电力系统分析第五章

1电力系统分析基础PowerSystemAnalysisBasis（五）2第五章电力系统的有功功率和频率调整1、电力系统中有功功率的平衡2、有功功率的最优分配3、电力系统频率的调整3一.电力系统频率变化的影响•对用户的影响（1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业（2）异步电机功率下降（3）电子设备的准确度•对发电厂和电力系统的影响（1）对发电厂厂用机械设备运行的影响（2）对汽轮机叶片的影响（3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。§5.1电力系统中有功功率的平衡4二频率与有功平衡的关系•频率—由发电机转速决定•转速与其轴上的转矩平衡有关•转矩平衡与功率平衡ETETPPMM§5.1电力系统中有功功率的平衡负荷变化MT：由于惯性大变化慢ME：有功负荷变化快产生瞬时不平衡转矩不平衡发电机转速变化频率变化(+0.2HZ+0.5HZ)5三有功功率负荷的变化及其调整§5.1电力系统中有功功率的平衡6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组成：（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电炉启停调速器频率的一次调整调频器频率的二次调整根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）7§5.1电力系统中有功功率的平衡–备用容量：15%～20%•作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷。定义：备用容量＝系统可用电源容量－发电负荷–有功功率平衡：,GiLiLossPPP8760t(h)P(MW)发电负荷备用容量新增容量四、有功功率电源和备用容量系统电源容量：可投入发电设备的可发功率之和8按作用分：(1)负荷备用：满足负荷波动、计划外的负荷增量2%~5%(2)事故备用：发电机因故退出运行而预留的容量5%~10%(3)检修备用：发电机计划检修4%~5%(4)国民经济备用：满足工农业超计划增长3%~5%按其存在形式分：(1)热备用(2)冷备用备用容量的分类:9•系统中有备用容量时，可考虑有功功率的最优分配问题，包括有功电源的最优组合及有功负荷的最优分配。•有功电源的最优组合：系统中发电设备和发电厂的合理组合。包括：机组的最优组合顺序，机组的最优组合数量，机组的最优开停时间。•有功负荷的最优分配：系统中的有功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。§5.2电力系统中有功功率的最优分配10承担急剧变化负荷时与投、退相似，额外耗能、费时一、各类发电厂的运行特点1火电厂§5.2电力系统中有功功率的最优分配支付燃料费用技术最小负荷锅炉25%—70%汽机10%—15%效率与蒸汽参数有关高温高压：效率高、调节范围小中温中压：较前者低、但调节范围大低温低压：指标最差、不用于调节热电厂：抽气供热，效率最高，有不可调节的强迫功率火电厂112水电厂（1）不需燃料费，但一次投资大（2）出力调节范围比火电机组大（3）启停费用低，且操作简单（4）出力受水头影响（5）抽水蓄能（6）必须释放水量－－强迫功率§5.2电力系统中有功功率的最优分配123核电厂（1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。（2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停及急剧调节时，易于损坏设备。（3）一次投资大，运行费用小。§5.2电力系统中有功功率的最优分配13•原则（1）充分利用水源。（2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。（3）尽量降低火力发电成本，增加燃用劣质煤、当地煤。二、各类发电厂的合理组合§5.2电力系统中有功功率的最优分配14枯水期丰水期抽水发电151、发电机组的耗量特性：反映发电机组单位时间内能量输入和输出关系的曲线。耗量特性三、电力系统有功功率的最优分配§5.2电力系统中有功功率的最优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条件的前提下，尽可能节约消耗的一次能源。16•比耗量：耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即单位时间内输入能量与输出功率之比.•效率：比耗量倒数•耗量微增率：耗量特性曲线上某点切线的斜率，表示在该点的输入增量与输出增量之比。PF/＝FP/＝dPdF/1、发电机组的耗量特性§5.2电力系统中有功功率的最优分配17•有功负荷最优分配的目的：在满足一定约束条件的前提下，尽可能节约消耗的一次能源。•满足条件：等式约束f(x、u、d)=0不等式约束g(x、u、d)≤0使目标函数F=F(x、u、d)最优2、目标函数和约束条件§5.2电力系统中有功功率的最优分配18(1)目标函数•系统单位时间内消耗的燃料（火电机组）niGiiGnnGGPFPFPFPFF12211)()()()(该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数，描述的是单位时间内能源的消耗量。2、目标函数和约束条件§5.2电力系统中有功功率的最优分配19(2)约束条件•等式约束•不等式约束11nmGiLDjLijPPPnimjLDjGiPP11忽略有功网损maxminmaxminGiGiGiGiGiGiQQQPPP2、目标函数和约束条件§5.2电力系统中有功功率的最优分配20•以两台火电机组为例，忽略有功网损；假定各台机组的燃料消耗量和输出功率不受限制，要求：确定负荷功率在两台机组间的分配，使总的燃料消耗量最小。等式约束目标函数021LDGGPPP)()(min2211GGPFPFF3、等耗量微增率准则§5.2电力系统中有功功率的最优分配21•作图法求解（只有两台机组）在OO’上找到一点作垂线，与两条耗量特性曲线的交点间距离最短。在耗量特性曲线具有凸性的情况下，两条曲线的切线平行时，燃料消耗量最少。曲线的切线即斜率，就是该点的耗量微增率。3、等耗量微增率准则§5.2电力系统中有功功率的最优分配22•切线平行时，斜率相等，也就是耗量微增率相等。这就是等微增率准则。•物理意义2211GGdP/dFdP/dF，节约的燃料消耗为：增加，机组减少调整负荷分配，机组，，并且总输出功率不变等：假如两台机组微增率不PPdPdFdPdFGG212211022112211P)dPdFdPdF(PdPdFPdPdFFGGGG23（1）.不计网损的有功最优分配•目标函数最小：•等式约束条件：•这是多元函数求条件极值问题，可以利用拉格朗日乘数法求解。•构造拉格朗日函数niGii)P(FF1niLDGiPP10niLDGiPPFL14、多个发电厂间的负荷经济分配§5.2电力系统中有功功率的最优分配24•求拉格朗日函数的无条件极值niLDGiPPFL1)n,,,i(PFPLGiGi210GiPF)n,1,2,i(dPdFGiiniGii)P(FF125不等式约束的处理•功率上下限约束先不考虑该约束条件进行经济分配计算，若发现越限，越限的发电厂按极限分配负荷，其余发电厂再按经济分配。•节点电压及无功功率约束在经济功率分配后的潮流计算中处理。maxGiGiminGiPPPmaxGiGiminGiQQQmaxiiminiVVV26（2）.考虑网损的有功最优分配•等式约束变为•目标函数不变•拉格朗日函数为10nGiLLDiPPP11nniGiLLDiiLFPPP10iLGiGiGidFPLPdPP1(1,2,,)1iiiGiGiLGidFdFLindPdPPP经过网损修正后的等微增率准则网损修正系数网损微增率的物理意义：某发电厂所发功率的变化引起的网络总损耗的变化——阻抗矩阵法网损微增率27•目标：在整个运行周期内满足用户的电力需求，合理分配水火电厂的负荷，使总燃料消耗量最少。•等式约束：•目标函数最小：21()()()0HTLDPtPtPt2220[()]0HWPtdtK110[()]TFFPtdt这是一个求泛函极值问题，一般应用变分法求解。5、水、火发电厂间的负荷经济分配§5.2电力系统中有功功率的最优分配28•变分法求解，分段处理•等式约束：•目标函数：2.1..0HkTkLDkPPP2.2.21()0ktkHkkkWPtK1.1.1()ktkTkkkFFPt5、水、火发电厂间的负荷经济分配§5.2电力系统中有功功率的最优分配29拉格朗日函数*1.1.2.1..1122.2.21()()ktktkTkkkHkTkLDkkkkktkHkkkLFPtPPPtWPtK5、水、火发电厂间的负荷经济分配*1.1.1.1.()0kTkkTkTkdFPLPdP*2.2.22.2.()0kHkkHkHkdWPLPdP305、水、火发电厂间的负荷经济分配1.1.2.2.21.2.()()kTkkHkkTkHkdFPdWPdPdP11111222222()/()()/()TTTHHHdFPdPdFPdWPdPdWP任一瞬间：1122212()()THTHdFPdWPdPdP其中：水煤换算系数1m3水量相当于2吨煤的消耗丰水期小，枯水期大31水、火电厂之间的经济分配仍按等微增率原则分配，只不过，水电厂微增率乘一个2后分配，水电厂在一定时间内可消耗水量越多，单位重量燃料可折换的水量越大，2从而2H也越小，水电厂应分配更多负荷。由于j事先未知，须假设j的初值，分配计算求出各段负荷，然后计算出T时间内的用水量物理解释：计算：WkjT)()()()(与Wj比较结束计算增大j0，重复计算减小j0，重复计算5、水、火发电厂间的负荷经济分配32目标函数不同1、发电总燃料量最小最小化全系统发电燃料总耗量(或总的费用)。2、氮氧化物排放量最小3、电网收益最大：在各电厂上网电价和电网售出电价已经通过合同方式确定的条件下，电网收益最大。4、购电费用最小经济调度问题331、定义：负荷与用户的生产状态有关与频率无关—照明、电炉等与接入点系统电压有关与系统频率有关——仅考虑频率因素假设不变2、负荷性质：与频率的一次方成正比—球磨机、卷扬机等与频率的二次方成正比—变压器的涡流损耗等与频率的三次方成正比—通风机、循环水泵等与频率的高次方成正比—静水头阻力大的给水泵§5.3电力系统的频率调整一、负荷的有功功率－频率静态特性34230123LLNLNLNLNNNNfffPaPaPaPaPfff13210aaaa230123LPaafafafNLNfP以和为基准值的标幺值表达式§5.3电力系统的频率调整35负荷的有功功率－频率静态特性简化表达当频率偏离额定值不大时，负荷有功－频率静态特性用一条近似直线来表示。LLPKtgf//LLNLLNPPPKfff负荷的单位调节功率，表示负荷随频率的变化程度。5.1*LK36二、发电机组的有功功率－频率静态特性•调速器的工作原理1为转速测量元件—离心飞摆及其附件；2为放大元件—错油门(或称配压阀)；3为执行机构—油动机(或称接力器)；4为转速控制机构或称同步器(调频器)37•调频器的工作原理38（1）、无调速系统时:PT=c1f-c2f2（2）、有调速系统时二、发电机组的有功功率－频率静态特性§5.3电力系统的频率调整39（3）、有调频器时二、发电机组的有功功率－频率静态特性§5.3电力系统的频率调整402、概念介绍1)发电机的单位调节功率：发电机组原动机或电源频率特性的斜率。标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡。GNNGGNNGGG