電力系統(tǒng)分析第四章-新PPT課件

1 電力系統(tǒng)分析 第四章電力系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整 第四章電力系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 引言 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 2 頻率與有功平衡的關(guān)系 1 轉(zhuǎn)矩平衡與功率平衡 2 轉(zhuǎn)矩不平衡時 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化 引起頻率變化 1 頻率偏差的概念 實際頻率與額定頻率之間的差值 我國頻率額定值是50Hz 偏移范圍為 0 2 0 5 Hz 一 頻率偏差及頻率調(diào)整的必要性 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 對用戶的影響 1 異步電機轉(zhuǎn)速 紡織工業(yè) 造紙工業(yè) 2 異步電機功率下降 3 電子設(shè)備的準確度 對發(fā)電廠和電力系統(tǒng)的影響 1 對發(fā)電廠廠用機械設(shè)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 3 頻率調(diào)整的必要性 頻率變化的影響 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 根據(jù)有功負荷隨時間不規(guī)則變化按其變化幅度和周期 將負荷變動分為三類 1 變動幅度很小 變化周期很短 這種負荷變動有很大的偶然性 屬隨機負荷變動 2 變動幅度較大 變化周期較長 屬于這種負荷的主要有 電爐 電氣機車等帶有沖擊性的負荷變動 3 變動幅度最大 變化周期最長 其變動基本上可以預(yù)計 是由生產(chǎn) 生活 氣象等變化引起的負荷變動 二 有功功率負荷的變化及調(diào)整 1 有功負荷變動的分類 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 有功功率負荷的變化及調(diào)整 這三種負荷變動都將使電力系統(tǒng)的頻率發(fā)生一定的變化 有功功率電源的輸出功率也發(fā)生變化 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 根據(jù)負荷變動的分類 有功平衡和頻率調(diào)整也相應(yīng)分為三類 a 一次調(diào)頻 由發(fā)電機調(diào)速器進行 b 二次調(diào)頻 由發(fā)電機調(diào)頻器進行 c 三次調(diào)頻 由調(diào)度部門根據(jù)負荷預(yù)測曲線進行最優(yōu)分配 前兩種是事后的 第三種是事前的 一次調(diào)頻時所有運行中的發(fā)電機組都可以參加 取決于發(fā)電機組是否已經(jīng)滿負荷發(fā)電 這類發(fā)電廠稱為負荷監(jiān)視廠 二次調(diào)頻是由平衡節(jié)點來承擔 三次調(diào)頻則屬于電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行調(diào)度的范疇 2 有功平衡和頻率調(diào)整 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 1 有功功率平衡 有功功率電源 電力系統(tǒng)各類發(fā)電廠的發(fā)電機 系統(tǒng)電源容量 系統(tǒng)裝機容量 系統(tǒng)中所有發(fā)電廠機組額定容量的總和 備用容量 系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負荷的部分 三 有功功率平衡和備用容量 即保證有功功率電源發(fā)出有功與系統(tǒng)發(fā)電負荷相平衡 2 相關(guān)的一些基本概念 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 作用 為了保證供電可靠性及電能質(zhì)量合格 系統(tǒng)電源容量必須大于發(fā)電負荷 分類 按存在形式分為 熱備用和冷備用 按作用分為 負荷備用 事故備用 檢修備用 國民經(jīng)濟備用等 3 備用容量的分類 負荷備用 調(diào)整負荷波動或超計劃負荷增加 事故備用 發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時 維持系統(tǒng)正常供電所需的備用 檢修備用 使系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備能定期檢修而設(shè)置 國民經(jīng)濟備用 著眼未來 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 四 有功功率負荷曲線的預(yù)測 1 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度概述 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度是電力系統(tǒng)運行的重要內(nèi)容之一 其主要任務(wù)是在保證電能質(zhì)量和供電安全性的前提下 使系統(tǒng)的運行成本降至最低 系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度主要通過制定優(yōu)化的系統(tǒng)運行計劃來實現(xiàn) 短期運行計劃就是指日或周的系統(tǒng)發(fā)電計劃 其直接服務(wù)于系統(tǒng)的優(yōu)化運行 系統(tǒng)的短期運行計劃問題是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)優(yōu)化問題 但由于其所帶來的顯著經(jīng)濟效益 人們一直在積極研究 提出了各種方法來解決這個問題 4 1電力系統(tǒng)有功功率的平衡 2 有功功率負荷預(yù)測目的 電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的第一個問題就是研究用戶的需求 即進行電力負荷預(yù)測 以此為依據(jù)按最優(yōu)準則對各發(fā)電廠 發(fā)電機組之間進行有功功率的經(jīng)濟分配 3 負荷曲線的編制 發(fā)電廠負荷曲線 總負荷 網(wǎng)損 廠用電 參照長期積累的數(shù)據(jù)對用戶的用電計劃進行調(diào)整 確定網(wǎng)絡(luò)損耗和廠用電 注意氣象 節(jié)假日等條件的變化 4 負荷預(yù)測方法 傳統(tǒng)預(yù)測方法和現(xiàn)代預(yù)測方法 1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法2 模糊系統(tǒng)方法3 專家系統(tǒng)方法4 灰色系統(tǒng)方法5 遺傳算法6 小波分析方法 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 2 主要內(nèi)容要求在保證系統(tǒng)安全的條件下 在所研究的周期內(nèi) 以小時為單位合理選擇電力系統(tǒng)中哪些機組應(yīng)該運行 何時運行及運行時各機組的發(fā)電功率 其目標是在滿足系統(tǒng)負載及其它物理和運行約束的前提下使周期內(nèi)系統(tǒng)消耗的燃料總量或總費用值為最少 引言 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 有功功率電源的最優(yōu)組合 系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠的合理組合 即通常所說的機組的合理開停 大體上包括三個部分 1 機組的最優(yōu)組合順序 2 機組的最優(yōu)組合數(shù)量 3 機組的最優(yōu)開停時間 有功功率負荷的最優(yōu)分配 是指系統(tǒng)的有功功率負荷在各個正在運行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配 核心是按等耗量微增率準則進行分配 各類發(fā)電廠的基本運行特點 發(fā)電廠的效率 比耗量倒數(shù) 即 2 比耗量 耗量特性曲線上某點的縱坐標和橫坐標之比 即單位時間內(nèi)能量的輸入和輸出之比 記為 即 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 一 基本概念 1 耗量特性 反映發(fā)電設(shè)備或幾種發(fā)電設(shè)備的組合在單位時間內(nèi)能量輸入和輸出關(guān)系的曲線 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 3 耗量微增率 耗量特性曲線上某點切線的斜率 表示在該點的能量輸入增量與輸出增量之比 即 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 1 目標函數(shù) 有功負荷最優(yōu)分配的目的 在滿足有功功率平衡的前提下 合理分配各發(fā)電機組出力 使發(fā)電設(shè)備在生產(chǎn)電能的過程中所消耗的能源最少或成本最少 二 有功功率負荷最優(yōu)分配的目標函數(shù)和約束條件 單位時間內(nèi)總能源消耗最少 n火電廠系統(tǒng) 該目標函數(shù)是各發(fā)電設(shè)備發(fā)出有功功率的函數(shù) 描述的是單位時間內(nèi)能源的總消耗量 耗量特性相互獨立 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 當消耗的能源受到限制 含有水力發(fā)電廠 時 目標函數(shù)就不再是單位時間內(nèi)消耗的能源 而是一定運行時間 內(nèi)的能源消耗 1 等式約束條件 系統(tǒng)有功功率的平衡 若不計網(wǎng)損 則 2 約束條件 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 2 不等式約束條件 若系統(tǒng)含有水電廠 除有功功率平衡條件外 還有一個約束條件 用水量C 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 求解 建立一個新的 不受約束的目標函數(shù) 拉格朗日函數(shù) 三 等耗量微增率準則 1 以兩臺火電機組為例 忽略有功網(wǎng)損 假定各臺機組的燃料消耗量和輸出功率不受限制 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 目標函數(shù) 等式約束條件 拉格朗日函數(shù)求極值基本方法 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 對拉格朗日目標函數(shù)求導(dǎo) 得到最小值時應(yīng)有的三個條件 即時 單位時間內(nèi)總能源消耗最少 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 這就是著名的等耗量微增率準則 為使總耗量最小 應(yīng)按相等的耗量微增率在發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間分配負荷 2 擴展到n個火力發(fā)電系統(tǒng) 等耗量微增率準則 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 3 考慮不等式約束條件時的解決方案 1 先不考慮不等式約束條件 按等耗量微增率準則進行經(jīng)濟分配計算 2 若發(fā)現(xiàn)PGi的分配計算結(jié)果越限 越限的發(fā)電廠按極限分配負荷 即低于其下限PGimin時 取PGi PGimin 高于其上限PGimax時 取PGi PGimax 3 對其余的不越限發(fā)電設(shè)備 按等耗量微增率準則重新進行經(jīng)濟分配 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 例題4 1 某火電廠三臺機組并聯(lián)運行 各機組的燃料消耗特性及功率約束條件如下 試確定當總負荷分別為400MW 700MW時 發(fā)電廠間功率的經(jīng)濟分配 不計網(wǎng)損的影響 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 解 1 按所給耗量特性可得各廠的微增耗量特性為 根據(jù)等耗量微增率準則 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 2 總負荷為400MW 即 可得 校驗不等式約束條件 剩余的負荷功率300MW 應(yīng)在電廠2和3之間重新分配 經(jīng)校驗 三個發(fā)電廠的有功功率都在不等式約束范圍內(nèi) 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 校驗不等式約束條件 剩余的負荷功率450MW 應(yīng)在電廠1和3之間重新分配 經(jīng)校驗 三個發(fā)電廠的有功功率都在不等式約束范圍內(nèi) 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 作業(yè)題 已知某火電廠有兩臺機組 其耗量特性分別為 每臺機組的額定容量均為100MW 技術(shù)最小負荷均為20MW 試求 1 當電廠負荷為120MW時 兩臺機組如何經(jīng)濟分配負荷 2 當電廠負荷為50MW時 兩臺機組又如何經(jīng)濟分配負荷 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 a 設(shè)耗量微增率的初值 b 求與對應(yīng)的各發(fā)電設(shè)備應(yīng)發(fā)功率 4 等耗量微增率準則的迭代求解基本步驟 c 校驗求得的是否滿足功率平衡條件 自b開始重新計算 直到滿足有功功率平衡條件 d 不滿足有功平衡時 若 取 若 取 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 四 考慮網(wǎng)損時的有功負荷最優(yōu)分配 網(wǎng)損修正系數(shù) 網(wǎng)損微增率 4 2電力系統(tǒng)有功功率的最優(yōu)分配 以兩套設(shè)備為例 將水電廠的耗量微增率乘以一個拉格朗日系數(shù) 就可以同樣應(yīng)用等耗量微增率準則 水煤轉(zhuǎn)換系數(shù)表示發(fā)出同樣有功時 用水量所代替的火電耗煤量 五 水 火電混合系統(tǒng)有功功率的經(jīng)濟分配 水煤轉(zhuǎn)換系數(shù) 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 頻率是電力系統(tǒng)運行的一個重要的質(zhì)量指標 直接影響著負荷的正常運行 要維持頻率在正常的范圍內(nèi) 其必要的條件是系統(tǒng)必須具有充裕的可調(diào)有功電源 電力系統(tǒng)頻率調(diào)整 一次調(diào)頻和二次調(diào)頻 引言 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 1 綜合負荷的有功靜態(tài)頻率特性 負荷吸收有功的大小隨系統(tǒng)頻率變化的靜態(tài)特性 在實際中 用直線表示 綜合負荷的單位調(diào)節(jié)功率 一 電力系統(tǒng)頻率特性 負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù) 標幺值形式 近似計算時 取其標幺值大小為1 5 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 補充例題1 某電力系統(tǒng)總有功負荷為4000MW時系統(tǒng)頻率為50Hz 負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)標幺值KLD 1 5 計算負荷單位調(diào)節(jié)功率 解 根據(jù)定義 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 2 發(fā)電機組的有功靜態(tài)頻率特性 1為轉(zhuǎn)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(zhí)行機構(gòu) 油動機 或稱接力器 4為轉(zhuǎn)速控制機構(gòu)或稱同步器 調(diào)頻器 1 調(diào)速器 調(diào)頻器工作原理 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 2 發(fā)電機組的有功靜態(tài)頻率特性 即原動機機械功率的靜態(tài)頻率特性 頻率隨發(fā)電機有功增大而有所降低的特性 發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率 標幺值形式 發(fā)電機的調(diào)速器調(diào)整 一次調(diào)頻 是一個有差調(diào)節(jié)的過程 而調(diào)頻器調(diào)整 二次調(diào)頻 則可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié) 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 常用百分數(shù)表示為 機組調(diào)差系數(shù) 單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù) 即 發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 頻率一次調(diào)整的有差調(diào)節(jié)性質(zhì)反映在功頻靜特性直線的負斜率上 即負荷變動時原動機的轉(zhuǎn)速或頻率隨負荷增加而降低 二次調(diào)頻既可做到有差調(diào)節(jié) 也可做到無差調(diào)節(jié) 反映在平移的一組特性曲線上 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 補充例題2 某一容量為100MW的發(fā)電機 調(diào)差系數(shù)整定為4 當系統(tǒng)頻率為50Hz時 發(fā)電機出力為60MW 若系統(tǒng)頻率下降為49 5Hz時 發(fā)電機的出力是多少 根據(jù)定義 解 根據(jù)發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系 負荷突增 PLD 發(fā)電機組功率不能及時變動而使機組減速 系統(tǒng)頻率下降 同時 發(fā)電機組功率由于調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大 PG1 PG2 f1 f2 負荷功率因其本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少 經(jīng)過一個衰減的振蕩過程由3 2 達到新的平衡 即整個過程為從平衡點1 新的平衡點2 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 二 電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整 1 過程概述 假設(shè)系統(tǒng)只有一臺發(fā)電機組 一個綜合負荷 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 KS稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率 單位MW Hz 表示負荷增加或減少時 在原動機調(diào)速器和負荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多少 2 數(shù)學(xué)表達式 發(fā)電機輸出有功增量與負荷實際增量相平衡 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 3 對于系統(tǒng)有若干臺發(fā)電機組參加一次調(diào)頻 系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 例題4 3 某系統(tǒng)發(fā)電機組的總?cè)萘繛?475MW 系統(tǒng)總負荷3300MW 負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)KLD 1 5 各發(fā)電機組的容量和調(diào)差系數(shù)分別為 水輪發(fā)電機組100MW5臺 2 5 75MW5臺 2 75汽輪發(fā)電機組100MW6臺 3 5 50MW20臺 4 0較小容量汽輪機組合計1000MW 4 0試分別計算下述四種情況系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率KS MW Hz 1 全部機組都參加一次調(diào)整 2 全部機組都不參加一次調(diào)整 3 僅水輪機組參加一次調(diào)整 4 僅水輪機組和20臺50MW的汽輪機組參加一次調(diào)整 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 各發(fā)電機組的單位調(diào)節(jié)功率 5 75MW水輪機組 6 100MW汽輪機組 20 50MW汽輪機組 1000MW小容量汽輪機組 負荷 解 首先分別計算負荷和各發(fā)電機組的單位調(diào)節(jié)功率 5 100MW水輪機組 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 1 全部機組都參加一次調(diào)整 2 全部機組都不參加一次調(diào)整 3 僅水輪機組參加一次調(diào)整 4 僅水輪機組和20臺50MW的汽輪機組參加一次調(diào)整 然后根據(jù)不同情況計算KS 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 補充1 計算 3 系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率的標幺值 方法一 根據(jù)標幺值定義 方法二 KS的標幺值是以負荷的額定容量為基準值 以此進行換算 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 1 全部機組都參加一次調(diào)整 3 僅水輪機組參加一次調(diào)整 補充2 負荷突然減少300MW時 1 3 系統(tǒng)頻率 參加一次調(diào)頻的發(fā)電機組越多 頻率偏移越少 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 1 基本原理 將發(fā)電機組的功頻靜特性曲線平行移動 從而改變發(fā)電機的有功功率使負荷變動引起的頻率偏差保持在允許范圍內(nèi) 即二次調(diào)整使頻率偏差減小或為0 三 電力系統(tǒng)頻率的二次調(diào)整 2 頻率調(diào)整圖 一次調(diào)整后 f2可能會超出頻率偏差允許范圍 此時調(diào)頻器進行二次調(diào)整 即 使功頻靜特性曲線平行移動由PG P G或P G 到3點可有效縮小頻率變化范圍 到1 點可實現(xiàn)頻率無差調(diào)節(jié) 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 3 由系統(tǒng)的負荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)所減少的負荷功率 3 數(shù)學(xué)表達式 當系統(tǒng)負荷增加時 由以下三方面提供 1 二次調(diào)頻的發(fā)電機組增發(fā)的功率 2 發(fā)電機組執(zhí)行一次調(diào)頻 按有差特性調(diào)差系數(shù)分配而增發(fā)的功率 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 發(fā)電機輸出有功增量與負荷實際增量相平衡 則 當二次調(diào)整發(fā)電機組增發(fā)的功率 PG0與負荷功率的原始增量 PLD相等時 f 0 實現(xiàn)了無差調(diào)節(jié) 在有n臺發(fā)電機組的電力系統(tǒng)中 當綜合負荷發(fā)生變動時 所有機組都參與一次調(diào)頻 而二次調(diào)頻一般僅由一臺機組 s 承擔 則有 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 當負荷增加300MW時 分別計算 1 全部機組都參加一次調(diào)整 二次調(diào)整機組增發(fā)功率為100MW時 系統(tǒng)頻率變?yōu)槎嗌?3 僅水輪機組參加一次調(diào)整 系統(tǒng)頻率不低于49 8Hz時 二次調(diào)整機組應(yīng)增發(fā)多少功率 例題4 3 補充 某系統(tǒng)發(fā)電機組的總?cè)萘繛?475MW 系統(tǒng)總負荷3300MW 負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)KLD 1 5 各發(fā)電機組的容量和調(diào)差系數(shù)分別為 水輪發(fā)電機組100MW5臺 2 5 75MW5臺 2 75汽輪發(fā)電機組100MW6臺 3 5 50MW20臺 4 0較小容量汽輪機組合計1000MW 4 0 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 解 1 全部機組都參加一次調(diào)整 系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率KS為 二次調(diào)整機組增發(fā)功率100MW 即 PG0 100MW 則 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 2 僅水輪機組參加一次調(diào)整 系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率KS為 系統(tǒng)頻率不低于49 8Hz時 無差調(diào)節(jié) PG0 4 3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整 1 基本原理 由幾個地區(qū)系統(tǒng)互聯(lián)為一個大系統(tǒng)的情況 對某一個地區(qū)系統(tǒng)而言 負荷變化 增加 PLD時 可能伴隨著與其他系統(tǒng)交換功率 Pt的變化 2 設(shè)A B兩系統(tǒng)互聯(lián) 兩系統(tǒng)負荷變化 增加 分別為 PLDA和 P