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电力系统分析 第四章电力系统有功功率和频率调整 第四章电力系统有功功率和频率调整 4 1电力系统有功功率的平衡 引言 4 1电力系统有功功率的平衡 2 频率与有功平衡的关系 1 转矩平衡与功率平衡 2 转矩不平衡时 转子转速变化 引起频率变化 1 频率偏差的概念 实际频率与额定频率之间的差值 我国频率额定值是50Hz 偏移范围为 0 2 0 5 Hz 一 频率偏差及频率调整的必要性 4 1电力系统有功功率的平衡 对用户的影响 1 异步电机转速 纺织工业 造纸工业 2 异步电机功率下降 3 电子设备的准确度 对发电厂和电力系统的影响 1 对发电厂厂用机械设备运行的影响 2 对汽轮机叶片的影响 3 对异步电机及变压器励磁的影响 增加无功消耗 3 频率调整的必要性 频率变化的影响 4 1电力系统有功功率的平衡 根据有功负荷随时间不规则变化按其变化幅度和周期 将负荷变动分为三类 1 变动幅度很小 变化周期很短 这种负荷变动有很大的偶然性 属随机负荷变动 2 变动幅度较大 变化周期较长 属于这种负荷的主要有 电炉 电气机车等带有冲击性的负荷变动 3 变动幅度最大 变化周期最长 其变动基本上可以预计 是由生产 生活 气象等变化引起的负荷变动 二 有功功率负荷的变化及调整 1 有功负荷变动的分类 4 1电力系统有功功率的平衡 有功功率负荷的变化及调整 这三种负荷变动都将使电力系统的频率发生一定的变化 有功功率电源的输出功率也发生变化 4 1电力系统有功功率的平衡 根据负荷变动的分类 有功平衡和频率调整也相应分为三类 a 一次调频 由发电机调速器进行 b 二次调频 由发电机调频器进行 c 三次调频 由调度部门根据负荷预测曲线进行最优分配 前两种是事后的 第三种是事前的 一次调频时所有运行中的发电机组都可以参加 取决于发电机组是否已经满负荷发电 这类发电厂称为负荷监视厂 二次调频是由平衡节点来承担 三次调频则属于电力系统经济运行调度的范畴 2 有功平衡和频率调整 4 1电力系统有功功率的平衡 1 有功功率平衡 有功功率电源 电力系统各类发电厂的发电机 系统电源容量 系统装机容量 系统中所有发电厂机组额定容量的总和 备用容量 系统电源容量大于发电负荷的部分 三 有功功率平衡和备用容量 即保证有功功率电源发出有功与系统发电负荷相平衡 2 相关的一些基本概念 4 1电力系统有功功率的平衡 作用 为了保证供电可靠性及电能质量合格 系统电源容量必须大于发电负荷 分类 按存在形式分为 热备用和冷备用 按作用分为 负荷备用 事故备用 检修备用 国民经济备用等 3 备用容量的分类 1 负荷备用 调整负荷波动或超计划负荷增加 2 事故备用 发电设备发生偶然事故时 维持系统正常供电所需的备用 3 检修备用 使系统中发电设备能定期检修而设置 4 国民经济备用 着眼未来 4 1电力系统有功功率的平衡 四 有功功率负荷曲线的预测 1 电力系统经济调度概述 电力系统经济调度是电力系统运行的重要内容之一 其主要任务是在保证电能质量和供电安全性的前提下 使系统的运行成本降至最低 系统经济调度主要通过制定优化的系统运行计划来实现 短期运行计划就是指日或周的系统发电计划 其直接服务于系统的优化运行 系统的短期运行计划问题是一个十分复杂的系统优化问题 但由于其所带来的显著经济效益 人们一直在积极研究 提出了各种方法来解决这个问题 4 1电力系统有功功率的平衡 2 有功功率负荷预测目的 电力系统经济调度的第一个问题就是研究用户的需求 即进行电力负荷预测 以此为依据按最优准则对各发电厂 发电机组之间进行有功功率的经济分配 3 负荷曲线的编制 发电厂负荷曲线 总负荷 网损 厂用电 参照长期积累的数据对用户的用电计划进行调整 确定网络损耗和厂用电 注意气象 节假日等条件的变化 4 负荷预测方法 传统预测方法和现代预测方法 1 人工神经网络法2 模糊系统方法3 专家系统方法4 灰色系统方法5 遗传算法6 小波分析方法 4 2电力系统有功功率的最优分配 2 主要内容要求在保证系统安全的条件下 在所研究的周期内 以小时为单位合理选择电力系统中哪些机组应该运行 何时运行及运行时各机组的发电功率 其目标是在满足系统负载及其它物理和运行约束的前提下使周期内系统消耗的燃料总量或总费用值为最少 引言 4 2电力系统有功功率的最优分配 有功功率电源的最优组合 系统中发电设备或发电厂的合理组合 即通常所说的机组的合理开停 大体上包括三个部分 1 机组的最优组合顺序 2 机组的最优组合数量 3 机组的最优开停时间 有功功率负荷的最优分配 是指系统的有功功率负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配 核心是按等耗量微增率准则进行分配 各类发电厂的基本运行特点 发电厂的效率 比耗量倒数 即 2 比耗量 耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比 即单位时间内能量的输入和输出之比 记为 即 4 2电力系统有功功率的最优分配 一 基本概念 1 耗量特性 反映发电设备或几种发电设备的组合在单位时间内能量输入和输出关系的曲线 4 2电力系统有功功率的最优分配 3 耗量微增率 耗量特性曲线上某点切线的斜率 表示在该点的能量输入增量与输出增量之比 即 4 2电力系统有功功率的最优分配 1 目标函数 有功负荷最优分配的目的 在满足有功功率平衡的前提下 合理分配各发电机组出力 使发电设备在生产电能的过程中所消耗的能源最少或成本最少 二 有功功率负荷最优分配的目标函数和约束条件 单位时间内总能源消耗最少 n火电厂系统 该目标函数是各发电设备发出有功功率的函数 描述的是单位时间内能源的总消耗量 耗量特性相互独立 4 2电力系统有功功率的最优分配 当消耗的能源受到限制 含有水力发电厂 时 目标函数就不再是单位时间内消耗的能源 而是一定运行时间 内的能源消耗 1 等式约束条件 系统有功功率的平衡 若不计网损 则 2 约束条件 4 2电力系统有功功率的最优分配 2 不等式约束条件 若系统含有水电厂 除有功功率平衡条件外 还有一个约束条件 用水量C 4 2电力系统有功功率的最优分配 求解 建立一个新的 不受约束的目标函数 拉格朗日函数 三 等耗量微增率准则 1 以两台火电机组为例 忽略有功网损 假定各台机组的燃料消耗量和输出功率不受限制 确定负荷功率在两台机组间的分配 使总的燃料消耗量最小 目标函数 等式约束条件 4 2电力系统有功功率的最优分配 对拉格朗日目标函数求导 得到最小值时应有的三个条件 即时 单位时间内总能源消耗最少 4 2电力系统有功功率的最优分配 这就是著名的等耗量微增率准则 为使总耗量最小 应按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂之间分配负荷 2 扩展到n个火力发电系统 等耗量微增率准则 4 2电力系统有功功率的最优分配 3 考虑不等式约束条件时的解决方案 1 先不考虑不等式约束条件 按等耗量微增率准则进行经济分配计算 2 若发现PGi的分配计算结果越限 越限的发电厂按极限分配负荷 即低于其下限PGimin时 取PGi PGimin 高于其上限PGimax时 取PGi PGimax 3 对其余的不越限发电设备 按等耗量微增率准则重新进行经济分配 4 2电力系统有功功率的最优分配 解 1 按所给耗量特性可得各厂的微增耗量特性为 根据等耗量微增率准则 4 2电力系统有功功率的最优分配 例题4 1 某火电厂三台机组并联运行 各机组的燃料消耗特性及功率约束条件如下 试确定当总负荷分别为400MW 700MW时 发电厂间功率的经济分配 不计网损的影响 4 2电力系统有功功率的最优分配 2 总负荷为400MW 即 可得 校验不等式约束条件 剩余的负荷功率300MW 应在电厂2和3之间重新分配 经校验 三个发电厂的有功功率都在不等式约束范围内 4 2电力系统有功功率的最优分配 校验不等式约束条件 剩余的负荷功率450MW 应在电厂1和3之间重新分配 经校验 三个发电厂的有功功率都在不等式约束范围内 4 2电力系统有功功率的最优分配 作业题 已知某火电厂有两台机组 其耗量特性分别为 每台机组的额定容量均为100MW 技术最小负荷均为20MW 试求 1 当电厂负荷为120MW时 两台机组如何经济分配负荷 2 当电厂负荷为50MW时 两台机组又如何经济分配负荷 4 2电力系统有功功率的最优分配 a 设耗量微增率的初值 b 求与对应的各发电设备应发功率 4 等耗量微增率准则的迭代求解基本步骤 c 校验求得的是否满足功率平衡条件 自b开始重新计算 直到满足有功功率平衡条件 d 不满足有功平衡时 若 取 若 取 4 2电力系统有功功率的最优分配 四 考虑网损时的有功负荷最优分配 网损修正系数 网损微增率 4 2电力系统有功功率的最优分配 以两套设备为例 将水电厂的耗量微增率乘以一个拉格朗日系数 就可以同样应用等耗量微增率准则 水煤转换系数表示发出同样有功时 用水量所代替的火电耗煤量 五 水 火电混合系统有功功率的经济分配 水煤转换系数 4 3电力系统的频率调整 频率是电力系统运行的一个重要的质量指标 直接影响着负荷的正常运行 要维持频率在正常的范围内 其必要的条件是系统必须具有充裕的可调有功电源 电力系统频率调整 一次调频和二次调频 引言 4 3电力系统的频率调整 1 综合负荷的有功静态频率特性 负荷吸收有功的大小随系统频率变化的静态特性 在实际中 用直线表示 综合负荷的单位调节功率 一 电力系统频率特性 负荷的频率调节效应系数 标幺值形式 近似计算时 取其标幺值大小为1 5 4 3电力系统的频率调整 补充例题1 某电力系统总有功负荷为4000MW时系统频率为50Hz 负荷的频率调节效应系数标幺值KLD 1 5 计算负荷单位调节功率 解 根据定义 4 3电力系统的频率调整 2 发电机组的有功静态频率特性 1为转速测量元件 离心飞摆及其附件 2为放大元件 错油门 或称配压阀 3为执行机构 油动机 或称接力器 4为转速控制机构或称同步器 调频器 1 调速器 调频器工作原理 4 3电力系统的频率调整 2 发电机组的有功静态频率特性 即原动机机械功率的静态频率特性 频率随发电机有功增大而有所降低的特性 发电机的单位调节功率 标幺值形式 发电机的调速器调整 一次调频 是一个有差调节的过程 而调频器调整 二次调频 则可以实现无差调节 4 3电力系统的频率调整 常用百分数表示为 机组调差系数 单位调节功率的倒数 即 发电机的单位调节功率与调差系数的关系 4 3电力系统的频率调整 频率一次调整的有差调节性质反映在功频静特性直线的负斜率上 即负荷变动时原动机的转速或频率随负荷增加而降低 二次调频既可做到有差调节 也可做到无差调节 反映在平移的一组特性曲线上 4 3电力系统的频率调整 补充例题2 某一容量为100MW的发电机 调差系数整定为4 当系统频率为50Hz时 发电机出力为60MW 若系统频率下降为49 5Hz时 发电机的出力是多少 根据定义 解 根据发电机的单位调节功率与调差系数的关系 负荷突增 PLD 发电机组功率不能及时变动而使机组减速 系统频率下降 同时 发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大 PG1 PG2 f1 f2 负荷功率因其本身的调节效应而减少 经过一个衰减的振荡过程由3 2 达到新的平衡 即整个过程为从平衡点1 新的平衡点2 4 3电力系统的频率调整 二 电力系统频率的一次调整 1 过程概述 假设系统只有一台发电机组 一个综合负荷 4 3电力系统的频率调整 KS称为系统的单位调节功率 单位MW Hz 表示负荷增加或减少时 在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少 2 数学表达式 发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡 4 3电力系统的频率调整 3 对于系统有若干台发电机组参加一次调频 系统的单位调节功率 4 3电力系统的频率调整 例题4 3 某系统发电机组的总容量为3475MW 系统总负荷3300MW 负荷的频率调节效应系数KLD 1 5 各发电机组的容量和调差系数分别为 水轮发电机组100MW5台 2 5 75MW5台 2 75汽轮发电机组100MW6台 3 5 50MW20台 4 0较小容量汽轮机组合计1000MW 4 0试分别计算下述四种情况系统单位调节功率KS MW Hz 1 全部机组都参加一次调整 2 全部机组都不参加一次调整 3 仅水轮机组参加一次调整 4 仅水轮机组和20台50MW的汽轮机组参加一次调整 4 3电力系统的频率调整 各发电机组的单位调节功率 5 75MW水轮机组 6 100MW汽轮机组 20 50MW汽轮机组 1000MW小容量汽轮机组 负荷 解 首先分别计算负荷和各发电机组的单位调节功率 5 100MW水轮机组 4 3电力系统的频率调整 1 全部机组都参加一次调整 2 全部机组都不参加一次调整 3 仅水轮机组参加一次调整 4 仅水轮机组和20台50MW的汽轮机组参加一次调整 然后根据不同情况计算KS 4 3电力系统的频率调整 补充1 计算 3 系统单位调节功率的标幺值 方法一 根据标幺值定义 方法二 KS的标幺值是以负荷的额定容量为基准值 以此进行换算 4 3电力系统的频率调整 1 全部机组都参加一次调整 3 仅水轮机组参加一次调整 补充2 负荷突然减少300MW时 1 3 系统频率 参加一次调频的发电机组越多 频率偏移越少 4 3电力系统的频率调整 1 基本原理 将发电机组的功频静特性曲线平行移动 从而改变发电机的有功功率使负荷变动引起的频率偏差保持在允许范围内 即二次调整使频率偏差减小或为0 三 电力系统频率的二次调整 2 频率调整图 一次调整后 f2可能会超出频率偏差允许范围 此时调频器进行二次调整 即 使功频静特性曲线平行移动由PG P G或P G 到3点可有效缩小频率变化范围 到1 点可实现频率无差调节 4 3电力系统的频率调整 3 由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率 3 数学表达式 当系统负荷增加时 由以下三方面提供 1 二次调频的发电机组增发的功率 2 发电机组执行一次调频 按有差特性调差系数分配而增发的功率 4 3电力系统的频率调整 发电机输出有功增量与负荷实际增量相平衡 则 当二次调整发电机组增发的功率 PG0与负荷功率的原始增量 PLD相等时 f 0 实现了无差调节 在有n台发电机组的电力系统中 当综合负荷发生变动时 所有机组都参与一次调频 而二次调频一般仅由一台机组 s 承担 则有 4 3电力系统的频率调整 当负荷增加300MW时 分别计算 1 全部机组都参加一次调整 二次调整机组增发功率为100MW时 系统频率变为多少 3 仅水轮机组参加一次调整 系统频率不低于49 8Hz时 二次调整机组应增发多少功率 例题4 3 补充 某系统发电机组的总容量为3475MW 系统总负荷3300MW 负荷的频率调节效应系数KLD 1 5 各发电机组的容量和调差系数分别为 水轮发电机组100MW5台 2 5 75MW5台 2 75汽轮发电机组100MW6台 3 5 50MW20台 4 0较小容量汽轮机组合计1