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電力系統穩態分析第五章.ppt

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電力系統分析基礎 Power System Analysis Basis (五) 主講人:朱曉榮1第五章電力系統的有功功率和頻率調整1、電力系統中有功功率的平衡2、有功功率的最優分配各類發電廠的運行特點和合理組合不計網損時水、火電廠間的經濟功率分配計網及損時各發電廠間的經濟功率分配3、電力系統頻率的調整電力系統負荷及電源的頻率靜態特性頻率的一、二次調整,互聯系統的頻率調整2一.電力系統頻率變化的影響對用戶的影響(1)異步電機轉速:紡織工業、造紙工業(2)異步電機功率下降(3)電子設備的準確度對發電廠和電力系統的影響(1)對發電廠廠用機械設備運行的影響(2)對汽輪機葉片的影響(3)對異步電機及變壓器勵磁的影響,增加無 功消耗?!?.1電力系統中有功功率的平衡3二 頻率與有功平衡的關系頻率—由發電機轉速決定轉速與其軸上的轉矩平衡有關轉矩平衡與功率平衡§5.1電力系統中有功功率的平衡負荷變化MT:由于慣性大變化慢ME:有功負荷變化快產生瞬時不平衡轉矩不平衡 發電機轉速變化 頻率變化(+0.2HZ?+0.5HZ)4三有功功率負荷的 變化及其調整§5.1電力系統中有功功率的平衡5 系統負荷可以看作由以下三種具有不同變化規律的變動 負荷組成:(1)變動周期小于10s,變化幅度小:小操作、線路搖擺等(3)變動周期最大,變化幅度最大:氣象、生產、生活規律(2)變動周期在(10s,180s),變化幅度較大:大電機、電 爐啟停調速器頻率的一次調整調頻器頻率的二次調整根據預測負荷,在各機組間進行最優負荷分配電力系統的經濟運行調度(發電計劃)6§5.1電力系統中有功功率的平衡備用容量:15%~20%作用:為了保證供電可靠性及電能質量合格,系統電源容量應大于發電負荷。定義:備用容量 = 系統可用電源容量 - 發電負荷 有功功率平衡:8760t(h)P(MW)發電負荷備用容量新增容量四、有功功率電源和備用容量系統電源容量:可投入發電設備的可發功率之和7按作用分:(1)負荷備用:滿足負荷波動、計劃外的負荷增量2%~5%(2)事故備用:發電機因故退出運行而預留的容量5%~10%(3)檢修備用:發電機計劃檢修4%~5%(4)國民經濟備用:滿足工農業超計劃增長3%~5%按其存在形式分:(1)熱備用(2)冷備用備用容量的分類8系統中有備用容量時,可考慮有功功率的最優分配問題,包括有功電源的最優組合及有功負荷的最優分配。有功電源的最優組合:系統中發電設備和發電廠的合理組合。包括:機組的最優組合順序,機組的最優組合數量,機組的最優開停時間。有功負荷的最優分配:系統中的有功負荷在各個正在運行的發電設備或發電廠之間的合理分配?!?.2電力系統中有功功率的最優分配9承擔急劇變化負荷時與投、退相似,額外耗能、費時一、 各類發電廠的運行特點1 火電廠§5.2電力系統中有功功率的最優分配支付燃料費用技術最小負荷鍋爐 25%—70%汽機 10%—15%效率與蒸汽參數有關高溫高壓:效率高、調節范圍小中溫中壓:較前者低、但調節范圍大低溫低壓:指標最差、不用于調節熱電廠:抽氣供熱,效率最高,有不可調節的強迫功率火電廠102 水電廠(1)不需燃料費,但一次投資大(2)出力調節范圍比火電機組大(3)啟停費用低,且操作簡單(4)出力受水頭影響(5)抽水蓄能(6)必須釋放水量--強迫功率一、 各類發電廠的運行特點§5.2電力系統中有功功率的最優分配113 核電廠(1)最小技術負荷小,為額定負荷10~15%。(2)啟停費用高;負荷急劇變化時,調節費用高;啟停及急劇調節時,易于損壞設備。(3)一次投資大,運行費用小。一、 各類發電廠的運行特點§5.2電力系統中有功功率的最優分配12原則(1)充分利用水源。(2)降低火電機組的單位煤耗,發揮高效機組的作用。(3)盡量降低火力發電成本,增加燃用劣質煤、當地煤。二、 各類發電廠的合理組合§5.2電力系統中有功功率的最優分配13枯水期豐水期抽水發電141、 發電機組的耗量特性:反映發電機組單位時間內能量輸入和輸出關系的曲線。耗量特性三、電力系統有功功率的最優分配§5.2電力系統中有功功率的最優分配15比耗量:耗量特性曲線上某點的縱坐標和橫坐標之比,即輸入和輸出之比效率:比耗量倒數耗量微增率:耗量特性曲線上某點切線的斜率,表示在該點的輸入增量與輸出增量之比。效率曲線和微增率曲線 1、發電機組的耗量特性§5.2電力系統中有功功率的最優分配16有功負荷最優分配的目的:在滿足對一定量負荷持續供電的前提下,使發電設備在生產電能的過程中單位時間內所消耗的能源最少。 滿足條件: 等式約束 f(x、u、d)=0 不等式約束 g(x、u、d)≤0 使 目標函數 F=F(x、u、d) 最優2、目標函數和約束條件§5.2電力系統中有功功率的最優分配17(1) 目標函數系統單位時間內消耗的燃料(火電機組)該目標函數是各發電設備發出有功功率的函數,描述的是單位時間內能源的消耗量。2、目標函數和約束條件§5.2電力系統中有功功率的最優分配18(2) 約束條件等式約束不等式約束忽略有功網損2、目標函數和約束條件§5.2電力系統中有功功率的最優分配19以兩臺火電機組為例,忽略有功網損;假定各臺機組的燃料消耗量和輸出功率不受限制,要求:確定負荷功率在兩臺機組間的分配,使總的燃料消耗量最小。 等式約束 目標函數3、等耗量微增率準則§5.2電力系統中有功功率的最優分配20作圖法求解(只有兩臺機組) 在OO’上找到一點作垂線, 與兩條耗量特性曲線的交點 間距離最短。 在耗量特性曲線具有凸性的情 況下,兩條曲線的切線平行時, 燃料消耗量最少。 曲線的切線即斜率,就是該點的耗量微增率。3、等耗量微增率準則§5.2電力系統中有功功率的最優分配21切線平行時,斜率相等,也就是耗量微增率相等。這就是等微增率準則。物理意義22(1).不計網損的有功最優分配目標函數最?。旱仁郊s束條件:這是多元函數求條件極值問題,可以利用拉格朗日乘數法求解。構造拉格朗日函數 4、多個發電廠間的負荷經濟分配§5.2電力系統中有功功率的最優分配23求拉格朗日函數的無條件極值24不等式約束的處理功率上下限約束 先不考慮該約束條件進行經濟分配計算,若發現越限,越限的發電廠按極限分配負荷,其余發電廠再按經濟分配。節點電壓及無功功率約束 在經濟功率分配后的潮流計算中處理。25(2).考慮網損的有功最優分配等式約束變為目標函數不變拉格朗日函數為經過網損修正后的等微增率準則網損修正系數網損微增率的物理意義:某發電廠所發功率的變化引起的網路總損耗的變化——阻抗矩陣法網損微增率26目標:在整個運行周期內滿足用戶的電力需求,合理分配水火電廠的負荷,使總燃料消耗量最少。等式約束:目標函數最?。哼@是一個求泛函極值問題,一般應用變分法求解。5、水、火發電廠間的負荷經濟分配§5.2電力系統中有功功率的最優分配27變分法求解,分段處理等式約束:目標函數:5、水、火發電廠間的負荷經濟分配§5.2電力系統中有功功率的最優分配28拉格朗日函數5、水、火發電廠間的負荷經濟分配295、水、火發電廠間的負荷經濟分配任一瞬間:其中:水煤換算系數1m3水量相當于?2噸煤的消耗豐水期小,枯水期大30 水、火電廠之間的經濟分配仍按等微增率原則分配,只不過,水電廠微增率乘一個?2后分配,水電廠在一定時間內可消耗水量越多,單位重量燃料可折換的水量越大, ?2 從而?2?H也越小,水電廠應分配更多負荷。 由于?j事先未知,須假設?j的初值,分配計算求出各段負荷,然后計算出T時間內的用水量物理解釋:計算:與Wj比較結束計算增大?j0 ,重復計算減小?j0 ,重復計算5、水、火發電廠間的負荷經濟分配311、定義:負荷與用戶的生產狀態有關與頻率無關 —照明、電爐等與接入點系統電壓有關與系統頻率有關——僅考慮頻率因素假設不變2、負荷性質:與頻率的一次方成正比 —球磨機、卷揚機等與頻率的二次方成正比 —變壓器的渦流損耗等與頻率的三次方成正比 —通風機、循環水泵等與頻率的高次方成正比 —靜水頭阻力大的給水泵§5.3電力系統的頻率調整一、負荷的有功功率-頻率靜態特性32§5.3電力系統的頻率調整33負荷的有功功率-頻率靜態特性簡化表達當頻率偏離額定值不大時,負荷有功-頻率靜態特性用一條近似直線來表示。負荷的單位調節功率,表示負荷隨頻率的變化程度。34二、 發電機組的有功功率-頻率靜態特性調速器的工作原理1 為轉速測量元件—離心飛擺及其附件;2 為放大元件—錯油門(或稱配壓閥);3 為執行機構—油動機(或稱接力器);4 為轉速控制機構或稱同步器(調頻器)35調頻器的工作原理36(1)、無調速系統時: PT=c1f-c2f2(2)、有調速系統時二、 發電機組的有功功率-頻率靜態特性§5.3電力系統的頻率調整37(3)、有調頻器時二、 發電機組的有功功率-頻率靜態特性§5.3電力系統的頻率調整382、概念介紹發電機的單位調節功率:發電機組原動機或電源頻率特性的斜率。 標志著隨頻率的升降發電機組發出功率減少或增加的多寡。二、 發電機組的有功功率-頻率靜態特性§5.3電力系統的頻率調整39§5.3電力系統的頻率調整發電機的調差系數:單位調節功率的倒數。二、 發電機組的有功功率-頻率靜態特性40§5.3電力系統的頻率調整發電機的單位調節功率與調差系數的關系:一般來說發電機的單位調節功率是可以整定的:汽輪發電機組 =3~5或 =33.3~20水輪發電機組 =2~4或 =50~25二、 發電機組的有功功率-頻率靜態特性41fPOP0PLf0PGPL′ΔPL0AP0'Bf0'O 'B 'A '三、 頻率的一次調整§5.3電力系統的頻率調整簡述:由于負荷突增,發電機組功率不能及時變動而使機組減速,系統頻率下降,同時,發電機組功率由于調速器的一次調整作用而增大,負荷功率因其本身的調節效應而減少,經過一個衰減的振蕩過程,達到新的平衡。42系統的單位調節功率:計及發電機和負荷的調節效應時,引起頻率單位變化時的負荷變化量。fPOP0PLf0PGPL′ΔPL0AP0'Bf0'O 'B 'A '43注意:取功率的增大或頻率的上升為正;為保證調速系統本身運行的穩定,不能采用過大的單位調節功率;對于滿載機組,不再參加調整。 對于系統有若干臺機參加一次調頻: 具有一次調頻的各機組間負荷的分配,按其調差系數即下降特性自然分配。三、 頻率的一次調整§5.3電力系統的頻率調整44頻率的二次調整:通過操作調頻器,使發電機組的頻率特性平行的移動,從而使負荷變化引起的頻率偏移在允許的波動范圍內。1.主調頻廠的選擇調頻廠:負有二次調頻任務的電廠,分為主調頻廠和輔助 調頻廠。調頻廠應滿足的條件:1)足夠的調整容量2)較快的調整速度3)調整范圍內的經濟性較好四、頻率的二次調整45調整容量: 水電廠>火電廠 中溫中壓電廠(75%)>高溫高壓電廠(30%) 調整速度: 水電廠>火電廠 調頻廠選擇: 首選:水電廠 其次:中溫中壓電廠 §5.3電力系統的頻率調整四、頻率的二次調整46頻率調整圖§5.3電力系統的頻率調整四、頻率的二次調整473. 當系統負荷增加時,由以下三方面提供:二次調頻的發電機組增發的功率 ;發電機組執行一次調頻,按有差特性的調差系數分配而增發的功率 ;由系統的負荷頻率調節效應所減少的負荷功率 ?!?.3電力系統的頻率調整四、頻率的二次調整484. 數學表達式 如果 ,即發電機組如數增發了負荷功率的原始增量,則 ,即所謂的無差調節。 對于N臺機,且由第s臺機組擔負二次調整的任務,則:§5.3電力系統的頻率調整四、頻率的二次調整49§5.3電力系統的頻率調整五、互連系統頻率的調整50聯絡線功率B系統不參加二次調整51
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