第五章电力系统有有功功率平衡和频率调整

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第五章

电力系统有功功率的平衡和频率的调整

系统的频率由系统中的有功功率分配有关， 本章主要内容：系统有功功率的最优分布和频率的 调整。

第一节 电力系统中的有功功率的平衡 第二节 电力系统的频率调整

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第一节 电力系统中的有功功率的平衡一、频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响

频率变化

电动机转速的变化

产品质量 电动机停转

电厂的给水泵停运，锅炉停炉等等

频率变化的原因：

由有功负荷变化引起的

我国频率范围：50 0.2Hz 发达国家(如澳大利亚):50 0.1Hz 华东电网已达到： 50 0.1Hz

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二、电力系统中有功功率的平衡和备用容量1、有功功率负荷的变动及其调整 一、变化幅度很小、变化周 期较短，负荷变动有很大 的偶然性。 二、变化幅度较大、变化周 期较长，如电炉。电气机 床。 三、变化缓慢的持续变动负 荷，如由生产、生活、气 象变化引起的负荷变动。

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电力系统经济调度的第一个问题就是研究用户的 需求，即进行电力负荷预测，按照调度计划的周期， 可分为日负荷预测，周负荷预测和年负荷预测。 不同的周期的负荷有不同的变化规律：

负荷预测的精度直接影响经济调度的效益，提高预测的 精度就可以降低备用容量，减少临时出力调整和避免计 划外开停机组，以利于电网运行的经济性和安全性。

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1.

2.3.

根据负荷变化，电力系统的有功功率和频率 调整大体上也可分为： 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：由调度部门根据负荷曲线进行最 优分配。 前两种是事后的，第三种是事前的。 一次调频是所有运行中的发电机组都可参加 的，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承担。

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2、有功功率平衡和备用容量

P 发电厂发出的有功功率 总和 P 系统的总负荷 P P P P P P 用户的有功负荷 P 发电厂厂用有功负荷 P 网络的有功损耗G L D

G

L

D

S

c

S

C

系统的备用容量：系统电源容量大于发电 负荷的部分，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。

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负荷备用：为满足系统中短时的负荷波动和一 天中计划外的负荷增加而留有的备用容量。一 般为系统最大负荷的2%~5% 事故备用：为使电力用户在发电设备发生偶然事 故时不受严重影响，能够维持系统正常供电所需 的备用容量。一般为系统最大负荷的5%~10% 检修备用：为保证系统中的发电设备进行定期检 修时，不影响供电而在系统中留有

的备用容量。 国名经济备用：考虑到工农业用户超计划生产， 新用户的出现等而设置的备用容量。一般为系统 最大负荷的3%~5%

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3、各类发电厂的特点及合理组合

水电厂、火电厂、核电厂 (一) 各类电厂的特点(自学)

(二) 各类发电厂的合理组合

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4、有功功率的最优分配有功功率的最优分配，包括有功功率电 源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。(1).有功功率电源的最优组合

有功功率电源的最优组合：是指系统中发电 设 备或发电厂的合理组合。通常所说的机组 的合理开停，大体上包括三个部分：1. 2. 3.

机组的最优组合顺序 机组的最优组合数量 机组的最优开停时间

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(2).有功功率负荷的最优分配

最优化：是指人们在生产过程或生活中为某个 目的而选择的一个“最好”方案或一组“得力” 措施以取得“最佳”效果这样一个宏观过程。 有功功率负荷的最优分配：是指系统的有功功 率负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之 间的合理分配。其核心是按等耗量微增率准则 进行分配。 电力系统最优运行：是电力系统分析的一个重 要分支，它所研究的问题主要是在保证用户用 电需求(负荷)的前提下，如何优化地调度系 统中各发电机组或发电厂的运行工况，从而使 系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料耗量 达到最小这样决策问题。

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有功功率负荷合理分配的目标

在满足一定约束条件的前提下，尽可能节 约消耗的能源。1).耗量特性F,W F,W P F

m

F

0F (W ) 比耗量 P

0 PG

P

PGdF (W ) dP

发电设备的效率

1

耗量微增率

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, ,

m0

PG

比耗量和耗量微增率的变化

合理组合发电 设备的方法之一就 是按照最小比耗量 由小到大的顺序， 随负荷的由小到大 增加，逐套投入发 电设备；或负荷的 由大到小，逐套退 出发电设备。

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2) 目标函数和约束条件

在一定约束条件下，使某一目标函数为最优。 约束条件和目标函数都是状态变量x、控制变量 u、扰动变量d的非线性函数。等约束条件 f(x、u、d) 0 不等约束条件g(x、u、d) 0

目标函数C=C(x、u、d)最优

有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小的有 功功率的前提下，单位时间内的能源消耗最少。

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目标函数：系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料耗量注：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 运行参数关系较小 。

F F1( PG1) F2 ( PG 2 ) .... Fn ( PGn )

F (Pi i 1

n

Gi )

Fi ( PGi )表示发电设备发出有功 功率PGi 时单位时间

内所消耗的 能源

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等约束条件：有功功率必须保持平衡对于每个节点P PLi U i Gi

U Gj j 1

n

ij cos ij Bij sin ij 0

对于整个系统

P PGi i 1 i 1QGi

n

n

Li P 0

不计网损

P PGi i 1 i 1

n

n

Li 0

不等约束条件：为系统的运行限制各节点发电设备有功功 率PGi

,无功功率

和电压大小不能超过限额。

PGi min PGi PGi max QGi min QGi QGi max U i min U i U i max

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3) 最优分配负荷时的等耗量微增率准则一般用拉格朗日乘数法。 现用两个发电厂之间的经济调度来说明问题， 略去网络损耗。 建立数学模型。2 min f Fcost a2i PGi a1i PGi a0i i 1 2

1)

P Pi 1 Gi i 1

2

2

Li

0

PG1min PG1 PG1max , PG 2 min PG 2 PG 2 max QG1min QG1 QG1max , QG 2 min QG 2 QG 2 max U1min U1 U1max ,U 2 min U 2 U 2 max

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2)

根据给定的目标函数和等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。

C* F1 P 1 F2 P 2 P 1 P 2 PL1 PL2 G G G G

拉格朗日乘子3)

对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三个条 件： dF PG1 1 0 dP 1 G

(1)

dF2 PG 2 0 dP 2 G

f PG1 , PG 2 PG1 PG 2 PL1 PL 2

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4)

求解(1)得到： 1 2 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。 对不等式约束进行处理 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。 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，当有功功率负荷的最优分配 完成后计算潮流分布在考虑。推广： 1 2 .... n=

5)

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例题

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2.已知两台机组并联共同向一负荷供电，它们的耗量特性分别 为F1=a1+8P1+0.004P12 t/h,F2=a2+6P2+0.0045P22 t/h , 120MW《P1《400MW,120MW《P2《400MW,求当负荷功 率PL=420MW时，负荷的最优经济分配。解： 1 dF1 8 0.008P1 dP 1

2

dF2 6 0.009P2 3分 dP2

根据耗量微增率准则： 1= 2 有 8 0.008P1=6 0.009P2----3分 联立：P1+P2=420 解出：P2=315MW P1=105MW-----2分

P1越限，取其下限，即P1=120MW P2=420 120 300MW---4分 - =

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第二节 电力系统的频率调整概述 频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行。负荷要求频率的偏差一般应控 制在(±0.2~

±0. 5)Hz的范围内。

要维持频率在正常的范围内，其必要的条件是系统必须具有充裕的可调有功电源。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nomj.html