电力系统分析第13章

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十三章 电力系统的有功功率平衡和频率调整,第十三章,电力系统的有功功率和频率调整,13.1,概述,13.2,有功功率和频率,13.3,电力系统频率特性,13.4,电力系统频率控制,13.5,有功功率平衡,13.6,小结,13.1,概述,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力用户的影响,(1),电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化,这会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。,13.1,概述,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力用户的影响,（,2,）电力系统频率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。,13.1,概述,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力用户的影响,（,3,）,电力系统频率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,。,13.1,概述,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力系统的影响,（,1,）,频率下降时,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。对于额定频率为,50Hz,的电力系统,当频率低到,45Hz,附近时,某些汽轮机的叶片可能因发生共振而断裂,造成重大事故。,13.1,概述,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力系统的影响,（,2,）,频率下降到,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,从而使火电厂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,。,13.1,概述,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力系统的影响,（,3,）,在核电厂中,反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求,。,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,。,13.1,概述,1,、电力系统频率控制的必要性,A,频率对电力系统的影响,（,4,）,电力系统频率下降时,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,在频率下降到一定值时,可能出现所谓电压雪崩现象,出现电压雪崩也会造成大面积停电,甚至使系统瓦解。,13.1,概述,2,、,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,电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗,(,包括网损,),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 ，就是要及时调节系统内并联运行机组有功功率。,13.1,概述,2,、,电力系统有功功率控制的必要性,B,提高电力系统运行的经济性,当系统频率在额定值附近时，虽然频率满足要求，但没有说明哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应该发多少有功功率。电力系统有功功率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。,13.1,概述,2,、,电力系统有功功率控制的必要性,C,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,已经出现了将几个区域电力系统联在一起组成的联合电力系统，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之间联络线上通过的功率和电量实行控制。,13.1,概述,3,、本章的主要内容, 为什么,P,和,f,联系起来, 有功功率平衡, 调频原理,调频方法,和措施,13.2,有功功率和频率,1,、基本概念,电力系统的频率由发电机的转速决定，相联系统只有一个频率，是一个全局问题，与电压不同。,13.2,有功功率和频率,2,、频率,额定频率：,50,Hz,频率偏移：系统运行频率与额定频率之差。,13.2,有功功率和频率,3,、 电力系统的频率水平由有功功率平衡决定，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。,13.3,电力系统频率特性,1,、发电机组和电力系统等效发电机组的,功率频率静态特性,O,P,G,P,G2,P,G1,f,f,1,f,2,1,2,发电机组的,功率频率静态特性如右图，当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。,13.3,电力系统频率特性,1,、发电机组和电力系统等效发电机组的,功率频率静态特性,O,P,G,P,G2,P,G1,f,f,1,f,2,1,2,等效发电机组的,功率频率静态特性如右图所示，它跟,发电机组的,功率频率静态特性相似。,13.3,电力系统频率特性,1,、发电机组和电力系统等效发电机组的,功率频率静态特性,由此可见，,发电机组和等效发电机组的,功率频率静态特性都是向下倾斜的，其程度用调差系数表示：,13.3,电力系统频率特性,2,、电力系统综合负荷的静态频率特性,电力系统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有的与频率无关，有的与频率的一次方成正比，有的与频率的二次方成正比，有的与频率的更高次方成正比。,13.3,电力系统频率特性,综合负荷与频率的关系可表示成：,13.3,电力系统频率特性,2,、电力系统综合负荷的静态频率特性,在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线,P,L,O,f,P,L1,f,1,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。,13.3,电力系统频率特性,负荷的频率调节效应系数记为,K,L,13.3,电力系统频率特性,3,、电力系统的频率特性,电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。,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。发电机组的功,率频率特性和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。,13.3,电力系统频率特性,3,、电力系统的频率特性,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,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,a,点，系统频率为,f1,。,13.3,电力系统频率特性,3,、电力系统的频率特性,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,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,b,点，系统频率为,f2,。,13.3,电力系统频率特性,3,、电力系统的频率特性,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,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,c,点，系统频率回到,f1,。,13.4,电力系统频率调整,1,、电力系统频率的一次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,当系统负荷增加,，,综合负荷特性为,L2,时，发电机调速系统的设定值不变，等效发电机特性仍然为,G1,系统运行在,b,点，系统频率为,f2,。,这种由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。,13.4,电力系统频率调整,1,、电力系统频率一次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,对于右图，频率一次,调整的结果：,发电机有功功率增加了,P,L2,-P,L1,，,负荷调节效应,使负荷少吸收有功功率,为,P,L3,-P,L2,，,系统频率降,低到,f,2,。,13.4,电力系统频率调整,1,、电力系统频率一次调整,当系统负荷减少时，频率的一次调整过程与上述相反。即系统频率升高，发电机有功功率减少，负荷调节效应使负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率有所增加。,13.4,电力系统频率调整,2,、电力系统频率二次调整,O,P,P,L3,P,L1,f,f,1,f,2,a,b,c,P,L2,L1,L2,G1,G2,当系统负荷变化较大，频率的一次调整结果，系统频率过高或过低时，需要改变发电机调速系统的设定值，使系统频率恢复到规定范围内。对于右图，等效发电机特性变为,G2,系统频率回到,f1,。,13.4,电力系统频率调整,2,、电力系统频率二次调整,当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到规定范围内的频率调整称为频率的二次调整。,13.4,电力系统频率调整,2,、电力系统频率二次调整,电力系统频率的二次调整任务是由调频发电厂中的发电机组承担的。,13.4,电力系统频率调整,3,、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）,在频率的三次调整之前，让我们先看看电力系统负荷的变化情况。,见下图,13.4,电力系统频率调整,3,、电力系统有功功率调整,（频率的三次调整）,负荷总的变化情况,随机分量,脉冲分量,持续分量,13.4,电力系统频率调整,3,、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）,由上图可见，总的负荷可分成三个部分：,随机分量,脉冲分量,持续分量,一次调频,一、二次调频,发电计划加二次调频,13.4,电力系统频率调整,3,、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）,负荷的持续分量，调度部门用日负荷曲线来描述。日负荷曲线示例如下：,13.4,电力系统频率调整,3,、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）,从以上日负荷曲线可看到，把负荷分成基荷和峰荷。相应地，调度部门把发电厂分为三类：,带基荷发电厂,调峰发电厂,调频发电厂,13.4,电力系统频率调整,3,、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）,调度部门按日负荷曲线把发电计划下发到各类发电厂，计划发电计划与实际负荷不可能完全一致，其差值称为计划外负荷。计划外负荷由调频厂承担。,13.4,电力系统频率调整,3,、电力系统有功功率调整（频率的三次调整）,由此可见，调度部门使用发电计划来解决大部分有功功率平衡问题的。,13.5,电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配,1,、有功电源,发电厂是目前电力系统唯一的有功功率电源。,（,1,）火力发电厂：总容量一半以上。,燃油火力发电厂,燃汽火力发电厂,燃烧火力发电厂效率高容量大,低温低压（,450,，,35,大气压）,中温中压（,520,，,100,大气压）,高温高压（,550,，,180,大气压）,超临界机组,(575,，,200,以上,),（,2,）热力发电厂：发电,+,供热,强迫出力：为保证供热而必须发出的有功功率。,13.5,电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配,（,3,） 水力发电厂,多年调节库容水力发电厂,日调节库容水力发电厂,径流式库容水力发电厂,抽水蓄能库容水力发电厂,（,4,） 核能发电厂,13.5,电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配,水电厂强迫出力,Fig 13.1,热电厂强迫出力,核电厂,高效率大机组火电厂,中温中压凝气式火电厂,中温中压火电厂,水电厂可调功率,抽头蓄能,基荷,峰荷,13.5,电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配,2,、有功功率负荷,有功功率负荷随天气、季节、每天的时间、人们的生活工作习惯等变化，以各种负荷曲线来反映，是电力调度部门的重要依据。,Fig13.1,中,基荷：日负荷曲线最低点以下部分，,峰荷：基荷与最大负荷之间的部分。,13.5,电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配,2,、有功功率负荷, 实际负荷变化的特点,实际负荷变化由三种成分构成：,变化幅度很小，变化周期最短（一般为,10S,以内），一般由中小型用电设备的投入切除引起，带有很大的随机性。,变化幅度较大，变化周期较短（,10S-3m,），一般为轧钢机等的较大的间断性负荷；,变化缓慢且持续变化部分，由人们的作息制度、生活习惯、天气等决定。,3,、两并联机组的有功功率分配,见,Fig13.1,基本原则：,基荷由具有强迫功率，不可调功率或高效率的热力发电厂，电力发电厂，核能发电厂，迳流式水力发电厂，泄洪灌溉等水力发电厂等承担。,峰荷由有调节水库的水力发电厂，燃气轮机发电厂和中温中压火力发电厂等承担。,3,、两并联机组的有功功率分配,f,1,f2,P,G1,P,G2,P,G1,P,G2,P,G1,P,G1,P,G2,P,G2,并联运行机组所调节的有功功率与频率变化和机组额定容量成正比，与机组调差系数成反比,如何求解,f,*,注意：若某台机组已经没有调节容量，则取,i*,=,K,Gi,0,如何求解,f,*,13.5,电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配,4,、 有功功率电源的备用,为满足预计外的负荷需求和负荷变化，需要以下几种备用：,负荷备用：为满足负荷波动和计划外增加的负荷而设置的备用（最大负荷的,3-5%,）。,事故备用：在电力系统中发电设备发生偶然故障时，为保证向用户正常供电而设置的备用。（,5%10%,，,最大单机容量）,检修备用：为发电设备的定期检修及设置的备用。,国民经济备用：考虑到国民经济超计划增长而设置的备用。,热备用：所有发电机组最大可能出力之和与该时刻总负荷的差值，（根据需要随时可以投入的备用）,热备用包括部分事故备用和全部负荷备用。,冷备用：处于待机状态，但设备完好，随时可以启动的发电设备。,13.6,小结,选讲内容,1,：,AGC,（,Automation Generation Control,）,目的是使电力系统的出力与负荷相适应，保持频率额定和通过联络线的交换功率等于计划值，并尽可能实现机组（电厂）间负荷的经济分配,AGC,的基本目标,使全系统的出力与负荷相匹配,将电力系统的频率偏差调节到,0,，保持系统频率为额定值,控制区域间联络线的交换功率与计划值相等，实现各区域内有功功率的平衡,在区域各个电厂间进行负荷的经济分配,第二、三个目标也称为,LFC,AGC,的一般过程,跟踪控制,调节控制,机组控制,发电计划,调速器,气轮机,负荷预测,机组组合,水电计划,交换计划,电力系统,发电计划,区域控制误差,机组分组,df,P,G,区域控制误差,ACE,i,=,b,i,df+dP,T,I,联络线和频率偏差控制（,TBC,）,恒定功率控制（,CFC,）,恒定净交换功率控制（,CNIC,）,AGC,对,机组功率的分配,AGC,对机组公里的分配包括两个部分：,按经济调度原则分配计划负荷和计划外负荷，送出基点功率值；,将消除误差式区域控制误差所需要的调节功率,P,R,分配给机组,AGC,与其他应用软件的关系,机组组合,发电计划,水电计划,负荷预测,AGC,交换计划,安全约束调度,状态估计,最优潮流,计划,限制,潮流,网损,修正,自学内容,1,：,自动低频减负荷,概述,电力系统频率控制是关系电力系统全局的控制问题,.,在电力系统事故情况下,当采取各种措施之后仍然不能制止频率下降时,则由低频减载装置自动的切除一部分负荷来达到目的,这就是自动低频减负荷,也称自动低频减载,.,电力系统频率的动态特性,电力系统频率动态特性主要由系统所有的转动机械决定,.,由于旋转机械的转动惯量及其距离故障点的电气距离的不同,在系统故障时,系统中各结点,(,母线,),的频率动态特性是不同的,.,各结点的频率,f,i,将在,系统平均频率,f,x,附近变化,但偏离的数值不大,.,因此,可以用,f,x,代替,f,i,并将系统看成一台等值发电机组来研究,f,x,随时间的变化,.,电力系统频率的动态特性,系统中每台发电机组的转子运动方程,:,经验表明,虽然电力系统中电动机的数量远比发电机多,但它们的等效转动惯量却远小于发动机组,.,故可以只考虑发电机组的转动惯量,.,现在取系统所有的发电机的额定功率总和,P,Ge,为功率的基准值,则有,电力系统频率的动态特性,考虑到可以近似认为,f,i,=,f,x,上式中,i,*,可以用,X,*,代替,则,电力系统频率的动态特性,由于,有,以上即系统等值机的频率变化方程式。该方程式没有考虑负荷的频率调节效应,电力系统频率的动态特性,若考虑负荷的频率调节效应：,将功率基准换算成为,P,Le,：,电力系统频率的动态特性,电力系统频率的动,态特性如图所示,.,该,特性为一指数下降,曲线,频率下降的稳,态值与功率缺额成,正比,.,自动低频减负荷的基本原理,自动低频减负荷装置,自动低频减负荷装置控制的是整个系统的频率,而不是系统内某一台发电机组的运行参数,因此,ZDPJ,装置分散安装在电力系统的各个变电站之中,由它们共同作用来阻止系统频率下降,.,自动低频减负荷装置,自动低频减负荷装置的整定计算,(,一,),确定最大功率缺额,P,qe,发生严重事故时,为了保证系,ZDPJ,装置动作切除负荷后能使得系统频率恢复到允许值,在计算接入,ZDPJ,装置的负荷功率之前,必须先确定系统发生故障时功率缺额的最大值,.,确定最大功率缺额应该考虑系统最不利运行方式下出现最严重故障时的情况,.,自动低频减负荷装置的整定计算,(,二,),确定接入,ZDPJ,装置的负荷中功率,P,JH,当系统出现,P,qe,时,如果,ZDPJ,不,动作,系,统频率会稳定在,f ;,如果切除的,负荷功率等于,P,qe,则系统的频,率会恢复到,f,e,.,为了尽量少的切,除负荷,.,并不要求,ZDPJ,动作使,系统频率恢复到,f,e,只要恢复到,允许频率,f,y,.,即,f,y,f,e,.,确定接入,ZDPJ,装置的负荷中功率,P,JH,例,13-1,某系统的负荷额定功率,P,Le,=1000MW,系统可能出现的最大功率缺额为,218MW,设负荷调节效应系数为,K,L*,=2,自动低频减负荷装置动作后,希望频率恢复到,f,Y,=48Hz.,求接入自动低频减负荷装置的负荷总功率,P,JH,.,解,:,(,三,),确定各级,(,轮,),的动作频率,目前自动低频减负荷均采用按系统频率由高到低顺序切除负荷的方法,.,根据启动频率的不同,将自动低频减负荷装置的动作分为若干级,.,为了确定,ZDPJ,装置的级数,应确定装置的第一级动作频率、最末一级动作频率和相邻两级的动作频率的级差,.,确定各级,(,轮,),的动作频率,确定第一级动作频率,f,1,一般第一级动作频率整定在,48.549.0Hz.,确定末级动作频率,f,n,末级动作频率以不低于,4646.5Hz,为宜,确定频率级差,f,对于电磁式频率继电器,f,可取,0.5Hz.,对于数字式频率继电器,可取,0.3Hz.,确定各级,(,轮,),的动作频率,缩小级差,增加级数,减少每级切除负荷功率的方法已成为自动低频减负荷的一种趋势,.,(,四,),确定动作级数,N,在确定首、末级动作频率,f,1,、,f,n,和,频率级差,f,之后,动作级数,N,由下式确定,:,(,五,),确定每级切除的负荷功率,p,i,右图是,ZDPJ,装置第,i-1,级,动作切除负荷之后,系统频率继续下降时的,频率动态特性曲线,.,第,i-1,级动作切除负荷后频率,继续下降可能有三种情,况,.,确定每级切除的负荷功率,p,i,当第,i-1,级动作切除负荷之后,由负荷的频率调节效应调节的功率为,P,i,+ P,hi,根据负荷频率调节效应系数,K,L*,的定义,有,:,将上式的功率写成以系统总负荷功率,P,Le,为基准值的标么值,有,确定每级切除的负荷功率,p,i,当第,i,级切除负荷,P,i,以后,系统频率稳定在,f,h,这时由负荷频率调节效应调节的功率为,P,hi,.,根据负荷频率调节效应系数,K,L*,的定义,有,:,将上式中的功率,P,Le,换,成以为基准值的标么值,有,确定每级切除的负荷功率,p,i,(,六,),确定延时,t,为了尽快制止频率下降,在系统频率下降到,ZDPJ,装置的动作值时应尽快切除负荷,.,但考虑到电力系统电压急剧下降期间有可能引起频率继电器误动作,造成误切负荷,所以在,ZDPJ,装置的基本级中增加了一个延时,t,以躲过暂态过程可能出现的误动作,. t,一般取,0.5s,以下,.,(,七,),确定特殊级的有关参数,特殊级的动作频率通常只有一个,其整定值,f,t,应大于或者等于第一级的动作频率,.,特殊级时通过动作延时实现与基本级间动作的选择性,.,只有在基本级动作不能使系统频率恢复到希望的频率时,特殊级的执行继电器才能动作,.,对特殊级的总功率应按最不利的情况来考虑,即,ZDPJ,装置切除负荷后系统频率稳定在允许的最低值,.,