第五章 电力系统有功功率平衡和频率调整(ppt).pdf

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1、第五章 电力系统有功功率平衡与频率调整NORTH CHINA ELECTRIC POWER UNIVERSITY?前两章涉及电力系统正常、稳态运行状况的分析和计算、本章和第六章是前两章的继续和发展。因这两章将阐述正常、稳态运行状况的优化和调整，亦即保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题。?衡量电能质量的指标有频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移相波形畸变率表示。衡量运行经济性的主要指标是比耗量和线损率。?比耗量指为生产单位电能所需消耗的一次能源。?线损率或网损率?这些技术经济指标中，除波形指标外，均直接与系统中有功、无功功率的分配以及频率、电压的调整有关。本章主要内容?有

2、功功率的最优分布?有功功率负荷预计（负荷预测）?有功功率电源的最优组合（机组组合）?有功功率负荷在巳运行机组间的最优分配（经济功率分配）?频率调整发电计划发电计划第一节 电力系统中的有功功率的平衡一、有功功率负荷的变动和调整控制?负荷曲线?实际的负荷曲线由三种负荷所构成。?第一种负荷变动幅度很小、周期很短（10秒以下），随机性很强，无法预测。?第二种负荷变动幅度较大、周期也较长（10秒至3分）。?第三种负荷变动幅度最大、周期也最长（3分以上），它反映了负荷的变动趋势。这种负荷能够预测。一、有功功率负荷的变动和调整控制?负荷调整控制?一次调整：针对第一种负荷变动，由发电机组的调速器自动动作承担。

3、一次调整希望快速和平稳。?二次调整：针对第二种负荷变动，由发电机组的调频器手动或自动动作承担。现在二次调频一般由AGC机组承担。?三次调整：针对第三种负荷变动，就是安排发电计划一、有功功率负荷的变动和调整控制发电控制（一、二次调频）发电计划（三次调频）GGGG实际负荷预计负荷控制机组调度机组发电=负荷二、有功功率负荷曲线的预计（负荷预测）?根据负荷，天气，事件等的历史数据，以及天气，事件等的预报值，预测负荷的形态，曲线，最大值，最小值，平均值等等。?负荷预测分类：负荷预测分为系统负荷预测和母线负荷预测，系统负荷预测按周期又有超短期、短期、中期和长期之分。?负荷经常随机波动。?负荷又有一定的周期

4、性三、有功功率电源和备用容量?按投入时间分?热备用：运转中的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)；?冷热备用须有合理比例。三、有功功率电源和备用容量?按用途分?负荷备用：适应负荷短时波动、一日内计划外的负荷增加，一般为最大负荷的05%。?事故备用：适应发电设备发生偶然事故时备用，一为般最大负荷的510%，分冷、热备用。?检修备用：满足检修需要而设的(有时不设)备用。?国民经济备用：计及负荷超计划增长而设，一般为最大负荷的35%第二节 电力系统中的有功功率的最优分配主要内容?机组优化组合(省略)?确定系

5、统中需要运行多少机组，运行哪些机组，以及什么时候运行。?经济功率分配（重点介绍）?在已知机组组合的基础上，确定各机组的功率输出，在满足机组、系统安全约束的同时，使系统的运行最优化。一、各类发电厂的运行特点和合理组合?各类发电厂的运行特点?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、各类发电厂的运行特点和合理组合?效率：?中温中

6、压24.5%?高温高压30.5%?超高压力37.0%?超临界压力40.0%?热电厂50%一、各类发电厂的运行特点和合理组合?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。?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?水利枢纽兼顾发电、航运、防洪、灌溉、渔业、旅游，不一定与电力负荷适应，所以必须与火电配合?维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率?水头过低，不一定能够额定出力?各类水电厂的调节能力不一样。一、各类发电厂的运行特点和合理组合?核电厂特点：?可调容量大，退、投、增、减负荷消耗

7、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?分配原则?充分利用水力资源，避免弃水?降低火电煤耗，发挥高产机组作用?减少火电成本，多烧劣质煤、本地煤、少烧油?考虑发电成本(燃料价格、管理水平、机组效率等)，充分利用资源一、各类发电厂的运行特点和合理组合?各类发电厂的合理组合?火电厂以承担基本不变的负荷为宜。?原子能电厂在负荷曲线的更基底部分运行。?无调节水库水电厂应首先投入。?有调节水电厂的可调功率，在洪水季节，为防止弃水，往往也优先投入，在枯水季节则恰相反，应承担高峰负荷。?抽水蓄能电厂一、各类发电厂的运行特点和合理组合?枯水季节：?无调节水电厂?有调节水电厂的强迫功率

8、?热电厂的强迫功率?原子能电厂?燃烧劣质、当地燃料的火电厂?热电厂的可调功率?高温高压火电厂?中温中压火电厂?低温低压火电厂(不一定投入)?有调节水电厂的可调功率?抽水蓄能水电厂一、各类发电厂的运行特点和合理组合一、各类发电厂的运行特点和合理组合一、各类发电厂的运行特点和合理组合?每台机组有运行，停运两种状态，若有70台机组，对于每时刻，共有2的70次方种组合，如果一天分为96个时段（15分钟为间隔），则一天共有96*270种组合。这是一个规模庞大的组合优化问题，求解很困难。0204060801001201401601357911131517192123时间功率（MW）机组7机组6机组5机组4

9、机组3机组2机组1三、最优分配负荷时的目标函数和约束条件?耗量特性：发电设备输入与输出的关系。?比耗量：?发电效率：?耗量微增率：?对于一台机组，比耗量曲线和耗量微增率曲线的交点是单台发电机效率最高的点。三、最优分配负荷时的目标函数和约束条件Fb0 P三、最优分配负荷时的目标函数和约束条件?若耗量特性曲线为二次曲线F=aP2+bP+c?则=aP+b+c/P，=2aP+b。?若耗量特性曲线为F=aP2+bP?则=aP+b，=2aP+b。F?若耗量特性曲线为一次曲线F=bP?则=b。三、最优分配负荷时的目标函数和约束条件biF=bF三、最优分配负荷时的目标函数和约束条件?目标函数和约束条件?问题的

10、提出：负荷最优分配的目的在于：确定电网中每台机组的有功功率输出，在满足负荷需求、系统安全的同时，使单位时间内的能源消耗最少。?优化问题的通用模型?式中C为目标函数，f为等式约束，g为不等式约束0duxg0duxfduxC=),(),(.),(tsMin三、最优分配负荷时的目标函数和约束条件?最优分配负荷时的目标函数和约束条件?目标函数?其中：表示发电机i的耗量曲线?等式约束(不计网损)?不等式约束（发电有功、无功，节点电压幅值）=+=niGiiGnnGGPFPFPFPFF12211)()()()(?)(GiiPF011=PPPniLiniGiGimaxGiGiminPPPGimaxGiGimi

11、nQQQimaxiiminUUU三、最优分配负荷时的目标函数和约束条件?系统中发电设备消耗的能源可能受限制。例如，水电厂一昼夜间消耗的水量受约束于水库调度。出现这种情况时，目标函数就不应再是单位时间内消耗的能源，而应是一段时间内消耗的能源，即应为?而等约束条件除式(52)外，还应增加?这里的Fi，可理解为单位时间内火力发电设备的燃料消耗；Wj为单位时间内水力发电设备的水量消耗；为时间段长，例如24h。而这里设i1，2，m为火力发电设备，j(m十1)，(m十2)，n为水力发电设备。=miiGiidtPFF10)(=0)(定值dtPWGij四、最优分配负荷的等耗量微增率准则?公式推导：?问题的简化

12、?略去不等式约束?仅有两台机组?推导：?目标函数?约束条件?拉格朗日函数)()(),(221121GGGGPFPFPPCC+=0),(2121=+=LDGGGGPPPPPf)()()(),(),(2122112121*LDGGGGGGGGPPPPFPFPPfPPCC+=四、最优分配负荷的等耗量微增率准则?原问题变成求拉格朗日函数的最小值，将有约束极值问题转化为无约束极值问题，称为拉格朗日乘数。当然，天下没有白吃的午餐，去掉了一个等式约束，但增加了一个变量?极值条件：?展开：;0;0;0*2*1*=CPCPCGG=0),(0),(),(0),(),(21221221121121GGGGGGGGG

13、GGGGGPPfPPPfPPPCPPPfPPPC四、最优分配负荷的等耗量微增率准则?解出?由于，分别为发电设备1、2各自承担?有功功率负荷PG1、PG2时的耗量微增率1、2，可以得到：1=2=，这就是等耗量微增率准则，它表示为使总耗量最小，应该按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂之间分配负荷。=0),(0)(0)(21222111GGGGGGPPfdPPdFdPPdF111)(GGdPPdF222)(GGdPPdF四、最优分配负荷的等耗量微增率准则?物理意义：四、最优分配负荷的等耗量微增率准则?公式推广（多发电设备或发电厂）：?推出?结论：1=2=n=),(),(2121*GnGGGnGGPP

14、PfPPPCC?=0),2,1(0)(1LDniiGiGiGiiPPnidPPdF?四、最优分配负荷的等耗量微增率准则?对于不等式约束，可以使用kuhn-Tucker条件解决。?关于电压和无功的约束，与有功功率负荷分配没有直接关系，省略。?对于发电设备有功输出功率的约束，当发生越限时。将发电设备有功输出功率固定在边界上。?计算步骤：五、等耗量微增率准则的推广运用?公式推导：?问题的简化?略去不等式约束?仅有一台火力发电单元和一台水力发电单元?推导：?目标函数?约束条件=011)(dttPFFT2022)(KdttPWH=021=+LDHTPPP五、等耗量微增率准则的推广运用?K2为水力发电设备

15、2在0到时间内 规定消耗的水量。将0到时间分成t个时段：?建立拉格朗日函数ktkkkTktPFF=111)(2122)(KtPWktkkkHk=021=+kLDkHkTPPP)()(21222121111*KtPWtPPPtPFCktkkkHkktkkLDkHkTkktkkkTk+=五、等耗量微增率准则的推广运用?其中1、2t和2都是拉格朗日乘数，其中2是由于引入水电厂的约束条件而新增加的。?极值条件?展开;0;0;0;02*2*1*=CCPCPCkkHkT=+=0)(),2,1(0),2,1(0)(),2,1(0)(2122212222111KtPWtkPPPtkdPPdWtkdPPdFtk

16、kkkHkLDkHkTkkHkHkkkTkTk?五、等耗量微增率准则的推广运用?一共（3t+1）个独立方程，变量也是（3t+1）个，可以求解。?第一、二式合并，可得?略去下标k，得到?式中，为火力发电厂的燃料耗量微增率?为水力发电厂的水耗量微增率),2,1()()(2222111tkdPPdWdPPdFkkHkHkkTkTk?=2222111)()(HHTTdPPdWdPPdF111)(TTdPPdF1T222)(HHdPPdW2H五、等耗量微增率准则的推广运用?上式可改为：?由上式可见，只要将水力发电的水耗量微增率乘以某一个待定的拉格朗日乘数2，就可将指导火力发电设备(厂)之间负荷最优分配的

17、等耗量微增率准则推广运用于火力发电设备(厂)与水力发电设备(厂)之间负荷的最优分配。为此，需确定拉格朗日乘数2。这乘数为=221HT)()()()(22112221112HTHHTTPdWPdFdPPdWdPPdF=五、等耗量微增率准则的推广运用?既然2可看作换算系数，水力发电设备(厂)在一定时间内可消耗的水量越多，单位重量燃料可折换的水量就愈大，2从而2H2也就愈小，按等耗量微增率准则水力发电设备(厂)应分配的负荷也就愈大；反之，水力发电设备(厂)应分配的负荷愈小。六、网络损耗的修正?网损修正的必要性?网络上不同地点上的发电机在发电时，对网损的影响不同，也就是说这些发电机即使有相同的发电功率

18、，它们对负荷的贡献也是不一样的。例如：G1G2P1P2六、网络损耗的修正?假设G1、G2煤耗曲线相同，P1P2，如果不考虑网损修正，则G1=G2=（P1+P2）/2最好，但 是 如 果 考 虑 网 损，则（P1+P2）/2G1P1、P2G2（P1+P2）/2时最为节省。?其实，在电力市场中电力交易软件也要对各机组的报价进行网损折算，原理一样。第三节 电力系统的频率调整一、频率调整的必要性?频率变化对负荷的影响?异步机?电子设备?电钟?频率变化对电力系统的影响?火电厂的主要设备：水泵、风机、磨煤机?汽轮机的叶片?变压器的励磁二、自动调速系统及其调节特性?自动调速系统?检测部件(离心飞摆)：转速位

19、移?放大部件(错 油 门)：位移油压(信号放大)?执行部件(油 动 机)：油压启闭阀门?转速控制部件：速度基准控制?调速器：前三者组成，完成频率一次调整?调频器：加入转速控制部件，完成频率二次调整二、自动调速系统及其调节特性?电源有功功率静态频率特性221221fCfCCCPm=汽（水）门固定的情况下二、自动调速系统及其调节特性二、自动调速系统及其调节特性二、自动调速系统及其调节特性?结论?调速器的调节是有差的?调频器可以做到无差调节三、负荷有功功率的静态频率特性?标么值：?当f=fN、PL=PLN时a0+a1+a2+a3+=1?与频率无关：照明、电炉、整流?与频率一次方成正比：球磨机、切削机

20、床，卷扬机?与频率二次方成正比：铁损(涡流)?与频率三次方成正比：通风机、静水头阻力不大的循环水泵?与频率四次方成正比：阻力很大的水泵?+=+3NLN32NLN2NLN1LN0L)()()(ffPaffPaffPaPaP?+=312110LfafafaaP三、负荷有功功率的静态频率特性?主要成份为前二种，在额定值附近为一直线?MW/HZ?有功负荷频率调节效应系数?(频率调节效应)?KL*：131.0PL*f*1.0fP=tgKLL=fPf/Pf/PKLNLNLL四、频率的一次调整?机组调差系数：?机组调差系数标幺值：HZ/MWGPf=GGNNGPf/PfPf/四、频率的一次调整?机组单位调节功

21、率：?KG、KG*：发电机组的功频特性系数?负号“”表示f、PG变化方向相反；?KG、由调速器整定fP1KGG=GNNGNGNGGGPffPf/fP/PfP1K=NGNGGfPKK=四、频率的一次调整?负荷增加PL0?系统频率变化：f=f0-f00?负荷调节效应：PL=KLf0?负荷实际增量：PLF=PL0+PL?发电机功率增量：PG=-KGf=P0-P0四、频率的一次调整?PG=PLf，PL0+KLf=-KGf?PL0=-(KL+KG)f?K=KG+KL=-：电力系统功频静特性系数(系统单位调节功率)?系统负荷增加，f，在发电机增加输出的同时，负荷由其本身调节效应，减少功率消耗，达到新的平衡

22、态P0、f0fPL0四、频率的一次调整?以标幺值表示?系统备用系数fPfPKfPK0NLN*LNGN*G=+L*0L0*LLNGN*GKfP/ff/PPKPPK=+LNLN*L*G*KKK+=LNGNPP=四、频率的一次调整?结论?仅有一次调频时，频率偏差的大小与负荷的变化量的大小成正比，与系统的调节功率成反比。系统越大，其单位调节功率越大，这是电力系统联合运行的优点之一。?负荷增量由两部分供给：一部分是由于频率下降引起调速器动作使汽（水）门开度增大而多发的功率，另一部分是由于负荷自身具有的正调节效应随频率下降而少用的功率。?如果系统中某些机组已经满载，则其KG=0。（因为KG=PG/f，PG

23、=0）?仅有一次调频时，为了减少频率偏差，希望系统的单位调节越大越好，但一方面，负荷的频率调节效应系数不可控制，且数值也不大；另一方面，电源的单位调节功率也不可能无穷大，否则系统无法稳定运行。?求出频率偏差后，可以进一步求出各机组承担的功率增量：?PGi=-KGif=?可见，机组的调差系数越大或机组容量越大，承担的功率增量越大，如果各机组的调差系数相等，则承担的功率增量将按额定容量的大小成正比分配，这是合理的。四、频率的一次调整ffPNGiNi1五、频率的二次调整五、频率的二次调整?负荷初始增量：PL0?系统频率变化：f=f0f0?负荷调节效应：PL=KLf?负荷实际增量：PLf=PL0+KL

24、f?发电机二次调整功率增量：PG0?发电机一次调整功率增量：PG=KGf?PG0+PG=PLf?PG0KGf=PL0KLf?PL0PG0=(KGK L)f=KSf?f=（PL0PG0）/KS五、频率的二次调整?结论：?二次调整(调频器动作)时，系统单位调节功率为K=KG+KL?由于二次调整的作用，发电机增发PG0，对同样允许的f，使PL0可加大；反言之，对同样的PL0，二次调整的PG0使f变小。?若调整适当，使PG0=PL0，则f=0，实现无差调节，这时，调速器不起作用。?若PG0PL0，则f 0,f五、频率的二次调整?由上可见，进行二次调整时，系统中负荷的增减基本上要由调频机组或调频厂承担。

25、虽可适当增大其它机组或电厂的单位调节功率以减少调频机组或调频厂的负担，但数值毕竟有限。这就使调频厂的功率变动幅度远大于其它电厂。如调频厂不位于负荷中心，则这种情况可能使调频厂与系统其它部分联系的联络线上流通的功率超出允许值。这样，就出现了在调整系统频率的同时控制联络线上流通功率的问题。五、频率的二次调整?为讨论这问题，将一个系统分成两部分或看作是两个系统的联合，如图5-29所示。图中KA、KB，分别为联合前A、B两系统的单位调节功率。而为使讨论的结论有更普遍的意义，设A、B两系统中都设有进行二次调整的电厂，它们的功率变量分别为PGA、PGB；A、B两系统的负荷变量则分别为PLA、PLB。设联络

26、线上的交换功率Pab由A向B流动时为正值五、频率的二次调整五、频率的二次调整?于是，在联合前，对A系统PLAPGA=KAfA?对B系统PLBPGB=KBfB?联合后，通过联络线由A向B输送的交换功率，对A系统，也可看作是一个负荷，从而：PLA+Pab PGA=KAfA?对B系统，这交换功率也可看作是一个电源，从而PLB-Pab PGB=KBfB?联合后，两系统频率应相等，即fA=fB=f，可得五、频率的二次调整?（PLAPGA）+（PLBPGB）=（KB+KA）f?f=（PLAPGA+PLBPGB）/（KB+KA）?Pab=KA（PLBPGB）KB（PLAPGA）/（KB+KA）?如果令PA=

27、PLAPGA、PB=PLBPGB分别为两系统的功率缺额。则五、频率的二次调整?f=（PA+PB）/（KB+KA）?Pab=（KA PB KB PA）/（KB+KA）?或Pab=KA f PA=KB f+PB?结论：?互联系统的频率偏差与各系统的功率缺额之和成正比，与各系统的单位调节功率之和成反比。如果总的功率缺额为0，则频率偏差为0。（因为互联系统其实成为了一个整体）?联络线上的交换功率增量 Pab与KA PB KB PA成正比，与（KB+KA）成反比。如果PA/KA=PB/KB，则 Pab=0。五、频率的二次调整?互联系统的频率调整常采用的方式?按频率调整方式，既保持f=0，也称为定频控制（

28、FFC，Flat Frequency Control）?PA+PB=0?Pab=PA=PB?表明联络线上的交换功率增量取决于各个系统的功率缺额。如果各系统的功率缺额为0，即做到了有功功率的分区就地平衡，则 Pab=0，这最理想。如果一个系统的功率缺额很大，则会产生很大的交换功率增量。?采用这种频率调整方式，只需要监视系统频率的变化，调频装置在f=0时停止动作五、频率的二次调整?按联络线交换功率调整方式，既保持 Pab=0，也称为定交换功率控制（FTC，Flat Tie-line Control）?f=PA/KA=PB/KB?表明当任一系统出现功率缺额时系统的频率均会发生偏差，如果无功率缺额，则

29、f=0?采用按联络线交换功率调整方式，只需要监视联络线功率，调频装置在 Pab=0时停止动作。?按频率及联络线交换功率调整方式，也TBC（Tie-line and frequency Bias Control）。这要求各分区系统内部功率就地平衡、即要求Pi=0。五、频率的二次调整?表明各分区只需要维持本系统的功率平衡，而不管其他系统的功率是否平衡，如果其他系统出现功率缺额，则将产生系统频率偏移和联络线交换功率偏移。?采用这种调整方式，既要监视系统频率的偏移，又要监视联络线交换功率偏移。调频装置按Pi调节，当Pi=Pli-Pgi=+(-)Pab-Ki f，Pi也称为区域控制误差ACEi(Area

30、 Control Error)?目前，广泛使用的就是这种方式。六、调频厂的选择?二次调整由少数机组(厂)承担主调频机组(厂)，负荷增量主要由它们承担，可依次分为第一、第二、调频机(厂)?主调频厂一般在负荷中心，要求：?足够的调整容量?有一定调整速度?调整时能符合安全、经济的要求?一般选水电厂、中温中压火电厂?主调频厂起全系统功率平衡的作用，可作平衡节点。七、小结?频率的一次调整、二次调整和三次调整的含义及其作用?负荷预测的意义，如何进行负荷预测?备用定义、分类，各类备用的作用?各种类型发电厂运行特点?丰水期和枯水期如何进行各类电厂的合理组合?耗量特性、比耗量、发电效率和耗量微增率的定义以及它们之间的联系和区别?有功功率的最优分配中机组优化组合和经济功率分配的含义及其联系?最优负荷分配的目标函数和约束条件七、小结?等耗量微增率准则及其推广?水煤换算系数的含义及其作用?网损微增率的含义?调频的特点?频率偏差的不利影响?有功电源的静态频率特性、有功负荷的静态频率特性的含义及变化规律?调差系数和单位调节功率的含义，其大小对调频的影响?一次调频的物理过程及其效果七、小结?系统单位调节功率的计算?二次调频的物理过程及其效果?区域交换功率的计算?调频厂的选择原则?AGC功能，调整方式，各种调整方式的特点THE