第五章电力系统有功与频率调整

第五章电力系统的有功功率和频率调整1o电力系统？2o正常运行方式？3o调整控制什么？4o为什么要调整控制？5o怎么调整控制？回顾与问题2发电发电用电用电输电输电变电变电配电配电RTURTURTURTURTURTU数据采集和传输通讯服务器通讯服务器应用服务器应用服务器电电网网调调度度电力系统电力系统示意图示意图50.0Hz50.0Hz49.849.850.250.2发发电电用用电电第一讲电力系统有功功率和频率的调整控制第二讲电力系统运行方式的优化第五章电力系统的有功功率和频率调整55.1.1概述5.1.2有功功率和频率5.1.3电力系统频率特性5.1.4电力系统频率控制5.1.5有功功率平衡第一讲电力系统有功功率和频率的调整控制第一讲电力系统有功功率和频率的调整控制5.1.1概述（f、P调控的必要性）75.1.1概述（f、P调控的必要性）一、电力系统频率控制的必要性A频率对电力用户的影响(1)频率f变化，会引起异步电动机转速n变化,使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化,转速不稳定会影响产品质量,甚至会出现次品和废品。8（3）频率f波动，会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能,频率过低时有些设备甚至无法工作，这对一些重要工业和国防是不能允许的（2）频率f降低，将使电动机的转速和输出功率降低,导致其所带动机械的转速和出力降低,影响电力用户设备的正常运行。9B频率对电力系统的影响（1）频率f下降时,汽轮机叶片的振动会变大,轻则影响使用寿命,重则可能产生裂纹。当频率低到45Hz附近时,汽轮机叶片可能发生共振而断裂,造成重大事故。10（2）频率f下降到47-48Hz时,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,从而使发电机发出的有功功率下降。这种趋势如果不能及时制止,就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度。这种现象称为频率雪崩。----出现频率雪崩会造成大面积停电,甚至使整个系统瓦解。11（3）在核电厂中,反应堆冷却介质泵对供电频率f有严格要求。当频率降到一定数值时,冷却介质泵即自动跳开,使反应堆停止运行。12（4）电力系统频率f下降时,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；频率下降还会引起励磁机出力下降,并使发电机电势下降,导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低,当频率下降到一定值时,可能出现电压雪崩,也会造成大面积停电,甚至使系统瓦解。13二、电力系统有功功率控制的必要性A维持电力系统频率在允许范围之内电力系统频率f，是靠并联运行的发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷(包括网损)消耗的有功功率总和之间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变化的,从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内，就要及时调节并联运行机组有功功率。14B提高电力系统运行的经济性当系统频率f在额定值附近时，虽然频率满足要求，但是没有说明哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应发多少有功功率电力系统有功控制的任务之一就是要解决这个问题——这就是电力系统经济调度问题。15C保证联合电力系统的协调运行电力系统的规模在不断地扩大,已经出现了联合电力系统（将几个区域电力系统联在一起组成的）有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统间联络线上通过的功率和电量实行控制16Introduction：——本讲的主要内容①为什么P和f联系起来②频率调控原理③频率调控方法和措施④有功功率平衡第一讲电力系统有功功率和频率的调整控制5.1.2有功功率和频率185.1.2有功功率和频率一、基本概念电力系统的频率f由发电机的转速n决定相联系统只有一个频率，是一个全局问题这与电压不同（存在电压损耗、分布）60/nfp=19二、频率™额定频率：50Hz™频率偏移：系统运行频率与额定频率之差△f=f－fN20¾电网频率f：发电机转速ω的体现¾当发电机输出功率PE与原动机PM平衡时，f和ω不变¾负荷PD随机变化PE随机变化，PM无法突变f随机变化频率偏移可以避免吗？频率偏移不可避免2122¾目前我国国标规定：50±0.2Hz¾发达国家：50±0.1Hz¾随着频率自动控制技术的进步，华东电网已做到50±0.1Hz频率偏移的允许范围？负荷要求频率偏差一般应控制在（±0.2~±0.5）Hz内23如果有功电源充足，能保证用户需要，且具有及时进行调整的能力，则能保证频率在合理的范围之内，反之，则将出现较大的频率偏移。频率特性如何将频率控制在合理的范围之内？三、系统频率水平由有功功率平衡决定第一讲电力系统有功功率和频率的调整控制5.1.3电力系统频率特性251.日负荷曲线一、电力系统综合负荷的静态频率特性5.1.3电力系统频率特性26实际的负荷变化要复杂得多，除了上图所示在总体上呈连续变化的趋势以外，还包含呈随机变化的部分随机变化的部分：¾主要是变化幅度较小、变化周期较短(以几秒钟为周期)的随机分量；¾有的还具有变化幅度稍大、变化周期稍长的(以几分钟为周期)脉动分量。日负荷曲线中的随机变化部分272.静态频率特性¾静态特性：指电压或频率变化后进入稳态时负荷功率与电压或频率的关系。¾动态特性：指电压或频率急剧变化过程中负荷功率与电压或频率的关系。负荷特性指负荷功率随负荷端电压或系统频率变化而变化的规律，因而有电压特性和频率特性之分，进一步可分为静态特性和动态特性。28¾有的与频率无关，¾有的与频率的一次方成正比，¾有的与频率的二次方成正比，¾有的与频率的更高次方成正比。综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负荷吸取的有功功率29综合负荷与频率的关系：2012nLLNLNLNnLNNNNfffPaPaPaPaPfff⎛⎞⎛⎞⎛⎞=++++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠L201*2*nLnPaafafaf∗∗=++++L*0121LLLNNnPfPfPfaaaa∗==++++=L30在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线特性曲线的斜率KL——负荷的频率调节效应系数(MW/Hz)fNfLPLNP12负荷的静态频率特性1-实际曲线2-近似直线电力系统综合负荷的静态频率特性：31负荷的频率调节效应系数KL**fPKfPKLLLLΔΔ=ΔΔ=∗/LLNLNKKfP∗=×说明:①其值与系统各类负荷的比重和性质有关，一般KL*取值1~3；②不能人为整定32二、发电机组的功率频率静态特性负荷是随时间不断变化的¾针对负荷连续和较大的变化而对发电机出力和频率的调整，则称为频率的二次和三次调整。¾对于随机变化分量，由于它的数量较小而变化较快，发电机有功出力的调整在速度上必须能与之相适应，而要求出力改变的数量则较小。原动机调速器频率的一次调整33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（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电炉启停调速器频率的一次调整调频器频率的二次调整根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配频率的三次调整（经济运行调度）34¾电气液压式将发电机的转速转换成相应的电信号(或数字信号)，再通过电气-液压转换器(简称电液转换器)转变为液压变化信号。1．发电机组的自动调速系统根据其转速测量元件的不同¾机械液压式采用离心飞摆(或其它机械装置)将转速变化信号转变为位移(或液压)变化信号35离心飞锤式机械液压调速装置工作原理伺服马达控制的转速整定元件nREF进汽量增加，机组出力加大36离心飞锤式机械液压调速装置工作原理伺服马达控制的转速整定元件nREF转速不能维持恒定：有差调节37电气液压式调速系统：转速测量元件、放大元件、执行结构、转速控制机构fsetfGPsetPerrU电压信号382.发电机组的功率频率静态特性¾对于机械液压式调速系统，原动机功率的增大对应于机组转速的降低¾由于发电机的有功功率随着原动机的功率的增加而增加¾而且系统的频率与机组转速成正比在自动调速系统作用下，发电机组输出的有功功率与频率之间的稳态关系称为机组的有功功率静态频率特性，简称机组的频率特性。因此可以近似地认为机组的频率特性为一条直线39稳态下发电机发出的有功功率与频率之间的关系为setP()GsetGsetPPKff=+−其斜率为KG。对于不同的功率给定值Pset，相应的频率特性将在垂直方向移动，而其斜率不变。40由上可见，（等效）发电机组功率P－频率f静态特性都是向下倾斜的，其下降程度用调差系数σ或单位调节功率KG表示：1GGGfPPKfσσσΔ=−ΔΔ==−Δ或％(MW/Hz)注意负号！41kG的标幺值为GGNG*G*N*PPPkfffΔΔ=−=−ΔΔGNGG*NPkkf=①kG可人为调节整定；②kG的大小与机组类型、调速机构有关，不同类型机组的kG取值范围不同汽轮发电机组kG*＝25～16.7水轮发电机组kG*＝50～25说明：42¾电力系统主要由发电机、输电网和负荷组成。¾如果把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力系统是由两个环节组成的闭环系统。三、电力系统的频率特性发电机组的功率频率特性和综合负荷的功率频率特性的交点——就是电力系统的频率的稳定运行点。43如图，当等效发电机运行在特性G1综合负荷特性为L1时，系统运行在o点，系统频率为f1OPPL1ff1oL1L2G1G244当系统负荷增加，综合负荷特性为L2时，如果不改变发电机调速系统的设定值，等效发电机特性仍然为G1,系统运行在o’点，系统频率为f2。POPL1ff1f2oo’PL2L1L2G1G245OPL1ff1f2oo’PL2L1L2G1G2o’’f3如果当系统负荷增加，综合负荷特性变为L2时改变发电机调速系统的设定值，等效发电机特性变为G2,则系统运行在o’’点，系统频率为f3。P465.1.1概述（f、P调控的必要性）5.1.2有功功率和频率（f、△f、±0.2Hz、有功平衡）5.1.3电力系统频率特性简要回顾ΔΔ−==fPKGGδ1fPKLLΔΔ=注意负号！第一讲电力系统有功功率和频率的调整控制5.1.4电力系统频率调控48OPPL1ff1oL1L2G1PL2f2o’一、电力系统频率的一次调整（一次调频）当发电机运行在特性G1，综合负荷特性为L1时，则系统运行在o点，频率为f1当系统负荷增加，综合负荷特性为L2时发电机的调速系统的设定值不变，发电机特性仍然为G1则系统运行在o’点，系统频率为f249当系统负荷增加△PL0f2OPPL1ff1oL1L2G1PL2o’△PL0a(1).负荷的频率特性将向上移动(2).由于发电机组的惯性，它们的转速不能突然变化机组的出力小于负荷的功率所有的发电机组都开始减速¾在调速系统的作用下，增加原动机的机械功率并同时增加发电机发出的有功功率。转速n减小，则f降低¾负荷吸收的有功功率减少。{PL350这种由发电机特性和负荷调节效应共同承担整个系统负荷变化使系统运行在另一f此称为一次调频负荷调节效应使负荷少吸收有功PL3－PL2＝－KL(f2－f1)f2OPPL1ff1oL1L2G1PL2o’△PL0aPL3频率一次调整的结果：系统频率降低到f2，并且发电机有功功率增加了PL2－PL1＝－KG(f2－f1)51()0LGLPKKfΔ=−+ΔKS：称为系统的单位调节功率，单位MW/Hz它表示发电机组调速器和负荷本身的调节效应共同作用下引起频率发生单位变化的负荷变化量。¾数学表达式：0LGLSPKKKfΔ−=+=Δ52¾在系统中有多台发电机组且它们的调差系数不相等的情况下需要根据各台机组的额定出力和调差系数进行计算，得出全系统(或者由一部分发电机组成的等值发电机组)的综合调差系数和相应的单位调节功率标幺值。53【例5-2】设某一电力系统中所含机组台数、单机容量及其调速系统的调差系数分别为：机组形式单机容量台数总容量调差系数δ%(MW)(MW)水轮机组22549002.5汽轮机组200102000