電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)-電-第五章

1電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)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(lèi)發(fā)電廠(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)和合理組合不計(jì)網(wǎng)損時(shí)水、火電廠(chǎng)間的經(jīng)濟(jì)功率分配計(jì)網(wǎng)及損時(shí)各發(fā)電廠(chǎng)間的經(jīng)濟(jì)功率分配3、電力系統(tǒng)頻率的調(diào)整電力系統(tǒng)負(fù)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(duì)用戶(hù)的影響異步電機(jī)轉(zhuǎn)速：紡織工業(yè)、造紙工業(yè)異步電機(jī)功率下降電子設(shè)備的準(zhǔn)確度對(duì)發(fā)電廠(chǎng)和電力系統(tǒng)的影響對(duì)發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)用機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的影響對(duì)汽輪機(jī)葉片的影響對(duì)異步電機(jī)及變壓器勵(lì)磁的影響，增加無(wú)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(jī)轉(zhuǎn)速變化

頻率變化(+0.2HZ+0.5HZ)4二頻率與有功平衡的關(guān)系頻率—由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定轉(zhuǎn)速與其軸上的轉(zhuǎn)矩平衡有關(guān)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(fù)荷變化ME：有功負(fù)荷變化快產(chǎn)生瞬時(shí)不平衡5三變有化功及功其率調(diào)負(fù)整荷的§5.1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡6系統(tǒng)負(fù)荷可以看作由以下三種具有不同變化規(guī)律的變動(dòng)負(fù)荷組成：（1）變動(dòng)周期小于10s，變化幅度小:小操作、線(xiàn)路搖擺等（3）變動(dòng)周期最大，變化幅度最大：氣象、生產(chǎn)、生活規(guī)律（2）變動(dòng)周期在（10s，180s），變化幅度較大：大電機(jī)、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(fù)荷，在各機(jī)組間進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷分配電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度（發(fā)電計(jì)劃）系統(tǒng)電源容量：可投入發(fā)電設(shè)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(yīng)大于發(fā)電負(fù)荷。定義：備用容量＝系統(tǒng)可用電源容量－發(fā)電負(fù)荷–

有功功率平衡：

PGi

PLi

PLoss,8760

t(h)W)發(fā)電負(fù)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(fù)荷備用：滿(mǎn)足負(fù)荷波動(dòng)、計(jì)劃外的負(fù)荷增量2%~5%事故備用：發(fā)電機(jī)因故退出運(yùn)行而預(yù)留的容量5%~10%檢修備用：發(fā)電機(jī)計(jì)劃?rùn)z修4%~5%國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用：滿(mǎn)足工農(nóng)業(yè)超計(jì)劃增長(zhǎng)3%~5%按其存在形式分：熱備用冷備用備用容量的分類(lèi)9系統(tǒng)中有備用容量時(shí)，可考慮有功功率的最優(yōu)分配問(wèn)題，包括有功電源的最優(yōu)組合及有功負(fù)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(shè)備和發(fā)電廠(chǎng)的合理組合。包括：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(kāi)停時(shí)間。有功負(fù)荷的最優(yōu)分配：系統(tǒng)中的有功負(fù)荷在各個(gè)正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠(chǎng)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(lèi)發(fā)電廠(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)1火電廠(chǎng)§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配支付 費(fèi)用技術(shù)最小負(fù)荷鍋爐

25%—70%汽機(jī)

10%—15%參數(shù)有關(guān)承擔(dān)急劇變化負(fù)荷時(shí)與投、退相似，額外耗能、費(fèi)時(shí)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(biāo) 、不用于調(diào)節(jié)熱電廠(chǎng)：抽氣供熱，效率最高，有不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫功率10火電廠(chǎng)一、各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)2水電廠(chǎng)不需 費(fèi)，但一次投資大出力調(diào)節(jié)范圍比火電機(jī)組大啟停費(fèi)用低，且操作簡(jiǎn)單出力受水頭影響抽水蓄能必須 水量－－強(qiáng)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(lèi)發(fā)電廠(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)3

核電廠(chǎng)最小技術(shù)負(fù)荷小，為額定負(fù)荷10～15％。啟停費(fèi)用高；負(fù)荷急劇變化時(shí)，調(diào)節(jié)費(fèi)用高；啟停及急劇調(diào)節(jié)時(shí)，易于損壞設(shè)備。一次投資大，運(yùn)行費(fèi)用小。§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配13二、各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)的合理組合原則充分利用水源。降低火電機(jī)組的單位煤耗，發(fā)揮高效機(jī)組的作用。盡量降低火力發(fā)電成本，增加燃用劣質(zhì)煤、當(dāng)?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(jī)組的耗量特性：反映發(fā)電機(jī)組單位時(shí)間內(nèi)能量輸入和輸出關(guān)系的曲線(xiàn)。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(jī)組的耗量特性比耗量：耗量特性曲線(xiàn)上某點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)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(xiàn)上某點(diǎn)切線(xiàn)的斜率，表示在該點(diǎn)的輸入增量與輸出增量

dF

/

dP效率曲線(xiàn)和微增率曲線(xiàn)§5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配17滿(mǎn)足條件：等式約束不等式約束使目標(biāo)函數(shù)2、目標(biāo)函數(shù)和約束條件有功負(fù)荷最優(yōu)分配的目的：在滿(mǎn)足對(duì)一定量負(fù)荷持續(xù)供電的前提下，使發(fā)電設(shè)備在生產(chǎn)電能的過(guò)程中單位時(shí)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(biāo)函數(shù)系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)消耗的 （火電機(jī)組）nF

F1

(PG1

)

F2

(PG

2

)

Fn

(PGn

)

Fi

(PGi

)i

1該目標(biāo)函數(shù)是各發(fā)電設(shè)備發(fā)出有功功率的函數(shù)，描述的是單位時(shí)間內(nèi)能源的消耗量。2、目標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)則以?xún)膳_(tái)火電機(jī)組為例，忽略有功網(wǎng)損；假定各臺(tái)機(jī)組的消耗量和輸出功率不受限制，要求：確定負(fù)荷功率在兩臺(tái)機(jī)組間的分配，使總的 消耗量最小。等式約束目標(biāo)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(zhǔn)則作圖法求解（只有兩臺(tái)機(jī)組）在OO’上找到一點(diǎn)作垂線(xiàn)，與兩條耗量特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)間距離最短。在耗量特性曲線(xiàn)具有凸性的情

況下，兩條曲線(xiàn)的切線(xiàn)平行時(shí)，消耗量最少。曲線(xiàn)的切線(xiàn)即斜率，就是該點(diǎn)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(xiàn)平行時(shí)，斜率相等，也就是耗量微增率相等。這就是等微增率準(zhǔn)則。物理意義dF1

/

dPG1

dF2

/

dPG

2調(diào)整負(fù)荷分配，機(jī)組1減少P，機(jī)組2增加P，節(jié)約的：假如兩臺(tái)機(jī)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(biāo)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(wèn)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(gè)發(fā)電廠(chǎng)間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配（1）.不計(jì)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(wú)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(jì)功率分配后的潮流計(jì)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配計(jì)算，若發(fā)現(xiàn)越限，越限的發(fā)電廠(chǎng)按極限分配負(fù)荷，其余發(fā)電廠(chǎng)再按經(jīng)濟(jì)分配。節(jié)點(diǎn)電壓及無(wú)功功率約束maxmQiaxVi

miGi

min26等式約束變?yōu)槟繕?biāo)函數(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(zhǎng)

Fii

1n

PL

i

1

PGi

PLD

0L

dFiL

1

PPGi

dPGi

PGi

1

dFiiGi經(jīng)過(guò)網(wǎng)損修正后

dFiGiL

的等微增率準(zhǔn)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(chǎng)所發(fā)功率的變化引起的這是一個(gè)求泛函極值問(wèn)題，一般應(yīng)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(chǎng)間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配目標(biāo)：在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)滿(mǎn)足用戶(hù)的電力需求，合理分配水火電廠(chǎng)的負(fù)荷，使總 消耗量最少。等式約束：PH

2

(t

)

PT

1

(t

)

PLD

(t

)

0目標(biāo)函數(shù)最?。篎W2[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(biāo)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(chǎng)間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)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(chǎng)間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)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(chǎng)間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(chǎng)應(yīng)分配可折換的水量越大，負(fù)荷。物理解釋?zhuān)核⒒痣姀S(chǎng)之間的經(jīng)濟(jì)分配仍按等微增率原則分配，只不過(guò)，水電廠(chǎng)微增率乘一個(gè)j后分配，水電廠(chǎng)在一定時(shí)各段負(fù)荷，然后計(jì)算出T時(shí)間內(nèi)

量計(jì)算：由于j事先未知，須假設(shè)j的初值，分配計(jì)算求出W(k

)jTJWW()kjT()kjT()kjTJWWJWWj與W

比較結(jié)束計(jì)算j0j0增大

，重復(fù)計(jì)算減小

，重復(fù)計(jì)算5、水、火發(fā)電廠(chǎng)間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配—照明、電爐等—球磨機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等—變壓器的渦流損耗等—通風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵等—靜水頭阻力大的給水泵32負(fù)荷與接入點(diǎn)系統(tǒng)電壓有關(guān)與系統(tǒng)頻率有關(guān)——僅考慮頻率因素假設(shè)不變2、負(fù)荷性質(zhì)：與頻率無(wú)關(guān)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(fù)荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性1、定義：與用戶(hù)的生產(chǎn)狀態(tài)有關(guān)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(zhǔn)值的標(biāo)幺值表達(dá)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(fù)荷的有功功率－頻率靜態(tài)特性簡(jiǎn)化表達(dá)當(dāng)頻率偏離額定值不大時(shí)，負(fù)荷有功－頻率靜態(tài)特性用一條近似直線(xiàn)來(lái)表示。LK

tg

PLf

PL

/

PLN

PLLN

f

/

f

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

1.535二、發(fā)電機(jī)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(cè)量元件—離心飛擺及其附件；為放大元件—錯(cuò)油門(mén)(或稱(chēng)配壓閥)；為執(zhí)行機(jī)構(gòu)—油動(dòng)機(jī)(或稱(chēng)接力器)；為轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)或稱(chēng)同步器(調(diào)頻器)36調(diào)頻器的工作原理37（1）、無(wú)調(diào)速系統(tǒng)時(shí):PT=c1f-c2f2（2）、有調(diào)速系統(tǒng)時(shí)二、發(fā)電機(jī)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(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性（3）、有調(diào)頻器時(shí)§5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整392、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 或電源頻率特性的斜率。Mw

/

HzG

N

GNGN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。

PG

f

N

PGGKG*

K

f

/

PP

ffK二、發(fā)電機(jī)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(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性2)

發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)：?jiǎn)挝徽{(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(jī)組的有功功率－頻率靜態(tài)特性3)

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(lái)說(shuō)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)組水輪發(fā)電機(jī)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(jiǎn)述：由于負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)組功率不能及時(shí)變動(dòng)而使機(jī)組

，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(guò)一個(gè)衰減的振蕩過(guò)程，達(dá)到新的 平 衡 。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率：計(jì)及發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)時(shí)，引起頻率單位變化時(shí)的負(fù)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(yùn)行的穩(wěn)定，不能采用過(guò)大的單位調(diào)節(jié)功率；對(duì)于滿(mǎn)載機(jī)組，不再參加調(diào)整。對(duì)于系統(tǒng)有若干臺(tái)機(jī)參加一次調(diào)頻：KS

KG

KL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(guò)操作調(diào)頻器，使發(fā)電機(jī)組的頻率特性平行的移動(dòng)，從而使負(fù)荷變化引起的頻率偏移在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)。主調(diào)頻廠(chǎng)的選擇調(diào)頻廠(chǎng)：負(fù)有二次調(diào)頻任務(wù)的電廠(chǎng)，分為主調(diào)頻廠(chǎng)和輔助調(diào)頻廠(chǎng)。調(diào)頻廠(chǎng)應(yīng)滿(mǎn)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(jì)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(chǎng)>火電廠(chǎng)中溫中壓電廠(chǎng)（75％）>高溫高壓電廠(chǎng)（30％）調(diào)整速度：水電廠(chǎng)>火電廠(chǎng)調(diào)頻廠(chǎng)選擇：首選：水電廠(chǎng)其次：中溫中壓電廠(chǎng)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(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的如果PL0

PG0原始增量，則f

0，即所謂的無(wú)差調(diào)節(jié)。對(duì)于N臺(tái)機(jī)，且由第s臺(tái)機(jī)組擔(dān)負(fù)二次調(diào)整的任務(wù)，則：S

KG

KL

K