第五章
电力系统的有功功率 和频率调整
2013年6月
问题的提出
• 针对电力系统优质、经济的要求 • 电能质量的三个方面：
– 频率质量：主要与有功分配和频率调整有关（第五章） – 电压质量：主要与无功分配和电压调整有关（第六章） – 波形质量：波形畸变与谐波及其治理有关。
• 经济性：电力系统研究领域的一个重要问题，由于学 时限制，不作为基本内容。
电力系统有功功率应满足哪些平衡关系？
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 16
5.2 电力系统有功功率的最优分配
• 有功电源的最优组合：
– 系统中发电设备或发电厂的合理开停（机组组合问题）
– 实质：冷备用容量的合理分布 – 常用方法：最优组合顺序法、动态规划法
• 有功负荷的最优分配：
– 一定量的负荷在运行中的发电机或发电厂中的合理分配 – 实质：热备用容量的合理分布 – 常用方法：等耗量微增律准则、非线性规划法
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
12
有功功率备用容量
• 什么是有功功率备用容量？
（可供调度的）系统电源容量大于发电负荷的部分。
• 为什么需要设置备用容量？
为了保证供电可靠性和良好的电能质量。
• 有功功率备用容量的分类 按形式分类 热备用 冷备用
2013/6/17
按用途分类
负荷备用 事故备用 检修备用 国民经济备用
注意
“网损率”和“厂用电率”都是电量考核指标。
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 11
电力系统的有功功率电源
• 电力系统有功电源：（主要是）各类发电厂的发电机 • 电力系统可供调度的电源容量：
– 各发电厂可投入发电设备的可发功率之和 – 可供调度的电源容量<总装机容量
发电机组的定期检修停机 发电机组的故障停机 水电厂发电机组由于水头降低而降额运行
– 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）：抽汽供热，总效率高于一般火 电厂，与热负荷相应的发电功率是强迫功率
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 22
核电厂的主要运行特点
• 反应堆无最小负荷限制，汽轮机的技术最小负
国民经济 为满足国民经济超计划增长而带来的对电力的额外需求 备用 而设置的备用
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 15
各种备用容量的关系
（可供调度的）系统电源容量 备用容量 系统发 电负荷 负荷备用 2%～5% 热备用 事故备用 5%～10% 检修备用
（视需要）
国民经济 备用
冷备用
运转中发电设备可发的最大功率
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
2
目 录
5.1 电力系统有功功率的平衡 5.2 电力系统中有功功率的最优分配 5.3 电力系统的频率调整 本章小结
作业
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
3
5.1 电力系统有功功率的平衡
• 有功负荷的变动和调整控制 • 有功负荷曲线的预计 • 有功功率电源和备用容量
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
4
有功负荷的变动和调整控制
PΣ—实际不规则的负荷变动 P1—第一种负荷变动 P2—第二种负荷变动 P3—第三种负荷变动
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
5
有功负荷的变动和调整控制
变动幅度很小，周期很短(一般为 10s以内)，有很大的偶然性，主 要由中小型用电设备的投切引起。 （偶然分量、随机分量） 变动幅度较大，周期较长（一般 为10s到几分钟），主要由冲击性 负荷（如电炉、压延机械、电气 机车等）引起。（脉动分量） 变动幅度最大，周期最长，由生 产、生活、气象等变化引起的缓 慢的持续负荷变动，基本可预测， 可编制为负荷曲线。（持续分量、 周期分量）
二次 调频
• 针对第二种负荷变动引起的频率偏移 • 通过手动或自动发电控制（AGC）操 作发电机组的调频器进行调整 • 承担二次调频任务的发电厂称为调频厂， 其母线通常可设为平衡节点
三次 调频
• 按经济调度的原则分配第三种有规律变 化的负荷，责成各发电厂按给定发电负 荷曲线发电（负荷监视厂）
电力系统的有功功率和频率调整 8
电力系统的有功功率和频率调整
13
有功备用容量按形式分类
热备用
• 又称为旋转备用（spinning reserve） • 运转中的发电设备最大可发功率与系 统发电负荷之差 • 一般可取为系统最大负荷的8-10%
冷备用
• 未运转、但能随时启用的发电设备最 大可发功率 • 检修中的发电设备不属于冷备用
注意
2013/6/17
有功功率负荷曲线的预计
• 电力系统负荷预测的重要内容 • 调度部门预先编制的日负荷曲线大体反映了第三种负 荷变动，是制定调度计划（三次调整）的主要依据
预测方法
传统方法 （经验法）
回归分析、时间序列法、神经网络，等
新方法
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
9
编制有功日负荷曲线的传统方法
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 6
有功负荷的变动和调整控制
三次调整
二次调整 一次调整
电力系统中负荷变动的幅度愈大，周期就愈长。
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 7
一次 调频
• 针对第一种负荷变动引起的频率偏移 • 由发电机组的调速器自动跟踪调整
频 率 调 整 任 务 的 分 配
核电 水电 新能源
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
21
火电厂的主要运行特点
• 运行过程需要支付燃料费用，受自然条件影响较小 • 为维持锅炉燃烧的稳定性和汽轮机尾部温度不因轻载而升高， 锅炉和汽轮机都具有技术最小负荷，一般限制火力发电机组出 力不低于额定负荷的70％ • 锅炉和汽轮机启停过程或承担急剧变动负荷时耗能、费时、易 损坏设备 • 按蒸汽参数将火电厂的锅炉和汽轮机分为：
荷为额定负荷的10%-15%
• 反应堆和汽轮机的启停过程或承担急剧变动负 荷时耗能、费时、易损坏设备 • 核电厂一次投资大，运行费用小
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
23
水电厂的主要运行特点
• 无需支付燃料费用，但是根据水库调节能力的不同， 在不同程度上受水文条件影响 • 为保证河流下游的灌溉、通航，水电厂必须向下游释 放一定水量，对应的发电功率是水电厂的强迫功率 • 水轮机技术最小负荷视水电厂的具体条件而异 • 水轮机的启停操作简单，所需时间短、无需额外耗能 • 水轮机承担急剧变动负荷时，不需要额外耗能和花费 时间 • 水头过分低落时，水轮机组可发功率降低
• 频率调整的必要性
• 电力系统的有功频率静态特性
• 频率的一次调整 • 频率的二次调整 • 一、二次调频的综合计算 • 互联系统联络线功率的计算 • 调频厂的选择
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
30
频率调整的必要性
• 互联交流电力系统在稳态运行时具有同一频率。当系统 中出现有功功率不平衡时，如有功电源不足或负荷增长 时，将会引起系统频率下降，反之，将造成频率升高。
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 25
各类发电厂的合理组合
• 基荷和峰荷的一般概念
• 各类发电厂的组合原则
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
26
基荷和峰荷的一般概念
P
高峰负荷部分，经常变动。 峰荷
基荷
t
日负荷曲线最低点以下 的部分，24小时内不变。
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 17
非线性规划问题
• 标准形式
min f x s.t. h x 0 g g x g
不等式约束条件
目标函数
等式约束条件
• 优化算法：内点法、遗传算法，…… • 实例：两台火电机组的负荷分配问题
2013/6/17
电力系统的有功功率和频率调整
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 10
网络损耗和厂用电
• 网络损耗
– 一般占系统总负荷的6-10% – 不变损耗：与负荷大小无关（变压器空载损耗） – 可变损耗：与负荷的平方成正比（变压器和线路电 阻中的损耗）
• 厂用电
– 发电厂本身消耗的功率（自用功率） – 各类发电厂的厂用电占电厂最大负荷的比例： 水电厂0.1%～1%；火电厂5%～8%；核电厂4%～5%
18
两台火电机组的负荷分配问题
• 优化模型
min f1 PG1 f 2 PG 2 s.t. PG1 PG 2 PD
式中：PG1、PG2为两台机组输出的有功功率；fi(PGi)为火电机组的耗 量特性（吨标准煤/h），一般用二次函数表示；PD为机组的总负荷。
• 优化算法：拉格朗日乘子法
机组组合是一个复杂问题，除了机组特性之外，还需要考 虑系统的可靠性、网络损耗、频率质量及稳定性等多个因素。
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整 28
增加抽水蓄能电厂后 其它机组的峰谷差
增加抽水蓄能电厂前 系统的峰谷差
枯水期
2013/6/17 电力系统的有功功率和频率调整
丰水期
29
5.3 电力系统的频率调整
• 频率变动对用电设备、发电厂和电力系统本身都会产生 不良影响。
• 由于电力负荷的不确定性和多变性，为了保证频率质量 （限制频率偏移在允许的范围之内），必须不断调节有 功功率电源的输出功率，即进行频率调整。 保证频率质量的首要条件：系统有充足的有功备用容量。