电力系统有功功率和频率调整ppt课件

1,第五章 电力系统有功功率和频率调整,2,本章思路,提出问题,分析 问题,解决问题,3,本章思路,提出问题：频率是衡量电能质量的指标之一。频率经常波动，频率的波动超过允许值时，对发电、输电和用产生不利的影响。频率为什么经常波动？ 分析问题：频率的波动是由于作用在发电机转子上的两个力矩不平衡引起的。（电磁力矩是制动力矩，使发电机减速；机械力矩是驱动力矩，使发电机加速） 解决问题：调整作用在发电机转子上的机械力矩，使两个力矩平衡，则频率在允许范围内。,4,电力系统的有功功率平衡与频率波动的关系,作用在发电机转子轴上的力矩 机械力矩，原动机产生的，使发电机转子加速 电磁力矩，负荷产生的，使发电机转子减速 机械力矩=电磁力矩，作用在发电机转子上的机力矩平衡，发电机额定转速，系统额定频率。,5,电力系统的有功功率平衡与频率波动的关系,转矩与功率成正比，用功率可以代替转矩。 假设：机械功率恒定 负荷经常波动，则电磁功率随着变化。,6,电力系统的有功功率平衡与频率波动的关系,电磁功率机械功率，发电机转子减速，系统频率下降；电磁功率机械功率，发电机转子加速，系统频率上升；,7,频率调整的原理,调整的宗旨：改变机械功率，使机械功率=电磁功率当电磁功率机械功率，发电机转子减速，系统频率下降； 调整：增加进气量或进水量，进而增加作用在发电机转子上的机械功率。机械功率=电磁功率，转子达到额定转速，系统频率达到额定频率。,8,频率调整的原理,当电磁功率机械功率，发电机转子加速，系统频率上升； 调整：减小进气量或进水量，进而减小作用在发电机转子上的机械功率，机械功率=电磁功率，转子达到额定转速，系统频率达到额定频率。,9,频率调整就是使发电机的机械功率随电磁功率的变化而变化，即发电机所发功率随负荷的变化而变化。 因此，要研究负荷的变化规律，针对负荷的不同变化规律，要用不同的调频手段。,10,三种负荷变动,第三种负荷变动幅度最大、周期也最长（3分以上），它反映了负荷的变动趋势。这种负荷能够预测。,第一种负荷变动幅度很小、周期很短（10秒以下），随机性很强，无法预测,第二种负荷变动幅度较大、周期也较长（10秒至3分）。电炉、压延机械、电气机车等冲击性负荷,11,发电功率的调整,针对三种负荷，有功功率和频率调整大体上也可分成一次、二次、三次调整。一次调整也称为一次调频，针对第一种负荷变动引起的频率变化，由发电机组的调速器自动动作承担。一次调整希望快速和平稳。,12,发电功率的调整,二次调整也称为二次调频，针对第二种负荷变动引起的频率变化，由发电机组的调频器手动或自动动作承担。二次调频一般由AGC（Automatic Generation Control）机组承担。（调频）三次调整针对第三种负荷变动引起的频率变化，也就是日常所说的安排发电计划。（包含调峰）,13,5.1 电力系的频率调整,一、调整频率的必要性 对用户的影响 产品质量降低 生产率降低 对发电厂的影响 汽轮机叶片谐振 辅机功能下降对系统的影响 互联电力系统解列 发电机解列,14,二、自动调速系统及其调节特性,15,自动调速系统,离心飞摆式调速系统是闭环控制系统 输入量：发电机转子的转速 输出量：汽轮机的进汽量(或水轮机的进水量) 每个发电机都有调速器,16,电源有功功率静态频率特性,静态频率特性：指在稳定运行情况下，原动机有功功率与系统频率之间的关系。 功率为转矩和转速的乘积。,功率最大,17,频率的一次调整曲线,增加进气量,18,频率的二次调整曲线,19,发电机组原动机的静态频率特性,20,发电机组原动机的静态频率特性,21,综合负荷的静态频率特性,负荷的静态频率特性是负荷的自然属性，而发电机组的静态频率特性是由于调速器实现的，,22,系统的频率一次调整,0,f,P,A,O,B,系统的单位调节功率,负荷的突增量,发电机增发,负荷少用,23,为满足新增负荷的需要，发电机多发有功功率（由于系统频率下降，调速器调整实现的），同时负荷少用了有功功率（由于系统频率下降，负荷的自然属性决定的）。 这个调节过程是震荡衰减过程，我们只讨论调节的初始状态和最终状态。,问题：既然调速器进行了调节，电力系统的频率仍然下降，如果调速器不调节，系统频率将如何呢？,24,0,f,P,A,O,假设发电机组调速器不起作用，这里没有发电机的一次调整曲线发电机所发功率恒定，为,由此可见：如果发电机调试器不起作用，调频由负荷来实现，系统的频率下降很多,25,发电机的调整功率越大越好？,一、如果发电机的调整功率无限大，看似负荷的变动不会引起频率的改变，但调整功率难以在多个发电机组中分配，使发电机调速系统不能稳定工作。 二、有些机组已经满载，调速器不能再参与增功率的调节，因此发电机的调整功率整定得再大，也没有意义。 正因为如此，依靠发电机组的调速器进行的一次调频只能调整周期较短、幅度较小的负荷变动引起的频率偏移。负荷变动周期更长、幅度更大的调频任务自然地落在由发电机组调频器完成的二次调整上。,26,0,f,P,O,C,27,0,f,P,O,C,无差调节,此时发电机的二次调频增加的功率等于负荷的突增量。,28,29,30,调频厂的选择,调整容量足够大； 调整速度足够快； 调整范围内的经济性能应较好； 调整时不引起系统内部或系统间联络线工作困难。,31,各类型电厂在调频中的作用,水电厂因其具有较宽的有功功率调节范围和较快的调节速度，最适宜担当调频工作，所以当系统中有水电厂时，一般选水电厂作为调频厂；高温高压火电厂因其技术最小负荷较大而使有功功率调节范围较窄，且高温高压火电厂效率较高，再考虑到高温高压火电厂的负荷增减速度不能太快，故高温高压火电厂不宜作为调频厂；,32,各类型电厂在调频中的作用,中温中压火电厂较高温高压火电厂的负荷调节范围宽，故当系统中没有水电厂，或者有水电厂而在丰水季节，从电力系统运行的经济性出发，可以采用中温中压火电厂作为调频厂；原子能电厂虽然可调容量较大，调整速度也不亚于火电厂，但因其运行费用较低，通常都以满负荷运行，一般不考虑用这类电厂调频。如果系统中有抽水蓄能电厂，首先应该考虑采用这类电厂进行调频。,33,名词解释,ALFC:自动负荷频率控制 AGC：自动发电控制 EDC：经济调度控制 ACE：区域控制偏差,34,有功功率负荷的变动和调整控制,发电控制 （一、二次调频）,发电计划 （三次调频）,实际负荷,预计负荷,控制机组,调度机组,发电,=,负荷,35,负荷预测,负荷经常随机波动。 负荷又有一定的周期性，如本周一的负荷与上周一的相似，今天与昨天相似。 根据负荷，天气，事件等的历史数据，以及天气，事件等的预报值，预测负荷的形态，曲线，最大值，最小值，平均值等等。,36,有功网损,不变损耗：与负荷的变化无关，与电压成正比，而电压在一天内变化不大。主要是变压器的空载损耗。 可变损耗：与负荷的平方成正比，而负荷在一天内变化很大。主要是变压器和线路电阻中的损耗,网络总损耗约为系统总负荷的6%10%,37,厂用电,水电厂：0.1%1%火电厂：5%8%原子能电厂：4%5%,发电负荷=综合用电负荷(预测)+网损(估算)+厂用电(估算),38,厂用电率(2009年电监会报告),全国发电厂用电率为5.69%，同比下降0.12个百分点。 水电为0.58 火电为6.51 19972009年，我国厂用电率总体呈下降态势，从6.80%下降到5.69%。,39,19972009年厂用电率变化情况,40,电源备用容量,有功功率平衡： 发电功率=厂用电+网损+综合用电负荷有功电源的备用容量： 备用容量=发电机组的额定容量-发电功率,41,电源备用容量（按状态分类）,热备用：运转中的发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差(旋转备用)；冷备用：未运转的、但能随时启动的发电设备可以发的最大功率(不含检修中的设备)；冷热备用须有合理比例。,42,电源备用容量（按用途分类）,负荷备用：适应负荷短时波动、一日内计划外的负荷增加，一般为最大负荷的2%5%。 事故备用：适应发电设备发生偶然事故时备用，一为般最大负荷的5%10%，分冷、热备用。不小于最大机组的容量。 检修备用：满足检修需要而设的(有时不设)备用。 国民经济备用：计及负荷超计划增长而设。,43,电力系统中有功功率的最优分配（发电计划，频率的三次调整）,电力系统经济调度：是在满足安全和一定质量要求的条件下尽可能提高运行的经济性，即合理地利用现有的能源和设备，以最少的燃料消耗量（或燃料费用或运行成本），保证对用户可靠而满意地供电。,44,内容,机组优化组合（简要介绍） 确定系统中需要运行多少机组，哪些机组运行，以及什么时候运行。 经济功率分配（重点学习） 在已知机组组合的基础上，确定各机组的功率输出，在满足机组、系统安全约束的同时，使系统的运行最优化。,45,火电厂特点,需燃料及运输费用，但不受自然条件影响 效率与蒸汽参数有关 受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高压30%，中温中压75%) 机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备 热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率,46,火电厂的效率,中温中压 24.5% 高温高压 30.5% 超高压力 37.0% 超临界压力 40.0% 热电厂 50%,47,水电厂特点,没燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响； 出力调节范围大，50%以上, 增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷； 决定发电量的除水量外还有水位差保证出力，水头过低，不一定能够额定出力； 抽水蓄能机组。,48,水电厂特点,水利枢纽兼顾发电、航运、防洪、灌溉、渔业、旅游，不一定与电力负荷适应，所以必须与火电配合； 维持航运、灌溉、需一定水量，对应强迫功率； 各类水电厂的调节能力不一样:无调节、日调节、季调节、年调节、多年调节等。水库的调节周期越长，其受自然条件的影响越小,49,水电厂在丰水期、枯水期的调用,在有水电厂的系统，应充分合理地利用水利资源，避免弃水。 无调节水库水电厂的全部功率和有调节水库水电厂的强迫功率应首先投入置于负荷曲线的底部。 有调节水库的水电厂的可调功率在洪水季节应优先投入，在枯水季节则应承担高峰负荷。,50,核电厂特点,可调容量大，退、投、增、减负荷消耗能量、时间，易损坏设备 一次投资大，运行费低，尽量利用承担基本负荷,51,各类电厂分配负荷的原则,充分利用水力资源，避免弃水;避免频繁开停机（100MW机组冷态启动的需要10万元，热态启动需要3-4万元；300MW机组冷态启动的需要20-30万元）经济性能好的火电机组优先发电；,52,各类发电厂的合理组合,各类发电厂的合理组合 火电厂：高温高压，中温中压，低温低压原子能电厂：原则上应持续承担额定容量负荷，在负荷曲线的更基底部分运行。,53,各类发电厂的合理组合,水电厂： 无调节水库水电厂 有调节水库水电厂 洪水季节 枯水季节,54,各类发电厂的合理组合,抽水蓄能电厂两种运行方式 抽水 发电,55,各类发电厂的组合顺序,枯水季节： 无调节水电厂 有调节水电厂的强迫功率 热电厂的强迫功率 原子能电厂 燃烧劣质、当地燃料的火电厂 热电厂的可调功率 高温高压火电厂 中温中压火电厂 低温低压火电厂(不一定投入) 有调节水电厂的可调功率 抽水蓄能水电厂,56,各类发电厂的合理组合顺序,洪水季节： 和枯水季节的不同在于这时有调节水电厂的可调功率往往也归入强迫功率成为不可调功率。,57,58,一些国家的民用电压等级与频率,阿根廷 ：电压220V /380V，频率50Hz 巴西 ： 电压110V/220V ，频率60Hz 加拿大： 电压120V/240V ，频率60Hz 墨西哥： 电压127V/220V，频率60Hz 美国： 电压120V/240V，频率60Hz 澳大利亚/新西兰 ： 电压240V/415V ，频率50Hz,59,一些国家的民用电压等级与频率,香港： 电压120/220V ，频率50Hz 印度： 电压230V， 频率50Hz 印尼 ： 电压230V /380V ，频率50Hz 日本 ： 电压100/200V，频率50Hz 韩国 ： 电压220 /380， 频率60Hz 马来西亚 ：电压220/240V， 频率50Hz 菲律宾： 电压220V， 频率60Hz 新加坡 ：电压230V/ 400V， 频率50Hz 台湾： 电压110/220V，频率60Hz,60,二、最优分配负荷时的目标函数和约束条件,1.耗量特性：单位时间内，发电设备输入与输出的关系。,煤,水,61,比耗量与耗量微增率,M,比耗量：耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值，即单位时间内输入能量与输出功率之比。如图，线段OM的斜率是比耗量。,N,PG,F,耗量微增率：耗量特性曲线上某一点切线的斜率。如图，线段NM的斜率，就是耗量微增率。,62,比耗量与耗量微增率的变化,在M点比耗量与耗量微增率相等。比耗量的倒数是发电设备的效率，用 表示,M,m,PG,63,2 目标函数和约束条件,我们要研究有功功率负荷的最优分配。 我们的目标是什么？ 运行变量受到什么约束？ 如何用数学表达式来表达目标函数和约束条件？ 如何求解满足约束后的目标函数？,64,目标：在负荷总量不变的情况下，将这些负荷如何分配给各个发电机组，使所有机组所消耗的化石能源最少？ 约束：水电厂的水量约束，电网的功率平衡约束，发电设备的有功、无功约束，节点电压约束等。,65,用数学表达式来表达目标函数,求有功负荷在发电厂或运行机组间最优分配的问题时，目标函数通常是使火电厂或火电机组的总煤耗最小,式中，以 表示某发电设备发出有功功率 时单位时间内所需消耗的能源,66,用数学表达式来表达约束条件,1.有功平衡的约束,如果忽略网损，则为,2.水库库容的约束：,3.发电设备有功约束：,4.发电设备无功约束：,5.节点电压约束：,不等约束,67,简单的例子,求此方程的极值：f(x,y) = xy 同时未知数满足 x+ y = 1 因为只有一个限制条件，我们只需要用一个乘数. g(x,y) = x + y 1 (x,y,) = f(x,y) + g(x,y) = xy + (x + y 1) 这里有三个变量，x,y, ,将所有方程关于这三个变量的偏微分设为零，得到一个方程组，最大值是以下方程组的解： y + = 0 x += 0 得到结果x=y=1/2，极值是1/4 x + y 1 = 0,68,最优分配负荷时的等耗量微增率准则,目标函数是C最小,约束条件是,假设有两个火电发电设备，耗量特性分别是,构造拉格朗日函数,69,求拉格朗日函数的极值,70,等耗量微增率准则,1号机组的耗量微增率,2号机组的耗量微增率,如果有n台机组，则,71,OA=PG1,AB=PG2,OB=PL=PG1+PG2,按等耗量微增率准则分配负荷， 1与2平行,则线段MN最短,F1,F2,O,A,B,1,2,M,N,K,L,AM=F1 AN=F2,72,例题,73,74,发电机有功功率的约束,高于上限取上限，低于下限取下限。,75,参考资料,电力系统经济学原理中国电力出版社 朱治中 译,76,作业,计算题：5-2,5-3,5-6,5-8,