电力系统稳态课件-第五章-电力系统的有功功率和频率调整sry

第五章电力系统的有功功率和频率调整华侨大学尚荣艳衡量电能质量的指标频率电压波形衡量经济性的主要指标比耗量线损率详见第一章P6电力系统经济调度：是在满足安全和一定质量要求的条件下尽可能提高运行的经济性，即合理地利用现有的能源和设备，以最少的燃料消耗量（或燃料费用或运行成本），保证对用户可靠而满意地供电。最优潮流：满足各节点正常功率平衡及各种安全性不等式约束条件下，求以发电费用（耗量）或网损为目标函数的最优的潮流分布。最优潮流的优点：将安全性运行和最优经济运行等问题综合地用统一的数学模型来描述。第1节电力系统中有功功率的平衡•发电机组的功率平衡:发电机的电磁功率PE与原动机的机械功率PT之间的平衡。(PD为机械损耗杂散损耗等)•PT＝PE+PD≈PE•电力系统的功率平衡：发电机与负荷之间的电磁功率平衡，时刻平衡LossLoadGPPP一、有功功率负荷的变动和调整控制发电机组的有功平衡与频率的关系dq)2(fTiPGiP发电机组原动机＋发电机推力阻力fPPfPPffPPGiTiGiTiGiTi0＝原动机惯性大，有功调节慢，无法时刻保持与瞬变负荷及发电机功率的平衡，而只能保证动态平衡，相应频率也只能保持动态稳定。频率变化反映机组的有功平衡关系，是机组有功调节的依据。负荷波动是频率偏差的根本原因有功平衡的高低决定了频率的高低目标：保证频率的质量与稳定，满足有功调度的经济与可靠性要求电力系统经济调度的第一个问题就是研究用户的需求，即进行电力负荷预测，按照调度计划的周期，可分为日负荷预测，周负荷预测和年负荷预测。不同的周期的负荷有不同的变化规律负荷变动的类型及其特点第一种：变动幅度很小，周期很短，有很大的偶然性。——偶然性的负荷变动第二种：变动幅度较大，周期较长，冲击性负荷（电炉、压延机械、电气机车）——冲击性的负荷变动第三种：变动幅度最大，周期最长，由生产、生活、气象变化引起（可以预计）——可预见的负荷变动频率的一次调整：用发电机组的调速器(第一种负荷变动)。频率的二次调整：用发电机组的调频器(第二种负荷的变动)。——调频厂，对应潮流计算中的平衡节点频率的三次调整：按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。负荷侧管理：个别负荷大量或长时间超计划用电以致影响系统运行质量时，由系统管理部门在远方将其部分或全部切除的控制方式(不同于前三种)据此，电力系统的有功功率和频率调整，大体上也可分为一次、二次、三次调整三种：•前两种是事后的，第三种是事前的。•一次调频是所有运行中的发电机组都可参加的，取决于发电机组是否已经满负荷发电。这类发电厂称为负荷监视厂。•二次调频是由平衡节点来承担。电力系统中负荷变动的幅度愈大，周期就愈长。图5-2调频任务的分配P二、有功功率负荷曲线的预计进行有功功率和频率三次调整时，多半是以有功功率日负荷曲线为依据的.传统方法收集未来若干天的预计负荷(大用电量用户)；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：一般约为系统总负荷的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考虑厂用电：水电厂，0.1%～1%；火电厂，5%～8%；原子能电厂：4%～5%；相应必须考虑可投入的发电设备和发电容量，特别注意气象条件变化对负荷曲线的影响。实测负荷曲线形成以后，还需要负荷曲线的加工。图5-3负荷曲线加工加工原则：实测曲线加工前后，最大和最小负荷特征及曲线下的面积应一致。实测曲线加工后的曲线负荷曲线的加工三、有功功率电源和备用容量•有功功率电源系统中可供调度的系统电源容量可能小于总装机容量定期停机检修水电厂的发电机因水头极度降低不能按额定容量发电各发电厂预计可投入运行的发电机组的可发功率之和为可供调度的系统电源容量。•有功功率备用容量为了保证可靠供电和良好的电能质量，系统电源容量必须大于发电负荷。备用容量：可供调度的系统电源容量大于发电负荷的部分。热备用(旋转备用)：运转中的发电设备可能发的最大功率与系统发电负荷之差。冷备用：未运转的发电设备可能发的最大功率。检修中的发电设备不属冷备用。发电设备从“冷状态”至投入系统发出额定功率所需时间几分钟（水电常）或十余小时（火电厂）。热备用越多，越有利于保证电能质量和供电可靠性，但经济性不好。负荷备用：调整系统中的短时负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用。负荷备用设置在调频厂内,取最大负荷的2%～5%，（大系统取小值，小系统取大值。）事故备用：使电力用户在发电设备发生偶然性事故时不受严重影响，维持系统正常供电需要的备用。取最大负荷的5%～10%，但不得小于系统中最大机组的容量。检修备用：使系统中的发电设备能定期检修而设置的备用。系统负荷季节性低落期间和节假日安排不下所有设备的大小检修时才设置专门的检修备用。国民经济备用：计及负荷的超计划增长而设置的备用。•各种备用容量的关系负荷备用——热备用事故备用——至少包括一部份热备用（可含冷备用）检修备用（通过检查年最大负荷曲线来确定，即视需要)国民经济备用负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用，以热备用和冷备用的形式存在于系统中。具备了备用容量，才可能谈及备用用量在各发电设备和发电厂之间的最优分配以及系统的频率调整问题。第2节电力系统中有功功率的最优分配•有功功率的最优分配主要包括两个内容：•（1）有功功率电源的最优组合：系统中发电设备或发电厂的合理组合，即机组的最优启停调度（日调度问题）。主要涉及冷热备用容量的合理分布问题。•（2）有功功率负荷的最优分配：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，即负荷的经济调度或者最优潮流问题。主要涉及热备用容量的合理分布问题。•目标有耗煤量最少、污染排放量最少、启停损失最少、发电成本最少、耗水量最少、水电发电量最多等。约束条件有机组的运行特性约束、网络安全约束、水库流量约束等一、各类发电厂的运行特点和合理组合•火力发电厂的运行特点锅炉和汽轮机都有技术最小负荷，前者为额定负荷的25%～70%，后者为额定负荷的10%～15%，总35%～85%锅炉和汽轮机的投切或承担急剧变动负荷时都会耗能、费时，且易于损坏设备。火电厂锅炉和汽轮机的分类：(1)高温高压设备：效率高；灵活调节的范围窄(2)中温中压设备：效率较高温高压设备低；灵活调节的范围较高温高压设备宽。(3)低温低压设备：技术经济指标最差，应淘汰热电厂(供热式火力发电厂):效率高,技术最小负荷取决于热负荷(称为强迫功率)•原子能发电厂的特点反应堆的负荷没有限制，其技术最小负荷取决于汽轮机，为其额定负荷的10%～15%反应堆和汽轮机的投切或承担急剧变动负荷时会耗能、费时、易于损坏设备原子能发电厂的一次投资大，运行费用小。•水力发电厂的特点水电厂的强迫功率：为保证河流下游的灌溉、通航，向下游释放一定水量时发出的功率。水轮机也有技术最小负荷，其值因水电厂的具体条件而异。水轮机的投切或承担急剧变动负荷时操作简单，不会耗费很多能量和花费很多时间。水电厂水头过分低落时，水轮发电机组可发的功率要降低。水电厂按其有无调节水库、调节水库的大小或其功能分为无调节、日调节、季调节、年调节、多年调节和抽水蓄能等几类•无调节和有调节水电厂的分类特点•无调节水库的水电厂：——径流式水电厂发出的功率取决于河流的天然流量。一昼夜间水量和机组发出功率基本不变。•有调节水库的水电厂：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，满负荷运行。——来水多，避免弃水。枯水季节，承担急剧变动负荷。——来水少，可储存根据水库容量分为：日、年、多年等调节方式，库容越大，调节能力越强。所谓多年调节，指库容足够大，可存储多年的多余水量，说明其库容调节能力强。•抽水蓄能水电厂的特点上下方各有一水库。系统负荷出现低谷时，抽水至上水库储蓄水能系统负荷出现高峰时，放水至下水库同时发电抽水蓄能，放水发电循环的总效率只有70%，但由于其具有很强的消峰填谷的作用，可以使火电厂的负荷比较平稳，因此，当系统的有功调节能力不足，或者存在核电厂时，应该考虑建设抽水蓄能水电厂。•各类发电厂的合理组合(1)各类发电厂的组合顺序——考虑调节效率/能力火电厂以承担基本不变的负荷为宜，避免频繁调节。高温高压电厂优先投入，其次是中温中压电厂。原子能电厂原则上应持续承担额定容量负荷，运行费用小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洪水季节先投入；枯水季节后投入。抽水蓄能水电厂低谷负荷时当负荷，高峰负荷时当电源。•(2)不能忽视保证可靠供电、降低网损、维持良好的电能质量和足够的系统稳定性等要求。•(3)负荷曲线的最高处是肩负调整系统频率任务的发电厂的工作位置。负荷备用设置在调频厂内，枯水季节由大水电厂承担调频任务，丰水期则为中温中压火电厂，抽水蓄能电厂在其发电期间也可以参与调频。枯水期丰水期组合顺序示意图各类发电厂的日负荷曲线1.耗量特性发电设备的输入和输出的关系，即发电设备单位时间内消耗的燃料F（耗水量W）与发出有功功率PG的关系。2.比耗量μ耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值。GGPWPF/or/•最优负荷分配的基本概念二、最优负荷分配时的目标函数和约束条件3.发电设备的效率η输入功率与输出功率之比。耗量特性的纵横坐标单位相同时，4.耗量微增率λ单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量的比值。OIPP//1PWPWPFPFd/d/ord/d/5.最小比耗量μmin耗量特性曲线切点对应的比耗量。E(F、W)PGE=f(PG)θtgαtg•目标函数：C=C(x,u,d)•等约束条件：f(x,u,d)=0•不等约束条件：g(x,u,d)≤0x为状态变量；u为控制变量；d为扰动变量•最优负荷分配的目标函数与约束条件:(1)状态变量(x)：反映系统运行状态的变量——因变量；•除平衡节点外，其它所有节点的电压相角；•除发电机节点以及具有可调无功补偿设备节点之外，其它所有节点的电压模值。(2)控制变量(u)：可以设定、调整的变量•除平衡节点外，其它发电机的有功出力：•所有发电机节点(包括平衡节点)及具有可调无功补偿设备节点的电压模值；•带负荷调压变压器的变比。(3)扰动变量(d)：不可控制的变量，包括：PL、QL…•最优潮流模型的目标函数，最常用的有两种：(1)系统运行成本最小。该目标函数一般表示为火电机组燃料费用最小，不考虑机组启动、停机等费用。其中机组成本耗费曲线是模型的关键问题，它不仅影响解的最优性，还制约求解方法的选取。通常机组燃料费用函数常用其有功出力的多项式表示，最高阶一般不大于3。若阶数大于3，目标函数将呈现非凸性，造成最优潮流模型收敛困难。(2)有功传输损耗最小。无功优化潮流通常以有功传输损耗最小为目标函数，它在减少系统有功损耗的同时，还能改善电压质量。本书以第一种为例有功最优分配的目标函数是使全系统每小时的总能源消耗或燃料费用为最小。对于纯火电系统，发电厂的燃料费用主要与发电机输出的有功功率有关，与输出的无功功率及电压等运行参数关系较小。这种反映单位时间内发电设备的能量消耗与发出的有功功率之间的关系称为耗量特性。其函数关系式为：单位：吨/小时GiiiPff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，即总的目标函数为：iGiiGiiiaPaPaf0122GSiiGiiGiitiaPaPaFf0122cosmin•等约束条件：有功功率必须保持平衡的条件对于每个节点：对于整个系统：若不计网损：0sincos1ijijijijnjjiLiGiBGUUPP011PPPniLiniGi011niLiniGiPP各发电机出力不等约束条件为系统各点的电压不等约束条