第三章有功功率平衡和频率调整

《电力系统分析》2020年6月12日星期五概述电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题，是我们考虑的重点问题之一。衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。衡量运行经济性的主要指标为：比耗量和线损率有功功率的最优分布包括：有功功率负荷预计、有功功率电源的最优组合、有功功率负荷在运行机组间的最优分配等。《电力系统分析》2020年6月12日星期五内容提要频率偏移产生的原因、影响、以及允许的频率偏离量？保持频率偏移量不超过一定范围的条件（如何保持有功功率的平衡）有功功率的平衡有功功率的最优分配电力系统的频率调整《电力系统分析》2020年6月12日星期五频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响电力系统有功功率的平衡和备用容量各类发电厂的特点及合理组合有功功率负荷最优分配3.1电力系统中有功功率的平衡《电力系统分析》2020年6月12日星期五一、电力系统的频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响频率变化的原因?频率变化对负荷的影响(1)异步机(2)电子设备(3)电钟频率变化对电力系统的影响(1)水泵、风机、磨煤机(2)汽轮机的叶片(3)变压器的励磁频率允许偏移的范围：50Hz±(0.2~0.5)Hz系统中负荷的变化你答对了吗?《电力系统分析》2020年6月12日星期五tP0P1P2P3PΣ1.有功功率负荷变动及其调整二、电力系统有功功率的平衡和备用容量《电力系统分析》2020年6月12日星期五有功功率负荷变动曲线据此图,负荷可以分为三种:第一种变动幅度很小，周期又很短。变动有很大的偶然性属于这一种的主要有电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动第二种变动幅度较大，周期也较长.第三种变动幅度最大，周期也最长.该种负荷基本可以预计。《电力系统分析》2020年6月12日星期五据此,频率调整一次调整:由发电机组的调速器进行的对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整二次调整:由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整三次调整:按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即调度部门责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。《电力系统分析》2020年6月12日星期五运行中：规划、设计：备用容量:1.按作用形式分CSDLGPPPPPRGGNPPP负荷备用(2-5%PLmax)事故备用(5-10%PLmax或系统中最大一台单机容量）检修备用(可能不安排)国民经济发展备用(3-5%PLmax）2、有功功率平衡和备用容量同系统总负荷所有用户的有功负荷所有发电厂厂用电有功负荷网络的有功损耗《电力系统分析》2020年6月12日星期五2、按存在形式分为两者差一个网损两者差一个厂用电热备用:运转中发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差(旋转备用)冷备用:未运转的、但能随时启动的发电设备可以发的最大功率(不含检修中的设备)负荷的分类:1.用电负荷2.供电负荷3.发电负荷《电力系统分析》2020年6月12日星期五三、各类发电厂的运行特点和合理组合(1)火电厂特点：需燃料及运输费用，但不受自然条件影响效率与蒸汽参数有关受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高压30%，中温中压75%)机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率（一）各类发电厂的特点《电力系统分析》2020年6月12日星期五火电厂外景《电力系统分析》2020年6月12日星期五(2)水电厂特点：不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。水力调节可分为无调节、季调节、年调节和多年调节，调节周期越长，受自然条件影响越小。出力调节范围大，50%以上,增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷决定发电量的除水量外还有水位差保证出力抽水蓄能机组（天荒坪6×30万千瓦）必须与火电配合维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率《电力系统分析》2020年6月12日星期五丰满水电厂外景《电力系统分析》2020年6月12日星期五(3)核电厂特点：负荷调整主要取决于汽轮机，技术最小负荷约为额定负荷的10%~15%可调容量大，退、投、增、减负荷消耗能量、时间，易损坏设备一次投资大，运行费低，尽量利用承担基本负荷《电力系统分析》2020年6月12日星期五秦山核电站外景《电力系统分析》2020年6月12日星期五（二）有功功率电源的最优组合各类发电厂组合顺序示意图无调节水电厂和其迫率原子能电厂燃烧劣质当地燃料火电厂热电厂可调功率高温高压火电厂负荷04812162024无调节水电厂和其迫率原子能电厂燃烧劣质当地燃料火电厂负荷04812162024枯水季节:无调节水电厂和其迫率原子能电厂燃烧劣质当地燃料火电厂热电厂可调功率高温高压火电厂中温中压火电厂水电厂可调功率负荷04812162024蓄能发电《电力系统分析》2020年6月12日星期五水电厂和热电厂的强迫功率原子能电厂负荷04812162024水电厂和热电厂的强迫功率原子能电厂燃烧劣质当地燃料火电厂热电厂可调功率高温高压火电厂负荷04812162024洪水季节:水电厂和热电厂的强迫功率原子能电厂燃烧劣质当地燃料火电厂热电厂可调功率高温高压火电厂中温中压火电厂负荷04812162024《电力系统分析》2020年6月12日星期五应指出:枯水季节往往由系统中的大型水电厂承担调频任务；洪水季节这任务就转移给中温中压火电厂。抽水蓄能电厂在其发电期间也可参加调频。但低温低压火电厂则因容量不足，设备陈旧，不能担负调频任务。《电力系统分析》2020年6月12日星期五四、有功功率最优分配有功功率的最优分配:包括有功功率电源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。有功功率的最优分配要求在保证系统安全的条件下，在所研究的周期内，以小时为单位合理选择电力系统中哪些机组应该运行、何时运行及运行时各机组的发电功率，其目标是在满足系统负载及其它物理和运行约束的前提下使周期内系统消耗的燃料总量或总费用值为最少。《电力系统分析》2020年6月12日星期五有功功率电源的最优组合指系统中发电设备或发电厂的合理组合,也就是所谓的机组合理开停.有功功率负荷的最优分配指系统的有功功率负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配.电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是，在满足一定约束的前提下，尽可能节约消耗的一次能源。最常用的是按等耗量微增率准则分配.《电力系统分析》2020年6月12日星期五最优分配负荷的目标函数和约束条件1.耗量特性:发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系称为耗量特性。函数关系上述函数可用试验数据通过最小二乘法拟合而成，根据前人经验，阶数为2比较合适，即如图所示:PGF,W0GiiiPFFiGiiGiiicPbPaF2《电力系统分析》2020年6月12日星期五比耗量μ:单位时间内输入能量与输出功率之间的比值.耗量微增率λ:耗量特性曲线上某点切线的斜率PGF,W0dFdPmPFu/dPdFPF//FP《电力系统分析》2020年6月12日星期五2.目标函数和约束条件目标函数有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小有功功率负荷的前提下，单位时间内的能源消耗最少。这里的目标函数就应该是总耗量最少。即为)()()()(12111GiniiGnnGGPFPFPFPFF)(GiiPF011PPPniiLiniiGiP为网络总损耗以表示某发电设备发出有功功率时单位时间内所需消耗的能源。等式约束条件《电力系统分析》2020年6月12日星期五不计网络损耗时，上式可改写为:不等式条件各节点发电设备有功功率、无功功率和电压大小不得逾越的限额:011niiLiniiGiPPmaxminGGiGPPPmaxminGGiGQQQmaxminiiiUUU《电力系统分析》2020年6月12日星期五用拉格郎日乘数法求解可建立如下拉格朗日函数:0)()(1111111GGGGdPPdFPFPL0)()(2222222GGGGdPPdFPFPL0)()(nGnGnnGnnGndPPdFPFPL式中为拉格朗日乘数)()()(2211GnnGGPFPFPFL)(21LGnGGPPPP3.最优分配负荷时的等耗量微增率准则《电力系统分析》2020年6月12日星期五以两台机为例目标函数:等式约束条件:12n)()(2211GGPFPFF021LGGPPP等耗量微增率准则所以可得:它表示为使总耗量最小，应按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂之间分配负荷。《电力系统分析》2020年6月12日星期五根据等耗量微增率准则得:进而可以求得.对不等式约束条件的考虑:有功功率越限，则按限额发电，剩余功率在其他机组间重新按等耗量微增率原则分配.21《电力系统分析》2020年6月12日星期五对于有功功率限制，当计算完后发现某发电设备越限，则该发电设备取其限值，不再参加最优分配计算，剩下的负荷由其他发电设备重新进行最优分配计算。无功功率和电压限制和有功功率负荷的分配没有直接关系，可暂时不计，当有功功率负荷的最优分配完成后计算潮流分布在考虑。min1GPmax1GP11GPmin2GPmax2GP22GPmin3GPmax3GP33GP《电力系统分析》2020年6月12日星期五等耗量微增率准则的推广应用实践中:由于能源消耗受限制有功功率负荷的最优分配其在火力发电厂与水力发电厂之间的最优分配问题消耗的水量受水库调度的约束《电力系统分析》2020年6月12日星期五上式中用小的时间段之和来表示积分效果，表示火电厂的燃料，表示水电厂消耗的水量。0)(2122KtPWkkkkHk水电的约束条件kkkKLkLkHkTkkkkkTktPPPPtPFL12121111)()(21222)(KtPWkkkkHk为了简化分析，将负荷的分配局限于一个火电一个水力发电设备之间，并略去网损。新的拉格朗日函数:011cos)(mindtPFFFTt等式约束还应增加：定值022)(dtPWH《电力系统分析》2020年6月12日星期五得:若时间段取的很短,则可将式中的下标“k”可略去，可改写为：由上可知，只要将水力发电厂的水耗量乘以某一个待定的拉格朗日乘数，就可将等耗量微增率准则应用到火力发电厂与水力发电厂之间负荷的最优分配。),,2,1(0)(2222kdPPdWkkHkHk),,2,1()()(2222111kdPPdWdPPdFkkHkHkkTkTk2222111)()(HHTTdPPdWdPPdF即水煤转换系数221HT),,2,1(0)(111kdPPdFkkTkTk同理由:《电力系统分析》2020年6月12日星期五网损的修正等式约束条件修正为：LLGPPP)()(1111liiLimiiLiniiGiniiGiiPPPPFL0)1()(11111GLGGGPPdPPdFPL0)1()(GiLGiGiiGiPPdPPdFPL《电力系统分析》2020年6月12日星期五式中为网损微增率(灵敏度)LGiPP)11()()11()(1111GiLGiGiiGLGGPPdPPdFPPdPPdF《电力系统分析》2020