第三章电力系统电能质量与功率平衡

第三章电力系统电能质量与功率平衡主讲：李辉三峡电力职业学院第三章电力系统电能质量与功率平衡•3.1电力系统电能质量•3.2电力系统有功功率平衡•3.3电力系统有功功率最优分配•3.4电力系统频率特性•3.5电力系统频率调整•3.6电力系统中的无功功率平衡•3.7电力系统的电压管理•3.8电力系统无功功率•3.9电力系统的电压调整概述衡量电能质量的主要指标是频率、电压和波形频率：电力系统交流电压、电流的额定频率是50HZ，容许偏移值为＋/－0.2~0.5HZ。电压：电力系统用于控制与调整电压的母线，称为中枢母线。中枢母线电压容许偏移范围应不超过以下范围：35KV及以上供电网：＋/－5%10KV及以下电压供电网：＋/－7%低压照明网：－10%~＋5%农村电网：－10%~＋7.5%波形：消除谐波（1）增加整流电路相数（2）降低铁芯磁通饱和度（3）用谐振电路并联电容器这些事故状况下，允许基础上再增加5%，正偏移不超过+10%概述三相不平衡：电力系统公共接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。公共电网谐波：总谐波畸变率0.38KV为5%，6~10KV为4%，35~66KV为3%，110KV为2%。波动：公共供电点的电压波动允许值10KV及以下为2.5%，35~110KV为2%，220KV及以上为1.6%。电压闪变主要表征人眼对灯闪主观感觉的参数。电力系统中有功功率的平衡一、频率变化对负荷和电力系统的影响频率变化会引起工业用户异步电动机转速变化，将会影响产品质量。频率波动会影响电子设备的准确性和性能。频率下降将会使汽轮机叶片的振动变大，缩短其使用寿命。频率下降到47-48Hz时，会使火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机）的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降，这种趋势若不能及时制止，将会引起频率崩溃。当频率降到一定数值时，会使核电厂中的反应堆冷却介质泵自动跳开，从而使反应堆停止运行。2.有功功率平衡和备用容量电力系统的有功功率平衡可用下式表示：CSDGPPPP线路和变压器的总有功功率损耗发电机发出的总有功功率系统中所有用户的有功负荷所有发电厂的厂用电有功负荷为了维持频率的稳定，电力系统装设的发电机的额定容量必须大于当前的发电负荷容量，即必须装设备用容量。电力系统中有功功率的平衡频率下降将会使异步电动机和变压器的励磁电流增加，使无功消耗增加，引起系统电压下降，增加电压调整的困难。当频率下降到一定值时，可能出现电压雪崩现象。备用容量按用途分，有以下几种：电力系统中有功功率的平衡负荷备用：为满足系统中短时的负荷波动和计划外的负荷增加而设置的备用。一般为系统最大负荷的2%~5%。事故备用：在发电设备发生偶然性事故时，为使电力用户不受严重影响，维持系统正常供电所需的备用。一般约为最大负荷的5％~10％。检修备用：为保证发电设备的定期检修而设置的备用。国民经济备用：考虑到国民经济超计划增长而设置的备用，一般约为最大负荷的3%~5%。上述四种备用容量一般占最大负荷的15％~25％。电力系统中有功功率的平衡热备用（机组处于旋转状态）：运转中的发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差（旋转备用）。热备用包括部分事故备用和全部负荷备用。冷备用（机组处于停机转态）：未运转的、但能随时启动的发电设备可以发的最大功率。冷备用包括部分事故备用和全部检修备用及国民经济备用。备用容量按投入时间分，有热备用和冷备用两种：3.各类发电厂的特点及合理组合火电厂特点需要支付燃料及运输费用，但不受自然条件影响。火力发电设备的效率与蒸汽参数有关。电力系统中有功功率的平衡火力发电厂有功出力受锅炉、汽轮机最小技术负荷的限制，调整范围比较小，负荷增减速度慢。机组投入和退出的运行时间长，承担急剧负荷响应时间长，耗能量多，易损坏设备。热电厂由于采取抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，称为强迫功率。水电厂特点不需要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。水轮发电机的出力调节范围大，增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷。电力系统中有功功率的平衡决定发电量的除水量外还有水位差。水利枢纽兼顾发电、航运、防洪、灌溉、渔业、旅游，不一定与电力负荷适应，所以必须与火电配合。维持航运、灌溉需一定水量，这部分为强迫功率。核电厂特点核电厂反应堆的负荷基本上没有限制，其技术最小负荷主要取决于汽轮发电机。核电厂的反应堆和汽轮机退、投、增、减负荷时也要消耗能量、花费时间，易损坏设备，因此，在运行中核电厂不宜带急剧变动的负荷。一次投资大，运行费低。电力系统中有功功率的平衡各类发电厂的合理组合充分利用水力资源，避免弃水。降低火力发电的单位煤耗，发挥高产机组作用。减少火电成本，多烧劣质煤、本地煤、少烧油。考虑发电成本（燃料价格、管理水平、机组效率等），充分利用资源。在丰水期和枯水期各类发电厂在日负荷曲线中的安排如图5-2所示。其基本原则是：基荷由具有强迫功率、不可调功率或高效率的热电厂、火电厂、核电厂、迳流式水电厂、泄洪灌溉等水电厂承担；峰荷由具有调节水库的水电厂、燃气轮机发电厂和中温中压火电厂等承担。电力系统中有功功率的平衡图5-2各类发电厂组合顺序示意图(a)枯水期(b)丰水期一、负荷的有功功率——频率静特性电力系统的有功负荷与频率的关系可归纳为:与频率变化无关：照明、电阻炉、整流负荷等；与频率一次方成正比：球磨机、切削机床、往复式水泵、压缩机、卷扬机等；与频率二次方成正比：变压器的涡流损耗等；与频率三次方成正比：通风机、静水头阻力不大的循环水泵等；与频率高次方成正比：静水头阻力很大的水泵等。电力系统负荷及电源的频率静态特性负荷的功率——频率特性可表示为：nNLNnNLNNLNLNLffPaffPaffPaPaP2210若以标幺值表示，则nnLfafafaaP*2*2*10*当，时，有：NffLNLPP1210naaaa式中，为额定频率时系统有功负荷；为上述各类负荷占的百分数。LNPnaaaa,,,,210LNP在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线，如图5-6所示。负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调节效应系数或单位调节功率，即：fPtgKLL（MW/Hz）用标么值表示为：***fPffPPKLNLNLLLNNLLPfKK*图5-6负荷的功频静特性曲线电力系统负荷及电源的频率静态特性书本P91关于KL*的几点说明：负荷的频率调节效应系数表征负荷的频率调节特性，即表征随着频率的升高或降低负荷消耗功率增加或减少的多少。负荷的频率调节效应系数是不能控制的，其大小取决于全系统各类负荷所占的比重，不同系统或同一系统不同时刻的KL*值可能不同。在实际系统中，一般取1~3。负荷的频率调节效应系数是反映系统进行一次调整性能的一个重要数据，它是调度部门确定按频率减负荷方案以及低频事故切负荷来恢复频率的计算依据。二、发电机组的有功功率——频率静特性发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率—频率特性或调节特性。1.自动调速系统（图5-7）检测部件Ⅰ（离心飞摆）放大部件Ⅱ（错油门）执行部件Ⅲ（油动机）转速控制部件Ⅳ（调频器）说明：调速器由前三者组成，完成频率的一次调整；调频器加入转速控制部件，完成频率的二次调整。图5-7离心飞摆式调速系统示意图•发电机组的P-f静态特性——调速器蒸汽AOBDE•发电机组的P-f静态特性蒸汽AOBDE•发电机组的P-f静态特性蒸汽AOBDE调速系统的工作原理：利用杠杆的作用调整汽轮机或水轮机的导向叶片，使其开度增大，增加进汽量或进水量。一次调频：的位置较B高，的位置较A略低，相应的机组转速较原来略低——有差调节。BA二次调频：在外界信号作用下，调频器动作将D点抬高，最后使回到位置A，频率恢复到额定频率——无差调节。A2.发电机组的有功功率——频率静特性根据发电机调速系统的调节原理，即负荷增大时，发电机出力增加，频率降低；负荷减少时，发电机出力减少，频率增加，可得到发电机组的有功功率——频率静态特性如图5-8所示。发电机的单位调节功率：指发电机组的功率——频率静态特性的斜率，即0ffPfPKNGNGGGNNGGNGNGGPfKfPffPPK***用标么值表示为：发电机的单位调节功率表征随着频率的升高或降低发电机组有功出力减少或增加的多少。图5-8发电机组的功频率静特性%100%0NNfff它与发电机的单位调节功率的关系如下：%100%0NGNNGNGGfPffPfPK%100%1*GKNGNGBfPK当取时，其标么值为：上式说明：调差系数的倒数就是机组的单位调节功率。发电机的调差系数：指发电机由空载运行到额定运行时频率偏移的大小，即说明：发电机组的调差系数或与之对应的单位调节功率是可以整定的。但受机组调速机构的限制，其整定范围是有限的。在整定范围内，调差系数越小（即单位调节功率越大），频率偏移也越小。汽轮发电机组：水轮发电机组：%5~%3%20~5.33*GK或%4~%2%25~50*GK或电力系统的频率调整二、电力系统的有功功率平衡1.有功功率负荷的变动及其调整电力系统的负荷随时间变动的规律分为三种（见图5-1）：第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动有很大的偶然性（P1）。第二种变动幅度较大，周期也较长，如电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷变动（P2）。第三种负荷变动幅度最大，周期也最长，是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动，这种负荷变动基本上可以预计（P3）。因此，电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分为三种：一次调整：指由发电机组的调速器进行的、对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整。二次调整：指由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整。图5-1有功功率负荷的变动三次调整：指按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。频率的一次调整以系统中只有一台发电机带一个综合负荷为例进行分析。图5-9为频率的一次调整示意图。O当系统负荷增加时，负荷的功频静特性向上移至，一方面发电机组转速变化引起频率下降，调速器动作，发电机出力增加，另一方面由于负荷本身的调节效应减少，经过一个过程，达到新的平衡点。LP0LPGPLP频率变化为:00fff图5-9频率的一次调整发电机的功率增量为：fKPGG负荷本身的调节作用下降了：fKPLL（△f为负值）fPKKKLLGS0∴其中，KS称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。用标幺值表示为：NLLSffPPK//0*几点说明：系统的单位调节功率标志了系统负荷增加或减少时，在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。因此，当KS已知时，可以根据允许的频率变化范围求取系统能够承受多大的负荷增减。即KS越大，系统承受负荷的变化越大。fKKPPABOBBAOBOAPLGLGL)(0在上述推导过程中，取功率的增大或频率的上升为正，因此，上式等号右侧的负号表示，随着负荷的增大，系统的频率将下降。由KS=KG+KL可见：系统的单位调节功率取决于发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功率。由于负荷的单位调节功率KL不可调，因此，系统的单位调节功率KS的调整只能通过调整发电机的单位调节功率KG或调速器的调差系数来实现。电力系统的单位调节功率不能过大。若KS过大→KG过大，即调差系数过小，将不能保证各发电机组调速系统运行的稳定性。使系统中总的发电机单位调节功率下降。当系统中有多台发电机组时，发电