电力系统稳态分析第五章new.ppt

1 电力系统稳态分析 合肥工业大学电气与自动化工程学院 2 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 3 5电力系统的有功功率和频率调整 5 1电力系统中有功功率的平衡 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 一 有功功率负荷的变化和调整控制 变动周期小于10s 变化幅度较小 变动周期在 10s 180s 变化幅度较大 变化周期最长 变化幅度也很大 系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动负荷组成 有功功率负荷的变化会造成什么问题 由发电机组的调速器进行频率的一次调整 由发电机组的调频器进行频率的二次调整 根据预测负荷 在各机组间按最优化准则进行负荷分配 缺电情况下 另有负荷控制 负荷需求侧管理 4 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 二 有功功率负荷曲线的预计 负荷 电力需求量 功率 或用电量 负荷预测 根据系统的运行特性 增容决策 自然条件与社会影响等诸多因素 在满足一定精度要求的条件下 确定未来某特定时刻的负荷数据 负荷预测是电力系统经济调度中的一项重要内容 是能量管理系统 EMS 的一个重要模块 系统负荷预测包括最大负荷功率 负荷电量及负荷曲线的预测 最大负荷功率预测确定电力系统发电设备及输变电设备的容量 为选择适当的机组类型 电源结构及燃料计划等 必须预测负荷及电量 负荷曲线的预测可为研究电力系统的峰值 抽水蓄能电站的容量以及发输电设备的协调运行提供数据 5 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 二 有功功率负荷曲线的预计 负荷预测根据目的不同可分为超短期 短期 中期和长期 电力负荷预测分为经典预测方法和现代预测方法 经典预测方法 趋势外推法 时间序列法 回归分析法 现代预测方法 灰色数学理论 专家系统方法 神经网络理论 模糊预测理论等 6 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 二 有功功率负荷曲线的预计 两种曲线上最大 最小负荷等特征点应一致 两种曲线下的面积 即消耗的电量应该相等 根据用电大户申报的预计负荷 并参照长期累积的实测数据 汇总 调整用户的用电 并加上网络损耗 应特别注意气象条件的变化 编制预计负荷曲线时 网络损耗和厂用电是两个重要指标 与负荷大小无关的不变损耗 变压器空载损耗 与负荷的平方成正比的可变损耗 变压器和线路电阻中的损耗 6 10 水电厂的厂用电率非常小 0 1 1 火电厂的厂用电率大得多 5 8 核电厂的厂用电率比较大 4 5 7 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 三 有功功率电源和备用容量 系统电源容量 可投入发电设备的可发功率之和 用电负荷 网损 厂用电 热备用 冷备用 负荷备用 事故备用 检修备用和国民经济备用 2 5 运转中的发电设备可能发出的最大功率与系统发电负荷之差 又称运转备用或旋转备用 调整系统中短时的负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用 使电力用户在发电设备发生偶然性事故时不受严重影响并维持系统正常供电所需的备用 系统备用容量 系统电源容量超过发电负荷的部分 未运转的发电设备可能发的最大功率 检修中的发电设备不属于冷备用 使系统中的发电设备能定期检修而设置的备用 考虑负荷超计划增长而设置的备用 5 10 8 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 5 2电力系统中有功功率的最优分配 有功电源的最优组合 有功功率负荷的最优分配 机组的合理开停 最优组合顺序 最优组合数量 最优开停时间 涉及电力系统中冷备用容量的合理分布问题 方法有最优组合顺序法 动态规划法 整数规划法 系统的有功功率负荷在各个正在运行的发电机或发电厂的合理分配 涉及电力系统热备用容量的合理分布问题 方法是按所谓等耗量微增率准则的分配 9 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 火电厂的特点 怎么组合呢 具有技术最小负荷 开停机耗时 费钱 易损设备 急剧变动负荷时耗时且费钱 各类型火电机组效率不同 热电机组效率高由热负荷定其最小出力 火电厂一般以承担基本不变的负荷为宜 核电厂的特点 具有技术最小负荷 开停机或急剧变动负荷时耗时 费钱 易损设备 一次投资大 运行费用小 核电厂原则上应持续承担额定容量负荷 水电厂的特点 具有强迫功率和技术最小负荷 开停机或急剧变动负荷时省时 省钱 省心 可发功率受水头和水库类型 无调节水库 有调节水库 抽水蓄能电厂 限制 水电厂应根据水库类型不同 洪水与枯水季节不同来合理分配负荷 10 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 各类发电厂的合理组合 洪水季节 枯水季节 负荷曲线的最高部分的调频任务由系统中的大水电厂承担 负荷曲线的最高部分的调频任务由系统中的中温中压火电厂承担 抽水蓄能电厂在其发电期间也可参加调频 图5 4 怎么组合呢 怎么分配呢 11 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 二 最优分配负荷时的目标函数和约束条件 1 耗量特性 发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率之间的关系 发电设备输入与输出的关系 比耗量 单位时间内输入能量与输出功率之比 耗量微增率 单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量之比 比耗量与耗量微增率之间的关系 两者单位相同 但概念不同 数值一般也不相等 只有在特殊点上两者数值相等 其值称为最小比耗量 前面所述的合理组合发电设备的方法之一就是按最小比耗量由小到大的顺序安排的 怎么分配呢 12 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 怎么分配呢 两台发电机如何分配输出功率使得两台机组的总耗量之和最小 负荷在机组间分配负荷功率时 如果它们的燃料消耗微增率相等 则总的燃料消耗量是最小的 即按等耗量微增率准则进行分配 13 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 2 目标函数和约束条件 对于水电厂来说 其消耗的水资源也有可能受到限制 最优化 是指人们在生产过程或生活中为某个目的而选择的一个 最好 方案或一组 得力 措施以取得 最佳 效果这样一个宏观过程 目标函数 所有机组在满足运行要求的前提下单位时间内的能源消耗最少 等式约束条件 有功功率保持平衡 不等式约束条件 发电设备的有功出力 无功出力和节点电压不得越界 14 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 三 最优分配负荷时的等耗量微增率准则 根据目标函数和等式约束条件建立一个新的 不受约束的目标函数 拉格朗日函数 当总负荷为700MW和400MW时 三台发电机组的功率如何实现经济分配 15 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 三 最优分配负荷时的等耗量微增率准则 当总负荷为700MW和400MW时 三台发电机组的功率如何实现经济分配 PG1 168MW PG2 270MW PG3 262MW PG1 99MW PG2 147MW PG3 154MW PG1 176MW PG2 250MW PG3 274MWPG1 100MW PG2 147MW PG3 153MW 对于有功功率限制 计算之后发现某发电设备越过下限或上限 则该发电设备就直接取其下限值或上限值 不参加最优分配计算 而其他发电设备重新对剩余的其他负荷量进行最优分配计算 怎么绘制耗量微增率曲线 16 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 三 最优分配负荷时的等耗量微增率准则 当总负荷为700MW和400MW时 三台发电机组的功率如何实现经济分配 怎么绘制耗量微增率曲线 387 5 651 58 742 86 750 如果电厂间的煤价不一样呢 17 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 三 最优分配负荷时的等耗量微增率准则 若要考虑燃料价格的影响 按电能成本进行最优分配时 将耗量微增率乘以成本价格得到耗量成本微增率 再按 等电能成本微增率准则 分配电厂的出力 如果电厂间的煤价不一样呢 水电厂怎么考虑 18 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 四 等耗量微增率准则的推广应用 水电厂怎么考虑 仍然采用拉格朗日函数的方法 但是需要加入 水电厂消耗的水量受到水库调度的等式约束条件 除了火电厂最优分配时加入的拉格朗日乘数 外 还需要增加一个拉格朗日乘数 称为水煤换算系数 单位是 t 煤 m3 水 按发出相同数量的电功率进行比较 1立方米的水相当于 吨煤 把水电厂的水耗量乘以 相当于把水换成了煤 水电厂就变成了等值的火电厂 然后直接套用火电厂间负荷分配的等微增率准则 大家自己自学 丰水季节 枯水季节水煤换算系数的不同 19 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 网络损耗怎么考虑 20 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 五 网络损耗的修正 网络损耗怎么考虑 经过网损修正后的等微增率准则 网损修正系数 网损微增率 说明电厂出力增加会引起网损的增加 说明电厂出力增加会引起网损的减少 21 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 5 3电力系统的频率调整 一 频率调整的必要性 对用户的影响影响电动机的转速 降低产品质量影响电子设备的工作对系统和发电厂的影响 低频时 辅机功能下降汽轮机叶片谐振发电机降额运行变压器降低负荷无功负荷增大使得系统电压下降频率下降过多时甚至整个系统解列 二 自动调速系统及其调节特性 1 自动调速系统 22 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 A B C D E F 汽 水 调频器 飞摆 弹簧 错油门 1 转速恒定 频率稳定时 各杠杆处于平衡状态 活塞不移动 2 当负荷增加时 转速下降 离心力减小 油动机 23 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 B D E F 汽 水 调频器 飞摆 弹簧 错油门 1 转速恒定 频率稳定时 各杠杆处于平衡状态 活塞不移动 2 当负荷增加时 转速下降 离心力减小 A点下移至A C点下降到C F点下降到F E点下降到E A C 3 错油门活塞下移 油动机活塞上升 进气量上升 转速上升 A 上移 B点上移 BC A 杠杆平移上升 油动机 24 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 B D E F 汽 水 调频器 飞摆 弹簧 错油门 油动机 1 转速恒定 频率稳定时 各杠杆处于平衡状态 活塞不移动 2 当负荷增加时 转速下降 离心力减小 A点下移至A C点下降到C F点下降到F E点下降到E A C 3 错油门活塞下移 油动机活塞上升 进气量上升 转速上升 A 上移 B点上移 BC A 杠杆平移上升 4 C 点回到C点 平移结束 重新达到平衡状态 A B 5 调频器动作 有差调节特性 25 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 B D E F 汽 水 调频器 飞摆 弹簧 错油门 油动机 1 转速恒定 频率稳定时 各杠杆处于平衡状态 活塞不移动 2 当负荷增加时 转速下降 离心力减小 A点下移至A C点下降到C F点下降到F E点下降到E A C 3 错油门活塞下移 油动机活塞上升 进气量上升 转速上升 A 上移 B点上移 BC A 杠杆平移上升 4 C 点回到C点 平移结束 重新达到平衡状态 A B 5 调频器动作 D点上移 E点下降 有差调节特性 26 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 B D E F 汽 水 调频器 飞摆 弹簧 错油门 油动机 1 转速恒定 频率稳定时 各杠杆处于平衡状态 活塞不移动 2 当负荷增加时 转速下降 离心力减小 A点下移至A C点下降到C F点下降到F E点下降到E C 3 错油门活塞下移 油动机活塞上升 进气量上升 转速上升 A 上移 B点上移 BC A 杠杆平移上升 4 C 点回到C点 平移结束 重新达到平衡状态 有差调节特性 A B B A D F F E A E 5 调频器动作 D点上移 E点下降 错油门和油动机动作 B CA 杠杆平移上升 直到A 回到A点 无差调节特性 27 二 自动调速系统及其调节特性 1 自动调速系统 2 电源有功功率静态频率特性 各变量都是标幺值 在叶片上施加的转矩 转速很小时 虽然转矩很大 但因输出功率为转矩和转速的乘积 所以输出功率Pm很小 当转速很快时 由于转矩很小 功率输出也很小 只有在额定条件下 转速和转矩适中 它们的乘积最大 功率输出也最大 如果有调速器呢 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 28 二 自动调速系统及其调节特性 1 自动调速系统 2 电源有功功率静态频率特性 发电机的调速器随机组转速的变动不断改变进汽或进水量 使原动机的运行点不断从一根静态频率特性曲线向另一根静态频率特性曲线过渡 如果有调速器呢 1 2 3 为简化分析 常用直线1 2 3 代替曲线1 2 3 认为进汽或进水量达到最大后 原动机功率可保持不变 3 如果有调频器呢 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 仅靠调速器进行功率调节是一种有差调节 各变量都是标幺值 29 发电机的调速器随机组转速的变动不断改变进汽或进水量 使原动机的运行点不断从一根静态频率特性曲线向另一根静态频率特性曲线过渡 如果有调速器呢 1 2 3 为简化分析 常用直线1 2 3 代替曲线1 2 3 认为进汽或进水量达到最大后 原动机功率可保持不变 3 如果有调频器呢 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 发电机的调频器动作后 使原动机的运行点不断从一根 有一次调整的静态频率特性曲线 过渡到另一根 有一次调整的静态频率特性曲线 为简化分析 常用直线I II 代替曲线I II 表示一次调整的静态频率特性曲线平行移动 上移或下移 有调频器进行功率调节是一种无差调节 能不能定量计算呢 仅靠调速器进行功率调节是一种有差调节 30 发电机的单位调节功率表示随频率的升降 发电机输出功率减少或增加的多寡 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 能不能定量计算呢 三 频率的一次调整 发电机的单位调节功率 MW HZ 发电机的调差系数 汽轮发电机KG 33 3 20 水轮发电机KG 50 25 说明火电 水电机组的频率特性相差很大 如何考虑负荷的频率特性 31 负荷的单位调节功率表示随频率的升降 负荷消耗功率增加或减少的多寡 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 三 频率的一次调整 f Pm 负荷的单位调节功率 MW HZ 负荷的单位调节功率或频率调节效应不能像发电机组那样整定 一般其标幺值大致为1 5 PL fO PO PLO O O P L A B PL f 与PG f 相交于O点 fO PO 负荷增加 PLO PL f 曲线变化为P L f 发电机与负荷进行调整 P L f 与PG f 相交于O 点 f O P O f O P O f f O fO 0 32 系统的单位调节功率表示当系统负荷增加或减少时 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寡 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 f Pm 系统的单位调节功率 MW HZ 负荷增加频率下降 PL fO PO PLO O O P L A B PL f 与PG f 相交于O点 fO PO 负荷增加 PLO PL f 曲线变化为P L f 发电机与负荷进行调整 P L f 与PG f 相交于O 点 f O P O f O P O f f O fO 0 发电机组按有差特性增加输出 负荷实际取用的功率因频率的下降而有所减少 KS越大系统频率越稳定 但可否为无穷大 n台发电机 33 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 n台机组的等值单位调节功率 MW HZ 多台机组并列运行时的频率变化比一台机组运行时的要小得多 n台发电机 KG 在计算KG或 时 若其中的第j台机组已经满载 则当负荷增加时 应当取 KGj 0或 j 当负荷减少 而某台机组已经在其最小技术出力的时候怎么办 34 某电力系统现处于额定频率 总装机容量的一半机组已完全利用 其余25 为火电厂 有10 备用容量 其单位调节功率为16 6 25 为水电厂 有20 的备用容量 其单位调节功率为25 系统有功负荷点频率调节效应系数KL 1 5 试求 1 系统的单位调节功率KS 2 负荷功率增加5 时的稳态频率f 3 如频率容许降低0 2Hz 系统能够承担的负荷增量 备用系数 35 当发电机组二次调频增发的功率恰好等于负荷功率的原始增量时 f 0 即实现了所谓的 无差调节 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 四 频率的二次调整 f Pm PL fO PO PLO O O P L A B f O P O C P O f O O 二次调频发电机的功率增量 一次调频发电机的功率增量 负荷本身的调节效应得到的功率增量 当系统中的负荷变化时 配置了调速器的机组在有可调容量时 都会参与一次调频的过程 而二次调频一般只有一台或几台机组 1个或几个电厂 承担 称为主调频机组 厂 36 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 互联系统的频率调整 KA PGA PLA KB PGB PLB Pab 两者为0的条件相同吗 f 0的条件是 二次调频