10第三章稳态运行分析-有功分配与频率控制

冷备用
3.7.3 有功功率负荷的变动
负荷变动用负荷曲线表示－日负荷曲线 调度运行的依据，调度部门根据负荷 ☼ 实现经济运行 P 曲线将发电任务分配给各发电厂 抽水蓄能电厂发出功率 基荷：日负荷曲线最低点以下部分 （24小时不变） 峰荷：基荷和最大负荷之间的部分 （经常变化的）
P 峰荷
抽水蓄能电 厂吸收功率 水电厂可调功率 燃气轮机发电厂 中温中压火电厂 高效率大机组火电厂 核电厂
频率二次调整由部分机组承担，可分为调频、非调频电厂
调频电厂：具有足够大的调频容量和可调范围，允许出力调整 速度应满足系统负荷变化速度的要求 非调频厂：系统正常运行下只按调度中心预先安排的负荷曲线 （日发电计划）运行，不参加频率二次调整
3.7.4 电力系统频率控制
调频电厂的选择
水轮发电机组出力调整范围大，允许出力变化速度快， 从空载到满载可在1 min内实现，出力变化对运行经济性 影响不大且易实现操作自动化。 汽轮发电机组受最小技术出力限制（锅炉25~70%、汽轮 机10~15%），调整范围小，出力变化速度受汽轮机各部 分热膨胀限制（在50~100%额定容量范围内，出力允许 上升速度每min仅2~5%），而且出力变化对运行经济性 影响较大，实现操作自动化较复杂 ☼ 水火电并存的系统中，一般宜选水电厂调频。洪水季节 时为避免弃水，水电厂宜带稳定负荷满发，由效率居中 的中温中压火电厂担任调频，以提高系统运行经济性。 枯水期季节时可由水电厂和中温中压火电厂担任调频
3.7.4 电力系统频率控制
在日益扩大的电力系统中，不同地域装有不同类型、容量 及经济特性的机组，调节有功时，需要考虑机组间的合理 组合和负荷的合理分配，以达到系统运行的经济性。分区 控制的系统中，还应进行区域间联络线的功率控制 ☺《电力系统自动控制》课程继续讨论电力系统频率控制
汽轮机 发电机 锅炉 热力网
从汽轮机中间级抽取有一定温度 和压力的蒸汽，通过热力网供热
3.7.2 有功功率电源－发电机
水力发电厂－洪水季节充分发电、枯水季节利用调峰
按水力资源的不同，可分为：多年调节库容、日调节库容、径流 式水力发电厂和抽水蓄能发电厂。运行特点： 有可调节库容的在丰水期蓄水，平时可按需发电，但还取决于 航运、灌溉等社会需求；洪水期内必须充分发电，避免弃水 （可调变为不可调功率）；须按负荷变化、发电机组检修安排 等因素，合理安排出力 径流式只能按实际来水流量的大小发电 抽水蓄能发电厂：主要用于调节系统有功的峰谷差 由上下二级水库构成，高峰负荷时由上级水库向下级水库放水， 发有功，低谷负荷时将下级水库的水抽到上级水库，消耗有功
有功功率电源不足或负荷增大时，系统频率下降，有功 功率电源过剩或负荷减小时，系统频率上升 负荷具有不确定性和多变性，在实际运行中系统频率会 发生波动，故需不断调节有功电源的输出，使电力系统 保持有功功率平衡
3.7.2 有功功率电源－发电机
火力发电厂
按燃料分类 － 燃油、燃气（天然气）、燃煤火力发电厂 按其蒸汽参数－蒸汽温度高、压力大的其单机容量大、效率高 低温低压(450℃,35大气压)、中温中压(500~520℃,100大气压) 高温高压(550℃,180大气压)、超临界机组(575℃,>200大气压) 热力发电厂－既发电又供热 热电厂要保证供热，即从锅炉必须向汽轮机输送一定数量蒸汽， 或发电机必须至少发出与供热量相应的一定数量的有功功率 可减少大批低效率小锅炉，节省一次能源，减小环境污染 热电厂的强迫出力：为保证供热而必须发出的有功功率

3.7.2 有功功率电源－发电机
P a b
a:抽水蓄能后峰谷差 b:原峰谷差 若不考虑功率损耗，减小的 峰谷差为电厂容量的2倍
t
核能发电厂－投资大、运行费用较低
由于技术经济上的原因，改变其有功出力需消耗额外能量和时间， 运行中应尽量保持其出力不变
☼ 各类电厂经济技术特性不同，在系统运行中担负任务也不同
3.7.2 有功功率电源－发电机
发电机从静止到带上额定负荷，少则几分钟（水电厂），多则几 小时（火电厂），如再考虑火电厂锅炉点火升温，则需更多时间 热备用隐含在系统运行着的机组之中，为系统中运行着的发电机 的最大可发功率与实际所发功率之差 热备用容量不能过大，否则会使大量发电机低于额定功率运行， 偏离其最佳运行点，造成效率低下 冷备用是设备完好而未运转的发电设备的最大可能出力，机组可 随时起动投入运行，检修中的发电设备不属冷备用 负荷备用 3~5% 热备用 事故备用 5~10% 检修备用 国民经济备用 3~5%
P+时1次 调整结果
f(P) 0 P- P P+ P
3.7.4 电力系统频率控制
发电机组调速器的转速整定元件
手动调频－由人工手动操作同步器对频率的二次调整 自动调频－通过自动调频装置控制同步器对频率的二次调整 自动调频反应速度快、频率波动小，还可能兼顾其它要求， 如有功负荷经济分配、保持联络线交换功率为定值和满足系统 安全经济运行各种约束条件等
3.7.4 电力系统频率控制
对电力系统运行的影响 互联电力系统解列：频率下降时，为保证正常运行，互联的 大电网有可能断开系统之间的联络线 发电机解列：频率下降到一定程度时，为保证发电厂设备的 安全，发电厂有可能与系统解列。 频率偏移严重时造成“系统频率崩溃”，导致大停电事故
3.7.4 电力系统频率控制
3．7 电力系统有功功率分配与频率控制
3.7.1 电力系统有功功率平衡与频率变化
电力系统运行的基本任务 安全、可靠、经济、优质地供电（优质：频率、电压合格） 保证系统有功功率平衡：
P发电机 − P厂用电 = P负荷 + ΔP 网损
互联成网的交流电力系统在稳态运行方式下具有同一频率
频率偏移：系统运行频率与额定频率之差 我国的规定50 ± 0.2Hz
频率的一次调整（所有发电机）：有差调节（只在f(P)上移动） 发电机组调速器（调节汽轮机/水轮机的叶片来调节蒸汽或水 的输入量），调整第1种负荷变动引起的频率偏移 频率的二次调整（调频电厂）：无差调节（通过平移f(P)曲线） 调速器转速整定元件，调整第2种负荷变动引起的频率偏移 频率的三次调整：最优潮流OPF f (Hz) 按最优化准则分配第 3 种 P-时1次 有规律变动的负荷，即责成 调整结果 各发电厂按事先给定的发电 50 负荷曲线发电
P
成分分解
P
P1 P2
P3
0
t
0
t
3.7.4 电力系统频率控制
频率控制的重要性－频率是系统运行的重要质量指标
电气传动旋转设备的最高效率在额定频率，任何频率偏移会降 低效率，频率过高或过低会给运行中的电气设备带来各种危害 对用户的影响（异步电机转速降低造成废次品、生产率降低、 频率波动过大时，某些电子/电力电子设备等工作不正常等） 对发电厂的影响（频率变化对电厂的影响比对用户的影响更大） 汽轮机叶片谐振：频率降低到某一程度时，汽轮机低压级的 后段或低压级的前段叶片会产生谐振，振动疲劳的积累会导 致叶片出现裂纹，甚至损坏或碎裂，酿成事故停机 辅机功能下降：火电厂、核电厂的厂用机械，如给水泵/循环 水泵/引风机/送风机等出力与转速一次或高次方成正比，频率 下降时辅机出力降低，严重影响电厂运行。如频率下降有限， 但给水泵出力大大降低，甚至停止向锅炉供水；频率下降会 导致压水反应堆核电厂一次冷却泵功能下降，影响反应堆的 冷却功能，带来不良影响
基荷 t
热电厂不可调功率 水电厂强迫功率
t
3.7.3 有功功率负荷的变动
基于日负荷曲线的负荷成分 P1变动幅度很小、周期很短，有很大的随机性 P2变动幅度较大、周期较长，主要为周期性短时间需大量有功的 用电设备（冲击性负荷）如轧钢机、电炉、电气机车等 P3变动幅度最大、周期最长，由生产/生活/气象等变化引起 P1 、P2负荷无法预计，要通过设在原动机上的调速器对发电机输 出有功的调节来平衡 P3负荷一般可根据过去负荷资料及变化趋势预测，按最优分配 原则作各电厂日发电曲线，各电厂按此曲线发电
3.7.2 有功功率电源－发电机
有功功率备用容量
S装机容量 = P最大负荷 + ΔP + P厂用电 + P备用 网损
负荷备用（热备用/旋转备用）：最大负荷的3~5% 满足系统中短期负荷波动和计划外增加的负荷 事故备用（热＋冷备用）：最大负荷的5~10%，>最大单机容量 系统中发电设备发生故障时，为保证正常供电而设置的备用 与系统容量/各类电厂比例/发电机台数/单机容量/故障概率有关 检修备用（冷备用）： 为系统内发电设备定期检修而设置的 与发电机台数/年负荷曲线/检修周期/检修时间的长短有关 常事先安排在低谷负荷期进行，一般可不单独设检修备用 国民经济备用（冷备用）：最大负荷的3~5% 考虑到国民经济超计划增长而设置的备用