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第五章 电力系统的有功功率和频率调整(1)

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第五章电力系统有功功率与频率的调整

第五章电力系统有功功率与频率的调整
第五章 电力系统有功功率与频率的调整
1
电力系统中负荷随时间不断变化，必须调整发电机的出力， 电力系统中负荷随时间不断变化，必须调整发电机的出力， 使之与负荷的有功功率平衡，并同时调整系统的频率， 使之与负荷的有功功率平衡，并同时调整系统的频率，使之 尽量保持不变。 尽量保持不变。 负荷无功的的变化则要求发电机和其他无功补偿设备的运 行情况作相应调整，使之满足负荷无功需求的同时，保证合 行情况作相应调整，使之满足负荷无功需求的同时， 格的供电电压质量。 格的供电电压质量。 在分配和调整各个发电机的功率时，需要考虑它们和线路、 在分配和调整各个发电机的功率时，需要考虑它们和线路、 变压器等设备的容量限制和其他条件， 变压器等设备的容量限制和其他条件，以保证设备和系统运 行的安全性。 行的安全性。 电力系统的运行费用与发电机之间的功率分配密切相关， 电力系统的运行费用与发电机之间的功率分配密切相关， 对系统的运行方式进行决策和调整时必须考虑经济性。 对系统的运行方式进行决策和调整时必须考虑经济性。以上 各点反映了电力系统运行的安全、经济、优质等进本要求。 各点反映了电力系统运行的安全、经济、优质等进本要求。 2
（1）不需燃料费，但一次投资大 不需燃料费， （2）出力调节范围比火电机组大 （3）启停费用低，且操作简单 启停费用低， （4）出力受水头影响 （5）抽水蓄能 （6）必须释放水量－－强迫功率 必须释放水量－－强迫功率 －－
16
一、 各类发电厂的运行特点
3 核电厂
（1）最小技术负荷小，为额定负荷 ～15％。 ）最小技术负荷小，为额定负荷10～ ％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高； 启停 ）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高； 及急剧调节时，易于损坏设备。 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。 ）一次投资大，运行费用小。

《电力系统分析》第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整

《电力系统分析》第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
负荷的变化将引起频率的相应变化，电力系统的有功 功率和频率调整大体上分一次、二次、三次调整三种。 频率的一次调整（或称为一次调频）指由发电机组的调 速器进行的，是对一次负荷变动引起的频率偏移作调整。 频率的二次调整（或称为二次调频）指由发电机组的调 频器进行的，是对二次负荷变动引起的频率偏移作调整。 频率的三次调整（或称为三次调频）是对三次负荷变动 引起的频率偏移作调整。将在有功功率平衡的基础上，按 照最优化的原则在各发电厂之间进行分配。
PG 2

0.53 0.18 0.0036

97
PL PG1 PG2 197
因此，负荷继续增加时，增加的负荷应由发电设备2承担， 两套设备的综合耗量微增率也就取决于发电设备2。
（b）PL 100MW，按最优分配时，有
PL

PG1

PG 2

0.25
0.0028
0.18
（以下简称负荷）时刻都在 作不规则变化，如右图所示。 对系统实际负荷变化曲线的 分析表明，系统负荷可以看 作是由三种具有不同变化规 律的变动负荷所组成：第一 种变化幅度很小，变化周期 短，负荷变动有很大的偶然 性；第二种是变化幅度大， 变化周期较长；第三种是变 化缓慢的持续变动负荷。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
2、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量－－强迫功率。 （2）出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简
单。 （3）不需燃料费，但一次投资大，水电厂的运行依水库调
节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
3、原子能发电厂的特点 （1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。

5电力系统的有功功率和频率调整

5电力系统的有功功率和频率调整

2. 电力系统经济调度的数学模型
2) 等式约束条件：有功功率必须保持平衡的条件。 对于每个节点：
对于整个系统：
若不计网损：
2. 电力系统经济调度的数学模型
3) 不等式约束条件：为系统的 运行限制。
4) 变量：各发电设备输出有功功率。
3. 电力系统经济调度问题的求解
一般用拉格朗日乘数法。 现用两个发电厂之间的经济调度来说明，问题 略去网络损耗。 1) 建立数学模型。
3. 电力系统经济调度问题的求解
2) 根据给定的目标函数和等式约束条件建立一个新的 、不受约束的目标函数——拉格朗日函数。
3) 对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三个条 件：
（1）
3. 电力系统经济调度问题的求解
4) 求解（1）得到：
这就是著名的等耗量微增率准则，表示为使总耗量 最小，应按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂 之间分配负荷。 5) 对不等式约束进行处理 ❖ 对于有功功率限制，当计算完后发现某发电设备越 限，则该发电设备取其限制，不参加最优分配计算 ，而其他发电设备重新进行最优分配计算。 ❖ 无功功率和电压限制和有功功率负荷的分配没有直 接关系，可暂时不计，当有功功率负荷的最优分配 完成后计算潮流分布在考虑。
4. 用迭代法求解电力系统经济调度问题
1) 设耗量微增率的初值 ； 2) 求与 对应的各发电设备应发功率 ； 3) 校验求得的 是否满足等式约束条件：
4) 如不能满足，则如
，取
，取
，自2）开始重新计算。
5) 直到满足条件。
；如
例题
5. 等耗量微增率准则的推广运用
用于解决火力发电厂与水力发电厂之间的最优分配问 题。
2) 数学表达式：
KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示原动 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。

电力系统的有功功率和频率调整变化

电力系统的有功功率和频率调整变化
11
§5.2电力系统中有功功率的最优分配
一、 各类发电厂的运行特点
3 核电厂
（1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；
启停及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。
12
§5.2电力系统中有功功率的最优分配
二、 各类发电厂的合理组合
3、等耗量微增率准则
• 以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料 消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机 组间的分配，使总的燃料消耗量最小。
效率曲线和微增率曲线
16
§5.2电力系统中有功功率的最优分配
2、目标函数和约束条件
• 有功负荷最优分配的目的：在满足对一定量负荷持续 供电的前提下，使发电设备在生产电能的过程中单位 时间内所消耗的能源最少。
• 满足条件：
等式约束 f(x、u、d)=0 不等式约束 g(x、u、d)≤0
使
目标函数 F=F(x、u、d) 最优
2
§5.1电力系统中有功功率的平衡
一.电力系统频率变化的影响 • 对用户的影响 （1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业 （2）异步电机功率下降 （3）电子设备的准确度 • 对发电厂和电力系统的影响 （1）对发电厂厂用机械设备运行的影响 （2）对汽轮机叶片的影响 （3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无
于发电负荷。
➢ 定义：备用容量 ＝ 系统可用 电源容量 － 发电负荷
新增容
量
备用容
量
发电负荷
8760 t(h)
系统电源容量：可投入发电设备的可发功率之和
7
备用容量的分类
按作用分：
(1)负荷备用：满足负荷波动、计划外 的负荷增量2%~5%

电力系统的有功功率和频率调整

电力系统的有功功率和频率调整
高温高压－效率高，灵活调节的范围窄 中温中压－效率较低，但灵活调节的范围较宽 低温低压－技术经济指标最差，应淘汰 热电厂（供热式火力发电厂）效率高，最小负荷取决于 热负荷（强迫功率）
21
第二节 电力系统有功功率的最优分配
核电厂
反应堆的负荷没有限制 汽轮机的技术最小负荷为额定负荷的10%-15% 反应堆和汽轮机退出运行和再度投入或承担急
转动到DE’，使F点下降至F’和E点下降至E’。
38
测速元件 调频器
执行机构
39
第三节 电力系统的频率调整
错油门活塞下移使油管a、b的小孔开启，压力油 经b进入油动机活塞下部，活塞上部的油经a流入 错油门上部。
8
第一节 电力系统有功功率的平衡
说明：
担任二次调整任务的发电厂称为调频厂，其母 线通常可设为潮流计算中的平衡节点。
三次调整中按给定负荷曲线发电的发电厂称为 负荷监视厂。
近年来我国出现的一种新的调整手段—负荷控 制：个别负荷大量或长时间超计划用电以致影 响系统运行质量时，由系统运行管理部门在远 方将其部分或全部切除的控制方式。
26
第二节 电力系统有功功率的最优分配
2.2 各类发电厂的合理组合
基荷和峰荷的概念
基荷：日负荷曲 P
线最低点以下的
部 分 ， 24 小 时 内峰荷不变。峰荷：基荷和最 大负荷之间的部 分，经常变动。
基荷
t
27
第二节 电力系统有功功率的最优分配
各类发电机的组合顺序 火电厂以承担基本不变的负荷为宜。高温高 压电厂优先投入，中温中压电厂其次。 核电厂原则上应承担额定容量负荷 无调节水库水电厂的全部功率和有调节水库 水电厂的强迫功率应首先投入 有调节水库水电厂的可调功率：丰水期优先 投入；枯水期后投入 抽水蓄能电厂承担高峰负荷

电力系统有功功率与频率的调整

电力系统有功功率与频率的调整

电力系统有功功率与频率的调整引言电力系统中，有功功率和频率是两个重要的参数。

有功功率是指电力系统中用于传输、传递和消耗电能的功率，频率那么代表了电力系统中交流电信号的周期性。

因各种原因，有功功率和频率可能会发生变化，因此需要对其进行调整以确保电力系统的正常运行。

本文将探讨电力系统中有功功率和频率的调整方法。

有功功率调整方法发电机调整发电机是电力系统中有功功率的主要来源，因此调整发电机的输出功率可以实现对有功功率的调整。

在调整发电机的输出功率时，可以通过调整发电机的燃料供应或调整转子的转速来实现。

调整燃料供应调整燃料供应是一种常用的调整发电机输出功率的方法。

通过增加或减少燃料供应，可以增加或减少发电机的输出功率。

这种调整方法比拟简单，但需要注意控制燃料供应的精度，以确保发电机输出功率的稳定性。

调整转速调整发电机转速是另一种调整发电机输出功率的方法。

通过增加或减少发电机的转速，可以实现对输出功率的调整。

这种调整方法需要对发电机的转速进行精确控制，以防止对发电机的运行造成过大的影响。

负荷调整除了调整发电机的输出功率外，还可以通过调整电力系统的负荷来实现对有功功率的调整。

负荷调整可以通过增加或减少供电设备的负载来实现。

增加负荷增加负荷是一种常用的调整有功功率的方法。

通过增加供电设备的负载，可以增加电力系统的有功功率。

这种调整方法可以通过增加电阻、连接额外的负载设备或调整电力系统的运行模式来实现。

减少负荷减少负荷是另一种调整有功功率的方法。

通过减少供电设备的负载，可以减少电力系统的有功功率。

这种调整方法可以通过断开某些负载设备、调整供电设备的运行模式或降低负载的使用率来实现。

频率调整方法频率是电力系统中交流电信号的周期性表征，其稳定性对电力系统的正常运行至关重要。

频率的调整方法通常包括调整发电机的转速和调整负载的负载。

调整发电机转速调整发电机转速是一种常用的调整频率的方法。

通过增加或减少发电机的转速，可以实现对频率的调整。

第五章电力系统有功功率和频率调整

第五章电力系统有功功率和频率调整
❖ 受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整 范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温 高压30%，中温中压75%)
❖ 机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能 量，易损坏设备
❖ 热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于 热负荷，为强迫功率
火电厂的效率
❖中温中压 ❖高温高压 ❖超高压力 ❖超临界压力 ❖热电厂
内容
❖ 机组优化组合（简要介绍）
确定系统中需要运行多少机组，哪些机组运行， 以及什么时候运行。
❖ 经济功率分配（重点学习）
在已知机组组合的基础上，确定各机组的功率输 出，在满足机组、系统安全约束的同时，使系统 的运行最优化。
火电厂特点
❖ 需燃料及运输费用，但不受自然条件影响 ❖ 效率与蒸汽参数有关
❖ ④原子能电厂虽然可调容量较大，调整速度也不 亚于火电厂，但因其运行费用较低，通常都以满负 荷运行，一般不考虑用这类电厂调频。
❖ ⑤如果系统中有抽水蓄能电厂，首先应该考虑采 用这类电厂进行调频。
名词解释
❖ ALFC:自动负荷频率控制 ❖ AGC：自动发电控制 ❖ EDC：经济调度控制 ❖ ACE：区域控制偏差
，从6.80%下降到5.69%。
1997~2009年厂用电率变化情况
电源备用容量
❖ 有功功率平衡：
发电功率=厂用电+网损+综合用电负荷
❖ 有功电源的备用容量：
备用容量=发电机组的额定容量-发电功率
电源备用容量（按状态分类）
❖ 热备用：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)；
调整：减小进气量或进水量，进而减小作用在发 电机转子上的机械功率，机械功率=电磁功率， 转子达到额定转速，系统频率达到额定频率。

电力系统有功功率和频率调整

电力系统有功功率和频率调整

电力系统有功功率和频率调整1. 引言在电力系统中，有功功率和频率是两个关键的电能参数。

有功功率是指电力系统中实际提供应负载的电能，而频率那么表示电力系统中电压和电流的周期性变化。

准确地调整有功功率和频率可以保证电力系统的稳定运行，提高能源利用率，保障用电的平安和可靠性。

2. 电力系统有功功率调整电力系统的有功功率调整主要通过控制发电机输出功率来实现。

有功功率调整的目标是使电力系统的供需平衡，以满足用户的用电需求。

有功功率调整可以通过控制发电机的机械输入来实现，也可以通过调整发电机的励磁电流来实现。

2.1 机械输入调整机械输入调整是通过控制发电机的机械输入来调整有功功率。

机械输入调整的方式包括调速和负载调整两种。

2.1.1 调速调整调速是通过调整发电机的键合阻抗或者转子的绕组来改变发电机的转速，从而改变机械输入功率。

调速调整的原理是根据负荷需求，通过调整发电机的转速来保持有功功率的平衡。

2.1.2 负载调整负载调整是通过调整发电机的输出负载来改变发电机的有功功率。

负载调整的方式包括直接调整负载阻抗、调整发电机馈线阻抗、调整发电机并联等。

2.2 励磁调整励磁调整是通过调整发电机的励磁电流来改变发电机的有功功率。

励磁调整的原理是控制发电机的磁场强度，从而改变发电机的输出电压和电流。

励磁调整可以通过调整励磁电流的大小、相位和波形等来实现。

3. 电力系统频率调整电力系统的频率调整主要通过控制发电机输出的机械输入来实现。

频率调整的目标是使电力系统的供电频率保持在额定值附近，以满足用户的用电需求。

3.1 负荷频率特性负荷频率特性是指负载的电流和供电频率之间的关系。

负荷频率特性可以分为正负荷频率特性和正负荷功率频率特性两种。

正负荷频率特性描述了负载对供电频率变化时的功率响应。

3.2 机械输入调整机械输入调整是通过调整发电机的机械转速来调整电力系统的频率。

机械输入调整的方式包括调速和负载调整两种。

3.2.1 调速调整调速调整是通过改变发电机的转速来调整电力系统的频率。

第五章 电力系统有功功率平衡及频率调整

第五章 电力系统有功功率平衡及频率调整

电力系统应用
第五章 电力系统有功功率平衡及频率调整
三、电力系统有功功率平衡与备用
目标：保证频率的质量与稳定，满足有功调度的经济与可靠 性要求 偶然性 频率变化与功率调 冲击性 整量的定量关系 负荷的变动类型 周期性 发电机的电磁有功变化类型 频率的调整方法
P K f G G
一次调频 二次调频 三次调频
第五章 电力系统有功功率平衡及频率调整
LANZHOU RESOURCES&ENVIRONMENT VOC-TECH COLLEGE
电力系统应用
第五章 电力系统有功功率平衡及频率调整
二、不考虑网损时的火力机组间有功负荷的经济分配
1、发电机组的耗量特性 电力系统中有功功率经济 分配的目标：在满足一定的条 件下，尽可能节约一次能源。 耗量特性:发电机组单位时 间内消耗的能量与有功功率 的关系。 单位耗量（比耗量）：发电 机组在单位时间内输入能量 与输出功率之比。
q
发电机组 原动机惯性大，有功调节慢，无法时 原动机＋发电机 刻保持与瞬变负荷及发电机功率的平 衡，而只能保证动态平衡，相应频率 也只能保持动态稳定。 电力系统的有功平衡：发电机与负荷之间的电磁功率平衡， 时刻平衡 频率变化反映机组的有功平衡关系，是机组有功调节的依据。 LANZHOU RESOURCES&ENVIRONMENT VOC-TECH COLLEGE
耗量特性用一个多项式表示
F a bP cP
工程实际计算中，常用二次
曲线来表示
LANZHOU RESOURCES&ENVIRONMENT VOC-TECH COLLEGE
电力系统应用
第五章 电力系统有功功率平衡及频率调整
2。等微增率准则 • 一发电厂，有n台机组并联运行，发电厂承担的总负荷 是PL，分析各机组间如何如何分配负荷，使得全厂消耗 燃料最小。

电力系统分析第五章讲解

电力系统分析第五章讲解
2019年1月15日星期二 55－6
§5-1 电力系统有功功率和频率的调整和控制
功率-频率电气液压调速系统：
转速 f － 频 测量 差 ＋ 放 转速 f set ＋ 大 综 综合 给定 合 误差 PID 放 P ＋ 功率 set U err 校正 大 给定 器 － 功率 PG 测量 转速 功 率 放 大 器 电 液 转 换 器 油 动 机 汽 轮 机 有功 功率 系 发 统 电 机
K G* 1 100 %
PG Pset
单位调节功率
0
fN
f
调速系统常用调差系数百分数σ%来反映静态特性。
例5-2
每台机组的调差系数可单独整定。离心飞摆式调速系统，整 定值通过调频器设定；功频电液调速系统可直接整定KG。
2019年1月15日星期二 55－8
§5-1 电力系统有功功率和频率的调整和控制
2019年1月15日星期二 55－4
§5-1 电力系统有功功率和频率的调整和控制
2. 有功功率平衡和备用容量 为保证电力系统的频率质量，应满足额定频率下系统有功功 率平衡的要求。 备用容量的种类： (1)负荷备用。一般取负荷的2%~5%。 (2)事故备用。为防止发电机组发生事故设置的备用容量，一般 取系统最大负荷的5%~10%。 (3)检修备用。 (4)国民经济备用。 负荷备用必须以热备用的方式存在于系统之中。 热备用是指所有投入运行的发电机组可能发出的最大功率之 和与全系统发电负荷之差，也称运转备用或旋转备用。 冷备用指系统中停止运行状态，可随时待命起动的发电机组 最大出力的总和。 冷备用可作为检修备用和国民经济备用。
2019年1月15日星期二 55－14
f f PL PLN a0 a1 a 2 f fN N a0 a1 a2 a3 an 1

第五章 电力系统的有功功率和频率讲解

第五章 电力系统的有功功率和频率讲解

2)
求与 (0)
对应的各发电设备应发功率
PG(
0) i
；
3)
校验求得的 PG(
0) i
是否满足等式约束条件：
n
n
P(0) Gi

PLi 0
i 1
i 1
4) 如不能满足，则如 PGi PLi ，取 (1) (0) ；
如 PGi PLi ，取 (1) (0)，自2）开始重新计
PG2 )


f PG1
(PG1,
PG2 )

dF1 ( PG1 ) dPG1



1



0
C PG 2
(PG1,
PG2 )


f PG 2
(PG1,
PG2 )

dF1(PG2 ) dPG 2



2



0
所以可得 1 2
f (PG1, PG2 ) 0
上式就是等耗量微增率准则。它表示为使总耗量 最小，应按相等的耗量微增率在发电设备或发电 厂之间分配负荷。
• 耗量特性曲线上某点切线的斜率称耗量微增率λ ， 是单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量 的比值。 即
F / P dF / dP
W / P dW / dP
• 2．目标函数和约束条件
• 在数学上，其性质是在一定的约束条件下，使某 一目标函数为最优，而这些约束条件和目标函数 都是各种变量－状态变量、控制变量、扰动变量 的非线性函数，可表达为：
•
得超过水库的容水量 对简单的系统有
PT 1
PH 2
PL1

第五章电力系统频率及有功功率的调节

第五章电力系统频率及有功功率的调节

第五章电力系统的频率及有功功率的自动调节f=pn/60式中f －－发电机频率，HZP——发电机转子的极对数；n 机组转速，r/min。

由上式可知，要控制发电机频率就得控制机组转速。

第一节电力系统的频率特性一、电力系统频率控制的必要性1、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。

有些产品（如纺织和造纸行业的产品）对加工机械的转速要求很高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和废品。

（2）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。

（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。

2、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，当频率降低到45Hz附近时，某些汽轮机的叶片可能发生共振而断裂，造成重大事故。

2）下降到47〜48Hz时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨媒机等发电厂厂用机械的出力随之下降，使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降，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。

3）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。

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，使异步电动机和变压器的无功损耗增加，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，可能出现电压快速而不断地下降，即所谓电压雪崩现象。

第五章 电力系统的频率调整

第五章 电力系统的频率调整

（2）当稳定运行于O点时，负荷突然增加△PL0 ，由O点跳至A点。
（3）因机组功率不能及时变动，机组将减速，频率将下降。 （4）随着频率的下降，负荷消耗的功率减少，负荷的功频特性 将沿着新的特性曲线PL’下降，由A点向O‘点移动。由于这种特 性是由负荷本身决定的，因此PL和PL’斜率相同。 以上都是针对负荷来分析，下面针对发电机组来分析。
K G* PGN PGN 1 1 1 100 K G K G* 100 % fN % fN
KG和调差系数是可以整定的。
四、一次调频
为了便于分析，现假设系统中只有一台发电机组和一个负荷。
频率的一次调整过程：
（1）系统正常运行时，稳定运行于O点，此时发电机发出的 功率等于负荷消耗的功率，处于平衡状态，即：
第三节 电力系统的频率调整
一、频率调整的必要性 频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行。
负荷要求频率的偏差一般应控制在（±0.2~ ±0. 5）Hz的范围内。
要维持频率在正常的范围内，其必要的条件是系统必须具有充裕的
可调有功电源。
频率变动的影响：
1、对用户的影响
频率变化超出允许范围将使用户遭受损失 。 由于频率变化引起异步电动机转速变化，将会影响用户产品质 量。 例如：纺织及造纸行业可能产生残次品。
这就是一次调频的整个过程。
因此： 整个系统的负荷功率的增大量= 发电机组功率的增大量-负荷功 率减少量 取功率和频率的上升为正
PL 0 K G f K L f
下面来分析负荷功率的增加量是由哪 几部分组成的，由图可知：
( K G K L )f K s f PL 0 / f K G K L K S

5、电力系统有功平衡与频率调整

5、电力系统有功平衡与频率调整
§5 电力系统有功功率平衡与频率调整
5.1 概述
衡量电能质量的指标：
➢频率、电压、波形
我国电力系统关于频率的规定：
➢fN＝50Hz ➢允许偏移范围为±0.2～0.5Hz （系统规模越大，对频
率控制的要求越严格。）
频率与有功功率的基本关系
f np 60
转速n
原动机输入 机械功率
PT PG
发电机输出 电磁功率
➢(2)可以做到无差调节。
5.4 电力系统有功功率经济分配
系统有功功率的最优分配，包括：
➢有功电源的最优组合 --系统中发电设备和发电厂的合理组合，即所谓机组的 合理开停（冷备用容量的合理分布问题）。
➢有功负荷的经济分配 --系统中的有功负荷在各个正在运行的发电设备或发电 厂之间的合理分配（热备用容量的合理分布问题） 。
对不等式约束的处理，即功率上下限约束：
效率：
➢比耗量的倒数。
耗量微增率：
i
➢耗量特性曲线上某点切线的斜
率，表示在该点的输入增量与输
出增量之比，用λ表示。
电力系统有功功率经济分配
（二）目标函数和约束条件 有功负荷最优分配的目的：
➢在满足对一定量负荷持续供电的前提下，使发电设备在 生产电能的过程中单位时间内所消耗的能源最少。
➢在数学上可表示为： 在满足条件 ✓等式约束 f(x,u,d)=0 ✓和不等式约束g(x,u,d)≤0 的前提下， ✓使目标函数 F=F(x,u,d) 最优，即达到最小值。
概述
概述
（2）按其备用形式分
(1)负荷备用： (2)事故备用： (3)检修备用： (4)国民经济备用：
(1)热备用/
旋转备用
(2)冷备用
5.2 负荷和电源的频率静特性

电力系统分析第05章电力系统有功功率平衡与频率调整

电力系统分析第05章电力系统有功功率平衡与频率调整

¾ 目标函数 ¾ 约束条件：
n
∑ F = Fi ( PGi ) i =1
∑ ∑ PGi − PLi = 0
¾ 等微增率准则的表达式
dF1 ( PG1 ) = dF2 ( PG2 ) = .... = dFn ( PGn ) = λ
dPG1
dPG 2
dPGn
18
3.最优分配方案的求解步骤
对于机组较少的情况，可以用解方程组的方法求解，机 组较多，可以迭代求解
算。
5) 直到满足条件。
19
例5-1同一发电厂内两套发电设备共同供电，耗量特性分别为
F1 = 3 + 0.25PG1 + 0.0014PG21 F2 = 5.0 + 0.25PG2 + 0.0018PG22
它们可发有功功率上下限分别为PG1max=100MW, PG1min=20MW,
PG2max=100MW, PG2min=20MW,求承担150MW负荷时的分配方案 解：两台发电设备的耗量微增率分别为
第五章 电力系统有功功率 平衡与频率调整
1
第五章电力系统有功功率平衡与频率调整
电力系统的调频问题实质上是正常运行时有功功率的平衡问题。 ¾ 发电机的输入功率、输出功率和系统的总负荷相等，发电机匀速运
转。 ¾ 当系统中发出的有功功率与负荷消耗的有功功率不平衡时，就会反映
为频率的变化。
当电力系统发生某种扰动（负荷减小），发电机输出的功率瞬间 减小。但发电机的输入功率是机械功率，不能瞬间变化。扰动后瞬间 发电机的输入功率大于输出功率，发电机转子将加速，电力系统的频 率上升。
投切增减负荷不增 加能耗，时间短 (4)有强迫功率，视不 同水电厂而定
调峰机组

电力系统频率控制

电力系统频率控制

4
③ 发电厂的厂用机械多使用异步电动机带动的，系统频率 降低将使电动机功率降低，影响电厂正常运行。 f↓ n↓ → P 2 → ↓f→ ↓ ↓
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。
V=E∝f: f ↓V → 不变 →
Im↑→ Qm↑V → ↓电 →压崩溃
2019/10/29
1.自动调速系统原理简介
19
1. 测转速元件 离心飞摆及其附件；
2. 放大元件一错油门； 3. 执行机构一油动机； 4. 转速控制机构或称同步器
2019/10/29
图 原动机调速系统示意图
调频器
A △PC、△xA
B
η
△ω
原动机轴
齿轮组
1.自动调速系统原理简介
20 蒸汽
C △xC
2019/10/29
25
三、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。 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。
2019/10/29
26
原始运行状态PD(f)，和发电机组静特性交点a。 负荷增加Δ PD0，特性曲线变为P´D(f)，新的运行点b。
给水泵。
2019/10/29
14
2.电力系统负荷与频率的关系：
P Da0P D Na1P D(N ffN)a2P D(N ffN)2
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。但有：

电力系统稳态 第五章 电力系统的有功功率和频率调整

电力系统稳态 第五章 电力系统的有功功率和频率调整
等)
• PT ＝ PE + PD ≈ PE
• 电力系统的功率平衡：发电机与负荷之间的电磁功率 平衡，时刻平衡
PG PLoad PLoss
整理课件
发电机组的有功平衡与频率的关系
PTi PGi f＝ f 0 PTi PGi f PTi PGi f
原动机惯性大，有功调节慢，无 法时刻保持与瞬变负荷及发电机 功率的平衡，而只能保证动态平 衡，相应频率也只能保持动态稳 定。
热电厂(供热式火力发电厂):效率高,技术最小负荷取决于 热负荷(称为强迫功率)
• 原子能发电厂的特点
反应堆的负荷没有限制，其技术最小负荷取决于汽轮 机，为其额定负荷的10%～15%
反应堆和汽轮机的投切或承担急剧变动负荷时会耗能 、费时、易于损坏设备
原子能发电厂的一次投资大，运行费用小。
• 水力发电厂的特点
(1)状态变量(x) ：反映系统运行状态的变量——因变量； • 除平衡节点外，其它所有节点的电压相角； • 除发电机节点以及具有可调无功补偿设备节点之外，其它
所有节点的电压模值。 (2) 控制变量(u) ：可以设定、调整的变量 • 除平衡节点外，其它发电机的有功出力： • 所有发电机节点(包括平衡节点)及具有可调无功补偿设备
第五章 电力系统的有功功率 和频率调整
华侨大学 尚荣艳
衡量电能质量的指标
频率 电压 波形
衡量经济性的主要指标
比耗量 线损率
详见第一章P6
第1节 电力系统中有功功率的平衡
电力系统经济调度：是在满足安全和一定质量要求的条件 下尽可能提高运行的经济性，即合理地利用现有的能 源和设备，以最少的燃料消耗量（或燃料费用或运行 成本），保证对用户可靠而满意地供电。
频率的一次调整：用发电机组的调速器(第一种负荷变 动)。

第5章 电力系统有功功率平衡和频率调整(含答案)

第5章 电力系统有功功率平衡和频率调整(含答案)

第5章电力系统有功功率平衡和频率调整一、填空题1.日负荷率和日最小负荷率的数值越大，表明负荷波动越小（填“大”或“小”），发电机的利用率越高（填“高”或“低”）。

2.由变化幅度小、变化周期较短的负荷变化引起的频率偏移，由发电机组的调速器进行自动调整，称为一次调频；由变化幅度较大、变化周期较长的负荷变化引起的频率偏移，需要手动调频器参与频率调整，称为二次调频。

3.可供系统调度的电源容量是指可投入发电设备的可发功率之和。

4.系统备用容量按作用可分为负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用，按存在方式可分为热备用和冷备用。

5.负荷的单位调节功率反映了系统负荷对频率的自动调整作用，其取决于系统负荷的组成，是不可（填“可”或“不可”）调整的，而发电机组的调差系数是可（填“可”或“不可”）整定的。

6.二次调频实现无差调节的条件是在调频器作用下，发电机组增发的功率能完全抵消负荷的原始增量，此时负荷不会（填“会”或“不会”）主动少吸收有功。

二、选择题1.下列概念之中，内涵最广的是（C）A.系统综合最大用电负荷B.系统供电负荷C.系统发电负荷D.直配负荷2.下列哪个参数不直接用于反映有功功率负荷曲线的平坦程度（D）A.日负荷率B.日最小负荷率C.年最大负荷利用小时数D.最大功率损耗时间3.关于一次调频和二次调频，下列说法正确的是（B）A.一次调频一定是有差调节，二次调频一定是无差调节B.一次调频一定是有差调节，二次调频可能是无差调节C.一次调频可能是无差调节，二次调频一定是无差调节D.一次调频可能是无差调节，二次调频也可能是无差调节4.某系统年持续负荷曲线如下图所示，其全年消耗电能A约为（B）A.36.52×106kW·hB.35.33×106kW·hC.36.64×106kW·hD.34.88×106kW·h5.电力系统的频率主要决定于（A）A.有功功率的平衡B.无功功率的平衡C.电压质量D.电流的大小三、简答题1.系统综合最大用电负荷、系统供电负荷和系统发电负荷的概念分别是什么？在计算系统综合最大用电负荷时为什么要乘上同时率k1？答：系统综合最大用电负荷：电力系统在一定时段内（如一天、一年）的最大负荷值。

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s Hj w jtk tk W jT j 1 k 1
u
33
4. 水火经济运行
IPSO
dw j dFi Hj k dPGitk dPGH j tk
实际可看作是一个换算系数，也称为水价系数。
在枯水季节，水电厂承担调频任务，H 比较小， j 比较大； 在洪水季节，水电厂承担基荷任务， H 比较大， 比较小。
第五章 电力系统的有功功 率和频率调整
1
概述
IPSO
1. 电力系统的基本要求： 安全可靠、优质和经济 2. 衡量电能质量的两个重要指标： 电压——电压控制（调压） 频率——频率调整（调频）
2
第一节 电力系统有功功率平衡
IPSO
PG PD PL
PG ：实际总发电容量 PD ：总负荷 PL ：厂用电和损耗
3
1. 有功电源
IPSO
有功电源:发电机 类型



火电厂 水电厂 核电厂 风力电厂 潮汐电厂 地热电厂
4
1. 有功电源
IPSO
1)火电厂的分类

高温高压火电厂

运行效率高，调节范围窄，约为30% 运行效率较低，调节范围宽，约为75%

中温中压火电厂


低温低压火电厂 供热式火电厂
0
整个系统
P P
Li
不计网损
21
3)
不等式约束条件
IPSO
为系统的 运行限制。
PGi min PGi PGi max QGi min QGi QGi max U i min U i U i max
22
4出有功功率。
23
2.
求解
须各时段联立求解。 其目标函数增加时间部分：
min fi Fcos t
iSG T 0
2 a2i PGi a1i PGi a0i dt
等式约束中加水量特性方程：

T
0
w j PGj dt W jT
w jt ：单位时间内水力发电设备的水量消耗。 不等式约束不变
dF1 PG1 0 dPG1
dF2 PG 2 0 dPG 2
(1)
f PG1 , PG 2 PG1 PG 2 PL1 PL 2
26
2.
求解
IPSO
4) 求解（1）得到：
1 2
这就是著名的等耗量微增率准则，表示为使 总耗量最小，应按相等的耗量微增率在发电设 备或发电厂之间分配负荷。
w
jtk
tk W jT 0
j 1, 2, , u
T tk
k 1
s
PGi min PGitk PGi max QGi min QGitk QGi max U i min U itk U i max
32
求解过程
IPSO
建立拉格朗日函数：
u n m L a P a1i PGi a0i dt k PGitk PGHjtk PLitk i 1 k 1 k 1 j 1 i 1 i 1 m s s 2 2 i Gi
36
求解过程
IPSO
dF1 PG1 0 dPG1
网损微增率
dF1 PG1 PL 1 0 dPG1 PG
37
6. 最优潮流
IPSO
最优潮流：满足各节点正常功率平衡及各 种安全性不等式约束条件下，求以发电费 用（耗量）或网损为目标函数的最优的潮 流分布。 最优潮流的优点：将安全性运行和最优经 济运行等问题综合地用统一的数学模型来 描述。
IPSO
一般用拉格朗日乘数法（两个发电厂为例）
1) 建立数学模型
2 min f Fcos t a2i PGi a1i PGi a0 i 2 i 1
s.t.
P P
i 1 Gi i 1
2
2
Li
0
PG1min PG1 PG1max , PG 2 min PG 2 PG 2 max QG1min QG1 QG1max , QG 2 min QG 2 QG 2 max U1min U1 U1max , U 2 min U 2 U 2 max

目的 条件
13
1.
数学模型（以纯火电为例）
IPSO
一般非线性规划问题可描述为满足非线性 约束条件是非线性函数的最小值问题，其 标准形式为：
目标函数
min f ( x) s.t. h( x) 0 g g ( x) g
等式约束
不等式约束
14
1)
•
目标函数
IPSO
系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料耗量
5
1)火电厂的分类
IPSO


火电厂的运行特点
锅炉（25%-70%）和汽轮机（10%-15%）都有 一个技术最小负荷； 调节速度慢； 锅炉和汽轮机退出和投入都耗时耗能； 负荷变动剧烈变动也耗时耗能； 耗费燃料，运行费用大，不受气候条件的影 响。

6
1. 有功电源
IPSO
2)水电厂分类（根据水库自然来水量和水库库容）
IPSO
2 min f Fcos t a2i PGi a1i PGi a0i 2 i 1
s.t.
P P
i 1 Gi i 1
n
n
Di
PL 0
PGi min PGi PGi max QGi min QGi QGi max U i min U i U i max
27
2.
求解
IPSO
5) 对不等式约束进行处理


对于有功功率限制，当计算完后发现某发 电设备越限，则该发电设备取其限制，不 参加最优分配计算，而其他发电设备重新 进行最优分配计算。 无功功率和电压限制和有功功率负荷的分 配没有直接关系，可暂时不计，当有功功 率负荷的最优分配完成后计算潮流分布在 考虑。
求极值必要性条件：
dFi dP tk k tk 0 Gitk dw j Hj tk k tk 0 dPGH j tk u n m PGitk PGHjtk PLitk 0 j 1 i 1 i 1 s w jtk tk W jT 0 k 1
28
3.
迭代法求解
IPSO 初值 (0)
P P
Gi
Li
P P
Gi
Li
求 PGi
(0)
P
i 1
n
(0) Gi
PLi 0
i 1
n
N
(1) (0)
(1) (0)
Y
结束
29
例题
IPSO
P185，例5-2
30
4. 水火经济运行（忽略网损）
IPSO
10
2. 有功负荷的变动
IPSO
图5-1
11
第二节 电力系统有功最优分配
12
0. 概念
IPSO
电力系统最优分配（经济调度）：是在满 足安全和一定质量要求的条件下尽可能提 高运行的经济性，即合理地利用现有的能 源和设备，以最少的燃料消耗量（或燃料 费用或运行成本），保证对用户可靠而满 意地供电。
38
1）纯火电数学模型
IPSO
目标函数
PG PGi iSG min f () PLoss1 PGi PDi iSG
39
1）纯火电数学模型
IPSO
等式约束
n Gi Di P P ViYijV j cos ij j 1 n Q Q ViYijV j sin ij Gi Di j 1
F / P dF / dP W / P dW / dP
18
关于目标函数的一些重要的概念：
IPSO
比耗量：单位时间内输入能量与输出功率 之比。为耗量特性曲线上某一点纵坐标和 横坐标的比值。
F/P W / P
19
关于目标函数的一些重要的概念：
IPSO
发电设备的效率 ：为比耗量的倒数。
•
对于纯火电系统， 发电厂的燃料费用主要与 发电机输出的有功功率有关，与输出的无功功 率及电压等运行参数关系较小 。这种反映单 位时间内发电设备的能量消耗与发出的有功功 率之间的关系称为耗量特性。其函数关系式为：
fi fi PGi
15
单位：吨/小时
1)
目标函数
IPSO
可用试验数据通过最小二乘法拟合而成，根据前 人经验，阶数为2比较合适，即：
24
2.
求解
IPSO
2) 根据给定的目标函数和等式约束条件建立一个 新的、不受约束的目标函数——拉格朗日函数。
C* F1 PG1 F2 PG 2 PG1 PG 2 PL1 PL 2
拉格朗日乘子
25
2.
求解
IPSO
3) 对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三 个条件：
41
作业1：
IPSO
两台发电机，燃料耗量特性为：
F1 8.0 0.57P1 0.0002P12 F2 7.5 0.55P2 0.0003 22 P (t / h) (t / h)
机组的最大和最小技术出力为200MW和80MW，总 负荷曲线如图所示。试计算：全天各时段的经 济分配方案。
42
例题欣赏：
P/F P /W
20