电力系统分析基础-第五章.ppt

,North China Electric Power University,电力工程系,Department of Electrical Engineering,电力系统分析基础Power System Analysis Basis（五）,任 建 文,第五章 电力系统的有功率和频率调整,本章主要内容：,1.概述：频率变化的影响及和有功功率的关系,2.目标函数与机组耗量特性：最优分配的模型,4.电力系统负荷及电源的频率静态特性,第一节 概述,电能质量,频率频率调整，允许+0.2HZ+0.5HZ,波形抑制谐波,一、电力系统频率变化的影响,电压电压控制，允许+5%,对用户,异步电机转速与频率有关，出残次品,电子仪器的准确性受影响,频率降低机床传动出力降低,对电厂和系统,异步电机(给水泵、风机)出力与频率降低、停转,汽轮机低压叶片共振、断裂,电机与变压器励磁电流增大无功损耗增大电压降低,第一节 概述,二、电力系统频率与有功功率紧密相关,频率由发电机转速决定,负荷变化,稳态时：MT=ME，f=0,转速与其轴上的转矩平衡有关,MT：原动机输入机械转矩,ME：发电机输出电磁转矩,MT：由于惯性大变化慢,ME：有功负荷变化快,产生瞬时不平衡,转矩不平衡 发电机转速变化 频率变化(+0.2HZ+0.5HZ),第一节 概述,三、有功功率负荷的变化及其调整,第一种负荷,特点,负荷变化 频率变化,幅值小,频率高,周期短,原因,小负荷,小操作,调整：一次调频(调速器),负荷性质 调频方式,负荷分解：P=P1+P2+P3,第一节 概述,第二种负荷,特点：幅值较大、频率较低,原因：冲击性、间歇性负荷,调整：二次调频(调频器),第三种负荷,特点：幅值很大、变化缓慢,原因：生产、生活及气象等 条件引起,调整：经济分配,第一节 概述,四、有功功率电源及备用容量,系统有功功率平衡：PG=PL+P,总装机容量：所有发电机的额定容量之和,系统电源容量：可投入发电设备的可发功率之和,系统备用容量：系统电源容量大于发电负荷部分，一般占最大发电负荷的15%-20%,第一节 概述,最大发电负荷：PM=PLmax+Pmax,总装机容量,备用容量,负荷备用（2%-5%）负荷波动、计划外负荷,事故备用（5%-10%）不影响供电，不少于一 台最大机组的容量,检修备用（4%-5%）适时安排,国民经济备用（3%-5%）超产及新负荷出现,一般总备用（15%-20%）PM,热备用,负荷备用,部分事故备用,冷备用,检修备用,部分事故备用,国民经济备用,只有拥有适当的备用容量才能进行最优分配及频率调整,第二节 目标函数与机组耗量特性,数学最优问题目标函数求极值问题,经济运行的目的机组分摊负荷，使总的能源消耗最低,机组耗量特性机组效率的体现,等微增率准则经济运行的依据,一、目标函数和约束条件,在满足（等约束条件）,（不等约束条件）,的限制下，使目标函数 达到最小值,X 状态变量，u控制变量，d 扰动变量,第二节 目标函数与机组耗量特性,等约束条件功率平衡:,不等约束条件功率限制:,目标函数燃料损耗,应用于电力系统经济运行,第二节 目标函数与机组耗量特性,二、发电机组的耗量特性,发电机组在单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系耗量特性,第二节 目标函数与机组耗量特性,比耗量：,直线的斜率,微增率：,切线的斜率,值越小，效率越高,与PG的关系可用耗量微增率曲线表示,一般 iI 当i=i时 i最小,第二节 目标函数与机组耗量特性,假设：发电厂内多台机组并列向负荷供电（Ph),思路：建立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,等约束条件：,不等约束条件：,目标函数：,第二节 目标函数与机组耗量特性,燃料最省 求L函数的极小值,结论,使L函数极小的必要条件是,耗量曲线是上凹曲线，存在极小值,按各机组等微增率 分配发电功率,从而,第二节 目标函数与机组耗量特性,物理意义：只有B1，B2两点的切 线平行时，两点间的距离最短，及微增率相等时，总消耗最小,1、如两台,则应增加PG1等量降低PG2,增加的燃料消耗小于减少的燃料消耗，总的在降,第二节 目标函数与机组耗量特性,例：两台机组,两台机组PGimax=100MW,PGimin=20MW;Ph=150MW,试求最优分配,解：,若按,1=2,2、数值解法,Ph=PG1+PG2,PG1=90MW,PG2=60MW,第二节 目标函数与机组耗量特性,3、图形解法,（1）作综合微增率曲线,（2）某一台功率越限时，取极限值,第三节电力系统有功功率的最优分配,1、各类发电厂的特点,一、各类发电厂的运行特点和合理组合,支付燃料费用,技术最小负荷,锅炉 25%70%,汽机 10%15%,承担急剧变化负荷时与投、退相似，额外耗能、费时,效率与蒸汽参数有关,高温高压：效率高、调节范围小,中温中压：较前着低、但调节范围大,低温低压：指标最差、不用于调节,热电厂：抽气供热，效率最高，有不可调节的强迫功率,火电厂,第三节电力系统有功功率的最优分配,综合利用水能有强迫功率,技术最小负荷动力调整范围宽，达50%以上,承担急剧变化负荷时与投、退相似不额外耗能、费时,抽水蓄能,运行成本低，调节方式,水电厂,水头低时达不到额定出力,无调节水库,日、月、年、多年调节水库,原子能电厂,最小负荷取决于汽轮机 10%15%,投、退、负荷急剧变化时耗能、费时，易于损坏设备厂,一次投资大、运行费用小,第三节电力系统有功功率的最优分配,原则,充分利用水资源，尽量避免弃水,降低火力发电的单位煤耗用高温高压大机组,降低火力发电的成本增加燃用劣质煤、当地煤,2、各类发电厂的合理组合,第三节电力系统有功功率的最优分配,1、目标,二、不计网损时水、火电厂间的经济功率分配,设：,n个火电厂 Fi(P)火电厂耗量特性,m个水电厂 Qj(P)水电厂耗量特性,在0T时间内,等约束条件,功率平衡：,用水量：,目标函数：,第三节电力系统有功功率的最优分配,2、泛函条件极值问题变分法求解，分段处理,等约束条件,目标函数：,拉格朗日函数,L中的变量为Pik,Pjk,k,j；共有(n+m+1)s+m个,第三节电力系统有功功率的最优分配,对其求偏导并令=0,水煤换算系数,1m3水量相当于j吨煤的消耗,丰水期小，枯水期大,第三节电力系统有功功率的最优分配,水、火电厂之间的经济分配仍按等微增率原则分配，只不过，水电厂微增率乘一个j后分配，水电厂在一定时间内可消耗水量越多，单位重量燃料可折换的水量越大，j 从而jH也越小，水电厂应分配更多负荷,由于j事先未知，须假设j的初值，分配计算求出各段负荷，然后计算出T时间内的用水量,3、物理解释：,4、计算：,与Wj比较,结束计算,增大j0，重复计算,减小j0，重复计算,第三节电力系统有功功率的最优分配,三、计及网损时水、火电厂间的经济功率分配,设：,n个火电厂 Fi(P)火电厂耗量特性,m个水电厂 Qj(P)水电厂耗量特性,在0T时间内,等约束条件,功率平衡：,用水量：,目标函数：,第三节电力系统有功功率的最优分配,拉格朗日函数,对其求偏导并令=0,第三节电力系统有功功率的最优分配,网损微增率 的物理意义：某发电厂所发功率的变化引起的网路总损耗的变化阻抗矩阵法,第三节电力系统有功功率的最优分配,作业：,1、某火电厂装设两套发电设备F1=2+0.2PG1+0.001PG12(t/h)F2=4+0.2PG2+0.002PG22(t/h)PG1max=PG2max=200MW PG1min=PG2min=50MW 试求 Ph=300MW时，负荷的最优分配方案。,2、两电厂供电系统经济运行，在某负荷下，1=6.6/MWh，2=7.2元/MWh，如果系统的负荷稍微增大1MW，则全系统的燃料费用增加8.2元/h，求两电厂的线路损耗微增率。,第四节 电力系统负荷及电源的频率静态特性,一、负荷的频率静态特性,1、定义：,负荷,与用户的生产状态有关,与频率无关照明、电炉等,与接入点系统电压有关,与系统频率有关仅考虑频率因素,假设不变,2、负荷性质：,与频率的一次方成正比球磨机、卷扬机等,与频率的二次方成正比变压器的涡流损耗等,与频率的三次方成正比通风机、循环水泵等,与频率的高次方成正比静水头阻力大的给水泵,第四节 电力系统负荷及电源的频率静态特性,在(49.550.5HZ)之间，kh*近似为一条直线，大致为1.5(在13之间),第四节 电力系统负荷及电源的频率静态特性,二、发电机的功率频率静态特性,1、定义：发电机组的有功功率与频率之间的关系,2、调速器的工作原理,（1）、正常运转 PE=PT A-B-C,（2）、PL PE PEPT A”-B-CPE=PT A-B-C,（3）、有差调节B B，A A,3、调频器的工作原理,第四节 电力系统负荷及电源的频率静态特性,4、电源的有功功率频率静态特性,（1）、无调速系统时:PT=c1f-c2f2,（2）、有调速系统时,第四节 电力系统负荷及电源的频率静态特性,4、电源的有功功率频率静态特性,（3）、有调频器时,第四节 电力系统负荷及电源的频率静态特性,（4）、发电机的单位调节功率及调差系数,汽轮机组：%=35或KG*=33.320,水轮机组：%=24或KG*=5025,第五节 电力系统的频率调整,一、频率的一次调整,负荷增加 PL0时,调速器动作，频率降低增加PG=-kG f,负荷本身由于频率降低，减少了PL=kL f,PL0+PL=PG,第五节 电力系统的频率调整,PL0=PG-PL=-kG f-kL f=-(kG+kL)f=-ks f,ks系统的单位调节功率,1、台机组并列运行时,2、希望 f 小，则增加kG（即减小），太小，变动量无法固定分配，不能稳定工作,3、由于ks不能整定得很大，故一次调频只适应周期短、幅值小的负荷变动,并且是有差调节,增加发电机组，可增大kG，但不经济,第五节 电力系统的频率调整,二、频率的二次调整,平移发电机的功频特性达到调频目的,1、调频厂的选择（主、辅调频厂）,机组要有足够的调节能力及范围,要有较快的调节速度,经济运行,水电厂,原则,调节50%,速度快,枯水期，充分利用水量,火电厂,水电厂容量不足时，高30%，中70%,丰水期,靠近负荷中心，中温、中压机组,不距负荷中心远时,第五节 电力系统的频率调整,只有一次调节时,2、频率的二次调整,f0 f0,调频器动作后,f0 f0”,PL0-PG0=-ks f,如PL0=PG0 f=0无差调节,第五节 电力系统的频率调整,三、互联系统的频率调整,KA,PGA,PLA,KB,PGB,PLB,Pab,A,B,1、f 取决于系统总缺额（PA+PB）一个系统概念,2、当PA=0，Pab；当PB=0，Pab变负；,当PB=-PA，f=0，Pab=PB=-PA,第五节 电力系统的频率调整,例：两台PN=60MW机组共同承担负荷，1%=4%，2%=3%。并联运行，空载时f0=50HZ。试求：PL=100MW时各发功率；平担100MW时，它们的转速应分别增减多少。,解：设带100MW时频率为fL,第五节 电力系统的频率调整,两台机组发出的功率分别为：PG1=1.4286*30=42.9MW PG2=1.4286*40=57.1MW,平担100MW时：,电力工程系,Department of Electrical Engineering,North China Electric Power University,