概述電力系統是現代社會中最重要、最龐雜的工程系統之一。如何保證正常、穩態運行時的電能質量和經濟性問題，是我們考慮的重點問題之一。衡量電能質量的指標包括：頻率質量、電壓質量和波形質量，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。衡量運行經濟性的主要指標為：比耗量和線損率有功功率的最優分布包括：有功功率負荷預計、有功功率電源的最優組合、有功功率負荷在運行機組間的最優分配等。8/23/2023概述電力系統是現代社會中最重要、最龐雜的工程系統之一。如何保1內容提要頻率偏移產生的原因、影響、以及允許的頻率偏離量？保持頻率偏移量不超過一定范圍的條件（如何保持有功功率的平衡）有功功率的平衡有功功率的最優分配電力系統的頻率調整8/23/2023內容提要8/2/20232頻率變化對用戶和發電廠及系統本身的影響電力系統有功功率的平衡和備用容量各類發電廠的特點及合理組合有功功率負荷最優分配3.1電力系統中有功功率的平衡8/23/2023頻率變化對用戶和發電廠及系統本身的影響3.1電力系統中有3一、電力系統的頻率變化對用戶和發電廠及系統本身的影響

頻率變化的原因?頻率變化對負荷的影響

(1)異步機(2)電子設備(3)電鐘頻率變化對電力系統的影響

(1)水泵、風機、磨煤機

(2)汽輪機的葉片

(3)變壓器的勵磁頻率允許偏移的范圍：50Hz±(0.2~0.5)Hz

系統中負荷的變化你答對了嗎?8/23/2023一、電力系統的頻率變化對用戶和發電廠及系統本身的影響

系統中41.有功功率負荷變動及其調整二、電力系統有功功率的平衡和備用容量8/23/20231.有功功率負荷變動及其調整二、電力系統有功功率的平衡和備用5有功功率負荷變動曲線

據此圖,負荷可以分為三種:

第一種變動幅度很小，周期又很短。

變動有很大的偶然性

屬于這一種的主要有電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負荷

這一種是由于生產、生活、氣象等變化引起的負荷變動

第二種變動幅度較大，周期也較長.

第三種變動幅度最大，周期也最長.該種負荷基本可以預計。8/23/2023有功功率負荷變動曲線

據此圖,負荷可以分為三種:

6據此,頻率調整一次調整:由發電機組的調速器進行的對第一種負荷變動引起的頻率偏移的調整

二次調整:由發電機的調頻器進行的、對第二種負荷變動引起的頻率偏移的調整

三次調整:按最優化準則分配第三種有規律變動的負荷，即調度部門責成各發電廠按事先給定的發電負荷曲線發電。8/23/2023據此,頻率調整一次調整:由發電機組的調速器進行的二次調整:由7

運行中：

規劃、設計：備用容量:

1.按作用形式分

負荷備用(2-5%PLmax)事故備用(5-10%

PLmax或系統中最大一臺單機容量）檢修備用(可能不安排)國民經濟發展備用(3-5%PLmax）2、有功功率平衡和備用容量同系統總負荷所有用戶的有功負荷所有發電廠廠用電有功負荷網絡的有功損耗8/23/2023運行中： 負荷備用(2-5%PLmax)2、有功功率平衡82、按存在形式分為兩者差一個網損兩者差一個廠用電

熱備用:運轉中發電設備可能發的最大功率與發電負荷之差(旋轉備用)冷備用:未運轉的、但能隨時啟動的發電設備可以發的最大功率(不含檢修中的設備)負荷的分類:

1.用電負荷2.供電負荷3.發電負荷8/23/20232、按存在形式分為兩者差一個網損兩者差一個廠用電熱備用:運轉9三、各類發電廠的運行特點和合理組合(1)火電廠特點：

需燃料及運輸費用，但不受自然條件影響效率與蒸汽參數有關受鍋爐、汽輪機最小技術負荷限制，有功出力調整范圍較窄，增減速度慢，參數越高范圍越窄(高溫高壓30%，中溫中壓75%)

機組投入退出，承擔急劇負荷響應時間長，多耗能量，易損壞設備熱電廠抽汽供熱，效率高，但技術最小負荷取決于熱負荷，為強迫功率（一）各類發電廠的特點8/23/2023三、各類發電廠的運行特點和合理組合(1)火電廠特點：（一）各10火電廠外景8/23/2023火電廠外景8/2/202311(2)水電廠特點：不要燃料費，水力可梯級開發，連續使用，但受自然條件影響。水力調節可分為無調節、季調節、年調節和多年調節，調節周期越長，受自然條件影響越小。出力調節范圍大，50%以上,

增減負荷速度快，操作容易，可承擔急劇變化的負荷決定發電量的除水量外還有水位差保證出力抽水蓄能機組（天荒坪6×30萬千瓦）必須與火電配合維持航運、灌溉、需一定水量，對應強迫功率8/23/2023(2)水電廠特點：8/2/202312豐滿水電廠外景8/23/2023豐滿水電廠外景8/2/202313(3)核電廠特點：負荷調整主要取決于汽輪機，技術最小負荷約為額定負荷的10%~15%可調容量大，退、投、增、減負荷消耗能量、時間，易損壞設備一次投資大，運行費低，盡量利用承擔基本負荷8/23/2023(3)核電廠特點：8/2/202314秦山核電站外景8/23/2023秦山核電站外景8/2/202315（二）有功功率電源的最優組合各類發電廠組合順序示意圖枯水季節:8/23/2023（二）有功功率電源的最優組合各類發電廠組合順序示意圖枯水季節16洪水季節:8/23/2023洪水季節:8/2/202317應指出:

枯水季節往往由系統中的大型水電廠承擔調頻任務；洪水季節這任務就轉移給中溫中壓火電廠。抽水蓄能電廠在其發電期間也可參加調頻。但低溫低壓火電廠則因容量不足，設備陳舊，不能擔負調頻任務。8/23/2023應指出:8/2/202318四、有功功率最優分配有功功率的最優分配:包括有功功率電源的最優組合和有功功率負荷的最優分配。

有功功率的最優分配要求在保證系統安全的條件下，在所研究的周期內，以小時為單位合理選擇電力系統中哪些機組應該運行、何時運行及運行時各機組的發電功率，其目標是在滿足系統負載及其它物理和運行約束的前提下使周期內系統消耗的燃料總量或總費用值為最少。8/23/2023四、有功功率最優分配有功功率的最優分配:包括有功功率19有功功率電源的最優組合

指系統中發電設備或發電廠的合理組合,也就是所謂的機組合理開停.有功功率負荷的最優分配

指系統的有功功率負荷在各個正在運行的發電設備或發電廠之間的合理分配.

電力系統中有功功率負荷合理分配的目標是，在滿足一定約束的前提下，盡可能節約消耗的一次能源。最常用的是按等耗量微增率準則分配.8/23/2023有功功率電源的最優組合8/2/202320最優分配負荷的目標函數和約束條件1.

耗量特性:

發電設備單位時間內消耗的能源與發出的有功功率的關系稱為耗量特性。函數關系上述函數可用試驗數據通過最小二乘法擬合而成，根據前人經驗，階數為2比較合適，即如圖所示:

8/23/2023最優分配負荷的目標函數和約束條件1.耗量特性:8/2/221比耗量μ:

單位時間內輸入能量與輸出功率之間的比值.耗量微增率λ:

耗量特性曲線上某點切線的斜率P8/23/2023比耗量μ:單位時間內輸入能量與輸出功率之間的比值.P8/222.目標函數和約束條件目標函數

有功負荷最優分配的目的：在供應同樣大小有功功率負荷的前提下，單位時間內的能源消耗最少。這里的目標函數就應該是總耗量最少。即為為網絡總損耗以表示某發電設備發出有功功率時單位時間內所需消耗的能源。等式約束條件8/23/20232.目標函數和約束條件為網絡總損耗以23不計網絡損耗時，上式可改寫為:

不等式條件各節點發電設備有功功率、無功功率和電壓大小不得逾越的限額:8/23/2023不計網絡損耗時，上式可改寫為:8/2/202324用拉格郎日乘數法求解可建立如下拉格朗日函數:

式中為拉格朗日乘數3.最優分配負荷時的等耗量微增率準則8/23/2023用拉格郎日乘數法求解可建立如下拉格朗日函數:式中25

以兩臺機為例

目標函數:

等式約束條件:

等耗量微增率準則所以可得:它表示為使總耗量最小，應按相等的耗量微增率在發電設備或發電廠之間分配負荷。8/23/2023

26根據等耗量微增率準則得:

進而可以求得.對不等式約束條件的考慮:

有功功率越限，則按限額發電，剩余功率在其他機組間重新按等耗量微增率原則分配.8/23/2023根據等耗量微增率準則得:8/2/202327對于有功功率限制，當計算完后發現某發電設備越限，則該發電設備取其限值，不再參加最優分配計算，剩下的負荷由其他發電設備重新進行最優分配計算。無功功率和電壓限制和有功功率負荷的分配沒有直接關系，可暫時不計，當有功功率負荷的最優分配完成后計算潮流分布在考慮。8/23/2023對于有功功率限制，當計算完后發現某發電設備越限，則該發電設備28等耗量微增率準則的推廣應用實踐中:由于能源消耗受限制

有功功率負荷的最優分配其在火力發電廠與

水力發電廠之間的最優分配問題

消耗的水量受水庫調度的約束8/23/2023等耗量微增率準則的推廣應用實踐中:由于能源消耗受限制有功功率29上式中用小的時間段之和來表示積分效果，表示火電廠的燃料，表示水電廠消耗的水量。水電的約束條件為了簡化分析，將負荷的分配局限于一個火電一個水力發電設備之間，并略去網損。新的拉格朗日函數:等式約束還應增加：8/23/2023上式中用小的時間段之和來表示積分效果，表示火電廠的燃料30

得:

若時間段取的很短,則可將式中的下標“k”可略去，可改寫為：

由上可知，只要將水力發電廠的水耗量乘以某一個待定的拉格朗日乘數，就可將等耗量微增率準則應用到火力發電廠與水力發電廠之間負荷的最優分配。

即水煤轉換系數同理由:8/23/2023即水煤轉換系數同理由:8/2/202331網損的修正等式約束條件修正為：

8/23/2023網損的修正等式約束條件修正為：8/2/202332式中為網損微增率(靈敏度)

8/23/2023式中為網損微增率(靈敏度)

8/2/2023338/23/20238/2/2023348/23/20238/2/20233528/23/202328/2/2023368/23/20238/2/2023373.2電力系統的頻率調整一、頻率調整的必要性

所有用電設備都是按系統額定頻率設計的，只有在額定頻率下才能有好的技術經濟性能，是電能質量的一個重要指標。電力系統的頻率變動對用戶、發電廠和電力系統本身都會產生不利影響;8/23/20233.2電力系統的頻率調整一、頻率調整的必要性8/2/20238電網頻率f是發電機轉速的表現，當發電機PM與PE（+有功損耗）平衡時，ω和f不變負荷隨機變化，PE隨機變化不可能嚴格保證任何時刻額定頻率，頻率偏移不可避免，需合理規定允許的偏移范圍。我國目前：50Hz±（0.2∽0.5)Hz，發達國家±0.1Hz8/23/2023電網頻率f是發電機轉速的表現，當發電機PM與PE（+有功損耗398/23/20238/2/202340二、發電機組的有功功率-頻率調整特性（一）自動調速系統8/23/2023二、發電機組的有功功率-頻率調整特性（一）自動調速系統8/241調速系統的基本原理8/23/2023調速系統的基本原理8/2/202342（二）發電機組的有功功率—頻率靜態特性原動機未配置自動調速系統時，其機械功率與頻率的關系：原動機配置自動調速系統后：

原動機的機械功率靜態頻率特性8/23/2023（二）發電機組的有功功率—頻率靜態特性原動機的機械功率靜態頻43簡化之：發電機的頻率特性如上圖，發電機頻率特性的斜率為

發電機的單位調節功率（單位MW/Hz）8/23/2023簡化之：發電機的單位調節功率（單位MW/Hz）8/244發電機的單位調節功率（單位MW/Hz）該單位調節功率和機組的調差系數有互為倒數的關系。機組的調差系數：（機組由空載到滿載時，轉速變化與輸出功率變化之比）。就是以百分數表示的機組空載運行的頻率f0與額定條件允許的頻率fN的差值8/23/2023發電機的單位調節功率（單位MW/Hz）該單位調節功率和機組的45單位調節功率的標么值為:調差系數％或與之對應的發電機的單位調節功率是可以整定.所以電力系統頻率的一次調整問題主要就與調差系數或與之對應的發電機的單位調節功率有關。汽輪發電機組=3~5或=33.3~20水輪發電機組=2~4或=50~258/23/2023單位調節功率的標么值為:汽輪發電機組46三、負荷的頻率特性

負荷從電網中取用有功功率與電網頻率的關系如圖:

如果分別取PLN和fN作為PL和f的基準值fNPLNPLf△f負荷的單位調節功率：綜合負荷的靜態頻率特性的斜率。一般而言：8/23/2023三、負荷的頻率特性如果分別取PLN和fN作為PL和f的基47例38/23/2023例38/2/202348四、電力系統的一次調頻（調速器作用）初始運行點O，當負荷增加則:

系統的單位調節功率系數f0'8/23/2023四、電力系統的一次調頻（調速器作用）初始運行點O，當負荷增加49KS：稱為系統的單位調節功率，單位Mw/Hz。表示原動機調速器和負荷本身的調節效應共同作用下系統頻率下降或上升的多少。由于負荷突增，發電機組功率不能及時變動而使機組減速，系統頻率下降，同時，發電機組功率由于調速器的一次調整作用而增大，負荷功率因其本身的調節效應而減少，經過一個衰減的振蕩過程，達到新的平衡。8/23/2023KS：稱為系統的單位調節功率，單位Mw/Hz。表示原動機調速50一次調頻為有差調頻。

n臺發電機：n臺都參加一次調整：

只有m臺參加一次調整：當發電機滿載時，負荷功率增大，則相當于為0,但當負荷功率減小時，，所以仍可以參加調頻。8/23/2023一次調頻為有差調頻。當發電機滿載時，負荷功率增大，則5148/23/202348/2/2023528/23/20238/2/202353五、電力系統的二次調頻:

手動或自動調節調頻器使發電機組的頻率特性平行的上下移動．初始運行點O，當負荷增加二次調整增發的功率系統的單位調節功率頻率的二次調整8/23/2023五、電力系統的二次調頻:手動或自動調節調頻器使發電機組的54當系統負荷增加時，由以下三方面提供：二次調頻的發電機組增發的功率；發電機組執行一次調頻，按有差特性的調差系數分配而增發的功率；由系統的負荷頻率調節效應所減少的負荷功率。8/23/2023當系統負荷增加時，由以下三方面提供：8/2/202355

n臺機組：第n臺參加二次調頻，

n臺全部參加一次調頻:無差調頻:若,即發電機如數增發了負荷功率的原始增量,亦即實現了所謂的無差調節.如上圖虛線所示.注意:以上公式中以功率增大和頻率上升為正。8/23/2023n臺機組：第n臺參加二次調頻，無差調頻:若56例8/23/2023例8/2/2023578/23/20238/2/202358多機系統的頻率調整多機系統在負荷變化時，帶調速器的機組，只要有可調容量，都參加