第五章 电力系统的有功功率和频率调整(1)

1、第五章第五章 电力系统的有功功电力系统的有功功率和频率调整率和频率调整IPSO概述1. 电力系统的基本要求： 安全可靠、优质和经济2. 衡量电能质量的两个重要指标：n电压电压电压控制（调压）电压控制（调压）n频率频率频率调整（调频）频率调整（调频）IPSO第一节第一节 电力系统有功功率平衡电力系统有功功率平衡 ：实际总发电容量 ：总负荷 ：厂用电和损耗GDLPPPGPDPLPIPSO1.有功电源有功电源:发电机类型n火电厂火电厂n水电厂水电厂n核电厂核电厂n风力电厂风力电厂n潮汐电厂潮汐电厂n地热电厂地热电厂IPSO1.有功电源1)火电厂的分类高温高压火电厂高温高压火电厂运行效率高，调节范围窄

2、，约为运行效率高，调节范围窄，约为30%30%中温中压火电厂中温中压火电厂运行效率较低，调节范围宽，约为运行效率较低，调节范围宽，约为75%75%低温低压火电厂低温低压火电厂供热式火电厂供热式火电厂IPSO1)火电厂的分类u火电厂的运行特点锅炉（锅炉（25%-70%25%-70%）和汽轮机（）和汽轮机（10%-15%10%-15%）都有）都有一个技术最小负荷；一个技术最小负荷；调节速度慢；调节速度慢；锅炉和汽轮机退出和投入都耗时耗能；锅炉和汽轮机退出和投入都耗时耗能；负荷变动剧烈变动也耗时耗能；负荷变动剧烈变动也耗时耗能；耗费燃料，运行费用大，不受气候条件的影耗费燃料，运行费用大，不受气候条件

3、的影响。响。IPSO1.有功电源2)水电厂分类（根据水库自然来水量和水库库容）固定水头水电厂固定水头水电厂变水头水电厂变水头水电厂梯级水电厂梯级水电厂径流式水电厂径流式水电厂抽水蓄能式水电厂抽水蓄能式水电厂IPSO1.有功电源u水电厂的运行特点为了综合利用水能，必须向下游释放一定的为了综合利用水能，必须向下游释放一定的水量；水量；水轮机退出运行和再度投入不需要耗费很多水轮机退出运行和再度投入不需要耗费很多能量和时间，且操作简单；能量和时间，且操作简单；要受水电厂水头影响；要受水电厂水头影响；调节范围较宽，调节速度快。调节范围较宽，调节速度快。IPSO1.有功电源3)核能发电厂的特点：反应堆的负

4、荷基本上没有限制；反应堆的负荷基本上没有限制；反应堆和汽轮机退出和投入都耗时耗能；反应堆和汽轮机退出和投入都耗时耗能；核能发电厂的一次投资大，运行费用小。核能发电厂的一次投资大，运行费用小。IPSO1.有功电源v备用容量：系统的总装机容量大于现有的实际总发电容量的可调部分的容量。 实际总发电容量=总负荷+厂用电+损耗 热备用：负荷备用，事故备用 可调部分 （2%5%）系统的总装机容量 冷备用：事故备用，检修备用， 其余部分 国民经济备用 不可调部分：包括正在检修和因种种原 因不能按额定容量发电的部分 容量IPSO2.2. 有功负荷的变动有功负荷的变动图图5-15-1第二节 电力系统有功最优分配

5、IPSO0. 概念v电力系统最优分配（经济调度）：是在满足安全和一定质量要求的条件下尽可能提高运行的经济性，即合理地利用现有的能源和设备，以最少的燃料消耗量（或燃料费用或运行成本），保证对用户可靠而满意地供电。n目的目的n条件条件IPSO1.数学模型（以纯火电为例）v一般非线性规划问题可描述为满足非线性约束条件是非线性函数的最小值问题，其标准形式为：min( ). . ( )0 ( )f xst h xgg xg目标函数等式约束不等式约束IPSO1)目标函数系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料耗量对于纯火电系统， 发电厂的燃料费用主要与发电机输出的有功功率有关，与输出的无功功率及电压等运行参数

6、关系较小 。这种反映单位时间内发电设备的能量消耗与发出的有功功率之间的关系称为耗量特性。其函数关系式为：iiGiffP单位：吨/小时IPSO1)目标函数v可用试验数据通过最小二乘法拟合而成，根据前人经验，阶数为2比较合适，即： 2210iiGiiGiifa Pa Pa总的目标函数为： 2cos210minGitiGiiGiii SfFa Pa Pa IPSO耗量特性曲线tgFPIPSO关于目标函数的一些重要的概念：v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的比值。为耗量特性曲线上某一点切线的斜率。/ /FPdF dPWPdW dP IPSO关于目标函数的一些重要的概念：v比耗量：单

7、位时间内输入能量与输出功率之比。为耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值。/ /F PW PIPSO关于目标函数的一些重要的概念：v 发电设备的效率 ：为比耗量的倒数。/ /P FP WIPSO2)等式约束条件有功功率必须保持平衡的条件。1cossin0nGiLiijijijijijjPPUUGB110nnGiLiiiPPP110nnGiLiiiPP整个系统不计网损IPSO3)不等式约束条件v为系统的 运行限制。minmaxminmaxminmaxGiGiGiGiGiGiiiiPPPQQQUUUIPSO4)变量v各发电设备输出有功功率。IPSO2.求解v 一般用拉格朗日乘数法（两个发电厂为例

8、）1) 建立数学模型 22cos2101mintiGiiGiiifFa Pa Pa 22110GiLiiiPP1min11max2min22max1min11max2min22max1min11max2min22max,GGGGGGGGGGGGPPPPPPQQQQQQUUUUUU. .stIPSO2.求解2) 根据给定的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。*11221212GGGGLLCF PFPPPPP拉格朗日乘子IPSO2.求解3) 对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三个条件：11122212121200 (1),GGGGGGGGLLdF PdPdFPd

9、Pf PPPPPPIPSO2.求解4) 求解（1）得到： 这就是著名的等耗量微增率准则，表示为使总耗量最小，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。12IPSO2.求解5) 对不等式约束进行处理v对于有功功率限制，当计算完后发现某发电设备越限，则该发电设备取其限制，不该发电设备取其限制，不参加最优分配计算参加最优分配计算，而其他发电设备重新进行最优分配计算。v无功功率和电压限制和有功功率负荷的分配没有直接关系，可暂时不计暂时不计，当有功功率负荷的最优分配完成后计算潮流分布在考虑。IPSO3.迭代法求解初值 (0)求 (0)GiP(0)110nnGiLiiiPP结束YGiLiPPGi

10、LiPP(1)(0)(1)(0)NIPSO例题vP185，例5-2IPSO4.水火经济运行（忽略网损）v须各时段联立求解。v其目标函数增加时间部分：v等式约束中加水量特性方程： ：单位时间内水力发电设备的水量消耗。v不等式约束不变0TjGjjTwPdtW 2cos2100minGTitiGiiGiii SfFa Pa Padt jtwIPSO数学模型 2cos21011minmsiti Gii GiiikfFa Pa Pa dt 1111. .01,2,01,2,kkkkmunGitGHjtLitijisjtkjTkstPPPkswtWjuminmaxminmaxminmaxkkkGiGitG

11、iGiGitGiiitiPPPQQQUUU1skkTtIPSO求解过程v建立拉格朗日函数：v求极值必要性条件：221011111111kkkkmssmuniGiiGiikGitGHjtLitikkijiusHjjtkjTjkLa Pa PadtPPPwtW11110000kj kkkkkikkkGitjHjkkkGH tmunGitGHjtLitijisjtkjTkdFttdPdwttdPPPPwtWIPSO4.水火经济运行 实际可看作是一个换算系数，也称为水价系数。v在枯水季节，水电厂承担调频任务， 比较小， 比较大；v在洪水季节，水电厂承担基荷任务， 比较大， 比较小。kj kjiHjkG

12、itGH tdwdFdPdPjHjHIPSO步骤：给定 ，换算 jTW(0)Hj各个不同时刻的有功功率负荷最优分配方案计算 (0)jTjTWW结束NY(0)jTW(0)jTjTWW(0)jTjTWW(1)(0)HjHj(1)(0)HjHjIPSO5.计网损（纯火电） 22cos2101mintiGiiGiiifFa Pa Pa 11.0nnGiDiLiistPPPminmaxminmaxminmaxGiGiGiGiGiGiiiiPPPQQQUUUIPSO求解过程1110GGdF PdP11110GLGGdF PPdPP网损微增率网损微增率IPSO6.最优潮流v最优潮流：满足各节点正常功率平衡及

13、各种安全性不等式约束条件下，求以发电费用（耗量）或网损为目标函数的最优的潮流分布。v最优潮流的优点：将安全性运行和最优经济运行等问题综合地用统一的数学模型来描述。IPSO1）纯火电数学模型v目标函数1min( )GGGGii SLossGiDii SPPfPPP IPSO1）纯火电数学模型v等式约束11c o ss innG iD iiijjijjnG iD iiijjijjPPV Y VQQV Y VIPSO1）纯火电数学模型v不等式约束2 1,2, ,coscosiiiGiGiGiGRiRiRiRijijijijiijijijijijVVVinPPPiSQQQiSpppi jnpV YVV

14、 Y IPSO作业作业1 1：v两台发电机，燃料耗量特性为： 机组的最大和最小技术出力为200MW和80MW，总负荷曲线如图所示。试计算：全天各时段的经济分配方案。 )/( 0003. 055. 05 . 7)/( 0002. 057. 00 . 822222111htPPFhtPPFIPSO例题欣赏：例题欣赏：v张先生是某电网公司的总经理，该公司的张先生是某电网公司的总经理，该公司的线路阻抗很小，可以忽略不计，且发电机线路阻抗很小，可以忽略不计，且发电机组耗量特性均为二次曲线。有一天他去视组耗量特性均为二次曲线。有一天他去视察调度部门，看到一张有关发电机的输出察调度部门，看到一张有关发电机的

15、输出功率与生产总成本递增变化规律的报表：功率与生产总成本递增变化规律的报表： IPSO例题欣赏：例题欣赏：v解：张先生解雇本公司的主管经济运行的经理，解：张先生解雇本公司的主管经济运行的经理，是因为其安排生产不满足有功负荷在运行的火电是因为其安排生产不满足有功负荷在运行的火电机组间最优分配的准则机组间最优分配的准则等微增率准则。（等微增率准则。（4 4分）分）v由于：由于： ，设，设 对应的对应的 分别为分别为 ，根据报表可得：根据报表可得： 可得可得 （7 7分）分） 很显然，没有满足的准则，同时差别太大。（很显然，没有满足的准则，同时差别太大。（1 1分）分） FP123,GGGPPP12

16、3, 1231231232030320 12312.57.510第三节第三节 电力系统的频率调整电力系统的频率调整IPSO一、调频必要性和目标1. 必要性1)对用户的影响n产品质量降低n生产率降低2)对发电厂的影响n汽轮机叶片谐振n辅机功能下降3)对系统的影响n互联电力系统解列，发电机解列IPSO2.频率调整的要求v额定频率为50Hzv频率的偏差一般应控制在（0.2 0. 5）Hz 的范围内。IPSO二、有功频率特性频率为什么会偏离额定值？怎么调整频率？调整有功功率IPSO二、有功频率特性1. 有功负荷（按变化周期）1)1) 负荷分类：负荷分类：变化幅度很小，变化周期很短（变化幅度很小，变化周

17、期很短（10s10s以下）以下）变化幅度较大，变化周期较长（变化幅度较大，变化周期较长（10s3min10s3min）变化幅度很大，变化缓慢变化幅度很大，变化缓慢IPSO2)系统负荷的有功-频率静态特性根据有功功率和频率的关系，负荷可描述以下几类：v与频率变化无关的负荷与频率变化无关的负荷v与频率的一次方成正比的负荷；与频率的一次方成正比的负荷；v与频率的二次方成正比的负荷；与频率的二次方成正比的负荷；v与频率的三次方成正比的负荷；与频率的三次方成正比的负荷；v与频率的高次方成正比的负荷。与频率的高次方成正比的负荷。IPSO2)2)系统负荷的有功系统负荷的有功- -频率静态特性频率静态特性系统

18、负荷与频率的关系：2301230121 DDNDNDNDNNNNfffPa Pa Pa Pa Pfffaaa23*01*2*3*DPaa fa fa fIPSO2)2)系统负荷的有功系统负荷的有功- -频率静态特性频率静态特性BIPSO2)系统负荷的有功-频率静态特性v负荷的频率调节效应系数（负荷的单位调节功率）：综合负荷的静态频率特性的斜率。* tg /DDDNDDNDNDNPKMw HzfP fKK fPPf *1.5 (1 3)DKIPSO2)2)发电机的有功发电机的有功- -频率静态特性频率静态特性v机械式调速系统机械式调速系统 IPSO2)2)发电机的有功发电机的有功- -频率静态特

19、性频率静态特性v电气液压式调速系统电气液压式调速系统 IPSO2)发电机的有功-频率静态特性发电机的单位调节功率：发电机组原动机或电源频率特性的斜率。* /GGGNGGNGNGNPKMw HzfP fKK fPPf 标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡。增加的多寡。IPSO2)发电机的有功-频率静态特性发电机是调差系数：单位调节功率的倒数。发电机的单位调节功率与调差系数的关系：发电机的单位调节功率与调差系数的关系：000 0%100100NNGGNGNGNNNGNNfffffPPPfPfffPf *1100%GKIPSO2)发电机的有功-频

20、率静态特性v一般来说发电机的单位调节功率是可以整定的：n汽轮发电机组汽轮发电机组: =: =46或或 = =2516.7n水轮发电机组水轮发电机组: =: =24或或 =5025=5025%*GK*GKIPSO2)2)发电机的有功发电机的有功- -频率静态特性频率静态特性GG2IPSO3.系统的有功-频率静态特性 KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示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。DP f DP GP 新平衡新平衡00/DGDDGDSPKKfPfKKK IPSO3.系统的有功-频率静态特性注意： 取功率的增大或频率的上升为正； 为保证调速系统本

21、身运行的稳定，不能采用过大的单位调节功率； 对于满载机组，不再参加调整， 或*0GK% IPSO3)3)系统的有功系统的有功- -频率静态特性频率静态特性ooffoPooPPoAPPGfBPoQCLOPLLIPSO三、频率控制策略v 电力系统自动发电控制（AGC）原先称为“电力系统频率与有功功率的自动控制”v 一般由实时发电控制系统、联络线交易计划、机组计划与实时经济调度、备用监视和性能评价等功能组成。它主要是在满足系统发电约束的各项条件下，自动调节参加AGC的机组发电有功功率，在使发电费用优化的前提下，达到保持系统频率或联络线功率在某个控制目标内。 IPSO三、频率控制策略1. 一次调频：负

22、荷变化幅度很小，变化周期很短（10s以下）负荷变化的幅值小，变化幅值一般低于负荷负荷变化的幅值小，变化幅值一般低于负荷峰值的峰值的1%1%。负荷变化率大，变化速率可达每分钟变化负负荷变化率大，变化速率可达每分钟变化负荷峰值的荷峰值的5%5%以上。以上。负荷变化改变方向的次数多，每小时改变方负荷变化改变方向的次数多，每小时改变方向的次数可达数百次。向的次数可达数百次。 IPSO1.频率的一次调整v一次调频：利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机的调速器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。 IPSO1.频率的一次调整v当系统频率的变化时，存储在系统负荷的电磁场和旋转质量（如电动机、照明镇流器

23、等）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。这称为系统负荷的惯性作用。 DDPKfIPSO1.频率的一次调整v当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机的转速即发生变化，如转速的变化超出发电机组规定的不灵敏区，该发电机的调速器就会动作，改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率，以求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况。 GPKf IPSO1.1.频率的一次调整频率的一次调整ooffoPooPPoAPPGfBPoQCLOPLL00LGDSLSPKfKfKfPfK IPSO1.1.频率的一次调整频率的一次调整IPSO1.频率

24、的一次调整 对于系统有若干台机参加一次调频： 具有一次调频的各机组间负荷的分配，按其调差系数即下降特性自然分配。SGDKKKIPSO1.1.频率的一次调整频率的一次调整v注意：注意：*1GiNGiNGGiGiNiNGNDNSGDNNPPKKKffPPKKKff IPSO1.频率的一次调整（特点）v一次调节对系统频率变化的响应快，根据IEEE的统计，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般在10秒左右。 v由于发电机的一次调节仅作用于原动机的阀门位置，而未作用于火力发电机组的燃烧系统。 v发电机的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有关（即与系统频率有关），机组

25、之间互相影响小。 IPSO国调关于一次调频对机组调速系统的技术要求v（功率）调差系数（速度变动率） ： 火电机组：4%5% 水电机组：3%4%v频率（转速）死区Ef(ef) 火电机组：0.033Hz 水电机组：0.033Hzv响应特性： 电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15秒内响应机组目标功率，在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内。 IPSO国调关于一次调频对机组调速系统的技术要求v稳定时间：应小于1minv负荷变化幅度限制：n额定功率额定功率200MW200MW及以下火电机组，不小于额定及以下火电机组，不小于额定功率的功率的10%10%；n额定

26、功率额定功率200MW350MW火电机组，不小于火电机组，不小于额定功率的额定功率的8%8%；n额定功率额定功率500MW500MW及以上火电机组，不小于额定及以上火电机组，不小于额定功率的功率的6%6%；n水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加限制。限制。IPSO例题例题5-55-5IPSO三、频率控制策略2. 二次调频：负荷变化周期在10秒到数分钟之间的负荷分量。主要有电炉、压延机械、电气机车等。这类负荷的变化规律是：v 负荷变化的幅值较小，平均变化幅值为负荷峰值的2.5%左右。v 负荷变化率较大，平均变化速率为每分钟变化负荷峰值的1%2.5%左右

27、。v 负荷变化改变方向的次数较多，每小时改变方向的次数在二、三十次之间。 IPSO2.频率的二次调整v由发电机组的调频器进行调整；v调频器动作，以使发电机组的功频特性平行移动，从而改变发电机的有功功率以保持系统频率不变或在允许范围内；IPSO二次调频模型框图二次调频模型框图IPSO2.2.频率的二次调整频率的二次调整0000DGGDDGGDSPPKKfPPKKKfIPSO2.频率的二次调整v如果 ，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量，则 ，即所谓的无差调节。v对于N台机，则：00DGPP 0f 00DGGDSPPKKKfIPSO2.2.频率的二次调整频率的二次调整 DPf GKf 新平衡D

28、Kf GPIPSO2.2.频率的二次调整频率的二次调整IPSO二次调频的特点v频率的二次调节(不论是分散的，还是集中的调整方式)，采用的调整方式对系统频率是无差的。v在协调控制的火力发电机组中，由于受能量转换过程的时间限制，频率二次调节对系统负荷变化的响应比一次调节慢得多，它的响应时间一般需要12分钟。v频率的二次调节对机组功率往往采用比例分配，使发电机组偏离经济运行点。 IPSO3.频率的三次调整v也称负荷经济分配。 v响应的负荷变化特点为：变化缓慢的持续变动，负荷变化的幅值大，一昼夜负荷变化的幅值（即电力系统的峰谷差）往往在负荷峰值的40%以上。v电力调度部门预先编制日负荷曲线反映该负荷变

29、化规律，发电机按负荷曲线发电。IPSO三次调频要解决的主要问题1) 以最低的开、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) 在机组之间经济地分配负荷，使得发电成本（费用）最低。在地域广阔的电力系统中，需考虑发电成本（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。 IPSO三次调频的特点v不仅要对实际负荷的变化作出反应，更主要的是要根据预计的负荷变化，对发电功率作出安排。 v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

30、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。 IPSO4.4.互联系统频率的调整互联系统频率的调整DAPGAPAKDBPGBPBKtPtGGDSPPPKKfKf IPSO4.4.互联系统频率的调整互联系统频率的调整系统系统A A：系统系统B B：在负荷增加在负荷增加 的影响下，两系统的频率和交换功率的影响下，两系统的频率和交换功率的变化量为：的变化量为：DAtGAADBtGBBPPPKfPPPKf ,DADBPP DAGADBGBABABABADBGBBDAGAABBAtABABABPPPPPPfKKKKKPPKPPKPKPPKKKK IPSO互联系统

31、频率调整的方式1) FFC-定频率控制2) FTC-定交换功率控制00ABABBAfPPPPP 0ABABABPPPfKK IPSO互联系统频率调整的方式3) TBC-定频率控制DBABABAPfKKPKf IPSO分区控制模式vFFC-FTC方式：由一个控制区执行定频率控制，其余控制区执行定联络线功率控制。vFFC-TBC方式：由一个控制区执行定频率控制，其余控制区执行联络线偏差控制。vTBC-FTC方式：由部分控制区执行联络线偏差控制，其余控制区执行定联络线功率控制。vTBC-TBC方式：所有的控制区均执行联络线偏差控制。 IPSO互联系统频率的控制原则v区域控制偏差计算v PTi -表示控制区所有联络线的实际量测值之和；v IOJ-表示控制区与外区的交易计划之和；v B-表示控制区的综合频率响应系数（MW/0.1Hz）v f-表示频率的实际值；v f0-表示频率的额定值；v E-表示控制区交换功率偏离计划所产生的无意交换电量（MWHR）v T -表示频率偏离所产生的时差（Sec.）；v Be-表示累计电能差的偿还速度（MW/MWHR）v Ba-表示时差