電力系統(tǒng)分析基礎-電-第五章

1電力系統(tǒng)分析基礎Power

System ysis

Basis（五）主講人：第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整1、電力系統(tǒng)中有功功率的平衡2、有功功率的最優(yōu)分配各類發(fā)電廠的運行特點和合理組合不計網(wǎng)損時水、火電廠間的經(jīng)濟功率分配計網(wǎng)及損時各發(fā)電廠間的經(jīng)濟功率分配3、電力系統(tǒng)頻率的調(diào)整電力系統(tǒng)負荷及電源的頻率靜態(tài)特性頻率的一、二次調(diào)整，互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整2一.電力系統(tǒng)頻率變化的影響對用戶的影響異步電機轉(zhuǎn)速：紡織工業(yè)、造紙工業(yè)異步電機功率下降電子設備的準確度對發(fā)電廠和電力系統(tǒng)的影響對發(fā)電廠廠用機械設備運行的影響對汽輪機葉片的影響對異步電機及變壓器勵磁的影響，增加無功消耗。3§5.1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡轉(zhuǎn)矩不平衡

發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化

頻率變化(+0.2HZ+0.5HZ)4二頻率與有功平衡的關系頻率—由發(fā)電機轉(zhuǎn)速決定轉(zhuǎn)速與其軸上的轉(zhuǎn)矩平衡有關轉(zhuǎn)矩平衡與功率平衡§5.1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡MT

ME

PT

PEMT：由于慣性大變化慢負荷變化ME：有功負荷變化快產(chǎn)生瞬時不平衡5三變有化功及功其率調(diào)負整荷的§5.1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡6系統(tǒng)負荷可以看作由以下三種具有不同變化規(guī)律的變動負荷組成：（1）變動周期小于10s，變化幅度小:小操作、線路搖擺等（3）變動周期最大，變化幅度最大：氣象、生產(chǎn)、生活規(guī)律（2）變動周期在（10s，180s），變化幅度較大：大電機、電爐啟停調(diào)速器頻率的一次調(diào)整調(diào)頻器頻率的二次調(diào)整根據(jù)負荷，在各機組間進行最優(yōu)負荷分配電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行調(diào)度（發(fā)電計劃）系統(tǒng)電源容量：可投入發(fā)電設備的可發(fā)功率之和7§5.1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡–備用容量：15%～20%作用：為了保證供電可靠性及電能質(zhì)量合格，系統(tǒng)電源容量應大于發(fā)電負荷。定義：備用容量＝系統(tǒng)可用電源容量－發(fā)電負荷–

有功功率平衡：

PGi

PLi

PLoss,8760

t(h)W)發(fā)電負荷備用容量新增容量四、有功功率電源和備用容量P(M8按作用分：負荷備用：滿足負荷波動、計劃外的負荷增量2%~5%事故備用：發(fā)電機因故退出運行而預留的容量5%~10%檢修備用：發(fā)電機計劃檢修4%~5%國民經(jīng)濟備用：滿足工農(nóng)業(yè)超計劃增長3%~5%按其存在形式分：熱備用冷備用備用容量的分類9系統(tǒng)中有備用容量時，可考慮有功功率的最優(yōu)分配問題，包括有功電源的最優(yōu)組合及有功負荷的最優(yōu)分配。有功電源的最優(yōu)組合：系統(tǒng)中發(fā)電設備和發(fā)電廠的合理組合。包括：機組的最優(yōu)組合順序，機組的最優(yōu)組合數(shù)量，機組的最優(yōu)開停時間。有功負荷的最優(yōu)分配：系統(tǒng)中的有功負荷在各個正在運行的發(fā)電設備或發(fā)電廠之間的合理分配?！?.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配一、各類發(fā)電廠的運行特點1火電廠§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配支付 費用技術最小負荷鍋爐

25%—70%汽機

10%—15%參數(shù)有關承擔急劇變化負荷時與投、退相似，額外耗能、費時高溫高壓：效率高、調(diào)節(jié)范圍小效率與蒸汽中溫中壓：較前者低、但調(diào)節(jié)范圍大低溫低壓：指標 、不用于調(diào)節(jié)熱電廠：抽氣供熱，效率最高，有不可調(diào)節(jié)的強迫功率10火電廠一、各類發(fā)電廠的運行特點2水電廠不需 費，但一次投資大出力調(diào)節(jié)范圍比火電機組大啟停費用低，且操作簡單出力受水頭影響抽水蓄能必須 水量－－強迫功率11§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配12一、各類發(fā)電廠的運行特點3

核電廠最小技術負荷小，為額定負荷10～15％。啟停費用高；負荷急劇變化時，調(diào)節(jié)費用高；啟停及急劇調(diào)節(jié)時，易于損壞設備。一次投資大，運行費用小?！?.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配13二、各類發(fā)電廠的合理組合原則充分利用水源。降低火電機組的單位煤耗，發(fā)揮高效機組的作用。盡量降低火力發(fā)電成本，增加燃用劣質(zhì)煤、當?shù)孛?。?.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配14枯水期豐水期抽水發(fā)電15三、電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配1、發(fā)電機組的耗量特性：反映發(fā)電機組單位時間內(nèi)能量輸入和輸出關系的曲線。耗量特性§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配16之比。1、發(fā)電機組的耗量特性比耗量：耗量特性曲線上某點的縱坐標和橫坐標之比，即輸入和輸出之比＝F

/

P效率：比耗量倒數(shù)＝P

/

F耗量微增率：耗量特性曲線上某點切線的斜率，表示在該點的輸入增量與輸出增量

dF

/

dP效率曲線和微增率曲線§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配17滿足條件：等式約束不等式約束使目標函數(shù)2、目標函數(shù)和約束條件有功負荷最優(yōu)分配的目的：在滿足對一定量負荷持續(xù)供電的前提下，使發(fā)電設備在生產(chǎn)電能的過程中單位時間內(nèi)所消耗的能源最少。f(x、u、d)=0g(x、u、d)≤0F=F(x、u、d)

最優(yōu)§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配18(1)目標函數(shù)系統(tǒng)單位時間內(nèi)消耗的 （火電機組）nF

F1

(PG1

)

F2

(PG

2

)

Fn

(PGn

)

Fi

(PGi

)i

1該目標函數(shù)是各發(fā)電設備發(fā)出有功功率的函數(shù)，描述的是單位時間內(nèi)能源的消耗量。2、目標函數(shù)和約束條件§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配19§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配2、目標函數(shù)和約束條件(2)約束條件等式約束不等式約束n

m

PL

PGi

PLDji

1

j

1nm

PGi

PLDji

1

j

1忽略有功網(wǎng)損max

Q

PGPiGmPiaxGi

minGi

minGi203、等耗量微增率準則以兩臺火電機組為例，忽略有功網(wǎng)損；假定各臺機組的消耗量和輸出功率不受限制，要求：確定負荷功率在兩臺機組間的分配，使總的 消耗量最小。等式約束目標函數(shù)min

F

F1

(PG1

)

F2

(PG

2

)PG1

PG

2

PLD

0§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配3、等耗量微增率準則作圖法求解（只有兩臺機組）在OO’上找到一點作垂線，與兩條耗量特性曲線的交點間距離最短。在耗量特性曲線具有凸性的情

況下，兩條曲線的切線平行時，消耗量最少。曲線的切線即斜率，就是該點的耗量微增率。21§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配22切線平行時，斜率相等，也就是耗量微增率相等。這就是等微增率準則。物理意義dF1

/

dPG1

dF2

/

dPG

2調(diào)整負荷分配，機組1減少P，機組2增加P，節(jié)約的：假如兩臺機組微增率不等：，并且總輸出功率不變，dPG1

dPG

2dF1

dF2dPG

2dF2

)P

0dPG1dF1dF1

dF2dPG1

dPG

2P

P(F23目標函數(shù)最小：等式約束條件：n這是多元函數(shù)求條件極值問題，可以利用日乘數(shù)法求解。構(gòu)造i1nF

Fi

(

PGi

)§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配4、多個發(fā)電廠間的負荷經(jīng)濟分配（1）.不計網(wǎng)損的有功最優(yōu)分配

PGii1

PLD

0

n

i1日函數(shù)L

F

PGi

PLD

24求日函數(shù)的無條件極值

n

i1L

F

PGi

PLD

(

i

1,2,,n)L

FPGi

PGi

0F

PGi

(

i

1,2,,

n)dPGidFinF

Fi

(

PGi

)i1在經(jīng)濟功率分配后的潮流計算中處理。25不等式約束的處理功率上下限約束PGimin

PGi

PGimax先不考慮該約束條件進行經(jīng)濟分配計算，若發(fā)現(xiàn)越限，越限的發(fā)電廠按極限分配負荷，其余發(fā)電廠再按經(jīng)濟分配。節(jié)點電壓及無功功率約束maxmQiaxVi

miGi

min26等式約束變?yōu)槟繕撕瘮?shù)不變?（2）.考慮網(wǎng)損的有功最優(yōu)分配ni

1

PL

PLD

0

PGin日函數(shù)為L

Fii

1n

PL

i

1

PGi

PLD

0L

dFiL

1

PPGi

dPGi

PGi

1

dFiiGi經(jīng)過網(wǎng)損修正后

dFiGiL

的等微增率準則

dPdPP

1

L

PGi

(i

1,

2,

,

n)網(wǎng)損修正系數(shù)網(wǎng)路總損耗的變化——阻抗矩陣法網(wǎng)損微增率網(wǎng)損微增率的物理意義：某發(fā)電廠所發(fā)功率的變化引起的這是一個求泛函極值問題，一般應用變分法求解。27§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配5、水、火發(fā)電廠間的負荷經(jīng)濟分配目標：在整個運行周期內(nèi)滿足用戶的電力需求，合理分配水火電廠的負荷，使總 消耗量最少。等式約束：PH

2

(t

)

PT

1

(t

)

PLD

(t

)

0目標函數(shù)最小：FW2[PH

2

(t

)]dt

K2

0

0F1[PT

1

(t

)]dt

0變分法求解，分段處理等式約束：PH

2.k目標函數(shù)：

PT1.k

PLD.k

0

K2

0k

tW2.k

(

PH

2.k

)tkk

1k

tF

F1.k

(

PT

1.k

)tkk

128§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配5、水、火發(fā)電廠間的負荷經(jīng)濟分配29日函數(shù)L*1.kT

1.kT

1.k2.kH

2.kkk

t

k

tk

1k

1k

H

2.k

F

(

P)t

Pkk

t

P

PtLD

.k

k

W

(

P

)t

K2

k

12

5、水、火發(fā)電廠間的負荷經(jīng)濟分配L*T

1.kkT

1.kdF

(P

)PdP

1.k T

1.k

0L*2H

2.kkH

2.kdW

(P

)PdP

2.k H

2.k

0

5、水、火發(fā)電廠間的負荷經(jīng)濟分配2kT

1.kH

2.kdPdPdF1.k

(

PT

1.k

)

dW2.k

(

PH

2.k

)

dF1

(

PT

1

)

/

dPT

1

dF1

(

PT

1

)其中：

2dW2

(

PH

2

)

/

dPH

2

dW2

(PH

2

)任一瞬間：dF1

(

PT

1

)

dW2

(PH

2

)

2T

1H

2dPdP水煤換算系數(shù)1m3水量相當于2噸煤的消耗豐水期小，枯水期大3031間內(nèi)可消耗水量越多，單位重量j

從而jH也越小，水電廠應分配可折換的水量越大，負荷。物理解釋：水、火電廠之間的經(jīng)濟分配仍按等微增率原則分配，只不過，水電廠微增率乘一個j后分配，水電廠在一定時各段負荷，然后計算出T時間內(nèi)

量計算：由于j事先未知，須假設j的初值，分配計算求出W(k

)jTJWW()kjT()kjT()kjTJWWJWWj與W

比較結(jié)束計算j0j0增大

，重復計算減小

，重復計算5、水、火發(fā)電廠間的負荷經(jīng)濟分配—照明、電爐等—球磨機、卷揚機等—變壓器的渦流損耗等—通風機、循環(huán)水泵等—靜水頭阻力大的給水泵32負荷與接入點系統(tǒng)電壓有關與系統(tǒng)頻率有關——僅考慮頻率因素假設不變2、負荷性質(zhì)：與頻率無關與頻率的一次方成正比與頻率的二次方成正比與頻率的三次方成正比與頻率的高次方成正比§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、負荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性1、定義：與用戶的生產(chǎn)狀態(tài)有關33f

2f

32

LNff

f

fPL

a0

PLN

a

P

a

P1

LN

N

N

a

P3

LN

N

a

a

a

a

10

1

2

3以f

N

和PDN

為基準值的標幺值表達式LP

a

a

f

a f

2

a f

3

0

1

2

3

§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整34負荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性簡化表達當頻率偏離額定值不大時，負荷有功－頻率靜態(tài)特性用一條近似直線來表示。LK

tg

PLf

PL

/

PLN

PLLN

f

/

f

fK負荷的單位調(diào)節(jié)功率，表示負荷隨頻率的變化程度。KL*

1.535二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性調(diào)速器的工作原理為轉(zhuǎn)速測量元件—離心飛擺及其附件；為放大元件—錯油門(或稱配壓閥)；為執(zhí)行機構(gòu)—油動機(或稱接力器)；為轉(zhuǎn)速控制機構(gòu)或稱同步器(調(diào)頻器)36調(diào)頻器的工作原理37（1）、無調(diào)速系統(tǒng)時:PT=c1f-c2f2（2）、有調(diào)速系統(tǒng)時二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整38二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性（3）、有調(diào)頻器時§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整392、概念介紹1) 發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機組原 或電源頻率特性的斜率。Mw

/

HzG

N

GNGN標志著隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出功率減少或增加的多寡。

PG

f

N

PGGKG*

K

f

/

PP

ffK二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整40§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性2)

發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)：單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。

100

0

f0

f0

f

NPG

ff

Nf

N

PGNPGN

f

N

%

fPGN

100

f0PGN

f

N41§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整二、發(fā)電機組的有功功率－頻率靜態(tài)特性3)

發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關系：一般來說發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機組水輪發(fā)電機組

%

=3~5或KG*

=33.3~20

%

=2~4或KG*

=50~25N

NGG*G*fPGN

100

PGN1f

%100

K

1

KK

1

%

42fPOP0PLfPGPL′ΔPL0AP0'B0

0f

'O'B

'A

'§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整三、頻率的一次調(diào)整1)

簡述：由于負荷突增，發(fā)電機組功率不能及時變動而使機組

，系統(tǒng)頻率下降，同時，發(fā)電機組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應而減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，達到新的 平 衡 。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率：計及發(fā)電機和負荷的調(diào)節(jié)效應時，引起頻率單位變化時的負荷變化量。43f

f

'

f

0o

o

PL0LKs

KG

KffPP0'OP0PLfPGPL′ΔPL0AB0

0f

'O

'B

'A

'PL0

AO

OB

BABA

AB

KLfOA

OB

BA

PG

L

KG

KL

f

KS

f

K

f

K

fGOB

BO

K

fL044數(shù)即下降特性自然分配。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；對于滿載機組，不再參加調(diào)整。對于系統(tǒng)有若干臺機參加一次調(diào)頻：KS

KG

KL具有一次調(diào)頻的各機組間負荷的分配，按其調(diào)差系三、頻率的一次調(diào)整§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整頻率的二次調(diào)整：通過操作調(diào)頻器，使發(fā)電機組的頻率特性平行的移動，從而使負荷變化引起的頻率偏移在允許的波動范圍內(nèi)。主調(diào)頻廠的選擇調(diào)頻廠：負有二次調(diào)頻任務的電廠，分為主調(diào)頻廠和輔助調(diào)頻廠。調(diào)頻廠應滿足的條件：足夠的調(diào)整容量較快的調(diào)整速度調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟性較好45四、頻率的二次調(diào)整§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整調(diào)整容量:水電廠>火電廠中溫中壓電廠（75％）>高溫高壓電廠（30％）調(diào)整速度：水電廠>火電廠調(diào)頻廠選擇：首選：水電廠其次：中溫中壓電廠46§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整四、頻率的二次調(diào)整2.

頻率調(diào)整圖48，即發(fā)電機組如數(shù)增發(fā)了負荷功率的如果PL0

PG0原始增量，則f

0，即所謂的無差調(diào)節(jié)。對于N臺機，且由第s臺機組擔負二次調(diào)整的任務，則：S

KG

KL

K