電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整6學(xué)時

第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整寧波大學(xué)信息學(xué)院電氣工程及其自動化系電力系統(tǒng)基礎(chǔ)第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整衡量電能質(zhì)量的指標頻率電壓波形衡量運行經(jīng)濟性的主要指標比耗量線損率主要與有功分配和頻率調(diào)整有關(guān)（第五章）主要與無功分配和電壓調(diào)整有關(guān)（第六章）與波形畸變與諧波及其治理有（不在本書范疇）本章的主要內(nèi)容5.1電力系統(tǒng)有功功率的平衡5.2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配5.3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整第一節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的平衡?有功負荷的變動和調(diào)整控制?有功負荷曲線的預(yù)計?有功功率電源和備用容量發(fā)電機的功率平衡

PT

＝PE+PD≈PE轉(zhuǎn)矩不平衡時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化,引起頻率變化電力系統(tǒng)的功率平衡

一、有功功率負荷的變動和調(diào)整控制頻率與有功平衡的關(guān)系?轉(zhuǎn)矩平衡與功率平衡保持頻率恒定不變是十分困難的有功頻率特性有功平衡的高低決定了頻率的高低負荷波動是頻率偏差的根本原因一、有功功率負荷的變動和調(diào)整控制負荷曲線實際的負荷曲線由三種負荷所構(gòu)成。第一種負荷變動幅度很小、周期很短（10秒以下），隨機性很強，無法預(yù)測。主要由中小型用電設(shè)備的投切引起。（偶然分量、隨機分量）第二種負荷變動幅度較大、周期也較長（10秒至3分）。主要由沖擊性負荷（如電爐、壓延機械、電氣機車等）引起。（脈動分量）第三種負荷變動幅度最大、周期也最長（3分以上），它反映了負荷的變動趨勢。這種負荷能夠預(yù)測。由生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的緩慢的持續(xù)負荷變動，（持續(xù)分量、周期分量）一、有功功率負荷的變動和調(diào)整控制負荷調(diào)整控制針對三種負荷，有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分成一次、二次、三次調(diào)整。一次調(diào)整也稱為一次調(diào)頻，針對第一種負荷變動引起的頻率變化，由發(fā)電機組的調(diào)速器自動動作承擔。一次調(diào)整希望快速和平穩(wěn)。二次調(diào)整也稱為二次調(diào)頻，針對第二種負荷變動引起的頻率變化，由發(fā)電機組的調(diào)頻器手動或自動動作承擔。二次調(diào)頻不僅考慮機組的調(diào)節(jié)特性，還要考慮到系統(tǒng)安全和經(jīng)濟特性?，F(xiàn)在二次調(diào)頻一般由AGC（AutomaticGenerationControl）機組承擔。三次調(diào)整針對第三種負荷變動引起的頻率變化，也就是日常所說的發(fā)電計劃，三次調(diào)整主要考慮安全和經(jīng)濟。前兩種是事后的，第三種是事前的。一次調(diào)頻是所有運行中的發(fā)電機組都可參加的，取決于發(fā)電機組是否已經(jīng)滿負荷發(fā)電。這類發(fā)電廠稱為負荷監(jiān)視廠。二次調(diào)頻是由平衡節(jié)點來承擔。負荷波動性質(zhì)的分析一、有功功率負荷的變動和調(diào)整控制發(fā)電控制（一、二次調(diào)頻）發(fā)電計劃（三次調(diào)頻）GGGG實際負荷預(yù)計負荷控制機組調(diào)度機組發(fā)電=負荷二、有功功率負荷曲線的預(yù)計（負荷預(yù)測）根據(jù)負荷，天氣，事件等的歷史數(shù)據(jù)，以及天氣，事件等的預(yù)報值，預(yù)測負荷的形態(tài)，曲線，最大值，最小值，平均值等等。負荷預(yù)測分類：負荷預(yù)測分為系統(tǒng)負荷預(yù)測和母線負荷預(yù)測，系統(tǒng)負荷預(yù)測按周期又有超短期、短期、中期和長期之分。負荷經(jīng)常隨機波動。負荷又有一定的周期性，如本周一的負荷與上周一的相似，今天與昨天相似。超短期負荷預(yù)測用于質(zhì)量控制需5-10秒的負荷值，用于安全監(jiān)視需1-5分鐘的負荷值，用于預(yù)防控制和緊急狀態(tài)處理需10-60分鐘的負荷值，使用對象是調(diào)度員。短期負荷預(yù)測主要用于火電分配、水火電協(xié)調(diào)、機組經(jīng)濟組合和交換功率計劃，需要1日-1周的負荷值，使用對象是編制調(diào)度計劃的工程師。中期負荷預(yù)測主要用于水庫調(diào)度、機組檢修、交換計劃和燃料計劃，需要1月-1年的負荷值，使用對象是編制中長期運行計劃的工程師。長期負荷預(yù)測用于電源和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，需數(shù)年至數(shù)十年的負荷值，使用對象是規(guī)劃工程師。二、有功功率負荷曲線的預(yù)計（負荷預(yù)測）

負荷預(yù)測的精度負荷預(yù)測的精度直接影響經(jīng)濟調(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組，以利于電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性。首先決定于對具體電力系統(tǒng)負荷變化規(guī)律的掌握，其次才是模型與算法的選擇。影響負荷變化的因素主要有：國民經(jīng)濟發(fā)展人民生活用電季節(jié)天氣節(jié)假日特殊事件負荷預(yù)測流程PtPt...（歷史負荷）負荷預(yù)測算法降雨、氣溫…..Pt（預(yù)測負荷）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)電負荷。系統(tǒng)的備用容量：系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分。為了保證供電可靠性和良好的電能質(zhì)量。三、有功功率電源和備用容量，一般為最大負荷的3~5%

，一般為最大負荷的3~5%

經(jīng)濟調(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)組合和有功功率負荷的最優(yōu)分配。第二節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配第二節(jié)電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配一、各類發(fā)電廠的運行特點和合理組合

1.各類發(fā)電廠的運行特點火電廠有一個技術(shù)最小負荷；退出、投入、急劇改變負荷時，均需耗費能量、花費時間，且易于損壞設(shè)備；效率：高溫高壓>中溫中壓>低溫低壓調(diào)節(jié)范圍：中溫中壓優(yōu)于高溫高壓

火電廠的主要運行特點原子能電廠的主要運行特點水電廠的主要運行特點2.各類發(fā)電廠的合理組合●基荷和峰荷豐水期：水電廠應(yīng)滿發(fā)以避免棄水，與熱電廠和核電廠一起帶基本負荷穩(wěn)定運行，其次是高溫高壓火電廠，然后是中溫中壓火電廠承擔峰值負荷。

枯水期：有調(diào)節(jié)水電廠承擔調(diào)峰任務(wù)，其余各類電廠的安排順序不變。

●豐水期和枯水期電廠的運行安排豐水期和枯水期電廠的運行安排1）.耗量特性發(fā)電設(shè)備的輸入和輸出的關(guān)系，即發(fā)電設(shè)備單位時間內(nèi)消耗的燃料F（耗水量W）與發(fā)出有功功率PG的關(guān)系。2）.比耗量μ耗量特性曲線上某一點縱坐標和橫坐標的比值。二、最優(yōu)負荷分配*（P31-57）1.最優(yōu)負荷分配的基本概念3）.發(fā)電設(shè)備的效率η輸入功率與輸出功率之比。耗量特性的縱橫坐標單位相同時，4）.耗量微增率λ單位時間內(nèi)輸入能量微增量與輸出功率微增量的比值。5）.最小比耗量

μmin耗量特性曲線切點對應(yīng)的比耗量。目標函數(shù)：C=C

(x,u,d

)

等約束條件：f(x,u,d)

=0不等約束條件：g(x,u,d)≤0x

為狀態(tài)變量；u為控制變量；d

為擾動變量2.最優(yōu)負荷分配的目標函數(shù)與約束條件有功最優(yōu)分配的目標函數(shù)是使全系統(tǒng)每小時的總能源消耗或燃料費用為最小。對于純火電系統(tǒng)，發(fā)電廠的燃料費用主要與發(fā)電機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，即總的目標函數(shù)為：最優(yōu)負荷分配的目標函數(shù)（1）全系統(tǒng)有功功率平衡約束條件為

對于每個節(jié)點：對于整個系統(tǒng)：若不計網(wǎng)損：最優(yōu)負荷分配的約束條件（2）各發(fā)電機出力不等約束條件為（3）系統(tǒng)各點的電壓不等約束條件為

Uimin

≤Ui≤Uimax,i=1,2,…,n

（4）水電廠用水約束條件為最優(yōu)負荷分配的約束條件一般用拉格朗日乘數(shù)法。用兩個發(fā)電廠之間的經(jīng)濟調(diào)度來說明，問題略去網(wǎng)絡(luò)損耗。建立數(shù)學(xué)模型。3、最優(yōu)分配負荷時等耗量微增率準則根據(jù)給定的目標函數(shù)和等式約束條件建立一個新的、不受約束的目標函數(shù)——拉格朗日函數(shù)。對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到最小值時應(yīng)有的三個條件：求解（1）得到：

這就是著名的等耗量微增率準則，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)電廠之間分配負荷。對不等式約束進行處理對于有功功率限制，當計算完后發(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)備重新進行最優(yōu)分配計算。無功功率和電壓限制和有功功率負荷的分配沒有直接關(guān)系，可暫時不計，當有功功率負荷的最優(yōu)分配完成后計算潮流分布在考慮。推廣到多臺發(fā)電機組或發(fā)電廠，有即等耗量微增率準則：各機組以相等的耗量微增率運行并滿足功率平衡約束時，系統(tǒng)的總耗量最小。

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；校驗求得的是否滿足等式約束條件：如不能滿足，則如，??；如，取，自2）開始重新計算。直到滿足條件。用迭代法求解電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度問題算例1：例5－2同一發(fā)電廠內(nèi)兩套發(fā)電設(shè)備共同供電，它們的耗量特性分別為即如圖5－12所示。它們的可發(fā)有功功率上下限則分別為：

PG1min=20MW；PG1max=100MW

PG2min=20MW；PG2max=100MW試求負荷的最優(yōu)分配方案和兩套設(shè)備的綜合耗量微增率曲線；設(shè)兩套設(shè)備平均分配負荷，試求負荷為100MW時，每小時多消耗的燃料。解：（1）由耗量特性得兩套發(fā)電設(shè)備的耗量微增率分別為負荷PL為40MW時，兩套設(shè)備都按下限發(fā)電，各承擔20MW，相應(yīng)的耗量微增率為因此，負荷增加時，發(fā)電設(shè)備2應(yīng)首先增加負荷，而發(fā)電設(shè)備1則仍按下限發(fā)電。這時，兩套設(shè)備的綜合微增率應(yīng)取決于發(fā)電設(shè)備2。例如，負荷為50MW時，PG1=20MW，PG2=30MW。負荷增加，直到也等于0.306后，發(fā)電設(shè)備1才開始增加負荷。而時，由可解得PG2=35MW。從而，負荷增加至并繼續(xù)增加時，發(fā)電設(shè)備1才開始增加負荷。換言之，只有負荷大于55MW時，才真正有可能按等耗量微增率準則分配負荷。按耗量微增率準則分配負荷時的計算較簡單，只要取不同值代入下列計算公式分別計算PG1、PG2、PL。計算結(jié)果列于表5－2。由表5－2可見，時，發(fā)電設(shè)備1分配的負荷已達它的上限。因此，負荷繼續(xù)增加時，增加的負荷應(yīng)由發(fā)電設(shè)備2承擔，兩套設(shè)備的綜合耗量微增率也就應(yīng)取決于發(fā)電設(shè)備2。由表5－2可作負荷最優(yōu)分配方案如圖5－13所示，綜合耗量微增率曲線如圖5－14所示。（2）PL=100MW，按最優(yōu)分配時，PG1=45.3MW、PG2=54.7MW，總耗量為

PL=100MW，按平均分配時，PG1=50MW、PG2=50MW，總耗量為二者相差0.07t/h。雖然每小時僅相差0.07t，但日積月累，數(shù)字也很可觀。已知三個火電廠的耗量特性分別為：不計網(wǎng)損時，求：①當總負荷為700MW時各個發(fā)電廠間有功負荷的最優(yōu)分配；②若三個火電廠所用燃料價格分別為100、110、90元/t，按電能成本分配負荷。

算例2算例2解：由題目可得各廠的耗量微增率為根據(jù)耗量微增率準則有求解得到校驗機組的有功出力，發(fā)現(xiàn)PG1>150MW，越限，因此，令PG1＝150MW，機組2、3再進行經(jīng)濟分配。（2）燃料價格與耗量特性相乘就得到電能的費用特性，將F1、F2、

F3分別乘以100、110、90元/t，得到費用特性為

求解得到：

PG1=150MW，PG2=215.09MW，PG3=334.91MW

算例2例題欣賞張先生是某電網(wǎng)公司的總經(jīng)理，該公司的線路阻抗很小，可以忽略不計，且發(fā)電機組耗量特性均為二次曲線。有一天他去視察調(diào)度部門，看到一張有關(guān)發(fā)電機的輸出功率與生產(chǎn)總成本遞增變化規(guī)律的報表，看完這個報表之后，張先生就解雇了本公司主管經(jīng)濟運行的經(jīng)理，請問為什么？例題欣賞：解：張先生解雇本公司的主管經(jīng)濟運行的經(jīng)理，是因為其安排生產(chǎn)不滿足有功負荷在運行的火電機組間最優(yōu)分配的準則——等微增率準則。由于：，設(shè)對應(yīng)的分別為，根據(jù)報表可得：

很顯然，沒有滿足的準則，同時差別太大。第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整

?頻率調(diào)整的必要性?電力系統(tǒng)的有功頻率靜態(tài)特性?頻率的一次調(diào)整?頻率的二次調(diào)整?頻率的三次調(diào)整?互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率的計算?調(diào)頻廠的選擇?自動負荷-頻率控制*第三節(jié)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、調(diào)整頻率的必要性頻率是電力系統(tǒng)運行的一個重要的質(zhì)量指標，直接影響著負荷的正常運行。負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。一、頻率調(diào)整的必要性±0.2~±0.5Hz頻率不穩(wěn)定的危害二、自動調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)特性調(diào)整系統(tǒng)頻率的主要手段是發(fā)電機組原動機的自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，或簡稱自動調(diào)速系統(tǒng)，特別是其中的調(diào)速器和調(diào)頻器(又稱同步器)。1.自動調(diào)速系統(tǒng)工作原理 關(guān)鍵在于利用杠桿的作用調(diào)整汽輪機或水輪機的導(dǎo)向葉片，使其開度增大，增加進汽量或進水量。詳細原理見書上P202～204。1.自動調(diào)速系統(tǒng)工作原理機械式調(diào)速系統(tǒng)電氣液壓式調(diào)速系統(tǒng)機械式之離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制部件：速度基準控制調(diào)速器：前三者組成，完成頻率一次調(diào)整調(diào)頻器：加入轉(zhuǎn)速控制部件，完成頻率二次調(diào)整檢測部件(離心飛擺)：轉(zhuǎn)速→位移放大部件(錯油門)：位移→油壓(信號放大)執(zhí)行部件(油動機)：油壓→啟閉閥門f下降時，PG增加；f上升時，PG減小。發(fā)電機具有負的調(diào)節(jié)特性有利于維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性

βfNPGNPGff02.發(fā)電機組有功功率頻率靜態(tài)特性簡化分析使用的頻率特性如圖2.發(fā)電機組頻率靜態(tài)特性（1）調(diào)差系數(shù)：機組負荷改變時的頻率偏移（如圖f-P坐標下的斜率）3.負荷的有功頻率靜態(tài)特性正的調(diào)節(jié)效應(yīng)：dPL/d?>0有利于維持頻率穩(wěn)定頻率升高時，負荷取用的有功功率增加；頻率降低時，負荷取用的有功功率減小。fNPLPLf綜合負荷的靜態(tài)頻率特性3.負荷的有功頻率靜態(tài)特性由于負荷突增，發(fā)電機組功率不能及時變動而使機組減速，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(yīng)而減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，達到新的平衡。3.頻率的一次調(diào)整3.頻率的一次調(diào)整有功平衡與頻率的關(guān)系

PG=PD∑+PL

有功平衡水平的高低決定系統(tǒng)頻率水平的高低。f1a1PG(f)ff2fa(fN)PD(f)P’D(f)a2a一次調(diào)頻二次調(diào)頻3.頻率的一次調(diào)整結(jié)論僅有一次調(diào)頻時，頻率偏差的大小與負荷的變化量的大小成正比，與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功率成反比。系統(tǒng)越大，其單位調(diào)節(jié)功率越大，這是電力系統(tǒng)聯(lián)合運行的優(yōu)點之一。負荷增量由兩部分供給：一部分是由于頻率下降引起調(diào)速器動作使汽（水）門開度增大而多發(fā)的功率，另一部分是由于負荷自身具有的正調(diào)節(jié)效應(yīng)隨頻率下降而少用的功率。如果系統(tǒng)中某些機組已經(jīng)滿載，則其KG=0。（因為KG=ΔPG/Δf，ΔPG=0）僅有一次調(diào)頻時，為了減少頻率偏差，希望系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)越大越好，但一方面，負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)不可控制，且數(shù)值也不大；另一方面，電源的單位調(diào)節(jié)功率也不可能無窮大，否則系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行。求出頻率偏差后，可以進一步求出各機組承擔的功率增量：ΔPGi=-KGiΔf=可見，機組的調(diào)差系數(shù)越大或機組容量越大，承擔的功率增量越大，如果各機組的調(diào)差系數(shù)相等，則承擔的功率增量將按額定容量的大小成正比分配，這是合理的。例題頻率的一次調(diào)整（特點）一次調(diào)節(jié)對系統(tǒng)頻率變化的響應(yīng)快，根據(jù)IEEE的統(tǒng)計，電力系統(tǒng)綜合的一次調(diào)節(jié)特性時間常數(shù)一般在10秒左右。由于發(fā)電機的一次調(diào)節(jié)僅作用于原動機的閥門位置，而未作用于火力發(fā)電機組的燃燒系統(tǒng)。發(fā)電機的一次調(diào)節(jié)采用的調(diào)整方法是有差特性法，其優(yōu)點是所有機組的調(diào)整只與一個參變量有關(guān)（即與系統(tǒng)頻率有關(guān)），機組之間互相影響小。當負荷變動幅度較大（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)電機組的功頻特性平行移動，從而改變發(fā)電機的有功功率以保持系統(tǒng)頻率不變或在允許范圍內(nèi)。4、頻率的二次調(diào)整4、頻率的二次調(diào)整二次調(diào)頻的特點頻率的二次調(diào)節(jié)(不論是分散的，還是集中的調(diào)