电力系统的有功功率和频率调整

电力系统的有功功率和频率调整第五章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。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35.1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）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电力系统中负荷变动的幅度愈大，周期就愈长。一次调整二次调整三次调整2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整7频率调整任务的分配•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一次调频•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二次调频•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）三次调频2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整8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）新方法回归分析、时间序列法、神经网络，等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•累积实测的有功功率日负荷曲线，进行加工•收集用电大户申报的未来若干天的预计负荷•参照长期积累的实测数据，汇总、调整用电负荷•计入网络损耗，得到供电负荷•在可投入的发电容量中扣除厂用电，得到可承担系统负荷的发电容量加工原则：加工前后最大、最小负荷及曲线下的面积相等12345实测加工后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%“网损率”和“厂用电率”都是电量考核指标。注意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按用途分类负荷备用事故备用检修备用国民经济备用2013/6/17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•又称为旋转备用（spinningreserve）•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%热备用•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冷备用电力系统必须设置一定量的热备用，但热备用容量也不宜设置过多。注意2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整14有功备用容量按用途分类负荷备用•调整短期负荷波动并承担（日）计划外的负荷增加•一般为最大负荷的2%-5%事故备用•保证用户在某些发电设备发生偶然性事故时不受严重影响•一般为最大负荷的5%-10%，同时不得小于系统中最大机组的容量检修备用•为保证发电设备定期检修时不影响供电而设置，其容量大小与负荷关系不密切•只有在负荷季节性低落期间和节假日安排不下所有设备的大、小修时才需要设置检修备用国民经济备用为满足国民经济超计划增长而带来的对电力的额外需求而设置的备用2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整15（可供调度的）系统电源容量系统发电负荷备用容量负荷备用2%～5%事故备用5%～10%检修备用（视需要）国民经济备用热备用冷备用各种备用容量的关系运转中发电设备可发的最大功率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165.2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17非线性规划问题•标准形式•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18min..fstxhx0ggxg目标函数等式约束条件不等式约束条件两台火电机组的负荷分配问题•优化模型•优化算法：拉格朗日乘子法2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整19112212min..GGGGDfPfPstPPP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。112212-GGGGDLfPfPPPP2121210GGGGdfdfdPLLLPdPP拉格朗日函数：极值条件：等耗量微增率准则5.2电力系统有功功率的最优分配•各类发电厂的运行特点•各类发电厂的合理组合2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整20各类发电厂的运行特点•发电方式分类（按一次能源形式）火电利用煤、石油、天然气等燃烧所产生的热能，在锅炉中将水变成高温高压蒸汽，推动汽轮机，带动发电机发电。核电利用核燃料在反应堆中产生的热能，将水变成蒸汽，推动汽轮机，带动发电机发电。水电利用河流的水能发电，发电功率与流量和落差的乘积成正比。新能源风力发电、光伏发电、燃料电池，……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：–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2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整24水电厂主要运行特点•水电厂的分类无调节水库水电厂•所发功率取决于河流的天然流量•一昼夜所发功率基本不变有调节水库水电厂•运行方式取决于水库调度所给定的水电厂耗水量。洪水季节（丰水期）满负荷运行，枯水季节承担急剧变动负荷。•按库容或调节周期分为：日调节、月调节、季调节、年调节、多年调节等调节方式。抽水蓄能水电厂•用于调节（减小）系统有功功率负荷的峰谷差。•电厂上、下方各有一个水库。低谷负荷时，抽水蓄能；高峰负荷时，放水发电。•一次抽水蓄能、放水发电循环的总效率只有70%。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2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整27Pt基荷峰荷高峰负荷部分，经常变动。日负荷曲线最低点以下的部分，24小时内不变。各类发电厂的组合原则•火电厂以承担基本不变的负荷为宜。高温高压电厂优先投入，中温中压电厂其次。•核电厂原则上应承担额定负荷。•无调节水库水电厂的全部功率和有调节水库水电厂的强迫功率应首先投入。•有调节水库水电厂的可调功率：丰水期优先投入，枯水期后投入。•抽水蓄能电厂承担高峰负荷。机组组合示例2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整28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29枯水期丰水期增加抽水蓄能电厂前系统的峰谷差增加抽水蓄能电厂后其它机组的峰谷差5.3电力系统的频率调整•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。•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。2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整312013/6/17电力系统的有功功率和频率调整32频率变动所产生的不良影响•频率变化导致电动机转速变化，影响产品质量•频率不稳定影响电子设备的正常工作用电设备•频率变化造成汽轮机叶片振动异常•频率降低时，发电厂的风机、给水泵等辅机的效率降低，影响发电设备的正常运行•频率降低时，发电机定、转子温升增加发电厂•低频运行时变压器铁耗和励磁电流增大•频率降低时，无功负荷增加，影响系统的无功平衡和电压水平•频率过低还可能造成频率崩溃而引发大面积停电电力系统电力系统的有功频率静态特性•发电机组的有功频率静态特性•负荷的有功频率静态特性•电力系统稳态运行频率的确定2013/6/17电力系统的有功功率和频率调整33发电机组的有功频率静态特性•自动调