功功率約束在經(jīng)濟功率分配后的潮流計算中處理。66（2）.考慮網(wǎng)損的有功最優(yōu)分配等式約束變?yōu)槟繕撕瘮?shù)不變拉格朗日函數(shù)為經(jīng)過網(wǎng)損修正后的等微增率準則網(wǎng)損修正系數(shù)網(wǎng)損微增率的物理意義：某發(fā)電廠所發(fā)功率的變化引起的網(wǎng)路總損耗的變化——阻抗矩陣法網(wǎng)損微增率電氣工程基礎(chǔ)電力系統(tǒng)優(yōu)化潮流生活生產(chǎn)中的優(yōu)化問題；優(yōu)化問題的數(shù)學表達式；數(shù)學