调控运行专业电力系统频率调整课程课件.ppt
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1、电力系统频率调整,电能质量指标,频率偏差 电压偏差 公用电网谐波 三相电压不平衡度 电压波动和闪变 暂时过电压和瞬态过电压,电力系统频率相关知识,电力系统频率特性与调整方法,电力系统频率异常处理及事故案例,电力系统频率基本知识,频率的概念 交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数,叫做电流的频率。 电力系统常常用f表示频率。 为了纪念德国物理学家赫兹的贡献,人们把频率的单位命名为赫兹,简称“赫”。 英文表达方式:Hz。 频率是指电力系统统一的一种运行参数,是反映电力系统电能供需平衡的唯一标志。,频率的大小 电网频率的大小与发电机转子的转速有关。 转速越高,频率也越高;同时频率还与转子磁极的对数
2、有关。 我国电网的频率为50Hz(台湾地区为60Hz)。国外俄罗斯、印度、英国、法国、德国、意大利等国家频率为50Hz,美国、加拿大、巴西、朝鲜、日本、韩国等国家频率为60Hz。,频率调整的必要性 电力系统频率的频率变动会对用户、发电厂、电力系统产生不利的影响: 对用户:频率的变化将引起电动机转速的变化,从而影响产品质量,雷达、电子计算机等会因频率过低而无法运行。 对发电机组:频率降低时,风机和泵所能提供的风能和水能将迅速减少,影响锅炉的正常运行;将增加汽轮机叶片所受的应力,引起叶片的共振,减短叶片寿命甚至使其断裂,变压器铁耗和励磁电流都将增加,引起升温,为保护变压器而不得不降低其负荷。 电力
3、系统:频率降低时,系统无功负荷会增加,使系统电压水平下降,恶性循环,甚至造成电压或频率崩溃。,频率稳定与有功功率平衡 电力系统的频率仅当所有发电机的总有功出力与总有功负荷(包括电网所有损耗)相等时,才能保持不变。,电力系统的有功功率平衡关系: 式中:PG电网中所有发电机发出功率的总和。 PL电网用户负荷总和。 Pl网络中线路和变压器上的有功功率损耗。 Pg网络内发电厂本身厂用电总和。 当发电机发出的总功率低于电网中的总负荷时,电力系统频率下降,反之则升高。,电力系统的负荷是时刻变化的,任何一处负荷的变化都会引起全网有功功率的不平衡,导致频率的变化,因此电力系统运行时,要及时调节各发电机的出力,
4、以保持频率的偏移在允许的范围内。,在遵守国家有关法律、法规和政策的前提下,采取一切可行技术手段保证电力系统频率在正常允许范围内是调度员的一项重要任务。,频率调整目标: 维持系统额定额率,不使其偏移超过规定的允许值。正常运行时,中、小容量电力系统允许频率偏差为0.5赫,大容量电力系统为0.2赫。 经济分配电厂和机组负荷,求得全系统燃料总耗量最低,降低网络损耗。 控制联络线功率,防止过负荷,维持系统稳定运行。 频率调整与电厂有功功率的控制、系统有功功率的经济分配和联络线功率控制结合起来。,国家标准:GB/T159452008电力系统频率允许偏差规定以50Hz正弦波作为我国电力系统的标准频率(工频)
5、,并规定电力系统频率标准50Hz0.2Hz。当系统容量较小时(容量3000MW以下),可放宽到50Hz0.5Hz。 中国电力工业技术管理法规规定,大容量电力系统的频率偏差不得超过0.2Hz;在AGC投运情况下,互联电网频率按500.1Hz控制。 全国互联电网调度管理规程在频率方面的规定: 互联电网频率的标准是50Hz,频率偏差不得超过0.2Hz。在AGC投运情况下,互联电网频率按500.1Hz控制,对容量在3000MW以上的系统: 频率超过500.2Hz为频率异常,其延续时间超过1h为频率事故; 频率偏差超过501Hz为事故频率,延续时间超过15min为频率事故 对容量在3000MW以下的系统
6、: 频率超过500.5Hz为频率异常,其延续时间超过1h为频率事故; 频率偏差超过501Hz为事故频率,延续时间超过15min为频率事故。,1.负荷的功率频率静态特性 在没有旋转备用容量的电力系统中,当电源与负荷失去平衡时,则频率将立即发生变化。由于频率的变化,整个系统的负荷也将随着频率的变化而变化。 负荷的功率频率静态特性:系统处于运行稳态时,系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的功率频率静态特性。 由于负荷的种类不同,与频率的相互关系也不相同,有的与频率无关,有的与频率的一次方、二次方或更高次方成正比。,二、电力系统的频率特性,基准值:,关键点:一个用电设备消耗功率的大小与频率有关。当系
7、统频率发生偏移时,设备消耗负荷会发生改变,改变量的大小通过负荷的频率调节效应系数KL来反映。,与频率无关的负荷,如照明、电阻炉、整流器负荷等。 与频率的一次方成正比的负荷:如球煤机、卷扬机、往复式水泵等。 与频率的二次方成正比的负荷:如变压器的涡流损耗等 与频率的三次方成正比的负荷:如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等。 与频率的高次方成正比的负荷:如静水头阻力很大的循环水泵。,负荷的频率静态特性可以用下图的曲线表示。当频率为fN 时,系统负荷为PFHN ,当频率变化时,系统频率亦随之变化。,在电力系统运行中,运行频率变化的范围是很小的。在较小的频率变化范围内,这种关系接近一直线(如图5-14
8、所示)。负荷功频静特性的斜率KL:负荷单位调节功率。,当频率下降时,负荷取用的有功功率减少,当频率升高时,负荷取用的有功功率增加。这表明当电力系统有功功率失去平衡,导致频率变化时,系统负荷参与对频率的调整。 当实际负荷增加时,系统频率会下降,同时,负荷实际取用的功率也会因频率的下降而减少,显然,这有利于发电机的调频,这种现象称为负荷效应。,可用频率调节效应系数来表示其关系: KL*为负荷频率调节效应系数。PL*负荷变化量的标幺值;PLN额定频率下的系统负荷;f*系统频率变化量的标幺值;fN系统额定运行频率;,KL*频率调节效应系数约为13,它表示频率变化1%时,负荷有功功率相应变化1%3%,它
9、的具体数值通常由试验获得,标志了随频率的升降,负荷消耗功率增加或减小的程度。它取决于系统负荷的组成,是不能整定的。 它是调度人员必须掌握的一个数据。因为它是考虑按频率减负荷方案时,用一次切除负荷来恢复频率的计算依据。,问答: 电能质量三大主要指标? 什么是负荷频率静态特性? 为什么说负荷对频率的效应有利于发电机的调频?,课堂练习一: 某系统装机容量为5000MW,额定运行频率为50Hz,负荷单位调节功率KL=200MW/HZ,现机组全部满发,若一台300MW机组突然跳闸,请分析: 1.系统频率变为多少?(不考虑低频自动减载) 2.最少切除多少负荷能使频率达到标准?,电力系统频率静态特性,解:根
10、据负荷单位调节功率的定义 得: 因此,此时的频率为50-1.5=48.5Hz。,由于3000MW以上系统要求正常最低频率为49.8 Hz,即频率需上升1.3 Hz才能达到标准。 由 得需切除的负荷: 故最少应切除260(MW)的负荷。,课堂练习一: 某系统装机容量为5000MW,额定运行频率为50Hz, 负荷频率调节效应系数KL*为3,现机组全部满发,若一台300MW突然跳闸 ,请分析: 1.系统频率变为多少?(不考虑低频自动减载) 2.最少切除多少负荷能使频率达到标准?,电力系统频率静态特性,解:根据频率调节效应系数的定义 得: 因此,此时的频率为50-1.0=49Hz。,由于3000MW以
11、上系统要求正常最低频率为49.8Hz,即频率需上升0.8 Hz。 得需切除负荷: 故最少应切除240MW的负荷。,2.发电机的功率频率静态特性,当系统频率变化时,发电机组的调速系统将自动地改变汽轮机的进气量或水轮机的进水量以增减发电机组的出力,这种反映由频率变化而引起发电机组出力变化的关系,叫发电机调速系统的频率静态特性。 由发电机调速系统频率静态特性而引起的调频作用叫频率的一次调整。,当系统频率为fN时,发电机出力为PGN,当频率降至f1时,发电机出力增至PG1,可得发电机调速系统的频率静态特性曲线的斜率为: 称为发电机的单位调节功率,它标志着随着频率的变化,发电机组输出功率的变化,其负号表
12、示因频率下降时发电机出力反而增加。,KG的标幺值为: KG*为发电机调速系统的功频静态特性系数。对于汽轮机一般KG*为16.625,水轮机为2550。 KG*的倒数为发电机调速系统的调差系数(调差率),用*表示。,与负荷的频率调节效应系数KL*不同,发电机组的调差系数是可以整定的。调差系数的大小对维持系统频率的稳定运行关系很大,为了减少系统的频率波动,希望发电机调速系统有合理的调差系数。但是受机组调速机构的限制,调差系数的调整范围是有限的,通常取汽轮发电机组 *=0.040.06;水轮发电机组*=0.020.04。,频率调整,又称频率控制,是电力系统中维持有功功率供需平衡的主要措施,其根本目的
13、是保证电力系统的频率稳定。 电力系统频率调整的主要方法是调整发电功率和进行负荷管理。 按照调整范围和调节能力的不同,频率调整可分为一次调频、二次调频和三次调频。,三、电力系统的频率调整,电力系统的负荷时刻都在变化,图为负荷变化的示意图。对系统实际负荷变化曲线的分析表明,系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动负荷所组成:第一种是变化幅度很小,变化周期较短(一般为10s以内)的负荷分量;第二种是变化幅度较大,变化周期较长(一般为10s-3min)的负荷分量,属于这类负荷的主要有电炉、延压机械、电气机车等;第三种是变化缓慢的持续变化负荷,引起负荷变化的原因主要是工厂的作息制度、人民生活规律
14、、气象条件的变化等。,1.频率调整的分类,负荷的变化将引起频率的相应变化。第一种变化负荷引起的频率偏移将由发电机组的调速器进行调整(一次调频)。第二种变化负荷引起的频率变化仅靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制在容许的范围之内,这时必须有调频器参与频率调整,这种调整通常称为频率的二次调整。,针对第三种规律性变动的负荷引起频率偏移的调整,称为频率的三次调整,通常是通过调度部门预先编制日负荷曲线,按最优化准则分配负荷,从而在各发电厂或发电机组间实现有功负荷的经济分配,这属于电力系统经济运行的问题,或称经济调度。保持系统频率的不变,是由一次调整、二次调整和三次调整共同完成的。,2.一次调频,一次调频
15、是发电机组调速系统的频率特性所固有的能力,随频率变化而自动进行频率调整。其特点是频率调整速度快,但调整量随发电机组不同而不同,且调整量有限,值班调度员难以控制。 当系统频率下降时,发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会增大,增加原动机的功率。当系统频率上升时,发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会减小,减少原动机的功率。发电机调速器的这种特性称为机组的调差特性。一次调节对系统频率变化的响应快,电力系统综合的一次调节特性时间常数一般在10秒左右。,由于发电机的一次调节仅作用于原动机的阀门位置,而未作用于火力发电机组的燃烧系统。因而,火力发电机组一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火力发电机组,由于
16、蓄热量的不同,一次调节的作用时间为0.5到2分钟不等。 要确定电力系统的负荷变化引起的频率波动,需要同时考虑负荷及发电机组二者的调节效应,为简单起见,先只考虑一台机组和一个负荷的情况。负荷和发电机组的频率静态特性如图所示。,在原始运行状态下,负荷的功频特性为PL(f),它同发电机组静态特性的交点A确定了系统的频率f1,负荷功率P1。这就是说在频率为f1时达到了发电机组有功输出与系统的有功需求之间的平衡。,假定系统的负荷增加了PL0,其特性曲线变为 。 发电机组仍是原来的特性。那么新的稳态运行点将由 和发电机组的静态特性的交点B决定,与此相应的系统频率为f2。,由图可见,频率变化量 ,频率下降,
17、发电机的输出功率变化量 ,发电机出力增加,由于负荷的频率调节效应所产生的负荷功率变化为: ,故负荷功率的实际增量为,它同发电机组的功率增量相平衡,即 , 也可表示为: 其中, 称为系统的单位调节功率。,它表示在计及发电机组和负荷的调节效应时,引起频率单位变化的负荷变化量。根据KS值的大小,可以确定在允许的频率偏移范围内,系统所能承受的负荷变化量。显然,KS的数值越大,负荷增减引起的频率变化就越小,频率也就越稳定。,由于发电机组的单位调节功率有限,且系统中不只一台发电机组时,有些机组可能因已满载,以致调速器受负荷限制器的限制不能再参加调整。这就使系统中总的发电机单位调节功率下降,系统的单位调节功
18、率KS也不可能很大。因此,依靠调速器进行的一次调整只能限制周期较短、幅度度较小的负荷变动引起的频率偏移,且不能实现对系统频率的无差调整。负荷变动周期更长、幅度更大的调频任务自然地落到了二次调整方面。,频率一次调节的特点: 一次调节对系统频率变化的响应快,电力系统综合的一次调节时间常数一般在10秒左右。 由于发电机的一次调节仅作用于原动机的阀门位置,而未作用于火力发电机组的燃烧系统。因而,火力发电机组一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火力发电机组,由于蓄热量的不同,一次调节的作用时间为0.5到2分钟不等。 其优点是所有机组的调整只与一个参变量有关(即与系统频率有关),机组之间互相影响小。但不
19、能实现对系统频率的无差调整。,一次调频用于自动平衡第一种负荷分量,即那些快速的、幅值较小的负荷随机波动。 对异常情况下的负荷突变,起缓冲作用。下图显示了北美西部互联电力系统在一台1040Mw发电机跳闸时,在一次调节的作用下,系统频率变化的情况。,某系统装机容量为5000MW,额定运行频率为50Hz,机组平均功频静态特性系数KG*为18,负荷频率调节效应系数KL*为2,负荷增加300MW (设频率特性和原负荷一致) ,请分析:系统进行一次调频时,系统频率变为多少?,课堂练习二:,由 得: 由 得:,因此,此时的频率为50-0.15=49.85(Hz),3.二次调频,系统负荷发生变化时,仅靠一次调
20、整是不能恢复原来运行频率的,只能缓和电网频率的改变程度,即一次调整是有差的。 为了使频率保持不变,需要运行人员手动地或自动地操作调频器,使发电机组的频率特性平行地上下移动,进而调整负荷,使频率保持不变,这种调整负荷叫做频率的二次调整(二次调频)。 保持系统频率的不变是由一次调整和二次调整共同完成的。,假定系统中只有一台发电机组向负荷供电,如图所示,正常运行时为两条特性曲线 和 的交点A,系统的频率为fN。系统的负荷增加PL0后负荷特性曲线上移为线 , 此时因负荷上升导致频率下降,负荷功率因其频率下降而减少PL ,而发电机调速器动作而增发PG,,最终运行于B点,对应频率f1。该过程即为一次调频,
21、显然一次调频为有差调节。,一次调频后,频率发生偏差,如偏差过大,进行二次调频,调频厂机组操作调频器让发电机再增发 , 则发电机有功特性曲线上移为线 , 运行点也随之转移到点B,此时,对应频率f2,频率的偏移量为 。,由图可见,系统负荷的初始增量PL0由三部分组成: 式中 -由二次调整得到的发电机组的功率增量(图中) -由一次调整得到的发电机组的功率增量(图中) -由负荷本身的调节效应得到的发电机组的功率增量 (图中),上式就是二次频率调整时的功率平衡方程,该式也可整理为: 由上式可见,频率的二次调整并不改变系统的单位调节功率KS的数值,但是由于二次调整增加了发电机的出力,在同样频率偏移下,系统
22、能承受的负荷变化量增加了。 思考:若二次调频发电机增发的功率等于了负荷原始增量,则频率如何变化?,在图5-18中如操作调频器让发电机增发的 等于负荷增量PL0,则发电机有功特性曲线上移为线 ,系统将运行至C点,则f2= fN,实现了频率的无差调节。,电力系统每台机组都装有调速器,在机组尚未满载时,每台机组都参加一次调频。而二次调频却不同,一般仅选定系统中的一个或几个电厂担负二次调频任务,这种电厂称为调频厂。,二次调频目前有两种方法:由总调下令各厂调整负荷。机组采用AGC方式,实现机组负荷自动调度。 第1种方法反映速度慢,在调整幅度较大时,往往不能满足频率质量的要求。同时值班人员操作频繁,劳动强
23、度大。 第2种采用AGC自动调频是现代电力系统采用的调频方式。它通过装在发电厂和调度中心的自动装置随系统频率的变化自动增、减发电机的发电出力,保持系统频率在较小的范围内波动。,频率二次调节特点: 在协调控制的火力发电机组中,由于受能量转换过程的时间限制,频率二次调节对系统负荷变化的响应比一次调节慢得多,它的响应时间一般需要12分钟。 由于二次调节的响应时间较慢,因而不能调整那些快速的负荷随机波动,但它能有效地调整分钟级及更长周期的负荷波动。,频率二次调节与其它频率调节方式的关系: 由于响应时间的不同,频率二次调节不能代替频率一次调节的作用;而频率二次调节的作用开始发挥的时间,与频率一次调节的作
24、用开始逐步失去的时间基本相当,因此,两者在时间上配合好,对系统发生较大扰动时快速恢复系统频率相当重要。,一次调频和二次调频的区别:简单的说,一次调频是发电机调速系统根据电网频率的变化,自发的进行调整机组负荷以恢复电网频率;二次调频是人为(手动或自动)根据电网频率高低来调整机组负荷。 频率二次调节带来的使发电机组偏离经济运行点的问题,需由频率的三次调节(负荷经济分配)来解决;同时,集中的计算机控制也为频率的三次调节提供了有效的闭环控制手段。,课堂练习三: 系统的额定频率为50Hz,总装机容量为5000MW,调差系数*=5%,总负荷 4500MW,KL* =2,在额定频率下运行时增加负荷440MW
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