第4章電力系統(tǒng)的有功功率平衡

與頻率調(diào)整本章提示4.1概述4.2自動調(diào)速系統(tǒng)4.3電力系統(tǒng)的頻率特性4.4電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整4.5電力系統(tǒng)中有功功率的平衡小結(jié)本章提示調(diào)頻的意義及電力系統(tǒng)頻率的允許波動范圍；頻率一次調(diào)整的概念、原理及結(jié)果；頻率二次調(diào)整的概念、原理及結(jié)果；電力系統(tǒng)的有功功率平衡及備用容量的概念。第4章電力系統(tǒng)的有功功率平衡與頻率調(diào)整4.1概述4.1.1頻率調(diào)整的必要性4.1.2頻率調(diào)整的方法4.1.2頻率調(diào)整的方法電力系統(tǒng)頻率的變化是由有功負荷變化引起的。1.第一種負荷分量2.第二種負荷分量3.第三種負荷分量4.實際的負荷變化曲線

圖4.1有功負荷的變化系統(tǒng)實際的負荷可以看作由三種具有不同變化規(guī)律的變動負荷組成第一種負荷分量變動幅度?。?.1%～0.5%），變化周期短（一般10s以內(nèi)）；第二種負荷分量變動幅度較大（0.5%～1.5%），變化周期較長（一般10s～3min）；第三種負荷分量是持續(xù)變動負荷。第一種變化負荷引起的頻率偏移由發(fā)電機組的調(diào)速器進行，稱為頻率的一次調(diào)整。1.第一種負荷分量2.第二種負荷分量3.第三種負荷分量4.實際的負荷變化曲線

圖4.1有功負荷的變化第二種變化負荷引起的頻率偏移由發(fā)電機組的調(diào)頻器進行，稱為頻率的二次調(diào)整。第三種負荷的變化是可預(yù)測的，調(diào)度部門按經(jīng)濟調(diào)度的的原則事先給各發(fā)電廠分配發(fā)電任務(wù)，各發(fā)電廠按給定的任務(wù)及時地滿足系統(tǒng)負荷的需求，就可以維持頻率的穩(wěn)定。4.1.2頻率調(diào)整的方法4.2自動調(diào)速系統(tǒng)4.2.1調(diào)速器的工作原理—實現(xiàn)頻率的一次調(diào)整

4.2.2調(diào)頻器的工作原理—實現(xiàn)頻率的二次調(diào)整圖4.2離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖4.2自動調(diào)速系統(tǒng)pTpEwPE﹥PTw﹤w0PE=PTw=w0w﹥w0PE﹤PT圖4.2離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖4.2自動調(diào)速系統(tǒng)pTpEwPE﹥PTw﹤w0圖4.2離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖4.2自動調(diào)速系統(tǒng)pTpEwPE﹥PTw﹤w0由調(diào)頻器來完成的調(diào)節(jié)，稱為頻率的二次調(diào)整。由于調(diào)整的結(jié)果，頻率能回到原來值，因此二次調(diào)整為無差調(diào)節(jié)。4.2.2調(diào)頻器的工作原理——實現(xiàn)頻率的二次調(diào)整4.3電力系統(tǒng)的頻率特性

4.3.1發(fā)電機組的有功功率——頻率靜態(tài)特性

4.3.2系統(tǒng)負荷的有功功率——頻率靜態(tài)特性4.3.1發(fā)電機組的有功功率——

頻率靜態(tài)特性將上述調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機組的有功功率與頻率關(guān)系用發(fā)電機組的功頻靜特性或頻率特性表示。圖中直線的斜率稱為發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率（或發(fā)電機組功頻靜特性系數(shù)），圖4.3發(fā)電機組的功頻靜特性其數(shù)值表示為頻率發(fā)生單位變化時，發(fā)電機輸出功率的變化量，負號表示二者變化方向相反，即發(fā)電機輸出功率增加，頻率是降低的。用標幺值表示為

(4.1)(4.2)若機組負荷升高使轉(zhuǎn)速下降，可以通過伺服電動機來提高轉(zhuǎn)速，調(diào)整的結(jié)果使原來的功頻靜特性2平行右移為特性1。圖4.4功頻靜態(tài)特性的平移若機組負荷降低使轉(zhuǎn)速升高高，則可通過伺服電動機來降低機組轉(zhuǎn)速，調(diào)整的結(jié)果使原來的功頻靜特性2平行左移為特性3.4.3.1發(fā)電機組的有功功率——

頻率靜態(tài)特性4.3.2系統(tǒng)負荷的有功功率——

頻率靜態(tài)特性根據(jù)所需的有功功率與頻率的關(guān)系可將負荷分成以下幾類：.圖4.5有功負荷的頻率靜態(tài)特

根據(jù)統(tǒng)計資料，系統(tǒng)負荷以第二類占多數(shù)，因此負荷的靜態(tài)頻率特性可近似表示為一條直線，如圖所示。不受頻率影響的負荷與頻率成正比的負荷與頻率的二次方成比例的負荷，與頻率的高次方成比例的負荷系統(tǒng)處于運行穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)中有功負荷隨頻率的變化特性稱為負荷的靜態(tài)頻率特性。圖4.5有功負荷的頻率靜態(tài)特

所謂聯(lián)結(jié)容量，是指頻率、電壓等于額定值時，接在電網(wǎng)上的用電設(shè)備的實際容量。如果聯(lián)結(jié)容量改變，靜態(tài)特性曲線將上下移動。4.3.2系統(tǒng)負荷的有功功率——

頻率靜態(tài)特性例4.1某電力系統(tǒng)中，與頻率無關(guān)的負荷占35％，與頻率一次方成正比的負荷占45％，與頻率二次方成正比的負荷占10％，與頻率三次方成正比的負荷占10％。求系統(tǒng)頻率由50赫降到47赫時，相應(yīng)的負荷變化百分值。4.3.2系統(tǒng)負荷的有功功率——

頻率靜態(tài)特性4.4電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整4.4.1頻率的一次調(diào)整4.4.2頻率的二次調(diào)整4.4.3主調(diào)頻廠的選擇4.4.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整4.4.1頻率的一次調(diào)整系統(tǒng)負荷增加時，在發(fā)電機組功頻特性和負荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下實現(xiàn)了新的功率平衡。負荷的功頻特性與發(fā)電機組功頻靜特性的交點a是系統(tǒng)的原始運行點，系統(tǒng)頻率為f1圖4.6頻率的一次調(diào)整假定系統(tǒng)只有一臺機組

若系統(tǒng)負荷增加，其特性曲線變?yōu)?。此時頻率為。4.4.2頻率的二次調(diào)整電力系統(tǒng)負荷變化引起的頻率變化，僅依靠一次調(diào)整作用已不能保持在允許范圍內(nèi)時，就需要通過頻率的二次調(diào)整才能解決。圖4.7頻率的二次調(diào)整二次調(diào)整是以手動或自動方式調(diào)節(jié)發(fā)電機組的調(diào)頻器，使發(fā)電機組的功頻特性平行移動來改變發(fā)電機的有功功率，以保持系統(tǒng)的頻率不變或使頻率變化在允許范圍內(nèi)。由于進行了二次調(diào)整發(fā)電機組增發(fā)的功率；由于調(diào)速器的調(diào)整作用而增加的發(fā)電機組功率（圖中）由于負荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減小的負荷功率（圖中）圖4.7頻率的二次調(diào)整負荷增量可分解為三部分：4.4.2頻率的二次調(diào)整4.4.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整假設(shè)、分別為兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率;、分別為兩系統(tǒng)二次調(diào)頻的發(fā)電功率變量;、分別為兩系統(tǒng)的負荷變化量;為聯(lián)絡(luò)線上的交換功率變化量，正方向為由A流向B。圖4.8互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整

對系統(tǒng)A相當于負荷增量，對系統(tǒng)B相當于發(fā)電功率增量。對A系統(tǒng)：（4.10a）對B系統(tǒng)：（4.10b）

兩個聯(lián)合運行的系統(tǒng)頻率是相等的，即，可得：（4.11）可見，若聯(lián)合系統(tǒng)二次調(diào)頻的發(fā)電功率增量等于全系統(tǒng)負荷增量時，可實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，即4.4.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整（4.12）由4-10式可得：可見，當A、B兩系統(tǒng)都進行二次調(diào)整，且兩系統(tǒng)的功率缺額與其單位調(diào)節(jié)功率成比例時，即

聯(lián)絡(luò)線上的交換功率增量為零。4.4.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整令，分別為A、B兩系統(tǒng)的功率缺額，則式（4.11）、式（4.12）變?yōu)椋海?.13）（4.14）

可見，聯(lián)合系統(tǒng)頻率的變化取決于這個系統(tǒng)總的功率缺額和總的系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率。其實，兩系統(tǒng)聯(lián)合后，本應(yīng)看作是一個系統(tǒng)?？梢?，如A系統(tǒng)沒有功率缺額，即，聯(lián)絡(luò)線上由A流向B的功率增大；反之，如B系統(tǒng)沒有功率缺額，即聯(lián)絡(luò)線上由A流向B的功率減少。4.4.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整若B系統(tǒng)沒有調(diào)頻廠，即，其負荷變化量將由A系統(tǒng)的二次調(diào)整來承擔(dān)若要保持，這時聯(lián)絡(luò)線上功率變化，即B系統(tǒng)的功率缺額全部通過聯(lián)絡(luò)線由A輸送到B，這時聯(lián)絡(luò)線的功率增量最大。這也是調(diào)頻廠遠離負荷中心而且要實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)的情況。（4.13）（4.14）

（4.12）4.4.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整例4.2A、B兩系統(tǒng)由聯(lián)絡(luò)線相聯(lián)，A系統(tǒng)：

B系統(tǒng)：

求在下列情況下頻率的變化量和聯(lián)絡(luò)線功率的變化量。（1）當二系統(tǒng)機組都參加一次調(diào)頻；（2）當A系統(tǒng)機組參加一次調(diào)頻，而B系統(tǒng)機組不參加一次調(diào)頻。（3）兩系統(tǒng)機組都不參加一次調(diào)頻時。4.4.4互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整4.5電力系統(tǒng)中有功功率的平衡4.5.1有功功率平衡及備用4.5.2電力系統(tǒng)中各類發(fā)電廠的合理組合4.5.1有功功率平衡及備用電力系統(tǒng)有功功率平衡是指運行中，所有發(fā)電廠發(fā)出的有功功率的總和，在任何時刻都等于該系統(tǒng)的總負荷。包括所有用戶的有功負荷、網(wǎng)絡(luò)的有功損耗以及廠用電有功負荷，即在一般情況下，電力網(wǎng)中的有功功率損耗約占發(fā)電廠輸出功率的7％～8％；火電廠廠用電約占發(fā)電廠出力的5％～10%，水電廠一般只占1％左右。（4.15）

為保證系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟地運行，系統(tǒng)應(yīng)具有一定的備用容量，系統(tǒng)備用容量按存在形式可分為熱備用和冷備用。熱備用也叫旋轉(zhuǎn)備用，是指運轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備可發(fā)最大功率與系統(tǒng)發(fā)電負荷之差。冷備用則是指未運轉(zhuǎn)但能隨時啟用的發(fā)電設(shè)備可發(fā)的最大功率。4.5.1有功功率平衡及備用系統(tǒng)備用容量按其作用可分為：負荷備用：是指調(diào)整系統(tǒng)中短時的負荷波動并擔(dān)負計劃外的負荷增加而設(shè)置的備用。一般取最大負荷的3％～5％。事故備用：系統(tǒng)的事故備用，是為了在電力系統(tǒng)中當發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時，保證系統(tǒng)正常供電所需的備用。一般取最大負荷的5％～10％，但不能少于系統(tǒng)中一臺最大機組容量。檢修備用：系統(tǒng)的檢修備用，是使系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備能定期檢修而設(shè)置的備用。發(fā)電設(shè)備運轉(zhuǎn)一段時間后必須進行檢修，在這期間內(nèi)，如不能完全安排所有機組的大小修時，才設(shè)置所需的檢修備用容量。國民經(jīng)濟備用：系統(tǒng)的國民經(jīng)濟備用，是指滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的超計劃增長對電力的需求而設(shè)置的備用。4.5.1有功功率平衡及備用4.5.2電力系統(tǒng)中各類發(fā)電廠的合理組合電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠主要有火力發(fā)電廠，水力發(fā)電廠和核能發(fā)電廠三類。圖中：A——水電廠的不可調(diào)功率；B——水電廠的可調(diào)功率；C——熱電廠；D——核電廠；E——高溫高壓凝氣式火電廠；F——中溫中壓凝氣式火電廠圖4.9各類發(fā)電廠組合順序示意圖4.5.2電力系統(tǒng)中各類發(fā)電廠的合理組合火力發(fā)電廠的特點有：火電廠運行時要消耗大量的燃料，需要支付燃料費用，但運行不受自然條件影響。火電廠的鍋爐和汽輪機都受最小技術(shù)負荷的限制?；痣姀S機組的投入、退出或承擔(dān)急劇變動的負荷時，既額外耗費能量，又花費時間，且易損壞設(shè)備。帶有熱負荷的火電廠稱為熱電廠，它采用抽汽供熱，其總效率要高于一般的凝汽式火電廠。水力發(fā)電廠的特點有：水廠不需要支付燃料費用，且水能是可以再生的資源。

水電廠機組的投入、退出或承擔(dān)急劇變動的負荷時，所需時間短，操作簡單，無需額外的耗費。

水力樞紐往往兼有防洪、發(fā)電、航運、灌溉、養(yǎng)殖、供水和旅游等多方面的效益。

水電廠的水輪機沒有嚴格的最小技術(shù)負荷要求，發(fā)電機出力的調(diào)整范圍較寬。

4.5.2電力系統(tǒng)中各類發(fā)電廠的合理組合核能發(fā)電廠的特點有：

核電廠一次性投資大，運行費用低。核電廠的反