（电力系统及其自动化专业论文）多调频厂下的电力系统潮流计算.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 区域电网的互联是现代电力系统发展的一大趋势，电网互联可以实现更大范围 的社会资源优化配置，带来巨大的经济效益，实现可持续发展的能源战略。另外大 电网也可使系统的稳定性增强。因此，大电力系统是电力工业发展的客观要求和必 然趋势。随着电力系统装机规模的不断发展和扩大，电力供需的主要问题已经由单 纯满足电力需求转变为高峰时段电力短缺，峰谷差进一步扩大剧烈变化的负荷状 况对不平衡功率的主要承担者调频厂提出了更高的要求。本文通过对多平衡节 点各种方法进行比较，提出了多调频厂的潮流计算新方法，运用先进的面向对象编 程技术，使用面向对象的编程语言v c + + b u i l d e r 6 0 ，针对改进的i e e e 1 4 节点数据、 改进的美国电科院3 6 节点测试数据，开发实现了当一个调频厂不能够满足持续增 加的不平衡功率时，多调频厂功率的恰当分配模式。 提出了多调频厂的潮流计算新方法 关键词；潮流计算牛顿控夫逊算法多调频厂多平衡节点 a b s t r a c t t h ec o n n e c t i o no fd i s t r i c te l e c t r i cn e t w o r ki st e n d e n c yo fd e v e l o p m e n to fm o d e r n p o w e rs y s t e m a n dt h ec o n n e c t i o no fe l e c t r i cn e t w o r kc o u l di m p l e m e n tt h es o c i a l r e s o u r c e ，a n da l s oc o u l db r i n gh u g ee c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，r e a l i z et h ec o n t i n u e d d e v e l o p m e n t a le n e r g ys t r a t e g y a l s ol a r g ee l e c t r i cn e t w o r ki sa b l et oe n h a n c et h e s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m s o ，t ob el a r g ee l e c t r i cn e t w o r ki st h eo b j e c t i v er e q u i r e m e n t a n di n e v i t a b l et r e n d 。w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n de x p a n d ，m a j o rp r o b l e mo f p o w e rn e e dh a st u r n e df r o mp u r es a r i s f yp o w e rn e e dt oa b s e n te l e c t r i cf o r c ei nh e i g h t p e a kt i m e i n t e r v a l ，a n dt h ed i f f e r e n t i a lo fp e a kt ov a l l e yh a sb e e nm o r e a n dm o r e i n c r e m e n t 。s e v e r ev a r y i n gl o a dh a se x t r a c tm o r ea d v a n c e dr e q u i r e m e n tt o f r e q u e n c ye l e c t r i cp o w e rp l a n t o nt h i sa a i c l e ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fv a r i o u s m e t h o do nm u l t i s l a c kn o d e , w ea p p l ya d v a n c e dt e c h n o l o g yo ff a c et of a c eo b j e c t p r o g r a m m i n ga n df a c et of a c eo b j e c tp r o g r a m m e dl a n g u a g e - - v c + + b u i l d e r 6 0 ，d e v e l o p ap e r t i n e n ta l l o c a t i o nm o d e la b o u tm u l t i f r e q u e n c ye l e c t r i c p o w e rp l a n tw h e na f r e q u e n c ye l e c t r i cp o w e rp l a n tc o u l dn o ts a t i s f ye n d u r a n c eg r o w i n gu n b a l a n c e dp o w e r a g a i n s ti m p r o v e dn o d a ld a t ao f i e e e 1 4a n di m p r o v e dn o d a ld a t ao fe p r i3 6n o d e 。 k e y w o r d s ：p o w e rf l o w ，n e w t o n - r a p h s o nm e t h o d ，m u l t i - f r e q u e n c ye l e c t r i cp o w e r p l a n t ，m u l t i s l a c kn o d e 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 现代电力系统及其特点 第一章绪论 能源是人类发展的基本条件。电能作为现代社会最主要的二次能源，在生产和 生活中获得了极广泛的应用，在人类社会的现代化进程中扮演了极其重要的角色。 2 0 世纪中叶以来出现的大型电力系统，是一切工业系统中规模最大、层次复杂、资 金和技术密集的复合系统，是人类工程科学上最重要的成就之一。尤其是在现在社 会，科技水平的提高以及经济的发展，使得人类对电能的需求和依赖越来越高。 现代的电力系统，可以看成是由三个基本系统组成。一是电能生产、传输、使 用的一次系统，即发电、输电、变电、配电、和用电五个子系统组成，称之为物流 系统；而是电力系统的监控、保护，自动控制和调度自动化等组成的能量管理系统， 称之为信息流系统；三是电能量的交易系统，称为货币流系统。其中物流系统研究 的侧重在于能量的转化、电能的输送和分配以及电力系统可靠、稳定、安全、经济 运行的规律；信息流系统主要研究如何获得物流系统的各种状态信息以及对所得信 息的传输、处理和应用；货币流系统主要任务是研究在市场环境下有关电能这种商 品的经济性行为。 电能是电力工业的唯一产品，因此现代电力系统的特点与电能的特点是紧密相 联的。由于电能不能大量储存，电能的生产、输送、分配和消费都是同时进行的。 在任何时刻，电力的生产、输送、分配和消费在功率和能量上，必须严格保持平衡， 并需留有足够的容量和能量的备用，这是电力企业充足、可靠、合格地向用户供电 的基本条件。发、送、变、配和用电各个子系统相互连接，形成一个整体，不可分 割，具有鲜明的系统性。 区域电网的互联是现代电力系统发展的一大趋势。从安全经济运行的角度上 看，电两互联可以实现更大范围的社会资源优化配置，带来巨大的经济效益，主要 表现在：可以在能源丰富的地区建立电厂，把一次能源转化成电能，然后输送到负 荷密集区域，这样大大提高能源的输送效率；大系统可以安装大容量、高效率机组， 有利于节省建设资本，降低发电能耗；各个子系统互为备用，减少了总备容量，增 强系统的抗事故能力；利用可再能源与耗尽型能源的互补调节，充分利用可再生的 一次能源，提高能源效率，强化可再生能源的利用，实现可持续发展的能源战略； 另外大电网可承受较大的冲击负荷，使系统的稳定性增强。因此，大电力系统是电 力工业发展的客观要求和必然趋势。 高压交流输电是实现系统互联的主要模式之一，它给电力系统带来了巨大的经 4 华北电力大学硕士学位论文 济效益，但同时也带来了系统运行的复杂性。为了克服大系统联网的困难，高压直 流输电在现代电力系统中得到了发展。因为直流输电不存在交流输电的功角稳定问 题，没有无功损耗，电晕损耗和无线电损耗小，另外，直流线路还具有造价低，易 于调控的优点，使得直流输电在一些国家得到了有效的应用。所以，现代电力网络 通常是交直流混合的输电系统。 1 2 国内外研究现状 由于现在电网互连系统越来越紧密，负荷的波动越来越剧烈的因素。在二次调 频当中，一个调频厂已经难以满足对不平衡功率的平衡要求。一些学者针对常规潮 流算法中功率不平衡量由一个平衡机承担问题，提出用多平衡节点来处理的潮流新 算法。在该方法中，每个平衡机都是一个平衡节点，让功率不平衡量由多个发电单 元即平衡节点来分摊。各个平衡节点的电压和相角都已经得知，我们只需要按常规 潮流计算方法，把雅克比矩阵中和平衡节点相关的行和列去掉，求得各个非平衡节 点的参数，则各个平衡节点的p 和q 就可以确定下来了。该方法在相角测量仪p m u 以及w a m s 得以配备和不断的改进后，显得更加具有实用性。另外一种方法是在整 个系统当中有若干的平衡机，但是只有一个平衡节点作为潮流计算电压和相角的参 考节点。不平衡功率还是按照分配因子在各个平衡机之间进行分配。在第一种方法 里面一般需要配备相应的相角测量仪器，由于受到经济成本的压力，p m u 设备不能 大量使用，所以该方法具有一定的局限性。在第二种方法里面，分配因子的确定是 一个设计面比较广泛的闯题，不太合适单纯的靠经济性指标或者调差系数等因素来 确定功率的分配因子。现场当中，这两种方法共同的弊病在于都没有考虑各个调频 电厂，即平衡节点的容量过限问题。本文旨在提出二次调频当中，当一个调频电厂 不能够满足突然变化的不平衡功率时，采用多个调频厂来进行平衡的新方法，这样 既可以通过常规潮流的算法来进行计算，又可以用简单合理的方式来确定各个调频 电厂的分配容量。从而更加符合我们现场二次调频的基本过程。 1 3 本论文的工作 本文运用先进的面向对象编程技术，使用面向对象的编程语言v c + + b u i l d e r 6 0 ，针对i e e e 1 4 节点数据、美国电科院3 6 节点测试数据，开发实现了当一个调频 厂不能够满足持续增加的不平衡功率时，功率的正确分配模式。 概括起来，本文进行了以下几个方面的工作： 1 、对多调频厂的潮流计算模型和方法进行调研 5 华北电力大学硕士学位论文 由于多调频厂的问题属于现场实际，相关的论文文献比较欠缺，笔者经过大量 的查询，阐述了现行的关于二次调频当中多调频厂的两种潮流计算模型，即单v 0 节点模型和多v0 节点模型。总结了现行针对多调频厂的多种不平衡功率分配 的方法，对各种相关的衍生研究文献进行了概括和比较。 2 、提出了多调频厂的潮流计算新方法 通过对各种方法的优缺点的对比分析，针对现行的各种方法当中所欠缺考虑的 功率过限因素和其他的一些缺点，提出了二次调频当中，不平衡功率的新的分 配模式。并建立了新方法的潮流计算模型。 3 、对新方法进行了编程实现 本程序采用a c c c s s 作为运算的数据库，分别创建了节点和线路两个数据表，将 节点数据、线路数据、并联电容电抗器、双绕组变压器、三绕组变压器等系统 参数进行了有效处理。并且运用先进的面向对象编程技术，使用面向对象的编 程语言v c + + b u i l d e r 6 0 ，对新方法进行了编程实现。 4 、潮流计算分析对比 本文对所选算例计算的结果进行了牛拉法与新算法的对比，突出说明了新的潮 流处理方法能够满足实际电网当中不断增长的负荷趋向，满足区域电网互联所 产生的较大的不平衡功率 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力系统的频率调整 衡量电力系统当中电能质量的指标有频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率 偏移、电压偏移和波形畴变率表示。其中，频率质量为重中之重，而系统的频率主要由 系统的有功来决定，而频率的波动往往伴随的就是系统的有功不平衡。电力系统的有功 功率和频率调整大体上可分为一次、二次、三次调整三种。一次调整或频率的一次调整 指由发电机组的调速器进行的，对系统当中变动幅度小、周期短的负荷变动引起的频率 偏移的调整。二次调整或频率的二次调整指由发电机的调频器进行的，对系统当中变动 幅度大，周期较长的负荷变动引起的频率偏移的调整。三次调整是指对系统当中变动幅 度最大，周期最长的负荷，按照最优化准则，责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线 发电。下面就有功功率和频率的调整进行一下介绍，按照顺序依次介绍三次调整、一次 调整和二次调整： 2 1 电力系统三次调频 2 1 1电力系统频率三次调频概述 ( 一) 系统频率三次调节基本概念 电力系统频率三次调节亦称发电机组有功功率经济分配，其主要任务是经济、高效 地实施功率和负荷地平衡。频率三次调节要解决地问题包括以下几点： ( 1 ) 以最低地开、停机成本( 费用) 安排机组组合，以适应日负荷的大幅度变化。 ( 2 ) 在发电机组之间经济地分配有功功率，使得发电成本( 费用) 最低。在地域 广阔地电力系统中，则需要考虑发电成本( 发电费用) 和网损( 输电费用) 之和最低。 ( 3 ) 为预防电力系统故障时对负荷的影响，在发电机组之间合理地分配备用容量。 ( 4 ) 在互联电力系统中，通过调整控制区之间的交换功率，在控制区之间经济地 分配负荷。 ( 二) 频率三次调节特点 电力系统频率三次调节与一、二次调节地区别较大，其特点主要有以下几点： ( 1 ) 电力系统频率三次调节与频率一、二次调节不同，不仅要对实际负荷地变化 7 华北电力大学硕士学位论文 作出反应，更主要地是要根据预计的负荷变化，对发电机组有功功率事先作出安排。 ( 2 ) 电力系统频率三次调节不仅要解决功率和负荷的平衡问题，还要考虑成本或 费用的问题，需控制的参变量更多，需要的数据更多，算法也更复杂，因此其执行周期 不可能很短。 ( 三) 频率三次调节的作用 电力系统频率三次调节主要针对一天中变化缓慢的持续变动负荷安排发电计划，在 发电功率偏离经济运行点时，对功率重新进行经济分配。其在频率控制中的作用主要是 提高控制的经济性。但是，发电计划安排的优劣对频率二次调节的品质有重大的影响， 如果发电计划与实际负荷的偏差较大，则频率二次调节所需的调节容量就越大，承担的 压力越重。因此，应尽可能提高频率三次调节的精确度。 2 1 2电力系统三次调节基本原理 电力系统频率的三次调节，通常也称为电力系统有功功率的经济分配，其实质是维 持系统功率与负荷的平衡，确保电力系统的优质、经济运行。为此，首先要对电力系统 的负荷进行短期或超短期的预测，再根据预测的结果确定参与发电的机组组合，按照经 济原则分配发电机组的有功功率。在具有水电厂的电力系统中还要兼顾合理利用水资源 的要求。 一、电力系统的负荷及负荷预测 ( 一) 电力系统的负荷类别 电力生产与其他生产的重要区别就是要求发电、用电随时保持平衡，即用多少发多 少，而且发、供，用同时完成。电力系统负荷是由各种各样的单一负荷构成的，类型复 杂，变化规律各异。通常可根据以下方式对其进行分类。 1 按照电力系统负荷性质分类 电力系统负荷按其性质可分为工业负荷、农业负荷、商业负荷、生活负荷和其他负 荷。 不同类型的负荷都有其自身的变化规律。如工业负荷一般受气象因素影响小，但受 国家政策和经济环境甚至世界经济环境影响较大。农业负荷季节变化性强，并且受降雨 量影响大。商业负荷变化较有规律，但受气温和节假日影响较大。随着经济的发展和人 民生活水平的提高以及最近一些年全国范围内的农村电网改造，城乡居民生活负荷增长 率提高很快，特别是空调负荷迅速增长，使系统负荷受气象因素影响越来越大此外， 还有地方小水电、风力发电机、柴油发电机等小发电机组，由于容量比较小，一般不受 8 华北电力大学硕士学位论文 电网调度运行控制，可以放在用电负荷统计中予以扣除。由于小水电和风力发电机组的 工作状态完全取决于气象条件，而小型柴油发电机是否工作多取于燃油价格和地方用电 是否紧张。凡此种种，均使电力系统负荷的变化规律复杂而无序。 2 按照电力系统负荷变化幅度和变化周期分类 电力系统负荷按照变化幅度和周期可以分为以下三类： ( 1 ) 变化幅度很小，变化周期很短的负荷，主要由小功率负荷的频繁投切引起的， 这类负荷本身具有明显的随即性质。 ( 2 ) 变化幅度较大，变化周期较长的负荷，主要是由工业大功率间歇性负荷的投 切引起的，这类负荷随机性较大，在小系统中的影响特别明显。 ( 3 ) 变化幅度大，变化周期长的负荷，主要由生活周期、生产周期和气象因素等 引起这类负荷变化具有较好的统计规律，可以比较精确地预计。负荷预测就是针对此 类负荷进行的。电网地规划和机组的发电计划和开停机计划就是根据此类负荷地发展和 变化而制定的。 一个地区往往包含有多种类型的负荷，各类负荷所占比例不同，系统负荷的变化规 律也不同。 ( 二) 电力系统的负荷预测 电力系统负荷预测以准确的统计数据和调查资料为依据，研究电力负荷的变化规 律，即从用电负荷的历史和现状出发，用科学的方法预测未来电力负荷的发展趋势和变 化规律。电力生产的不可储存和用电负荷的随时变化的特点决定负荷预测在电力生产和 建设中具有重要的作用。电力负荷预测是制定电力发展规划、安排运行计划和完成实时 控制的前提，是电力建设和调度的依据，是实现电网安全、优质和经济运行的基础。 在我国，每个五年计划期间全国将增加多少发电容量、增建多少千米线路、增加多 少便电容量都必须与这期间国民经济发展及人民生活水平的提高相适应，亦即与期间预 测的电力负荷密切相关，否则，将由于电力的不足影响经济发展，或过剩的电力设备不 能充分发挥作用，使大量的资金积压而无法获得效益。负荷预测不能充分发挥作用，使 大量的资金积压而无法获得效益。负荷预测和电网调度运行的关系更为密切，一个大的 电网有成百上千台发电机组，要决定哪些机组该停运、哪些机组发电运行以及发多少电 力最为合适，都和当时的系统负荷大小密切相关。负荷预测的关键是提高准确度，如果 负荷的预测值和实际值相差过大，就失去预测的意义，对电网的安全性、经济性和电能 质量都会带来不利影响。随着电力改革的深入，“厂网分开”的实施，负荷预测更成为 电力市场运营不可或缺的手段。电力市场运行人员要根据负荷预测结果决定今后购买多 少电力电量，电厂则根据负荷预测结果可以预知市场对电力电量的需求大小从而据以申 报合理的价格，以取得较好的经济效益。可以说在电力市场中，谁做好负荷预测，即谁 9 华北电力大学硕士学位论文 负荷预测准确，谁就能取得主动权，谁就能取得很好的紧急效益。 电力系统负荷预测根据预测种类不同可以分为系统负荷预测和母线负荷预测。顾名 思义，系统负荷预测是指整个电力系统负荷的预测，母线负荷预测是指各个母线节点负 荷的预测，它一般是根据系统负荷预测取得的某一时刻系统负荷值，根据不同的分配系 数分配到每个母线上，用于安全约束调度和发电计划的安全校核。 根据预测周期的长短，负荷预测可分为超短期、短期、中期和长期负荷预测几类。 ( 1 ) 超短期负荷预测周期为几分钟到数小时，用于实时发电控制和实时市场交易。 自动发电控制需要几分钟到十几分钟的负荷预测；安全约束调度需要几分钟到一小时的 负荷预测；实时发电市场需要十分钟到数小时的负荷预测；使用对象是电网调度人员或 实时市场交易员。 ( 2 ) 短期负荷预测周期为一天到一周，主要用于制订机组启停、发电分配、水火 电协调、机组经济组合、检修计划和省际功率交换计划。使用对象为调度日计划编制的 工程师或电力市场交易员。 ( 3 ) 中期负荷预测周期为一个月到一年，主要用于编制电力系统中长期运行计划， 使用对象是电力系统中编制长期运行计划的工程师或电力市场期货交易员。 ( 4 ) 长期负荷预测周期为一年到数年，由于电网规划和建设，使用对象是电力系 统规划工程师。 一个好的负荷预测系统应能进行上述各种周期的负荷预测，它们都是以历史数据为 基础，只是预测周期不同，所需历史数据长度不同而已。 负荷预测中的短期负荷预测和超短期负荷预测对a g c 工作具有重要意义。短期负 荷预测是以日发电计划和省市联络线功率交换计划为依据的，而计划安排准确与否直接 影响电网a g c 调节品质的好坏。如果负荷预测和实际一致，电网中绝大部分机组执行 负荷预测安排的发电计划，实际上这些机组也等于参与自动发电控制，则正常情况下电 网只需要很少量a g c 机组调整就能保证电网频率和省市联络线功率交换计划的质量。 反之，则需要大量的a g c 机组参与调节。在电力市场条件下，由于电网需要对a g c 机 组的辅助服务进行一定的经济补偿，则负荷预测的准确与否直接影响到电网补偿a g c 辅助服务费用的多少。 发达国家的电力系统在2 0 世纪7 0 8 0 年代己发展得比较完善，电网结构相对比较 坚强，管理手段较为先进，并较好地解决了负荷供需之间的矛盾。随着电子计算机技术 的发展，在进一步提高经济效益和安全性能的要求下，较早地开展负荷预测技术地研究。 研究方法之一是采用传统意义上地数学模型进行预测，即以递推方程为基本数学工具， 从时间序列分析、系统辨识等理论出发，辅以回归分析、函数变换、卡尔曼滤波等方法， 提出了大量负荷预测地模型和算法，其特色是突出了预测模型和算法的自适应性。随着 实践经验的不断丰富，在积累大量模型和算法的基础上，又提出了专家系统的方法，希 1 0 华北电力大学硕士学位论文 望通过某种形式的人工智能来处理负荷变化规律中的不确定性。至2 0 世纪8 0 年代末期， 利用传统意义上的数学模型进行负荷预测的方法，从实用化的角度来看，已经发展到比 较完满的程度。 进入2 0 世纪9 0 年代后，各种新方法、新技术被引入到负荷预测的研究领域中，如 神经元网络、混沌序列等，其中人工神经元网络成为当前研究的一个热点。这表明负荷 预测技术的特色从自适应向智能化发展。传统意义上数学模型的自适应实质上是一种根 据无差进行跟踪的能力；而人工智能则是面向问题的分析调整能力。从理论上而言，人 工智能的方法可以更好地处理预测中的不确定性，但是从实用化的角度来考虑，人工智 能方法所采用的工具、方法更为复杂，对数据、计算速度和硬件资源地要求也更高。对 实际应用，尤其是在线实时运行情况地研究，还有待于进一步深入。 我国的电网还处于不断发展的阶段，其规模、结构及管理方式与发达国家都有很大 的不同。2 0 世纪9 0 年代中期以前全国大部分电网还处于缺电情况，高峰负荷时还经常 限电，电网结构也不尽合理，限制了用电负荷的增长，从而使负荷数据经常处于“失真” 状态。此外数据资料特别是气象数据积累较少，且数据的完备性、准确度都存在不足。 我国幅员广阔，国内各个电力系统之间的差别，尤其是负荷规模、负荷结构差异明显， 气象状况各异，所以不同地区的负荷预测模型和技巧之间的可移植性比较小，这些对预 测模型的方法的选定带来了一定的限制。最近几年，随着电力工业的快速发展，电力负 荷和电网结构已经基本满足各类需求，负荷预测的经济性和重要性日益突出，国内各个 电网的追切需要使负荷预测研究得以深入展开。在借鉴国外经验的基础上，结合各地区 负荷的特点，从某些较为新颖的角度出发，提出了若干改进方法，如模糊规则、灰色系 统和数据挖掘等今后随着数据的大量积累，使用经验的不断丰富，特别是在能够总结 出各电网特有的负荷变化规律的基础上，负荷预测系统的研究将会取得令人更为满意的 成果。 二、实时经济调度 一 电力系统频率的三次调节实质上是根据短期负荷预测结果，按最优化的准则分配系 统负荷组成中变化幅度最大、周期最长的分量负荷，控制各发电厂或发电机组按给定的 发电负荷曲线发电。电力系统有功功率最有分配的主要内容分两个部分，即机组组合和 经济调度。机组组合决定发电机组的运行和起停，经济调度则是在运行机组之间应用等 微增率原则或购电成本最小原则进行有功功率最优分配。 ( 一) 机组组合及其数学模型 机组组合是在己知系统负荷预测、水电计划、交换计划、燃料计划、网损修正、机 组状态的情况下，制订一段时间内发电机组的运行计划和启停计划，使系统发电和启停 总费用最低。机组组合本质上是一个优化组合问题，理论上只要把考察的机组群所有可 能组合进行比较即能得到最佳的组合方式。但是所有可能的组合在实际场合当中便是一 1 1 华北电力大学硕士学位论文 个天文数字，因此，我们在实用中一般采取快速而有效地求取准最佳的解法，并将机组 组合问题简化如下。 最小化目标是在研究周期内总的发电和启停费用最小。约束条件是满足系统功率平 衡和系统备用需求；满足机组发电上限、下限约束和机组最小开机、停机时间约束以及 机组负荷调节速率限制约束。 ( 二) 实时经济调度理论及数学模型 电力系统的经济调度是指在保证电力系统频率质量的前提下，如何使发电成本最小 和使电力系统运行具有良好的经济性，亦即在给定的发电机组条件下，使电力系统负荷 在各机组间获得最佳分配。 1 经济调度理论等微增率分配负荷 负荷分配的最经济方法直觉上容易被理解为，在系统负荷增加时，先使效率最好的 机组增加负荷，直至其最高效率时的负荷，然后再让效率次之的机组增加负荷直至其最 高效率时负荷为止，并以此类推。然而这种方法已被证明是不经济的，最经济的方法是 按微增率原则分配负荷。 微增率是指输入耗量微增量与输出微增量的比值。对发电机组来说，即燃料消耗费 用的微增量与发电机组输出功率微增量的比值。等微增率法则就是运行的发电机组按微 增率相等的原则来分配负荷。这样就使系统总的燃料消耗费用最小，因而是最经济的。 7 2 j 经济调度数学模型 经济调度的耳标函数为总的发电费用最小。总发电费用可用下式计算 f 一罗e 仍) +(2-1) 舒 可见目标要求f 趋向于最小。而约束条件则是系统功率平衡，即 罗只一己一b - 0 ( 2 - - 2 ) 儡 式中 ，系统发电总费用； e 机组i 的发电费用，是其发电功率的函数； 只一一机组i 的发电功率； e 系统负荷； 只系统网损。 应用拉格朗日乘子法求解，引入拉格朗日条件乘子a ，形成如下目标函数 f 一善e 假) 一a ( 善只一己一只) 一m i n ( 2 3 ) 使f 达到极值的条件是对各只和a 的偏导数为零，即 簧以。等- 。 1 2 ( 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 a - 面a f i l ( 1 一署) i 鲁厶 ( 2 5 ) 厶一一网损修正系凯j 一( 1 一署) ； ，fo 系统微增率； 簧吩一栅的微增率仇一鲁。 因此，在考虑网损条件下，负荷经济分配的准则是每个机组微增率与相应的网损 修币系数的乘积相等。 2 2 电力系统频率一次调频 电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机组的调速 器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。 2 2 1 电力系统频率一次调频概述 ( 一) 系统频率一次调节基本概念 1 电力系统负荷的频率一次调节作用 当电力系统种原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变化， 此时，存储在系统负荷( 如电动机等) 的电磁场和旋转质量中的能量会发生变化，以阻 止系统频率的变化，即当系统频率下降时，系统负荷会减少；当系统频率上升时，系统 负荷会增加。这种现象称为系统负荷的惯性作用，一般用负荷的频率调节效应系数( 又 称系统负荷阻尼常数) d 来计算 d a p i ( m w i h z ) ( 2 6 ) + r h系统频率变化值； 一。a p 系统频率变化引起的系统负荷变化。 系统负荷阻尼常数d 常用标么值来表示，其典型值为1 2 。d = - 2 意味着1 的系 统频率变化会引起系统负荷2 的变化。 2 发电机组的一次调频作用 当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机组的转速即发生变化，如转速的 华北电力大学硕士学位论文 变化超出发电机组规定的不灵敏区，该发电机组的调速器就会动作，改变其原动机的阀 门位置，调整原动机的功率，力求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况。亦即当系 统频率下降时，汽轮机的进汽阀门或水轮机的进水阀门的开度就会增大，增加原动机的 功率；当系统频率上升时，汽轮机的蒸汽阀门或水轮机的进水阀门的开度就会减小，减 少原动机的功率。原动机调速器的这种特性称为发电机组的调差特性，通常用调差率6 来表示 6 = 【o o - n ) n 。 x i 0 0 ( 2 7 ) n 。空载静态转速； 式中n 满载静态转速； n 额定转速。 调差率6 的实际含义是，如6 = 5 ，则当系统频率变化5 时，将引起原动机阀门 位置变化1 0 0 。 ( 二) 系统频率一次调节特点 除了系统负荷固有的频率调节特性外，发电机组参与系统频率的一次调节，具有以 下特点。 ( 1 ) 系统频率一次调节由原动机的调速系统实施，对系统频率变化的响应快，电 力系统综合的一次调节特性时间常数一般在l o 3 0 s 之间。 ( 2 ) 由于火力发电机组的一次调节仅作用于原动机的进汽阀门位置，而未作用于 火力发电机组的燃烧系统。当阀门开度增大时，使锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功 率，由于燃烧系统中的化学能量没有发生变化，随着蓄热量的减少，原动机的功率又会 回到原来的水平。因而，火力发电机组参与系统频率一次调节的作用时间是短暂的。不 同类型的火力发电机组参与系统频率一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火力发 电机组，由于蓄热量的不同，一次调节的作用时间为0 5 2 m i n 不等。 ( 3 ) 发电机组参与系统频率一次调节采用的调整方法是有差特性法，其优点是所 有机组的调整只与一个参变量即与系统频率有关，机组之间相互影响小。但是，它不能 实现对系统频率的无差调整。 点： ( 三) 系统频率一次调节作用 从电力系统频率一次调节的特点可知，它在电力系统频率调节中的作用有以下几 ( 1 ) 自动平衡电力系统的第一种负荷分量，即那些快速的、幅值较小的负荷随机 1 4 华北电力大学硕士学位论文 波动。 ( 2 ) 频率一次调节是控制系统频率的一种重要方式，但由于它的调节作用的衰减 性和调整的有差性，因此不能单独依靠它来调节系统频率。要实现频率的无差调整，必 须依靠频率的二次调节。 ( 3 ) 对异常情况下的负荷突变，系统频率的一次调节可以起某种缓冲作用。 2 2 2 电力系统频率一次调节基本原理 等。 一、负荷频率特性 ( 一) 负荷按频率特性的分类 电力系统中各种有功负荷，根据其与频率的关系，可以分为以下几类： ( 1 ) 与频率变化无关的负荷，如白炽灯、电弧炉、电阻炉、整流负荷等。 ( 2 ) 与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、压缩机、卷扬机 ( 3 ) 与频率的二次方成比例的负荷，如变压器中的涡流损耗等。 ( 4 ) 与频率的三次方成比例的负荷，如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等。 ( 5 ) 与频率的更高次方成比例的负荷，如静水头阻力很大的循环水泵等。 ( 二) 负荷的静态频率特性 电力系统全部有功负荷与频率的关系为 弓一4 。匕枷t 匕印枷：印2 + “ 。昂印。 弓一4 0 匕+ 口t 匕审枷：( 上) 2 + 。昂申。 jc j fj a o + 4 l + 4 24 - + 4 _ 1 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中p ，频率等于，时电力系统的全部有功负荷； 圪频率等于额定值丘时电力系统全部有功负荷； a 。与频率的f 次方成比例的负荷战额定负荷额百分比。 式( 2 - - 8 ) 即电力系统负荷的静态频率特性的数学表达式，若以攻和丘分别作为 功率和频率的基准值，以也去除公式( 2 - - 8 ) 的各项，便得到用标么值表示的电力系 统功率频率特性。 p f - 4 n + 4 t f + 4 t f ：+ + 4 。f ：( 2 - - 1 0 ) 由于与频率的更高次方成比例的负荷所占的比重很小，可以忽略不计，多项式( 2 - - 8 ) 和式( 2 9 ) 通常只取到频率的三次方为止。 华北电力大学硕士学位论文 ( - - - ) 负荷频率特性系数 当频率偏离额定值不大时，负荷的频率静态特性常用一条直线近似表示，如图2 - - 1 所示，直线的斜率为 k - 伽扣等( 2 - - 1 1 ) 图2 - 1 有功负荷的频率静态特性 k 称为负荷的频率调节效应稀疏，它代表电力系统单位频率变化所引起的负荷变 化量。由于负荷变化与频率变化的方向一致，因此k 恒为正数。 二、发电机组频率特性 ( 一) 发电机组调速系统工作原理 当发电机组的原动机功率与输出功率不平衡时，必然引起发电机转速的变化。为了 控制发电机的转速，发电机组均安装有调速系统。根据测量环节的工作原理，调速系统 可分为机械式和电气液压式两大类。 1 机械式调速系统 在早期的发电机组上安装的调速系统基本上是机械式的，( 机械式调速系统的原理 图略) 在机械式调速系统中，转速测量原件由离心飞摆、弹簧和套筒组成，它与原动机 华北电力大学硕士学位论文 转轴相连结，能直接反映原动机转速的变化。当原动机有某一恒定转速时，作用在飞摆 上的离心力、重力、和弹簧力在飞摆处于某一位置时达到平衡。当负荷增加时，发电机 的有功功率输出页随之增加，原动机的转速降低，使飞摆的离心力减小。在重力和弹簧 力的作用下，飞摆靠拢到新的位置才能使各力重新达到平衡。飞摆的运动，使套筒的位 置下降，通过杠杆的作用，增大了调节汽门的开度，增加进汽量，使原动机的输入功率 增加，转速开始回升。如此反复动作，直至在阻尼作用下，在一个新的位置得到平衡。 2 电气液压式调速系统 电气液压式调速系统的原理如图2 2 所示。在电气液压式调速系统中，转速测量 元件由装在发电机组轴上的齿轮和脉冲传感器、频率变送器等组成。当发电机转速下降 时，脉冲传感器感应的脉冲频率减小，频率变送器的输出也下降，经信号整形和放大后， 启动阀控，增大调节汽门的开度，增加进汽量，以达到增加原动机的输入功率，提高发 电机转速的目的。 ( 二) 调速系统调差系数 当发电机组并联运行于电力系统时，在机组调速系统的作用下，发电机组输出功率 随电力系统频率变化而变化，这就是发电机组的频率一次调节作用。反映发电机组的频 率一次调节过程结束后，发电机组输出功率和频率关系额曲线称为发电机组的功率频率 静态特性，它可以近似的用直线来表示。如图2 3 所示，发电机组在频率，n 下运行时， 其输出功率为昂相当于图中的a 点；当电力系统负荷增加而使系统频率下降到 时，发 电机组由于调速系统的作用，使机组输出功率增加到只，相当于图中的b 点。如果原动 机的调节汽门的开度已得到最大位置，即相当于图中的c 点，则频率再下降，发电机组 的输出功率也不会增加 1 7 华北电力大学硕士学位论文 、 ，0 ，l 晶ep 呲 图2 - 3发电机组功率频率特性 发电机组的功率频率特性曲线的斜率为 k s - - 等( 2 - - 1 2 ， 式中，k 。是发电机组的单位调节功率，k 。的数值表示频率发生单位变化时，发电 机组输出功率的变化量。负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化方向相反。在实 际应用中更常用的是k ，的倒数，称为发电机组的调差系数6 ，它的整定范围通常为4 7 ，一般情况下，水轮发电机组调差系数的整定范围为4 5 ；汽轮发电机组 调差系数的整定范围为5 7 。 根据国外电力系统的运行经验，相同类型、相同容量的机组的调差系数6 宜取得 一致，图2 4 表示两台相同容量6 0 0 1 v l w 但不同调差系数的机组的工作情况。机组a 的调差系数设定为5 ，机组b 的调差系数设定为3 ；在初始状态，系统频率为5 0 h z ， 两台机组均满负荷运行。由于某种原因，系统失去了一部分负荷，系统频率上升到 5 0 5 h z ，机组a 的输出功率下降了1 0 0 m w ，而机组b 的输出功率下降了1 6 7 m w ，造 成同类型、同容量机组之间的不平衡，对系统的稳定、经济运行不利。因此，国外某些 电力系统，如北美电力系统可靠性协会部分区域协会就要求，在同一个交流互联的电力 系统中采用统一的机组调差系数。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 5 3 5 2 5 l 5 0 4 9 4 8 4 7 。：、 一- - 。，。 。- o 、。 lil 1 5 03 0 04 5 06 0 0 图2 4 调差系数取值不同的影响 ( 三) 调速系统不灵敏区 发电机组调速系统不灵敏区的标准定义是，“在速度持续变化的总范围内，由调速 系统控制的阀门位置没有可测量的变化”。发电机组调速系统不灵敏区用额定速度的百 分数表示。在发电机组调速系统中，存在两种不灵敏区，即固有的和可整定的。对不同 类型的调速系统的测试表明，机械式调速系统固有的不灵敏区较大，通常为0 0 2h z ， 而电液式调速系统固有的不灵敏区很小，通常为0 0 0 5h z 。调速系统可整定的不灵敏区， 则是由运行人员在电力系统频率正常偏差的范围内设定的，藉以减少调速系统控制器在 此范围内的频繁动作。 发电机组调速系统设置不灵敏区，一方面可以躲开电力系统频率幅度较小而又具有 一定周期的随机波动，减少调速系统的动作，减少阀门位置的变化，提高发电机组运行 的稳定性；同时也可满足电力系统正常运行中某些使频率偏离额定值的需要。另一方面， 由于不灵敏区的存在，在系统扰动情况下，频率和联络线功率振荡的幅值和时间都将增 加，将家中二次调频的负担。因此，合理设定发电机组调速系统不灵敏区非常重要。某 些电力系统为了调整电力系统同步时间偏差的需要，允许段时间内频率偏差0 0 2h z ， 以便将走快或变慢的同步时间无差纠正过来，另外，亦可在此时间内进行无意交换电量 公正地偿还。 三、频率一次调节的运用 1 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 一) 发电机组频率一次调节技术条件地确认 发电机组投入运行以前，必须进行试验，确认其是否符合频率一次调节地技术条件。 但为了每台机组地试验去改变系统频率是不现实的，因此试验必须通过模拟频率偏移， 并使其月初调速系统的不灵敏区的范围的方法来进行。 试验时应给出一串试验用的频率信号，其频率值根据试验机组调速系统的不灵敏区 和调差特性进行计算，使其满足所需测试的频率响应量的要求。试验中记录每次试验信 号输入前1 r a i n 的发电机组平均功率值、频率变化后l o s 的功率值以及频率变化后1 0 s l o m i n 内每分钟的机组平均功率值。由此可以得出试验机组调速系统实际的不灵敏区和 调差特性，以及频率一次调节作用的维持时间。调速系统通过试验求出的特性参数应与 设定的特性参数基本一致，才能确认其负荷频率一次调节的技术条件。 ( 二) 发电机组频率一次调节符合性评价 发电机组投入运行以后，必须监视其频率一次调节的作用，并对其符合性作出评价。 监视和评价的方法可以是，每当系统频率偏差超过一定的范围( 如0 1h z ) 时，记录 频率偏移发生前、后l m i n 内每个扫描周期的所有具有频率一次调节作用的发电机组的 实际输出功率，并与各机组申报的频率一次调节容量进行比较。如果在一个季度中，有 3 4 及以上的时间，能够达到所申报的频率一次调节容量，则认为其符合要求。 ( 三) 电力系统对频率一次调节容量的要求和互联电力系统中一次调节容量的分配 1 系统频率一次调节容量的定义 系统频率一次调节容量，又称系统频率响应备用容量，时频率偏差产生后的l o 6 0 s 的这段时间内响应频率偏差的调节容量。 系统频率一次调节容量是一个与系统运行状态有关的参数，当系统频率发生偏差 时，能对频率作出响应的可控资源有负荷、发电机组和根据频率切除的可中断负荷等， 系统的频率一次调节容量是指在一定的频率偏差的条件下j 各种资源所能作出的频率响 应的总和。上述三种资源对频率响应的特性各不相同：负荷对频率的响应是近似线性的； 发电机组对频率的响应受到调速系统的不灵敏区和发电机组的备用出力等因素的限制； 而根据频率切除可中断的负荷对频率的响应则是阶梯式的，与设定的切除负荷的频率值 有关。 2 系统对频率一次调节容量的要求 当电力系统发生突然的负荷或发电功率变化时，系统中应用足够的一次调节容量， 2 0 华北电力大学硕士学位论文 使系统频率保持在安全运行的范围之内，使系统不致发生连锁的发电机或其他设备的跳 闸，或切除可中断负荷之外的固定负荷。在确定系统对频率一次调节容量的要求时，应 考虑两个因素：一是负荷的随机波动：二是由于电力系统设备故障引起的负荷或发电功 率的突变。在一般情况下，负荷的随机波动的幅值远小于因设备故障引起的负荷或发电 功率突变的幅值，因此系统对频率一次调节容量的要求一般仅考虑失去系统中单机容量 最大的发电机组、单台容量最大的负荷或容量最大的单条区外来电线路所引起的功率突 变。 3 。互联电力系统中频率一次调节容量的分配 在多控制区的互联电力系统中，每个控制区在运行中应按要求承担一定分额的频率 一次调节容量。国外某电力系统在控制区之间分配频率一次调节容量的计算公式为 式中 r 等 只+ g ， 冠对该控制区所要求的频率一次调节容量； 盖对整个互联电力系统所要求的频率一次调节容量； j k 该控制区去年的最高负荷： g 0 去年最高负荷时该控制区运行控制的发电容量； 只整个互联电力系统去年总的最高负荷； e 。整个互联电力系统总的发电容量。 2 3电力系统频率二次调频 2 3 1 电力系统频率二次调节 ( 一) 电力系统频率二次调节基本概念 ( 2 一1 3 ) 由于发电机组一次调节实行的是频率的有差调节，因此早期的频率二次调节，是通 过控制发电机组调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率 的无差调整。但此时并未实现对火力发电机组的燃烧系统的控制，为使原动机的功率与 负荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功率的基准值，达到改变原动机功率的目 的。随着科学技术的进步，火力发电机组普遍采用了协调控制系统，由自动控制来代替 人工进行此类操作。在现代化的电