5電力系統(tǒng)的有功功--率和頻率調整

1、1,廣西大學課程教案,《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》,2,第五章 電力系統(tǒng)的有功功 率和頻率調整,有功功率的最優(yōu)分布頻率調整,3,概述,電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一。如何保證正常、穩(wěn)態(tài)運行時的電能質量和經(jīng)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(jīng)濟性的主要指標為：比耗量和線損率有功功率的最優(yōu)分布包括：有功功率負荷預計

2、、有功功率電源的最優(yōu)組合、有功功率負荷在運行機組間的最優(yōu)分配等。,4,第一節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡,電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度：是在滿足安全和一定質量要求的條件下盡可能提高運行的經(jīng)濟性，即合理地利用現(xiàn)有的能源和設備，以最少的燃料消耗量（或燃料費用或運行成本），保證對用戶可靠而滿意地供電。最優(yōu)潮流：滿足各節(jié)點正常功率平衡及各種安全性不等式約束條件下，求以發(fā)電費用（耗量）或網(wǎng)損為目標函數(shù)的最優(yōu)的潮流分布。最優(yōu)潮流的優(yōu)點：將安全性運行和最優(yōu)經(jīng)

3、濟運行等問題綜合地用統(tǒng)一的數(shù)學模型來描述。,5,一.負荷預測的簡要介紹,電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度的第一個問題就是研究用戶的需求，即進行電力負荷預測，按照調度計劃的周期，可分為日負荷預測，周負荷預測和年負荷預測。不同的周期的負荷有不同的變化規(guī)律：第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負荷變動有很大的偶然性；第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種負荷的主要有：電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負荷變動；第三種變動基本上可以預計，其變動幅度

4、最大，周期也最長，是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負荷變動。,6,負荷預測的精度直接影響經(jīng)濟調度的效益，提高預測的精度就可以降低備用容量，減少臨時出力調整和避免計劃外開停機組，以利于電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性。 負荷預測分類：安全監(jiān)視過程中的超短期負荷預測；日調度計劃；周負荷預測；年負荷預測；規(guī)劃電源和網(wǎng)絡發(fā)展時需要用1~20年的負荷預測值。,7,根據(jù)負荷變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調整大體上也可分為：一次調頻：由

5、發(fā)電機調速器進行；二次調頻：由發(fā)電機調頻器進行；三次調頻：由調度部門根據(jù)負荷曲線進行最優(yōu)分配。前兩種是事后的，第三種是事前的。一次調頻是所有運行中的發(fā)電機組都可參加的，取決于發(fā)電機組是否已經(jīng)滿負荷發(fā)電。這類 發(fā)電廠稱為負荷監(jiān)視廠。二次調頻是由平衡節(jié)點來承擔。,8,二.一些名詞性解釋,有功功率電源：可投入發(fā)電設備的可發(fā)功率之和，不應小于包括網(wǎng)損和廠用電在內的系統(tǒng)（總）發(fā)電負荷。系統(tǒng)的備用容量：系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分，可

6、分為熱備用和冷備用或負荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用等。,9,第二節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配,經(jīng)濟調度的第二個問題是有功功率的最優(yōu)分配，包括有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負荷的最優(yōu)分配。一.有功功率電源的最優(yōu)組合有功功率電源的最優(yōu)組合：是指系統(tǒng)中發(fā)電設 備或發(fā)電廠的合理組合。通常所說的機組的合理開停，大體上包括三個部分：機組的最優(yōu)組合順序機組的最優(yōu)組合數(shù)量機組的最優(yōu)開停時間,10,二.有功功率負荷的最優(yōu)分配

7、,最優(yōu)化：是指人們在生產(chǎn)過程或生活中為某個目的而選擇的一個“最好”方案或一組“得力”措施以取得“最佳”效果這樣一個宏觀過程。有功功率負荷的最優(yōu)分配：是指系統(tǒng)的有功功率負荷在各個正在運行的發(fā)電設備或發(fā)電廠之間的合理分配。其核心是按等耗量微增率準則進行分配。電力系統(tǒng)最優(yōu)運行是電力系統(tǒng)分析的一個重要分支，它所研究的問題主要是在保證用戶用電需求（負荷）的前提下，如何優(yōu)化地調度系統(tǒng)中各發(fā)電機組或發(fā)電廠的運行工況，從而使系統(tǒng)發(fā)電所需的總費用或所

8、消耗的總燃料耗量達到最小這樣決策問題。,11,數(shù)學模型 一般非線性規(guī)劃問題可描述為滿足非線性約束條件是非線性函數(shù)的最小值問題，其標準形式為： 即在滿足h(x)=0的等式約束條件下和g(x)不等式的條件下，求取目標函數(shù)f(x)值最小。,12,2. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度的數(shù)學模型,目標函數(shù)：系統(tǒng)發(fā)電所需的總費用或所消耗的總燃料耗量 對于純火電系統(tǒng)，

9、發(fā)電廠的燃料費用主要與發(fā)電機輸出的有功功率有關，與輸出的無功功率及電壓等運行參數(shù)關系較小 。這種反映單位時間內發(fā)電設備的能量消耗與發(fā)出的有功功率之間的關系稱為耗量特性。其函數(shù)關系式為： 單位：噸/小時 上述函數(shù)可用試驗數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合而成，根據(jù)前人經(jīng)驗，階數(shù)為2比較合適，即,13,2.

10、電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度的數(shù)學模型,總的目標函數(shù)為：關于目標函數(shù)的一些重要的概念：耗量微增率 ：單位時間內輸入能量微增量與輸出功率微增量的比值。為耗量特性曲線上某一點切線的斜率。比耗量 ：單位時間內輸入能量與輸出功率之比。為耗量特性曲線上某一點縱坐標和橫坐標的比值。發(fā)電設備的效率 ：為比耗量的倒數(shù)。,14,2. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度的數(shù)學模型,等式約束條件：有功功率必須保持平衡的條件。 對于每個

11、節(jié)點： 對于整個系統(tǒng)： 若不計網(wǎng)損：,15,2. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度的數(shù)學模型,不等式約束條件：為系統(tǒng)的 運行限制。變量：各發(fā)電設備輸出有功功率。,16,3. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度問題的求解,一般用拉格朗日乘數(shù)法。 現(xiàn)用兩個發(fā)電廠之間的經(jīng)濟調度來說明，問題略去網(wǎng)絡損耗。建立數(shù)學模型。,,17,3. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度問題的求解,根據(jù)給定的目標函數(shù)和等

12、式約束條件建立一個新的、不受約束的目標函數(shù)——拉格朗日函數(shù)。對拉格朗日函數(shù)求導，得到最小值時應有的三個條件： （1）,,18,3. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度問題的求解,求解（1）得到： 這就是著名的等耗量微增率準則，表示為使總耗量最小，應按相等的耗量微增率在發(fā)電設備或發(fā)電廠之間分配負荷。對不等式約

13、束進行處理對于有功功率限制，當計算完后發(fā)現(xiàn)某發(fā)電設備越限，則該發(fā)電設備取其限制，不參加最優(yōu)分配計算，而其他發(fā)電設備重新進行最優(yōu)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(yōu)分配完成后計算潮流分布在考慮。,19,4. 用迭代法求解電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度問題,設耗量微增率的初值 ；求與 對應的各發(fā)電設備應發(fā)功率 ；校驗求得的 是否滿足等式

14、約束條件：如不能滿足，則如 ，取 ；如 ，取 ，自2）開始重新計算。直到滿足條件。,20,例題,,21,5. 等耗量微增率準則的推廣運用,用于解決火力發(fā)電廠與水力發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題。其目標函數(shù)不變，不等式約束不變等式約束中加水量特性方程： wj：單位時間內水力發(fā)電設

15、備的水量消耗。另外還有所不同的是須各時段聯(lián)立求解。解P212（5-21），得到：,22,5. 等耗量微增率準則的推廣運用,即： 實際可看作是一個換算系數(shù)，也稱為水價系數(shù)。在枯水季節(jié)，水電廠承擔調頻任務， 比較小，λ比較大；在洪水季節(jié)，水電廠承擔基荷任務， 比較大，λ比較小。,23,5. 等耗量微增率準則的推廣運用,根據(jù)給定的可消耗水量K2，設換算系數(shù)的初值 ；求與 相

16、對應的，各個不同時刻的有功功率負荷最優(yōu)分配方案；計算與這最優(yōu)分配方案對應的消耗水量 ；校驗求得的 是否與給定的K2相等；當 時，取 ；當 ，取 。自第二步開始重復計算；繼續(xù)計算，直到求得的 與給定的K2相等為止。,24,第三節(jié) 電力系統(tǒng)的頻率調整,一.概述頻率是

17、電力系統(tǒng)運行的一個重要的質量指標，直接影響著負荷的正常運行。負荷要求頻率的偏差一般應控制在（±0.2~ ±0. 5）Hz的范圍內。一般而言，系統(tǒng)綜合負荷的有功功率與頻率大致呈一次方關系。要維持頻率在正常的范圍內，其必要的條件是系統(tǒng)必須具有充裕的可調有功電源。,25,頻率不穩(wěn)定給運行中的電氣設備帶來的危害：,對用戶的影響產(chǎn)品質量降低生產(chǎn)率降低 對發(fā)電廠的影響 汽輪機葉片諧振輔機功能下降 對系

18、統(tǒng)的影響互聯(lián)電力系統(tǒng)解列發(fā)電機解列,26,二. 自動調速系統(tǒng)及其特性,關鍵在于利用杠桿的作用調整汽輪機或水輪機的導向葉片，使其開度增大，增加進汽量或進水量。 P224,27,三. 頻率的一次調整,概念介紹發(fā)電機的單位調節(jié)功率：發(fā)電機組原動機或電源頻率特性的斜率。 標志著隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出功率減少或增加的多寡。,28,1. 概念介紹,發(fā)電機是調差系數(shù)：單位調節(jié)功率的倒數(shù)

19、。發(fā)電機的單位調節(jié)功率與調差系數(shù)的關系：一般來說發(fā)電機的單位調節(jié)功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機組 =3~5或 =33.3~20水輪發(fā)電機組 =2~4或 =50~25,29,1. 概念介紹,負荷的單位調節(jié)功率：綜合負荷的靜態(tài)頻率特性的斜率。一般而言：,30,2. 頻率的一次調整,簡述：由于負荷突增，發(fā)電機組功率

20、不能及時變動而使機組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時，發(fā)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(jié)效應而減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，達到新的平衡。數(shù)學表達式：KS：稱為系統(tǒng)的單位調節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動機調速器和負荷本身的調節(jié)效應共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。,31,2. 頻率的一次調整,注意：取功率的增大或頻率的上升為正；為保證調速系統(tǒng)本身運行的穩(wěn)定，不能采用過大的單位調節(jié)功率；對于

21、滿載機組，不再參加調整。 對于系統(tǒng)有若干臺機參加一次調頻： 具有一次調頻的各機組間負荷的分配，按其調差系數(shù)即下降特性自然分配。,32,例題,,33,四. 頻率的二次調整,當負荷變動幅度較大（0.5%~1.5%），周期較長（幾分鐘），僅靠一次調頻作用不能使頻率的變化保持在允許范圍內，這時需要籍調速系統(tǒng)中的調頻器動作，以使發(fā)電機組的功頻特性平行移動，從而改變發(fā)電機的有功功率以保持系統(tǒng)頻率

22、不變或在允許范圍內。數(shù)學表達式 如果 ，即發(fā)電機組如數(shù)增發(fā)了負荷功率的原始增量，則 ，即所謂的無差調節(jié)。 對于N臺機，則：,34,四. 頻率的二次調整,當系統(tǒng)負荷增加時，由以下三方面提供：二次調頻的發(fā)電機組增發(fā)的功率 ；發(fā)電機組執(zhí)行一次調頻，按有差特性的調差系數(shù)分配而增發(fā)的功率 ；由系統(tǒng)的負

23、荷頻率調節(jié)效應所減少的負荷功率 。,35,四. 頻率的二次調整,頻率調整圖,36,五. 調頻廠的選擇,調頻廠須滿足的條件：調整的容量應足夠大；調整的速度應足夠快；調整范圍內的經(jīng)濟性能應該好；注意系統(tǒng)內及互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調問題。通過分析各種電廠的特點，調頻廠的選擇原則為：系統(tǒng)中有水電廠時，選擇水電廠做調頻廠；當水電廠不能做調頻廠時，選擇中溫中壓火電廠做調頻廠。,37,六. 互聯(lián)系統(tǒng)頻率的調整,

24、由幾個地區(qū)系統(tǒng)互聯(lián)為一個大系統(tǒng)的情況，對某一個地區(qū)系統(tǒng)而言，負荷變化（增加） 時，可能伴隨著與其他系統(tǒng)交換功率的變化 ，則有,38,若設A、B兩系統(tǒng)互聯(lián)，兩系統(tǒng)負荷變化（增加）分別為 ，引起互聯(lián)系統(tǒng)的頻率變化（降低） ，及聯(lián)絡線交換功率的變化 ，如下圖：系統(tǒng)A：系統(tǒng)B：在負荷增加 的影響下，兩系統(tǒng)的頻率和交換功率的變化

25、量為：,39,例題,,40,七. 自動負荷-頻率控制,這是廣義的自動調頻，其功能有：保持系統(tǒng)頻率等于或十分接近額定值；保持系統(tǒng)內各區(qū)域或聯(lián)合系統(tǒng)內各子系統(tǒng)間的交換功率為給定值；保持各發(fā)電設備以最經(jīng)濟的方式運行。,41,第四節(jié) 最優(yōu)潮流,一.概述電力系統(tǒng)最重要的兩個指標： 經(jīng)濟性 安全性 最優(yōu)潮流：滿足各節(jié)點正常功率平衡及各種安全性不等式約束條件下，求以發(fā)電費用（耗量）或網(wǎng)損為目標函數(shù)的最優(yōu)的潮流分布。最優(yōu)潮流的優(yōu)

26、點：將安全性運行和最優(yōu)經(jīng)濟運行等問題綜合地用統(tǒng)一的數(shù)學模型來描述。,42,一.概述,最優(yōu)潮流實際應用的困難： 計算工作量大占用內存多計算速度慢收斂性差。,43,二.電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流一般問題的數(shù)學模型,目標函數(shù)等式約束,44,二.電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流一般問題的數(shù)學模型,不等式約束其中：,45,三.電力系統(tǒng)水火最優(yōu)潮流的數(shù)學模型,目標函數(shù)等式約束 潮流方程： 固定水頭水電廠用水量平