电力系统分析第四章.ppt

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1、电力系统分析,第四章 电力系统有功功率和频率调整,第四章 电力系统有功功率和频率调整,4.1 电力系统有功功率的平衡,引言：,4.1 电力系统有功功率的平衡,2、频率与有功平衡的关系：1）转矩平衡与功率平衡：2）转矩不平衡时，转子转速变化，引起频率变化：,1、频率偏差的概念：实际频率与额定频率之间的差值；我国频率额定值是50Hz，偏移范围为（0.20.5）Hz。,一、频率偏差及频率调整的必要性,4.1 电力系统有功功率的平衡,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

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。,3、频率调整的必要性（频率变化的影响）：,4.1 电力系统有功功率的平衡,根据有功负荷随时间不规则变化按其变化幅度和周期，将负荷变动分为三类：（1）变动幅度很小，变化周期很短，这种负荷变动有很大的偶然性，属随机负荷变动；（2）变动幅度较大，变化周期较长，属于这种负荷的主要有：电炉、电气机车等带有冲击性的负荷变动；（3）变动幅度最大，变化周期最长，其变动基本上可以预计，是由生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。,二、有功功率负荷的变化及调整,1、有功负荷变动的分类：,4.1 电力系统有功功率的平衡,有功功率负荷的变化及调整

3、,这三种负荷变动都将使电力系统的频率发生一定的变化，有 功功率电源的输出功率也发生变化。,4.1 电力系统有功功率的平衡,根据负荷变动的分类，有功平衡和频率调整也相应分为三类：a.一次调频：由发电机调速器进行；b.二次调频：由发电机调频器进行；c.三次调频：由调度部门根据负荷预测曲线进行最优分配。,前两种是事后的，第三种是事前的。一次调频时所有运行中的发电机组都可以参加，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；三次调频则属于电力系统经济运行调度的范畴。,2、有功平衡和频率调整：,4.1 电力系统有功功率的平衡,1、有功功率平衡：,有功功率电源：

4、电力系统各类发电厂的发电机；系统电源容量（系统装机容量）：系统中所有发电厂机组 额定容量的总和；备用容量：系统电源容量大于发电负荷的部分。,三、有功功率平衡和备用容量,即保证有功功率电源发出有功与系统发电负荷相平衡。,2、相关的一些基本概念：,4.1 电力系统有功功率的平衡,作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量 必须大于发电负荷。,分类：按存在形式分为：热备用和冷备用；按作用分为：负荷备用、事故备用、检修备用、国民 经济备用等。,3、备用容量的分类：,1、负荷备用：调整负荷波动或超计划负荷增加；,2、事故备用：发电设备发生偶然事故时，维持系统正常供电所需的备用；,3、检修备用：

5、使系统中发电设备能定期检修而设置；,4、国民经济备用：着眼未来,4.1 电力系统有功功率的平衡,四、有功功率负荷曲线的预测,1、电力系统经济调度概述：,电力系统经济调度是电力系统运行的重要内容之一，其主要任务是在保证电能质量和供电安全性的前提下，使系统的运行成本降至最低。系统经济调度主要通过制定优化的系统运行计划来实现。短期运行计划就是指日或周的系统发电计划，其直接服务于系统的优化运行。系统的短期运行计划问题是一个十分复杂的系统优化问题，但由于其所带来的显著经济效益，人们一直在积极研究，提出了各种方法来解决这个问题。,4.1 电力系统有功功率的平衡,2、有功功率负荷预测目的：电力系统经济调度的

6、第一个问题就是研究用户的需求，即进 行电力负荷预测，以此为依据按最优准则对各发电厂、发电 机组之间进行有功功率的经济分配。,3、负荷曲线的编制：发电厂负荷曲线总负荷网损厂用电 参照长期积累的数据对用户的用电计划进行调整；确定网络损耗和厂用电；注意气象、节假日等条件的变化。,4、负荷预测方法：传统预测方法和现代预测方法。,1.人工神经网络法 2.模糊系统方法 3.专家系统方法 4.灰色系统方法 5.遗传算法 6.小波分析方法,4.2 电力系统有功功率的最优分配,2、主要内容 要求在保证系统安全的条件下，在所研究的周期内，以小时为单位合理选择电力系统中哪些机组应该运行、何时运行 及运行时各机组的发

7、电功率，其目标是在满足系统负载及其它物理和运行约束的前提下使周期内系统消耗的燃料总量或总费用值为最少。,引言：,4.2 电力系统有功功率的最优分配,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，即通常所说的机组的合理开停，大体上包括三个部分：1.机组的最优组合顺序；2.机组的最优组合数量；3.机组的最优开停时间。,有功功率负荷的最优分配：是指系统的有功功率负荷 在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配；核心是按等耗量微增率准则 进行分配。,各类发电厂的基本运行特点?,发电厂的效率：比耗量倒数；即。,2、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 能量的输

8、入和输出之比，记为；即。,4.2 电力系统有功功率的最优分配,一、基本概念,1、耗量特性：反映发电设备或几种发电设备 的组合在单位时间内能量输入 和输出关系的曲线。,4.2 电力系统有功功率的最优分配,3、耗量微增率：耗量特性曲线上某点切线的斜率，表示在该点 的能量输入增量与输出增量之比，即,4.2 电力系统有功功率的最优分配,1、目标函数：有功负荷最优分配的目的：在满足有功功率平衡的前提下，合理分配各发电机组出力，使发电设备在生产电能的过程 中所消耗的能源最少或成本最少。,二、有功功率负荷最优分配的目标函数和约束条件,单位时间内总能源消耗最少（n火电厂系统）：,该目标函数是各发电设备发出有功

9、功率的函数，描述的是单位时间内能源的总消耗量。,耗量特性相互独立,4.2 电力系统有功功率的最优分配,当消耗的能源受到限制（含有水力发电厂）时，目标函数 就不再是单位时间内消耗的能源，而是一定运行时间内 的能源消耗：,（1）等式约束条件：系统有功功率的平衡,若不计网损，则,2、约束条件：,4.2 电力系统有功功率的最优分配,（2）不等式约束条件：,若系统含有水电厂，除有功功率平衡条件外，还有一个 约束条件（用水量C）：,4.2 电力系统有功功率的最优分配,求解：建立一个新的、不受约束的目标函数拉格朗日函数,三、等耗量微增率准则,1、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

10、输出功率不受限制，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。,目标函数：,等式约束条件：,4.2 电力系统有功功率的最优分配,对拉格朗日目标函数求导，得到最小值时应有的三个条件：,即 时，单位时间内总能源消耗最少。,4.2 电力系统有功功率的最优分配,这就是著名的等耗量微增率准则：为使总耗量最小，应按 相等的耗量微增率 在发电设备或发电厂之间分配负荷。,2、扩展到n个火力发电系统：,等耗量微增率准则,4.2 电力系统有功功率的最优分配,3、考虑不等式约束条件时的解决方案：1）先不考虑不等式约束条件，按等耗量微增率准则进行经济 分配计算；2）若发现PGi的分配计算结果越限，越限的发

11、电厂按极限分配 负荷：即低于其下限PGimin时，取PGiPGimin；高于其上限 PGimax时，取PGiPGimax；3）对其余的不越限发电设备，按等耗量微增率准则重新进行 经济分配。,4.2 电力系统有功功率的最优分配,解：(1)按所给耗量特性可得各厂的微增耗量特性为：,根据等耗量微增率准则：,4.2 电力系统有功功率的最优分配,例题41：某火电厂三台机组并联运行，各机组的燃料消耗特性及功率约束条件如下：试确定当总负荷分别为400MW、700MW时，发电厂间功率的经济分配（不计网损的影响）？,4.2 电力系统有功功率的最优分配,(2)总负荷为400MW，即,可得：,校验不等式约束条件：,

12、剩余的负荷功率300MW，应在电厂2和3之间重新分配：,经校验，三个发电厂的有功功率都在不等式约束范围内。,4.2 电力系统有功功率的最优分配,校验不等式约束条件：,剩余的负荷功率450MW，应在电厂1和3之间重新分配：,经校验，三个发电厂的有功功率都在不等式约束范围内。,4.2 电力系统有功功率的最优分配,作业题：已知某火电厂有两台机组，其耗量特性分别为：,每台机组的额定容量均为100 MW，技术最小负荷均为20MW。试求：1）当电厂负荷为120 MW时，两台机组如何经济分配负荷？2）当电厂负荷为50MW时，两台机组又如何经济分配负荷？,4.2 电力系统有功功率的最优分配,a.设耗量微增率的

13、初值；,b.求与 对应的各发电设备应发功率；,4、等耗量微增率准则的迭代求解基本步骤：,c.校验求得的 是否满足功率平衡条件：；,自b开始重新计算，直到满足有功功率平衡条件。,d.不满足有功平衡时，若，取；若，取；,4.2 电力系统有功功率的最优分配,四、考虑网损时的有功负荷最优分配,网损修正系数,网损微增率,4.2 电力系统有功功率的最优分配,以两套设备为例：,将水电厂的耗量微增率乘以一个拉格朗日系数，就可以同 样应用等耗量微增率准则；,水煤转换系数表示发出同样有功时，用水量所代替的火电 耗煤量。,五、水、火电混合系统有功功率的经济分配,水煤转换系数,4.3 电力系统的频率调整,频率是电力系

14、统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行；要维持频率在正常的范围内，其必要的条件是系统必须具有充裕的可调有功电源。,电力系统频率调整：一次调频和二次调频。,引言：,4.3 电力系统的频率调整,1、综合负荷的有功静态频率特性：负荷吸收有功的大小随 系统频率变化的静态特性；在实际中，用直线表示。,综合负荷的单位调节功率：,一、电力系统频率特性,（负荷的频率调节效应系数）,标幺值形式：,（近似计算时，取其标幺值大小为1.5）,4.3 电力系统的频率调整,补充例题1：某电力系统总有功负荷为4000MW时系统频率为50Hz，负荷的频率调节效应系数标幺值KLD*=1.5，计算负荷单位调节功率？

15、,解：根据定义,4.3 电力系统的频率调整,2、发电机组的有功静态频率特性,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),1）调速器、调频器工作原理,4.3 电力系统的频率调整,2）发电机组的有功静态频率特性：即原动机机械功率的静态 频率特性，频率随发电机有功增大而有所降低的特性。,发电机的单位调节功率：,标幺值形式：,发电机的调速器调整（一次调频）是一个有差调节的过程，而调频器调整（二次调频）则可以实现无差调节。,4.3 电力系统的频率调整,常用百分数表示为：,机组调差系数：单位调节

16、功率的倒数，即,发电机的单位调节功率与调差系数的关系：,4.3 电力系统的频率调整,频率一次调整的有差调节性质反映在功频静特性直线的负斜 率上，即负荷变动时原动机的转速或频率随负荷增加而降低；二次调频既可做到有差调节，也可做到无差调节，反映在平 移的一组特性曲线上。,4.3 电力系统的频率调整,补充例题2：某一容量为100MW的发电机，调差系数整定为4%，当系统频率为50Hz时，发电机出力为60MW；若系统频率下降为49.5Hz时，发电机的出力是多少？,根据定义：,解：根据发电机的单位调节功率与调差系数的关系：,负荷突增PLD，发电机组功率不能及时变动而使机组减速，系统频率下降；同时，发电机组

17、功率由于调速器的一次调整作用而增大：PG1PG2，f1 f2；负荷功率因其本身的调节效应而减少，经过一个衰减的振荡过程由32，达到新的平衡；即整个过程为从平衡点1新的平衡点2。,4.3 电力系统的频率调整,二、电力系统频率的一次调整,1、过程概述：假设系统只有一台发电机组、一个综合负荷,4.3 电力系统的频率调整,KS 称为系统的单位调节功率，单位MW/Hz；表示负荷增 加或减少时，在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同 作用下 系统频率下降或上升的多少。,2、数学表达式：发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡,4.3 电力系统的频率调整,3、对于系统有若干台发电机组参加一次调频：,系统的单位

18、调节功率：,4.3 电力系统的频率调整,例题43：某系统发电机组的总容量为3475MW，系统总负荷3300MW，负荷的频率调节效应系数KLD*=1.5；各发电机组的容量和调差系数分别为：水轮发电机组 100MW 5台=2.5；75MW 5台=2.75 汽轮发电机组 100MW 6台=3.5；50MW 20台=4.0 较小容量汽轮机组合计1000MW=4.0试分别计算下述四种情况系统单位调节功率KS（MW/Hz）：（1）全部机组都参加一次调整；（2）全部机组都不参加一次调整；（3）仅水轮机组参加一次调整；（4）仅水轮机组和20台50MW的汽轮机组参加一次调整。,4.3 电力系统的频率调整,各发电

19、机组的单位调节功率：,575MW水轮机组：,6100MW汽轮机组：,2050MW汽轮机组：,1000MW小容量汽轮机组：,负荷：,解：首先分别计算负荷和各发电机组的单位调节功率,5100MW水轮机组：,4.3 电力系统的频率调整,（1）全部机组都参加一次调整：,（2）全部机组都不参加一次调整：,（3）仅水轮机组参加一次调整：,（4）仅水轮机组和20台50MW的汽轮机组参加一次调整：,然后根据不同情况计算KS：,4.3 电力系统的频率调整,补充1：计算（3）系统单位调节功率的标幺值？,方法一：根据标幺值定义,方法二：KS的标幺值是以负荷的额定容量为基准值，以此进行换算：,4.3 电力系统的频率调

20、整,(1)全部机组都参加一次调整：,(3)仅水轮机组参加一次调整：,补充2：负荷突然减少300MW时，(1)(3)系统频率？,参加一次调频的发电机组越多，频率偏移越少,4.3 电力系统的频率调整,1、基本原理：将发电机组的功频静特性曲线平行移动，从而 改变发电机的有功功率使负荷变动引起的频率偏差保持在 允许范围内；即二次调整使频率偏差减小或为0。,三、电力系统频率的二次调整,2、频率调整图：,一次调整后，f2可能会超出频率偏差允许范围，此时调频器进行二次调整，即：使功频静特性曲线平行移动由PGPG或PG，到3点可有效缩小频率变化范围，到1点可实现频率无差调节。,4.3 电力系统的频率调整,3）

21、由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率:,3、数学表达式：,当系统负荷增加时，由以下三方面提供：,1）二次调频 的发电机组增发的功率,2）发电机组执行一次调频，按有差 特性调差系数分配而增发的功率,4.3 电力系统的频率调整,发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡，则,当二次调整发电机组增发的功率PG0与负荷功率的原始增 量PLD 相等时，f=0，实现了无差调节。,在有n台发电机组的电力系统中，当综合负荷发生变动时，所有机组都参与一次调频，而二次调频一般仅由一台机组（s）承担，则有：,4.3 电力系统的频率调整,当负荷增加300MW时，分别计算：（1）全部机组都参加一次调整，二次调整机组增发

22、功率为100 MW时，系统频率变为多少？（3）仅水轮机组参加一次调整，系统频率不低于49.8Hz时，二次调整机组应增发多少功率？,例题4-3(补充)：某系统发电机组的总容量为3475MW，系统总负荷3300MW，负荷的频率调节效应系数KLD*=1.5；各发电机组的容量和调差系数分别为：水轮发电机组 100MW 5台=2.5；75MW 5台=2.75 汽轮发电机组 100MW 6台=3.5；50MW 20台=4.0 较小容量汽轮机组合计1000MW=4.0,4.3 电力系统的频率调整,解:(1)全部机组都参加一次调整，系统单位调节功率KS为：,二次调整机组增发功率100MW，即PG0=100MW

23、，则：,4.3 电力系统的频率调整,（2）仅水轮机组参加一次调整，系统单位调节功率KS为：,系统频率不低于49.8Hz时：,无差调节PG0=？,4.3 电力系统的频率调整,1、基本原理：由几个地区系统互联为一个大系统的情况，对某一个地区 系统而言，负荷变化（增加）PLD时，可能伴随着与其他 系统交换功率Pt 的变化：,2、设A、B两系统互联：两系统负荷变化（增加）分别为PLDA和PLDB，引起互联 系统的频率变化（降低）f，及联络线交换功率的变化 Pab；Pab对子系统A为负荷变化量，对子系统B为发电 机增发功率。,四、互联电力系统的频率调整,4.3 电力系统的频率调整,互联电力系统频率变化f

24、 取决于系统总的功率缺额和总的单位调节功率。,PA和PB分别为子系统A和B的功率缺额,4.3 电力系统的频率调整,1、调频厂须满足的条件：,五、频率调频厂的选择,2、调频厂的选择原则:,4.3 电力系统的频率调整,作业题：某系统有容量为100MW的四台发电机组并联运行，每台发电机组的调差系数为4，系统频率为50Hz时，总负荷为320MW，负荷的频率调节效应系数KLD*=1.5。当负荷增加50MW时，下列情况下，系统频率为多少？1）机组平均分配负荷；2）两台机组满载，余下的负荷由 另外两台机组承担。机组平均分配负荷。当负荷增加50MW 时，试计算：3）如果机组二次调频增发20MW有功功率，系统频率为多 少？4）如果要使频率仍维持在50Hz，机组二次调频应增发 多少功率？,