电力系统的经济运行.pdf

第五章第五章电力系统稳态分析电力系统稳态分析 1 4.4.电力系统的经济运行电力系统的经济运行 2 3 经济运行：经济运行：降低成本降低成本，提高竞争力。，提高竞争力。 日益日益重要：重要：市场化市场化改革改革 供不应求：无经济性可言，“电老虎”供不应求：无经济性可言，“电老虎” 供大于求：供大于求：通常发电容量通常发电容量 系统负荷，多种可行发系统负荷，多种可行发 电组合，则电组合，则有有经济优化空间。经济优化空间。 电力系统为什么要经济运行？电力系统为什么要经济运行？ 4 在保证整个系统安全可靠和电能质量符合标准的前 提下，尽可能提高电能生产电能生产和输送输送的效率，降低 供电的燃料消耗或供电成本。 重要术语：经济调度（重要术语：经济调度（Economic Dispatch，ED） 有功有功EDED； 无功无功EDED； 难度大，高挑战性。难度大，高挑战性。 经济运行的基本任务经济运行的基本任务 5 怎么实现经济运行？怎么实现经济运行？ 输送输送降低网损降低网损 电能生产电能生产负荷在电厂间的合理分配负荷在电厂间的合理分配 各类电厂的技术经济特点各类电厂的技术经济特点 计算方法、控制措施计算方法、控制措施 经济性原则（定性）经济性原则（定性） 发电成本特性（定量）发电成本特性（定量） 经济性原则经济性原则： 充分充分利用水力资源，避免弃水利用水力资源，避免弃水； 降低降低火电成本火电成本，发挥，发挥大容量高效率机组作用。大容量高效率机组作用。 6 一、电力网中的能量损耗一、电力网中的能量损耗 供电供电量：量：给定的时间内，系统中所有发电厂的总 发电量同厂用电量之差。 %100 供电量 电力网损耗电量 电力网能量损耗率 1.1.电力网的能量损耗率电力网的能量损耗率 电力网的损耗电量：电力网的损耗电量：所有送电、变电和配电环节 所损耗的电量。 7 电力网的损耗率简称网损率网损率或线损线损率，率，是衡 量供电企业管理水平的一项重要的经济技术指 标。 说明：说明： dtRITPA T TT 3 0 2 0 103 变动损耗变动损耗 时间时间 电力网能量损耗的组成 %100 供电量 电力网损耗电量 电力网能量损耗率 固定损耗固定损耗 8 最大负荷损耗时间最大负荷损耗时间法法 等值功率等值功率法法 2.2.能量损耗的计算方法能量损耗的计算方法 9 2 3 2 00 d10 d TT LL S AP tRt V 最大负荷损耗时间最大负荷损耗时间 如果线路线路中输送的功率一直保 持为最大负荷功率Smax，在小时 内的能量损耗恰好等于线路全年 的实际电能损耗。 32 max 3 2 2 max 8760 0 3 2 2 101010 PR V S tR V S Ad 单位单位：有功：有功：kW；视在功率：；视在功率：kVA；电能损耗：；电能损耗：kWh 复习：最大负荷利用时间复习：最大负荷利用时间 max max P A T 10 变压器变压器的可变电能损耗的计算方法和线路相似，但是要 计及固定损耗： )(10 3 2 2 max 0 hkWR V S TPA TT n台相同容量的变压器并联运行，则1年的总电能损耗为 )( 2 max 0 hkW S S n P TPnA N k T ）。运行小时数（是变压器全年实际投入 ）；量（是单台变压器的额定容 ）（是网络输送的最大功率 ）；耗（为单台变压器的短路损 ）；耗（为单台变压器的空载损说明： hT MVAS MVAS kWP kWP N k ; max 0 11 假定电压恒定： 8760 2 0 2 max dSt S 与用视在功率表示的负荷曲线有关； 对于给定的功率因数，同Tmax之间存在一定关 系。 22 8760 33 max 22 0 10 d10 SS ARtR VV 8760 max 0 maxmax 1 d W TP t PP 12 13 准确度不高，只适用在电力网规划设计中； 不宜计算已运行电网的能量损耗； 不能对误差作出有根据的分析； 最大负荷损耗时间法最大负荷损耗时间法的特点：的特点： 14 22 eqeq23233 eq 2 0 310 d31010 TPQ AI RtI RTRT V 2 eq 0 1 d T IIt T 等值功率法等值功率法 当电网的电压恒定电压恒定不变时: 2 eq 0 1 d T PPt T 2 eq 0 1 d T QQt T 电流等效值电流等效值 15 电流、有功功率和无功功率的等效值还可以表示为 eqav eqav eqav IGI PKP QLQ 22322223 avavav 2 31010 RT AG I RTK PL Q V T运行时间（日、月、季、年）； Ap有功电量； AQ无功电量。 p av Q av A P T A Q T 形状系数 16 形状系数形状系数K的取值范围： 2 1 1 K 2 2 av 11 28 K 说明：说明： 形状系数由负荷曲线的形状决定。 当0.4时，其最大可能的相对误差不会超过10%； 当0.4时，可将曲线分段，只要每一段的0.4，就能保证 总的最大误差在10%以内； 对于无功负荷曲线的形状系数L也可以作类似的分析。当负荷当负荷 的功率因数不变时的功率因数不变时K与与L相等相等。 最小最小负荷负荷系数系数 17 要求的原始数据不多，方法简单； 能对误差作有根据的分析和估计； 能够推广应用于任意复杂网络的电能损耗 计算。 等值功率法等值功率法的特点：的特点： 18 3.3.降低降低网损的常用技术措施网损的常用技术措施 1 1）提高用户的功率因数，）提高用户的功率因数，减少减少网络中网络中无功无功功率的功率的 传送传送 2 22 cos L P PR V 2 1 2 cos %1100 cos l P %5 .39(%), 9 . 07 . 0cos l P QPXR V QP S j)j( 2 22 19 提高功率因数的主要措施提高功率因数的主要措施 合理选择异步电动机的容量 采用并联无功补偿装置 20 2 2）改善网络中的功率分布）改善网络中的功率分布 为了降低网络的功率损耗，可以在环网中引入环路环路 电势电势进行潮流控制潮流控制，使功率分布尽量接近于经济分经济分 布布。 功率的自然分布功率的经济分布 21 2 2）改善网络中的功率分布）改善网络中的功率分布 功率的自然分布功率的经济分布 QPXR V QP S j)j( 2 22 321 311 2 321 322 1 ZZZ ZZSZS S ZZZ ZZSZS S cbbC )()( 功率的功率的自然分布自然分布：按照与阻抗成反比分布的功率。：按照与阻抗成反比分布的功率。 功率的功率的经济经济分布分布：使网络的有功功率损耗为最小的功率分布。：使网络的有功功率损耗为最小的功率分布。 22 2 2）改善网络中的功率分布）改善网络中的功率分布 QPXR V QP S j)j( 2 22 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 3 2 2 3 2 3 2 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 1 3 3 2 2 1 1 U QQPP R U QQQPPP R U QP R U QP R U QP R U QP R U S R U S R U S P bbCbCb l )()()()( 00 11 Q Q P P ll 23 2 2）改善网络中的功率分布）改善网络中的功率分布 闭式网中的P和Q按电阻成反比分布时，其有功功 率损耗最小。 均一网络的自然功率分布于经济分布相等。 措施：1）对于R/X较小的线路进行串联电容补偿； 2）装设有载调压变压器，利用循环功率改 善功率分布。 321 322 1 321 322 1 RRR RRQRQ Q RRR RRPRP P bC ec bC ec )()( 321 322 1 ZZZ ZZSZS S bC )( 24 2 2）改善网络中的功率分布）改善网络中的功率分布 环形网络可以考虑开环运行是否更为合理。为了限 制短路电流或满足继电保护动作选择性要求，需将 闭式网络开环运行闭式网络开环运行时，开环点的选择要有利于降低 网损。 25 低压配电配电网络一般采取闭式网络接线闭式网络接线，按开式网开式网 络运行络运行。 在配电网络的适当地点安装有分段开关和联络开 关。在不同的运行方式下，对这些开关的通断状 态进行优化组合，合理安排用户的供电路径，可 以达到平衡支路潮流，消除过载，降低网损和提 高电压质量的目的（配电网络重构配电网络重构）。 26 35kV及以上的输电网输电网，适当提高提高运行电压可以 降低网损； 610kV的农村配电网配电网，应适当降低降低运行电压以 降低网损； 3 3）合理确定电力网的运行电压水平）合理确定电力网的运行电压水平 前提：前提：保证电压质量保证电压质量, , 不能影响电力网的不能影响电力网的 安全运行。安全运行。 27 问题提出：问题提出：一个变电所内，一个变电所内，怎样怎样根据负荷的变根据负荷的变 化适当改变投入运行的变压器台数，从而减少化适当改变投入运行的变压器台数，从而减少 功率损耗？功率损耗？ 假设：假设：k台台变压器容量和型号相同，变压器容量和型号相同，总负荷功率总负荷功率 为为S。 4 4）组织变压器的经济运行）组织变压器的经济运行 28 K台相同变压器并联运行的总功率损耗为 4 4）组织）组织变压器的经济运行变压器的经济运行 K-1台并联运行时的总功率损耗为 2 0ST1 N 11 1 k S PkPkP kS 00 )1()( ) 1(PkPk PP kTkT 2 0)( N skT kS S PkPkP 0 crN S 1 P SSk k P 临界负荷功率临界负荷功率 29 说明：说明： 当负荷功率大于大于临界负荷功率临界负荷功率时，宜投入k台 变压器并联运行；否则，宜投入k -1台变压器并 联运行； 对一昼夜内多次大幅度变化一昼夜内多次大幅度变化的负荷，变压器 不宜不宜完全按照上述方式运行； 当变电所只有两台只有两台变压器并联运行时，其经 济运行应服从供电的可靠性可靠性。 0 crN S 1 P SSk k P 30 5 5）对）对原有电网进行技术改造原有电网进行技术改造 对原有配电网络进行改造,降低网络损耗。例如增增 设电源点设电源点，提升线路电压等级提升线路电压等级，增大导线截面增大导线截面等。 在改建旧电网时，将110kV或220kV的高电压直接 引入负荷中心，简化网络结构，减少变电层次减少变电层次，能 够大量降低网损。 调整用户的负荷曲线，提高提高最小负荷率最小负荷率，使形状系 数接近于1，也可降低能量损耗。 31 二、负荷在发电厂二、负荷在发电厂间的合理间的合理分配分配 （定性分析）（定性分析） 1 1）火力发电厂）火力发电厂 成本：高！成本：高！燃料及其运输，不可再生燃料及其运输，不可再生 效率：效率：与与蒸汽蒸汽参数有关，温压越高，效率越高参数有关，温压越高，效率越高 调节范围：调节范围：较窄，受锅炉较窄，受锅炉/ /汽机最小技术负荷限制，汽机最小技术负荷限制， 温压越高，越窄（高温压温压越高，越窄（高温压30%30%，中温压，中温压75%75%） 调节速度：调节速度：投退和增减出力慢，耗能多投退和增减出力慢，耗能多 1.1.各类电厂的各类电厂的技术经济技术经济特点特点 32 1 1）火力发电厂）火力发电厂 热电厂：热电厂：抽汽供热，效率高；但技术最小负荷取决于抽汽供热，效率高；但技术最小负荷取决于 热负荷，为强迫功率热负荷，为强迫功率 不不受自然条件的受自然条件的影响影响 33 成本：成本：低！无须燃料费，梯级开发，再生能源低！无须燃料费，梯级开发，再生能源 调节范围：调节范围：大（大（50%50%以上）以上） 调节速度：调节速度：增减负荷快，操作容易、经济增减负荷快，操作容易、经济 出力约束：出力约束： 取决于取决于水量水量和和水位差水位差，受，受来水来水影响大；影响大； 水利枢纽水利枢纽兼顾发电、航运、防洪、灌溉、渔业、旅兼顾发电、航运、防洪、灌溉、渔业、旅 游；游； 2 2）水力发电厂）水力发电厂 34 出力约束：出力约束： 发电用水量发电用水量要要按水库的按水库的综合效益综合效益考虑，考虑，不一定适应不一定适应 电力负荷，须与电力负荷，须与火电配合火电配合。 抽水抽水蓄能电厂：蓄能电厂：调节电力系统有功负荷的峰谷差。调节电力系统有功负荷的峰谷差。 2 2）水力发电厂）水力发电厂 35 成本：成本：一次性投资大，运行费用小一次性投资大，运行费用小 调节范围：调节范围：大大 调节速度：调节速度： 反应堆反应堆和汽轮机组退出运行和汽轮机组退出运行和投入和投入花费时间长，花费时间长， 且增加能量损耗且增加能量损耗。 运行中不宜承担急剧变动的运行中不宜承担急剧变动的负荷负荷 3 3）原子能）原子能发电厂的主要特点发电厂的主要特点 综合负荷在发电厂间的合理分配综合负荷在发电厂间的合理分配 37 3种调整方式种调整方式 P1：一一次次调频调频/ 调速器调速器 P2：二：二次次调频调频/调频器调频器 P3：三次调频三次调频/在在有功功率平衡的有功功率平衡的 基础上基础上，依据负荷曲线，经济合理，依据负荷曲线，经济合理 地在地在各发电厂间进行各发电厂间进行分配（分配（电力系电力系 统经济运行统经济运行）。）。 38 三、三、 火电厂间有功功率经济分配火电厂间有功功率经济分配 （有功（有功EDED、定量分析）、定量分析） 发电成本：发电成本：燃料、劳动力、维护费用等。 简化分析：简化分析：仅考虑可变成本，主要是燃料燃料。 发电成本特性曲线C(PG)：单位时间内，发电燃料 成本C（元）与发电出力PG（MW）之间的关系。 取决于什么？取决于什么？ 标准煤标准煤单价单价k（元元/ /吨）吨） 机组耗量特性机组耗量特性F( (PG) ) C(PG)=k F( (PG) ) 39 三、三、 火电厂间有功功率经济分配火电厂间有功功率经济分配 （有功（有功EDED） 1.1.耗耗量特性量特性 定义：反映发电设备（或 其组合）单位时间内单位时间内能量 输入（F：燃料，吨：燃料，吨）和 输出（P：有功，：有功，MW） 关系的曲线。 40 基本概念：基本概念： 比耗量：耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之 比。 =F/P 发电厂的效率：=P/F 耗量微增率：耗量特性曲线上某点切线的斜率 =dF/dP（增加单位出力，单位时间内增加的燃料量增加单位出力，单位时间内增加的燃料量） 41 2.2.等微增率准则等微增率准则 问题：已知问题：已知两台机组的耗量特性两台机组的耗量特性 和总的负荷功率和总的负荷功率PLD。假定假定各台各台 机组燃料消耗量和输出功率不受机组燃料消耗量和输出功率不受 限制。限制。要求确定要求确定负荷功率在两台负荷功率在两台 机组间的分配，使总的燃料消耗机组间的分配，使总的燃料消耗 量最小。量最小。 定义：定义：电力系统中的各发电机组按相等的耗量微电力系统中的各发电机组按相等的耗量微 增率运行，从而使得总的能源损耗最小，运行最增率运行，从而使得总的能源损耗最小，运行最 经济。经济。 42 目标函数 1G12G2 FF PFP 等耗量微增率原则就是在等耗量微增率原则就是在满足约束条件的前提下，满足约束条件的前提下， 使目标函数有最小值。使目标函数有最小值。 为什么为什么耗耗量微增量微增率相等率相等？ G1G2LD 0PPP 分析分析： 约束条件 43 目标函数最小的目标函数最小的 条件：条件：两耗量特两耗量特 性曲线斜率相等性曲线斜率相等 的两点间的距离的两点间的距离 最短。最短。 1G12G2 FF PFP G1G2LD 0PPP 44 结论：结论： 负荷在两台机组间分配时，如它们的燃料消 耗微增率相等，则总的燃料消耗量将最小。 等微增率准则等微增率准则也适用于多台机组适用于多台机组（或多个发 电厂）间的负荷分配。 45 3.3.多多个发电厂间的负荷经济分配个发电厂间的负荷经济分配 n GiLD i=1 0PP Gi 1 min n i i FF P 约束条件 目标函数 求解：求解：拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法 )( 1 LD n i Gi PPFL 问题转化为求解L的无条件极值问题。 46 3.3.多多个发电厂间的负荷经济分配个发电厂间的负荷经济分配 12 12 i GGGi dFdFdF dPdPdP 结论：结论： 不等式约束不等式约束条件：条件： maxmin maxmin maxmin iii GiGiGi GiGiGi VVV QQQ PPP )( 1 LD n i Gi PPFL 0 GiGi P F P L 47 假定网络损耗为假定网络损耗为PL： 4.4.计及计及网损网损的有功负荷经济分配的有功负荷经济分配 11 () nn iGiLLD ii LFPPP 构造拉格朗日函数： 函数L取极值的必要条件为 (1)0 iL GiGiGi dFdPdL dPdPdP 0 1 LDL n i Gi PPP Gi 1 min n i i FF P 48 -网损修正系数； 1 *(1,2, )(1422) 1 ii i