電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整

1、1廣西大學(xué)課程教案電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析2 第五章 電力系統(tǒng)的有功功 率和頻率調(diào)整1.有功功率的最優(yōu)分布2.頻率調(diào)整3概述n電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一。如何保證正常、穩(wěn)態(tài)運行時的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性問題，是我們考慮的重點問題之一。n衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)包括：頻率質(zhì)量、電壓質(zhì)量和波形質(zhì)量，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。n衡量運行經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)為：比耗量和線損率n有功功率的最優(yōu)分布包括：有功功率負(fù)荷預(yù)計、有功功率電源的最優(yōu)組合、有功功率負(fù)荷在運行機(jī)組間的最優(yōu)分配等。4第一節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的平衡n電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度：是在滿足安全和一定質(zhì)量要求的條件下盡可能提高運行的經(jīng)濟(jì)性

2、，即合理地利用現(xiàn)有的能源和設(shè)備，以最少的燃料消耗量（或燃料費用或運行成本），保證對用戶可靠而滿意地供電。n最優(yōu)潮流：滿足各節(jié)點正常功率平衡及各種安全性不等式約束條件下，求以發(fā)電費用（耗量）或網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)的潮流分布。n最優(yōu)潮流的優(yōu)點：將安全性運行和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運行等問題綜合地用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來描述。 5一.負(fù)荷預(yù)測的簡要介紹電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的第一個問題就是研究用戶的需求，即進(jìn)行電力負(fù)荷預(yù)測，按照調(diào)度計劃的周期，可分為日負(fù)荷預(yù)測，周負(fù)荷預(yù)測和年負(fù)荷預(yù)測。不同的周期的負(fù)荷有不同的變化規(guī)律：1.第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負(fù)荷變動有很大的偶然性；2.第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種

3、負(fù)荷的主要有：電爐、壓延機(jī)械、電氣機(jī)車等帶有沖擊性的負(fù)荷變動；3.第三種變動基本上可以預(yù)計，其變動幅度最大，周期也最長，是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動。6負(fù)荷預(yù)測的精度直接影響經(jīng)濟(jì)調(diào)度的效益，提高預(yù)測的精度就可以降低備用容量，減少臨時出力調(diào)整和避免計劃外開停機(jī)組，以利于電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 負(fù)荷預(yù)測分類：1.安全監(jiān)視過程中的超短期負(fù)荷預(yù)測；2.日調(diào)度計劃；3.周負(fù)荷預(yù)測；4.年負(fù)荷預(yù)測；5.規(guī)劃電源和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時需要用120年的負(fù)荷預(yù)測值。7n根據(jù)負(fù)荷變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分為：1.一次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行；2.二次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器進(jìn)行；3.三次調(diào)

4、頻：由調(diào)度部門根據(jù)負(fù)荷曲線進(jìn)行最優(yōu)分配。n前兩種是事后的，第三種是事前的。n一次調(diào)頻是所有運行中的發(fā)電機(jī)組都可參加的，取決于發(fā)電機(jī)組是否已經(jīng)滿負(fù)荷發(fā)電。這類 發(fā)電廠稱為負(fù)荷監(jiān)視廠。n二次調(diào)頻是由平衡節(jié)點來承擔(dān)。 8二.一些名詞性解釋n有功功率電源：可投入發(fā)電設(shè)備的可發(fā)功率之和，不應(yīng)小于包括網(wǎng)損和廠用電在內(nèi)的系統(tǒng)（總）發(fā)電負(fù)荷。n系統(tǒng)的備用容量：系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分，可分為熱備用和冷備用或負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟(jì)備用等。9第二節(jié) 電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配 經(jīng)濟(jì)調(diào)度的第二個問題是有功功率的最優(yōu)分配，包括有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配。一.有功功率電源的最

5、優(yōu)組合有功功率電源的最優(yōu)組合：是指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè) 備或發(fā)電廠的合理組合。通常所說的機(jī)組的合理開停，大體上包括三個部分：1.機(jī)組的最優(yōu)組合順序2.機(jī)組的最優(yōu)組合數(shù)量3.機(jī)組的最優(yōu)開停時間10二.有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配n最優(yōu)化最優(yōu)化：是指人們在生產(chǎn)過程或生活中為某個目的而選擇的一個“最好”方案或一組“得力”措施以取得“最佳”效果這樣一個宏觀過程。n有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配：有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配：是指系統(tǒng)的有功功率負(fù)荷在各個正在運行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配。其核心是按等耗量微增率準(zhǔn)則進(jìn)行分配。n電力系統(tǒng)最優(yōu)運行電力系統(tǒng)最優(yōu)運行是電力系統(tǒng)分析的一個重要分支，它所研究的問題主要是在保證用戶用電需求

6、（負(fù)荷）的前提下，如何優(yōu)化地調(diào)度系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)組或發(fā)電廠的運行工況，從而使系統(tǒng)發(fā)電所需的總費用或所消耗的總?cè)剂虾牧窟_(dá)到最小這樣決策問題。 111.數(shù)學(xué)模型 一般非線性規(guī)劃問題可描述為滿足非線性約束條件是非線性函數(shù)的最小值問題，其標(biāo)準(zhǔn)形式為： 即在滿足h(x)=0的等式約束條件下和g(x)不等式的條件下，求取目標(biāo)函數(shù)f(x)值最小。gxggxhtsxf)( 0)( . .)(min122. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型 1)目標(biāo)函數(shù)：系統(tǒng)發(fā)電所需的總費用或所消耗的總?cè)剂虾牧?對于純火電系統(tǒng)， 發(fā)電廠的燃料費用主要與發(fā)電機(jī)輸出的有功功率有關(guān)，與輸出的無功功率及電壓等運行參數(shù)關(guān)系較小 。這種反映單位時

7、間內(nèi)發(fā)電設(shè)備的能量消耗與發(fā)出的有功功率之間的關(guān)系稱為耗量特性。其函數(shù)關(guān)系式為： 單位：噸/小時 上述函數(shù)可用試驗數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合而成，根據(jù)前人經(jīng)驗，階數(shù)為2比較合適，即GiiiPff iGiiGiiiaPaPaf0122132. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型 總的目標(biāo)函數(shù)為：關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的一些重要的概念：1)耗量微增率耗量微增率 ：單位時間內(nèi)輸入能量微增量與輸出功率微增量的比值。為耗量特性曲線上某一點切線的斜率。2)比耗量比耗量 ：單位時間內(nèi)輸入能量與輸出功率之比。為耗量特性曲線上某一點縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的比值。3)發(fā)電設(shè)備的效率發(fā)電設(shè)備的效率 ：為比耗量的倒數(shù)。 GSiiGiiGiitiaP

8、aPaFf0122cosmindPdWPWdPdFPF/ /或PWPF/ /或142. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型2)等式約束條件：有功功率必須保持平衡的條件。 對于每個節(jié)點： 對于整個系統(tǒng)： 若不計網(wǎng)損：0sincos1ijijijijnjjiLiGiBGUUPP011PPPniLiniGi011niLiniGiPP152. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型3)不等式約束條件：為系統(tǒng)的 運行限制。4)變量：各發(fā)電設(shè)備輸出有功功率。 maxminmaxminmaxminiiiGiGiGiGiGiGiUUUQQQPPP163. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的求解 一般用拉格朗日乘數(shù)法。 現(xiàn)用兩個發(fā)電廠之間的經(jīng)

9、濟(jì)調(diào)度來說明，問題略去網(wǎng)絡(luò)損耗。1)建立數(shù)學(xué)模型。 210122cosminiiGiiGiitaPaPaFf02121iLiiGiPPmax22min2max11min1max22min2max11min1max22min2max11min1,UUUUUUQQQQQQPPPPPPGGGGGGGGGGGG173. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的求解2)根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和等式約束條件建立一個新的、不受約束的目標(biāo)函數(shù)拉格朗日函數(shù)。3)對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到最小值時應(yīng)有的三個條件： （1）21212211*LLGGGGPPPPPFPFC拉格朗日乘子212121222111,00LLGGGGGGGGPPPP

10、PPfdPPdFdPPdF183. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的求解4)求解（1）得到： 這就是著名的等耗量微增率準(zhǔn)則，表示為使總耗量最小，應(yīng)按相等的耗量微增率在發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間分配負(fù)荷。5)對不等式約束進(jìn)行處理v對于有功功率限制，當(dāng)計算完后發(fā)現(xiàn)某發(fā)電設(shè)備越限，則該發(fā)電設(shè)備取其限制，不參加最優(yōu)分配計算，而其他發(fā)電設(shè)備重新進(jìn)行最優(yōu)分配計算。v無功功率和電壓限制和有功功率負(fù)荷的分配沒有直接關(guān)系，可暫時不計，當(dāng)有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配完成后計算潮流分布在考慮。21194. 用迭代法求解電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題1)設(shè)耗量微增率的初值 ；2)求與 對應(yīng)的各發(fā)電設(shè)備應(yīng)發(fā)功率 ；3)校驗求得的 是否滿足等式約束條件

11、：4)如不能滿足，則如 ，取 ；如 ，取 ，自2）開始重新計算。5)直到滿足條件。)0()0(GiP)0()0(GiP011)0(niLiniGiPPLiGiPP)0()1(LiGiPP)0()1(20例題215. 等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣運用n用于解決火力發(fā)電廠與水力發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題。n其目標(biāo)函數(shù)不變，不等式約束不變n等式約束中加水量特性方程： wj：單位時間內(nèi)水力發(fā)電設(shè)備的水量消耗。n另外還有所不同的是須各時段聯(lián)立求解。n解P212（5-21），得到：KdtPwGjj02222111HHTTdPPdWrdPPdF225. 等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣運用即： 實際可看作是一個換算系數(shù)，也稱

12、為水價系數(shù)。在枯水季節(jié)，水電廠承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)， 比較小，比較大；在洪水季節(jié)，水電廠承擔(dān)基荷任務(wù)， 比較大，比較小。221WTr2r2r2r235. 等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣運用1)根據(jù)給定的可消耗水量K2，設(shè)換算系數(shù)的初值 ；2)求與 相對應(yīng)的，各個不同時刻的有功功率負(fù)荷最優(yōu)分配方案；3)計算與這最優(yōu)分配方案對應(yīng)的消耗水量 ；4)校驗求得的 是否與給定的K2相等；5)當(dāng) 時，取 ；當(dāng) ，取 。自第二步開始重復(fù)計算；6)繼續(xù)計算，直到求得的 與給定的K2相等為止。)0(2r)0(2r)0(2K)0(2K2)0(2KK)0(2)1(2rr2)0(2KK)0(2)1(2rr)(2kK24第三節(jié) 電力系統(tǒng)

13、的頻率調(diào)整一.概述頻率是電力系統(tǒng)運行的一個重要的質(zhì)量指標(biāo)，直接影響著負(fù)荷的正常運行。負(fù)荷要求頻率的偏差一般應(yīng)控制在（0.2 0. 5）Hz的范圍內(nèi)。一般而言，系統(tǒng)綜合負(fù)荷的有功功率與頻率大致呈一次方關(guān)系。要維持頻率在正常的范圍內(nèi)，其必要的條件是系統(tǒng)必須具有充裕的可調(diào)有功電源。25頻率不穩(wěn)定給運行中的電氣設(shè)備帶來的危害：1.對用戶的影響v產(chǎn)品質(zhì)量降低v生產(chǎn)率降低 2.對發(fā)電廠的影響v 汽輪機(jī)葉片諧振v輔機(jī)功能下降3. 對系統(tǒng)的影響v互聯(lián)電力系統(tǒng)解列v發(fā)電機(jī)解列26二. 自動調(diào)速系統(tǒng)及其特性 關(guān)鍵在于利用杠桿的作用調(diào)整汽輪機(jī)或水輪機(jī)的導(dǎo)向葉片，使其開度增大，增加進(jìn)汽量或進(jìn)水量。 P22427三.

14、頻率的一次調(diào)整1.概念介紹1)發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機(jī)組原動機(jī)或電源頻率特性的斜率。 標(biāo)志著隨頻率的升降發(fā)電機(jī)組發(fā)出功率減少或增加的多寡。GNNGGNNGGGGPfKfPfPKHzMwfPK/ *281. 概念介紹2)發(fā)電機(jī)是調(diào)差系數(shù)：單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：一般來說發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機(jī)組 =35或 =33.320水輪發(fā)電機(jī)組 =24或 =5025100100% 0 000NNGNNGNGNNGNNGfffPffPPffPffPf100%1*GK%*GK%*GK291. 概念介紹3)負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率：綜合負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性的斜率。

15、一般而言：LNNLLNNLLLLPfKfPfPKHzMwfPK/ *5 . 1*LK302. 頻率的一次調(diào)整1)簡述：由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率不能及時變動而使機(jī)組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時，發(fā)電機(jī)組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，達(dá)到新的平衡。2)數(shù)學(xué)表達(dá)式：KS：稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，單位Mw/Hz。表示原動機(jī)調(diào)速器和負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少。SLGLLGLKKKfPfKKP/00312. 頻率的一次調(diào)整3)注意：取功率的增大或頻率的上升為正；為保證調(diào)速系統(tǒng)本身運行的穩(wěn)定，不能采用過大的單位調(diào)節(jié)功率；

16、對于滿載機(jī)組，不再參加調(diào)整。 對于系統(tǒng)有若干臺機(jī)參加一次調(diào)頻： 具有一次調(diào)頻的各機(jī)組間負(fù)荷的分配，按其調(diào)差系數(shù)即下降特性自然分配。LGSKKK32例題33四. 頻率的二次調(diào)整1.當(dāng)負(fù)荷變動幅度較大（0.5%1.5%），周期較長（幾分鐘），僅靠一次調(diào)頻作用不能使頻率的變化保持在允許范圍內(nèi)，這時需要籍調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)頻器動作，以使發(fā)電機(jī)組的功頻特性平行移動，從而改變發(fā)電機(jī)的有功功率以保持系統(tǒng)頻率不變或在允許范圍內(nèi)。2.數(shù)學(xué)表達(dá)式 如果 ，即發(fā)電機(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量，則 ，即所謂的無差調(diào)節(jié)。 對于N臺機(jī)，則：SLGGLLGGLKKKfPPfKKPP000000GLPP0fSLGGLKKKf

17、PP0034四. 頻率的二次調(diào)整3.當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時，由以下三方面提供：n二次調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率 ；n發(fā)電機(jī)組執(zhí)行一次調(diào)頻，按有差特性的調(diào)差系數(shù)分配而增發(fā)的功率 ；n由系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負(fù)荷功率 。GPfKGfKL35四. 頻率的二次調(diào)整4.頻率調(diào)整圖36五. 調(diào)頻廠的選擇 調(diào)頻廠須滿足的條件：n調(diào)整的容量應(yīng)足夠大；n調(diào)整的速度應(yīng)足夠快；n調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能應(yīng)該好；n注意系統(tǒng)內(nèi)及互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。通過分析各種電廠的特點，調(diào)頻廠的選擇原則為：n系統(tǒng)中有水電廠時，選擇水電廠做調(diào)頻廠；n當(dāng)水電廠不能做調(diào)頻廠時，選擇中溫中壓火電廠做調(diào)頻廠。37六. 互聯(lián)系統(tǒng)頻率的調(diào)整 由幾個地區(qū)

18、系統(tǒng)互聯(lián)為一個大系統(tǒng)的情況，對某一個地區(qū)系統(tǒng)而言，負(fù)荷變化（增加） 時，可能伴隨著與其他系統(tǒng)交換功率的變化 ，則有PtPfKfKKPPPSDGGt38 若設(shè)A、B兩系統(tǒng)互聯(lián)，兩系統(tǒng)負(fù)荷變化（增加）分別為 ，引起互聯(lián)系統(tǒng)的頻率變化（降低） ，及聯(lián)絡(luò)線交換功率的變化 ，如下圖：系統(tǒng)A：系統(tǒng)B：在負(fù)荷增加 的影響下，兩系統(tǒng)的頻率和交換功率的變化量為： A B tP DBDAPP,ftPfKPPPfKPPPBGBtDBAGAtDADBDAPP, BAABBABAGADABGBDBAtBABABABAGBDBGADAKKPKPKKKPPKPPKPKKPPKKPPPPf39例題40七. 自動負(fù)荷-頻率控制 這是廣義的自動調(diào)頻，其功能有：n保持系統(tǒng)頻率等于或十分接近額定值；n保持系統(tǒng)內(nèi)各區(qū)域或聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)間的交換功率為給定值；n保持各發(fā)電設(shè)備以最經(jīng)濟(jì)的方式運行。41第四節(jié) 最優(yōu)潮流一.概述n電力系統(tǒng)最重要的兩個指標(biāo)： 經(jīng)濟(jì)性 安全性 n最優(yōu)潮流：滿足各節(jié)點正常功率平衡及各種安全性不等式約束條件下，求以發(fā)電費用（耗量）或網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)的潮流分布。n最優(yōu)潮流的優(yōu)點：將安全性運行和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運行等問題綜合地用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型