5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,有功功率的最優(yōu)分布頻率調(diào)整,3,概述,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(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性問題，是我們考慮的重點(diǎn)問題之一。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。衡量運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)為：比耗量和線損率有功功率的最優(yōu)分布包括：有功功率負(fù)荷預(yù)計(jì)

2、、有功功率電源的最優(yōu)組合、有功功率負(fù)荷在運(yùn)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,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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，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(fèi)用或運(yùn)行成本），保證對用戶可靠而滿意地供電。最優(yōu)潮流：滿足各節(jié)點(diǎn)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(fèi)用（耗量）或網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)的潮流分布。最優(yōu)潮流的優(yōu)點(diǎn)：將安全性運(yùn)行和最優(yōu)經(jīng)

3、濟(jì)運(yùn)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(gè)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(jì)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：第一種變動(dòng)幅度很小，周期又很短，這種負(fù)荷變動(dòng)有很大的偶然性；第二種變動(dòng)幅度較大，周期也較長，屬于這種負(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(dòng)；第三種變動(dòng)基本上可以預(yù)計(jì)，其變動(dòng)幅度

4、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(dòng)。,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(shí)出力調(diào)整和避免計(jì)劃外開停機(jī)組，以利于電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 負(fù)荷預(yù)測分類：安全監(jiān)視過程中的超短期負(fù)荷預(yù)測；日調(diào)度計(jì)劃；周負(fù)荷預(yù)測；年負(fù)荷預(yù)測；規(guī)劃電源和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時(shí)需要用1~20年的負(fù)荷預(yù)測值。,7,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：一次調(diào)頻：由

5、發(fā)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行；二次調(diào)頻：由發(fā)電機(jī)調(diào)頻器進(jìn)行；三次調(diào)頻：由調(diào)度部門根據(jù)負(fù)荷曲線進(jìn)行最優(yōu)分配。前兩種是事后的，第三種是事前的。一次調(diào)頻是所有運(yùn)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。二次調(diào)頻是由平衡節(jié)點(diǎn)來承擔(dān)。,8,二.一些名詞性解釋,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。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

6、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(gè)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(gè)部分：機(jī)組的最優(yōu)組合順序機(jī)組的最優(yōu)組合數(shù)量機(jī)組的最優(yōu)開停時(shí)間,10,二.有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配

7、,最優(yōu)化：是指人們在生產(chǎn)過程或生活中為某個(gè)目的而選擇的一個(gè)“最好”方案或一組“得力”措施以取得“最佳”效果這樣一個(gè)宏觀過程。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(gè)正在運(yùn)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。電力系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行是電力系統(tǒng)分析的一個(gè)重要分支，它所研究的問題主要是在保證用戶用電需求（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(yùn)行工況，從而使系統(tǒng)發(fā)電所需的總費(fèi)用或所

8、消耗的總?cè)剂虾牧窟_(dá)到最小這樣決策問題。,11,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。,12,2. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型,目標(biāo)函數(shù)：系統(tǒng)發(fā)電所需的總費(fèi)用或所消耗的總?cè)剂虾牧?對于純火電系統(tǒng)，

9、發(fā)電廠的燃料費(fèi)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(yùn)行參數(shù)關(guān)系較小 。這種反映單位時(shí)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(shí) 上述函數(shù)可用試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合而成，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，階數(shù)為2比較合適，即,13,2.

10、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：耗量微增率 ：單位時(shí)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(diǎn)切線的斜率。比耗量 ：單位時(shí)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(diǎn)縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的比值。發(fā)電設(shè)備的效率 ：為比耗量的倒數(shù)。,14,2. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型,等式約束條件：有功功率必須保持平衡的條件。 對于每個(gè)

11、節(jié)點(diǎn)： 對于整個(gè)系統(tǒng)： 若不計(jì)網(wǎng)損：,15,2. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型,不等式約束條件：為系統(tǒng)的 運(yùn)行限制。變量：各發(fā)電設(shè)備輸出有功功率。,16,3. 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(gè)發(fā)電廠之間的經(jīng)濟(jì)調(diào)度來說明，問題略去網(wǎng)絡(luò)損耗。建立數(shù)學(xué)模型。,,17,3. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的求解,根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和等

12、式約束條件建立一個(gè)新的、不受約束的目標(biāo)函數(shù)——拉格朗日函數(shù)。對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到最小值時(shí)應(yīng)有的三個(gè)條件： （1）,,18,3. 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的求解,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。對不等式約

13、束進(jìn)行處理對于有功功率限制，當(dāng)計(jì)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(jì)算，而其他發(fā)電設(shè)備重新進(jìn)行最優(yōu)分配計(jì)算。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(shí)不計(jì)，當(dāng)有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配完成后計(jì)算潮流分布在考慮。,19,4. 用迭代法求解電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題,設(shè)耗量微增率的初值 ；求與 對應(yīng)的各發(fā)電設(shè)備應(yīng)發(fā)功率 ；校驗(yàn)求得的 是否滿足等式

14、約束條件：如不能滿足，則如 ，取 ；如 ，取 ，自2）開始重新計(jì)算。直到滿足條件。,20,例題,,21,5. 等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣運(yùn)用,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。其目標(biāo)函數(shù)不變，不等式約束不變等式約束中加水量特性方程： wj：單位時(shí)間內(nèi)水力發(fā)電設(shè)

15、備的水量消耗。另外還有所不同的是須各時(shí)段聯(lián)立求解。解P212（5-21），得到：,22,5. 等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣運(yùn)用,即： 實(shí)際可看作是一個(gè)換算系數(shù)，也稱為水價(jià)系數(shù)。在枯水季節(jié)，水電廠承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)， 比較小，λ比較大；在洪水季節(jié)，水電廠承擔(dān)基荷任務(wù)， 比較大，λ比較小。,23,5. 等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣運(yùn)用,根據(jù)給定的可消耗水量K2，設(shè)換算系數(shù)的初值 ；求與 相

16、對應(yīng)的，各個(gè)不同時(shí)刻的有功功率負(fù)荷最優(yōu)分配方案；計(jì)算與這最優(yōu)分配方案對應(yīng)的消耗水量 ；校驗(yàn)求得的 是否與給定的K2相等；當(dāng) 時(shí)，取 ；當(dāng) ，取 。自第二步開始重復(fù)計(jì)算；繼續(xù)計(jì)算，直到求得的 與給定的K2相等為止。,24,第三節(jié) 電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,一.概述頻率是

17、電力系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)，直接影響著負(fù)荷的正常運(yùn)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(yùn)行中的電氣設(shè)備帶來的危害：,對用戶的影響產(chǎn)品質(zhì)量降低生產(chǎn)率降低 對發(fā)電廠的影響 汽輪機(jī)葉片諧振輔機(jī)功能下降 對系

18、統(tǒng)的影響互聯(lián)電力系統(tǒng)解列發(fā)電機(jī)解列,26,二. 自動(dòng)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。 P224,27,三. 頻率的一次調(diào)整,概念介紹發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機(jī)組原動(dòng)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。,28,1. 概念介紹,發(fā)電機(jī)是調(diào)差系數(shù)：單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)

19、。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 =3~5或 =33.3~20水輪發(fā)電機(jī)組 =2~4或 =50~25,29,1. 概念介紹,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。一般而言：,30,2. 頻率的一次調(diào)整,簡述：由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率

20、不能及時(shí)變動(dòng)而使機(jī)組減速，系統(tǒng)頻率下降，同時(shí)，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(gè)衰減的振蕩過程，達(dá)到新的平衡。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(dòng)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。,31,2. 頻率的一次調(diào)整,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(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過大的單位調(diào)節(jié)功率；對于

21、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。,32,例題,,33,四. 頻率的二次調(diào)整,當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)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(shí)需要籍調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)頻器動(dòng)作，以使發(fā)電機(jī)組的功頻特性平行移動(dòng)，從而改變發(fā)電機(jī)的有功功率以保持系統(tǒng)頻率

22、不變或在允許范圍內(nèi)。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：,34,四. 頻率的二次調(diào)整,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，由以下三方面提供：二次調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率 ；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 ；由系統(tǒng)的負(fù)

23、荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負(fù)荷功率 。,35,四. 頻率的二次調(diào)整,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：調(diào)整的容量應(yīng)足夠大；調(diào)整的速度應(yīng)足夠快；調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能應(yīng)該好；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(diǎn)，調(diào)頻廠的選擇原則為：系統(tǒng)中有水電廠時(shí)，選擇水電廠做調(diào)頻廠；當(dāng)水電廠不能做調(diào)頻廠時(shí)，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,

24、由幾個(gè)地區(qū)系統(tǒng)互聯(lián)為一個(gè)大系統(tǒng)的情況，對某一個(gè)地區(qū)系統(tǒng)而言，負(fù)荷變化（增加） 時(shí)，可能伴隨著與其他系統(tǒng)交換功率的變化 ，則有,38,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

25、量為：,39,例題,,40,七. 自動(dòng)負(fù)荷-頻率控制,這是廣義的自動(dòng)調(diào)頻，其功能有：保持系統(tǒng)頻率等于或十分接近額定值；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；保持各發(fā)電設(shè)備以最經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行。,41,第四節(jié) 最優(yōu)潮流,一.概述電力系統(tǒng)最重要的兩個(gè)指標(biāo)： 經(jīng)濟(jì)性 安全性 最優(yōu)潮流：滿足各節(jié)點(diǎn)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(fèi)用（耗量）或網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)的潮流分布。最優(yōu)潮流的優(yōu)

26、點(diǎn)：將安全性運(yùn)行和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等問題綜合地用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來描述。,42,一.概述,最優(yōu)潮流實(shí)際應(yīng)用的困難： 計(jì)算工作量大占用內(nèi)存多計(jì)算速度慢收斂性差。,43,二.電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流一般問題的數(shù)學(xué)模型,目標(biāo)函數(shù)等式約束,44,二.電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流一般問題的數(shù)學(xué)模型,不等式約束其中：,45,三.電力系統(tǒng)水火最優(yōu)潮流的數(shù)學(xué)模型,目標(biāo)函數(shù)等式約束 潮流方程： 固定水頭水電廠用水量平