电力系统的有功功率与频率调整培训

第五章电力系统有功功率和频率调整《电力系统稳态分析》1电力系统的有功功率与频率调整培训第1页第五章电力系统有功功率和频率调整有功功率最优分布频率调整2电力系统的有功功率与频率调整培训第2页概述电力系统是当代社会中最主要、最庞杂工程系统之一。怎样确保正常、稳态运行时电能质量和经济性问题，是我们考虑重点问题之一。衡量电能质量指标包含：频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。3电力系统的有功功率与频率调整培训第3页衡量运行经济性主要指标为：比耗量和线损率有功功率最优分布包含：有功功率负荷预计、有功功率电源最优组合、有功功率负荷在运行机组间最优分配等。4电力系统的有功功率与频率调整培训第4页P1（幅度小，周期短，一次调频）P2（幅度较大，周期较长，冲击性负荷，二次调频）P3（幅度最大，周期最长，由生活、气象等引发，三次调频）Pt一.有功功率负荷变动和调整控制第一节电力系统中有功功率平衡5电力系统的有功功率与频率调整培训第5页不一样周期负荷有不一样改变规律：第一个变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动有很大偶然性；第二种变动幅度较大，周期也较长，属于这种负荷主要有：电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性负荷变动；第三种变动基本上能够预计，其变动幅度最大，周期也最长，是因为生产、生活、气象等改变引发负荷变动。6电力系统的有功功率与频率调整培训第6页依据负荷改变，电力系统有功功率和频率调整大致上也可分为：一次调频：由发电机调速器进行；二次调频：由发电机调频器进行；三次调频：优化准则，即由调度部门依据负荷曲线进行最优分配，责成各发电厂按事先给定负荷发电。除平衡节点（调频）外均属这类。（有功功率日负荷曲线）前两种是事后，第三种是事前。 7电力系统的有功功率与频率调整培训第7页一次调频是全部运行中发电机组都可参加，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负担。三次调频即是经济调度内容8电力系统的有功功率与频率调整培训第8页电力系统经济调度：是电力系统运行主要内容之一，其主要任务是在确保电能质量和供电安全性前提下，使系统运行成本降至最低。系统经济调度主要经过制订优化系统运行计划来实现。短期运行计划就是指日或周系统发电计划，其直接服务于系统优化运行。系统短期运行计划问题是一个十分复杂系统优化问题，但因为其所带来显著经济效益，人们一直在主动研究，提出了各种方法来处理这个问题。9电力系统的有功功率与频率调整培训第9页二.有功功率负荷预测简明介绍电力系统经济调度第一个问题就是研究用户需求，即进行电力负荷预测，按照调度计划周期，可分为日负荷预测，周负荷预测和年负荷预测。最优时尚：满足各节点正常功率平衡及各种安全性不等式约束条件下，求以发电费用（耗量）或网损为目标函数最优时尚分布。最优时尚优点：将安全性运行和最优经济运行等问题综合地用统一数学模型来描述。

10电力系统的有功功率与频率调整培训第10页用户申报＋计划调整（经验型）发电厂负荷曲线＝总负荷＋网损＋厂用电火电0.1％～1％Pmax水电：5％～8％核电：4％～5％负荷预测方法：回归分析；时间序列分析；指数平滑方法；传统预测方法

当代预测方法1、人工神经网络法；2、含糊系统方法；3、教授系统方法；4、灰色系统方法；5、遗传算法；6、小波分析方法等状态空间法组合预测方法天气、节假日、重大电力系统故障和其它随机事件，传统预测方法往往对此无能为力。可变不可变11电力系统的有功功率与频率调整培训第11页负荷预测分类：安全监视过程中超短期负荷预测；日调度计划日负荷预测；周负荷预测；负荷预测精度直接影响经济调度效益，提升预测精度就能够降低备用容量，降低暂时出力调整和防止计划外开停机组，以利于电网运行经济性和安全性。12电力系统的有功功率与频率调整培训第12页三.有功功率电源备用容量有功功率电源：可投入发电设备可发功率之和，不应小于包含网损和厂用电在内系统（总）发电负荷。系统备用容量：系统电源容量大于发电负荷部分。可分为热备用和冷备用或负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。年负荷预测；规划电源和网络发展时需要用1~负荷预测值。13电力系统的有功功率与频率调整培训第13页负荷备用：调整负荷波动或超计划负荷增加，2～5％Pmax事故备用：发电设备发生偶然事故时，使电力用户不受严重影响，维持系统正常供电所需备用，5～10％Pmax检修备用：使系统中发电设备能定时检修而设置，（视需要）；国民经济备用：着眼未来注意：只有在备用容量充分情况下，才谈得上经济分配14电力系统的有功功率与频率调整培训第14页第二节电力系统中有功功率最优分配

经济调度第二个问题是有功功率最优分配，包含有功功率电源最优组合和有功功率负荷最优分配。它要求在确保系统安全条件下，在所研究周期内，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前提下使周期内系统消耗燃料总量或总费用值为最少。15电力系统的有功功率与频率调整培训第15页二.有功功率负荷最优分配最优化：是指人们在生产过程或生活中为某个机组最优组合次序机组最优组合数量机组最优开停时间一.有功功率电源最优组合（或发电机组最优组合）有功功率电源最优组合：是指系统中发电设备或发电厂合理组合。通常所说机组合理开停，大致上包含三个部分：16电力系统的有功功率与频率调整培训第16页有功功率负荷最优分配：是指系统有功功率负荷在各个正在运行发电设备或发电厂之间合理分配。其关键是按等耗量微增率准则进行分配。电力系统最优运行是电力系统分析一个主要分支，它所研究问题主要是在确保用户用电需求（负荷）前提下，怎样优化地调度系统中各发电机组或发电厂运行工况，从而使系统发电所需总费用或所消耗总燃料耗量到达最小这么决议问题。目标而选择一个“最好”方案或一组“得力”办法以取得“最正确”效果这么一个宏观过程。17电力系统的有功功率与频率调整培训第17页从数学角度来讲，经济调度问题是一个高维、非凸、多约束、离散混合整数非线性优化问题。当系统规模较大时，极难找出理论上最优解。但因为它能够带来显著经济效益，人们一直在主动研究和开发各种算法来处理这个问题。常规方法：优先次序法、动态规划法、混合整数规划法、拉格朗日松弛法等；新型算法：遗传算法、模拟退火法、Tabu搜索、粒子群算法、蚁群算法和人工神经网络法等以及一些组合算法。18电力系统的有功功率与频率调整培训第18页三.各类发电厂运行特点和合理组合各类发电厂运行特征火电厂（1）锅炉技术最小负荷取决于锅炉燃烧稳定性PGmin＝25～70％PGN，汽轮机：PGmin＝10～15％PGN；取决于锅炉。（2）锅炉和汽轮机启停耗能，耗时且易损坏设备；不宜频繁开停机（3）锅炉和汽轮机有低温低压、中温中压、高温高压，亚临界压力，超高温高压等：低温低压：效率低，技术经济指标差，调整范围宽；（峰荷）高温高压：效率高，调整范围窄，技术要求高。（基荷）（4）热电厂：PGmin取决于热用户。19电力系统的有功功率与频率调整培训第19页原子能：（1）汽轮机：PGmin＝10～15％PGN；（2）启停耗能，耗时且易损坏设备；（基荷）（3）一次投资大，运行费用小。水电（1）浇灌、通航，所以有强迫功率；（2）水轮机最小技术负荷由详细条件而异；（3）启停简单，便于增减负荷（4）水头低时。可发功率降低（5）无调整；有调整：抽水蓄能20电力系统的有功功率与频率调整培训第20页各类发电厂合理组合无调整水电厂和其它强迫功率原子能电厂燃烧劣质当地燃料火电厂热电厂可调功率中温中压火电厂高温高压火电厂水电厂可调功率抽水蓄能电厂蓄能抽水蓄能电厂发电（a）枯水季节水电厂和热电厂强迫功率中温中压火电厂（b）洪水季节21电力系统的有功功率与频率调整培训第21页数学模型

普通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最小值问题，其标准形式为：

即在满足h(x、u、d)=0等式约束条件下和g(x、u、d)不等式条件下，求取目标函数f(x、u、d)值最小。三.最优分配负荷时目标函数和约束条件22电力系统的有功功率与频率调整培训第22页2.负荷最优分配数学模型目标函数：系统发电所需总费用或所消耗总燃料耗量。对于纯火电系统，发电厂燃料费用主要与发电机输出有功功率相关，与输出无功功率及电压等运行参数关系较小。这种反应单位时间内发电设备能量消耗与发出有功功率之间关系称为耗量特征。其函数关系式为：单位：吨/小时上述函数可用试验数据经过最小二乘法拟合而成，依据前人经验，阶数为2比较适当，即23电力系统的有功功率与频率调整培训第23页2.负荷最优分配数学模型有功功率最优负荷分配目标在于：一样大小负荷，单位时间内买到能源消耗最少，即总目标函数为：

关于目标函数一些主要概念：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比值。为耗量特征曲线上某一点切线斜率。比耗量 ：单位时间内输入能量与输出功率之比。为耗量特征曲线上某一点纵坐标和横坐标比值。24电力系统的有功功率与频率调整培训第24页2.负荷最优分配数学模型等式约束条件：有功功率必须保持平衡条件。对于每个节点：对于整个系统：若不计网损：发电设备效率：为比耗量倒数。25电力系统的有功功率与频率调整培训第25页2.负荷最优分配数学模型不等式约束条件：为系统运行限制。变量：各发电设备输出有功功率。当消耗能源受到限制时，目标函数就不再是单位时间内消耗能源：等式约束还应增加：26电力系统的有功功率与频率调整培训第26页3.负荷最优分配问题求解能源消耗不受限制时普通用拉格朗日乘数法。现用两个发电厂之间（SG＝2）经济分配来说明，问题略去网络损耗。建立数学模型。27电力系统的有功功率与频率调整培训第27页依据给定目标函数和等式约束条件建立一个新、不受约束目标函数——拉格朗日函数。对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有三个条件：（1）3.负荷最优分配问题求解28电力系统的有功功率与频率调整培训第28页求解（1）得到：这就是著名等耗量微增率准则，表示为使总耗量最小，应按相等耗量微增率在发电设备或发电厂之间分配负荷。对不等式约束进行处理3.负荷最优分配问题求解29电力系统的有功功率与频率调整培训第29页n台火电机组或火电厂30电力系统的有功功率与频率调整培训第30页对于有功功率限制，当计算完后发觉某发电设备越限，则该发电设备取其限值，不再参加最优分配计算，剩下负荷由其它发电设备重新进行最优分配计算。无功功率和电压限制和有功功率负荷分配没有直接关系，可暂时不计，当有功功率负荷最优分配完成后计算时尚分布在考虑。31电力系统的有功功率与频率调整培训第31页4.用迭代法求解电力系统经济调度问题设耗量微增率初值；求与对应各发电设备应发功率；校验求得是否满足等式约束条件：如不能满足，则如，取；如，取，自2）开始重新计算。直到满足条件。32电力系统的有功功率与频率调整培训第32页5.等耗量微增率准则推广利用能源消耗受限制时有功功率最优分配用于处理火力发电厂与水力发电厂之间最优分配问题。其目标函数不变，不等式约束不变等式约束中加水量特征方程：wj：单位时间内水力发电设备水量消耗。另外还有所不一样是须各时段联立求解。解P212（5-21），得到：33电力系统的有功功率与频率调整培训第33页5.等耗量微增率准则推广利用即：实际可看作是一个换算系数，也称为水价系数。在枯水季节，水电厂负担调频任务，比较小，λ比较大；在洪水季节，水电厂负担基荷任务，比较大，λ比较小。34电力系统的有功功率与频率调整培训第34页5.等耗量微增率准则推广利用依据给定可消耗水量K2，设换算系数初值；求与相对应，各个不一样时刻有功功率负荷最优分配方案；计算与这最优分配方案对应消耗水量；校验求得是否与给定K2相等；当时，取；当，取。自第二步开始重复计算；继续计算，直到求得与给定K2相等为止。35电力系统的有功功率与频率调整培训第35页6.网络损耗修正目标函数36电力系统的有功功率与频率调整培训第36页37电力系统的有功功率与频率调整培训第37页第三节电力系统频率调整一.概述频率是电力系统运行一个主要质量指标，直接影响着负荷正常运行。负荷要求频率偏差普通应控制在（±0.2~±0.5）Hz范围内。普通而言，系统综合负荷有功功率与频率大致呈一次方关系。要维持频率在正常范围内，其必要条件是系统必须含有充裕可调有功电源。38电力系统的有功功率与频率调整培训第38页频率不稳定给运行中电气设备带来危害：对用户影响产品质量降低生产率降低

对发电厂影响

汽轮机叶片谐振（低频）辅机功效下降（通风量，磁通密度等）

对系统影响互联电力系统解列发电机解列39电力系统的有功功率与频率调整培训第39页二.自动调速系统及其特征

关键在于利用杠杆作用调整汽轮机或水轮机导向叶片，使其开度增大，增加进汽量或进水量。P22440电力系统的有功功率与频率调整培训第40页三.频率一次调整概念介绍发电机单位调整功率：发电机组原动机或电源频率特征斜率。标志着随频率升降发电机组发出功率降低或增加多寡。41电力系统的有功功率与频率调整培训第41页1.概念介绍发电机调差系数：单位调整功率倒数。发电机单位调整功率与调差系数关系：普通来说发电机单位调整功率是能够整定：汽轮发电机组=3~5或=33.3~20水轮发电机组=2~4或=50~2542电力系统的有功功率与频率调整培训第42页1.概念介绍负荷单位调整功率：综合负荷静态频率特征斜率。普通而言：43电力系统的有功功率与频率调整培训第43页2.频率一次调整简述：因为负荷突增，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，发电机组功率因为调速器一次调整作用而增大，负荷功率因其本身调整效应而降低，经过一个衰减振荡过程，到达新平衡。fPOP0PLf0PGPL´ΔPL0AP0'Bf0'O'B'A'44电力系统的有功功率与频率调整培训第44页数学表示式：KS：称为系统单位调整功率，单位Mw/Hz。表示原动机调速器和负荷本身调整效应共同作用下系统频率下降或上升多少。45电力系统的有功功率与频率调整培训第45页2.频率一次调整注意：取功率增大或频率上升为正；为确保调速系统本身运行稳定，不能采取过大单位调整功率；对于满载机组，不再参加调整。对于系统有若干台机参加一次调频：含有一次调频各机组间负荷分配，按其调差系数即下降特征自然分配。46电力系统的有功功率与频率调整培训第46页四.频率二次调整当负荷变动幅度较大（0.5%~1.5%），周期较长（几分钟），仅靠一次调频作用不能使频率改变保持在允许范围内，这时需要籍调速系统中调频器动作，以使发电机组功频特征平行移动，从而改变发电机有功功率以保持系统频率不变或在允许范围内。47电力系统的有功功率与频率调整培训第47页四.频率二次调整频率调整图48电力系统的有功功率与频率调整培训第48页数学表示式假如，即发电机组如数增发了负荷功率原始增量，则，即所谓无差调整。对于N台机，且由第s台机组担负二次调整任务，则：49电力系统的有功功率与频率调整培训第49页四.频率二次调整当系统负荷增加时，由以下三方面提供：二次调频发电机组增发功率；发电机组执行一次调频，按有差特征调差系数分配而增发功率；由系统负荷频率调整效应所降低负荷功率。50电力系统的有功功率与频率调整培训第50页五.调频厂选择

调频厂须满足条件：调整容量应足够大；调整速度应足够快；调整范围内经济性能应该好；注意系统内及互联络统协调问题。经过分析各种电厂特点，调频厂选择标准为：系统中有水电厂时，选择水电厂做调频厂；当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂。51电力系统的有功功率与频率调整培训第51页六.互联络统频率调整由几个地域系统互联为一个大系统情况，对某一个地域系统而言，负荷改变（增加）时，可能伴伴随与其它系统交换功率改变，则有52电力系统的有功功率与频率调整培训第5