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1、第五章 电力系统的有 功功率和频率调整宁波大学信息学院宁波大学信息学院电气工程及其自动化系电气工程及其自动化系电力系统基础 2-122第五章 电力系统的有功功率和 频率调整n衡量电能质量的指标q频率q电压q波形n衡量运行经济性的主要指标q比耗量q线损率主要与有功分配和频率调整有关（第五章） 主要与无功分配和电压调整有关（第六章） 与波形畸变与谐波及其治理有（不在本书范 畴）3-122本章的主要内容n5.1 电力系统有功功率的平衡n5.2 电力系统中有功功率的最优分配n5.3 电力系统的频率调整4-122第一节 电力系统中有功功率的 平衡n 有功负荷的变动和调整控制n 有功负荷曲线的预计n 有功
2、功率电源和备用容量5-122发电机的功率平衡PT PE + PD PE转矩不平衡时,转子转速变化,引起频率 变化电力系统的功率平衡一、有功功率负荷的变动和调整控 制频率与有功平衡的关系 转矩平衡与功率平衡保持频率恒定不变是十分困难的6-122有功频率特性n有功平衡的高低决定了频率的高低n负荷波动是频率偏差的根本原因7-122一、有功功率负荷的变动和调整控 制 n负荷曲线 q实际的负荷曲线由三种 负荷所构成。 q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。主要由中 小型用电设备的投切引起。（偶 然分量、随机分量） q第二种负荷变动幅度较 大、周期也较长（10秒至3分
3、） 。主要由冲击性负荷（如电炉、 压延机械、电气机车等）引起。（ 脉动分量）q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。由生产、生活、 气象等变化引起的缓慢的持续负 荷变动，（持续分量、周期分量 ）8-122一、有功功率负荷的变动和调整控 制n负荷调整控制q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。 q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。 q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
4、承 担。二次调频不仅考虑机组的调节特性，还要考虑到系统 安全和经济特性。现在二次调频一般由AGC（ Automatic Generation Control）机组承担。 q三次调整针对第三种负荷变动引起的频率变化， 也就是日常所说的发电计划，三次调整主要考虑安全和经 济。 9-12210-122n前两种是事后的，第三种是事前的。n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 。n二次调频是由平衡节点来承担。负荷波动性质的分析11-122一、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）GGGG实际负荷
5、预计负荷控制机组调度机组发电=负荷12-122二、有功功率负荷曲线的预计（负 荷预测） n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。n负荷预测分类：负荷预测分为系统负荷预测 和母线负荷预测，系统负荷预测按周期又有 超短期、短期、中期和长期之分。n负荷经常随机波动。n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。13-122q超短期负荷预测用于质量控制需5-10秒的 负荷值，用于安全监视需1-5分钟的负荷值，用 于预防控制和紧急状态处理需10-60分钟的负荷 值，使用对象是调度员。 q短期负荷预测主要
6、用于火电分配、水火电 协调、机组经济组合和交换功率计划，需要1日- 1周的负荷值，使用对象是编制调度计划的工程 师。 q中期负荷预测主要用于水库调度、机组检 修、交换计划和燃料计划，需要1月-1年的负荷 值，使用对象是编制中长期运行计划的工程师。 q长期负荷预测用于电源和网络发展，需数 年至数十年的负荷值，使用对象是规划工程师。二、有功功率负荷曲线的预计（负 荷预测） 14-122n负荷预测的精度 n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。n首先决定于对具体电力系统负荷变 化规律的掌握，
7、其次才是模型与算法的选择。影 响负荷变化的因素主要有： q国民经济发展q人民生活用电q季节q天气q节假日q特殊事件15-122n负荷预测流程PtPt. （历史负荷 ）负荷预 测算法降雨、 气温 .Pt（预测负荷 ）16-12217-122n有功功率电源：可投入发电设备的可发功率之 和，不应小于包括网损和厂用电在内的系统（ 总）发电负荷。n系统的备用容量：系统电源容量大于发电负荷 的部分。为了保证供电可靠性和良好的电能质 量。三、有功功率电源和备用容量18-12219-122，一般为最大负荷的35% ，一般为最大负荷的35% 20-12221-122n经济调度的第二个问题是有功功率的最优分配，包
8、括有 功功率电源的最优组合和有功功率负荷的最优分配。第二节 电力系统中有功功率的最优 分配22-122第二节 电力系统中有功功率的最优 分配一、各类发电厂的运行特点和合理组合 1. 各类发电厂的运行特点n火电厂有一个技术最小负荷；退出、投入、急剧改变负荷时，均需耗费 能量、花费时间，且易于损坏设备；效率：高温高压 中温中压 低温低压调节范围：中温中压优于高温高压 23-122火电厂的主要运行特点24-122n原子能电厂的主要运行特点25-122n水电厂的主要运行特点26-12227-1222. 各类发电厂的合理组合基荷和峰荷28-12229-122n丰水期：水电厂应满发以避免弃水，与热电厂和核
9、电厂一起带基本负荷稳定运行，其次是高温高压火电厂，然后是中温中压火电厂承担峰值负荷。 n枯水期：有调节水电厂承担调峰任务，其余各类电厂的安排顺序不变。 丰水期和枯水期电厂的运行安排30-122丰水期和枯水期电厂的运行安排31-1221）. 耗量特性发电设备的输入和输出的关系，即发电设 备单位时间内消耗的燃料F（耗水量W）与发 出有功功率PG的关系。2）. 比耗量耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的 比值。二、最优负荷分配*（P31-57）1. 最优负荷分配的基本概念32-1223）. 发电设备的效率输入功率与输出功率之比。耗量特性的纵横坐标单位相同时，4）. 耗量微增率单位时间内输入能量微增量
10、与输出功率微增量 的比值。5）. 最小比耗量 minn耗量特性曲线切点对应的比耗量。33-122n目标函数： C = C (x, u, d ) n等约束条件： f (x, u, d ) = 0 n不等约束条件： g(x, u, d ) 0x 为状态变量；u为控制变量；d 为扰动变量 2. 最优负荷分配的目标函数与约束 条件34-122n有功最优分配的目标函数是使全系统每小时的 总能源消耗或燃料费用为最小。n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 。这种反映单 位时间内发电设备的能量消耗与发出的有功功 率之间的关系称为耗量特
11、性。其函数关系式为 ：单位：吨/小时 35-122n上述函数可用试验数据通过最小二乘法 拟合而成，根据前人经验，阶数为2比 较合适，即n总的目标函数为： 最优负荷分配的目标函数36-122（1）全系统有功功率平衡约束条件为 对于每个节点：对于整个系统：若不计网损：最优负荷分配的约束条件37-122（2）各发电机出力不等约束条件为（3）系统各点的电压不等约束条件为 Ui min Ui Ui max , i = 1,2,n （4）水电厂用水约束条件为 最优负荷分配的约束条件38-122一般用拉格朗日乘数法。用两个发电厂之间的经济调度来说明，问题略去网络损耗。n建立数学模型。3、最优分配负荷时等耗量
12、微增率准 则39-122n根据给定的目标函数和等式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。n对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三个条件：40-122n求解（1）得到：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。41-122n对不等式约束进行处理v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。v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。42-122推广到多
13、台发电机组或发电厂，有即等耗量微增率准则：各机组以相等的耗量微增率运行并满足功率平衡约束时，系统的总耗量最小。 43-122n设耗量微增率的初值 ；n求与 对应的各发电设备应发功率 ；n校验求得的 是否满足等式约束条件：n如不能满足，则如 ，取 ；如 ，取 ，自2）开 始重新计算。n直到满足条件。用迭代法求解电力系统经济调度 问题44-122算例1：例52同一发电厂内两套发电设备共同供电，它们的耗量特性分别为即如图512所示。它们的可发有功功率上下限则分别为：PG1min=20MW；PG1max=100MWPG2min=20MW；PG2max=100MW45-122试求负荷的最优分配方案和两套
14、设备的 综合耗量微增率曲线；设两套设备平均分配负荷，试求负荷为 100MW时，每小时多消耗的燃料。46-122解：（1）由耗量特性得两套发电设备的耗量 微增率分别为负荷PL为40MW时，两套设备都按下限发电 ，各承担20MW，相应的耗量微增率为因此，负荷增加时，发电设备2应首先增加负 荷，而发电设备1则仍按下限发电。这时， 两套设备的综合微增率应取决于发电设备2 。例如，负荷为50MW时，PG1=20MW， PG2=30MW。47-122负荷增加，直到 也等于0.306后，发电设备1 才开始增加负荷。而 时，由可解得PG2=35MW。从而，负荷增加至并继续增加时，发电设备1才开始增加负荷。 换
15、言之，只有负荷大于55MW时，才真正 有可能按等耗量微增率准则分配负荷。按耗量微增率准则分配负荷时的计算较 简单，只要取不同 值代入下列计算公式48-122分别计算PG1、PG2、PL。计算结果列于表5 2。由表52可见， 时，发 电设备1分配的负荷已达它的上限。因此， 负荷继续增加时，增加的负荷应由发电设 备2承担，两套设备的综合耗量微增率也就 应取决于发电设备2。由表52可作负荷最优分配方案如图513所 示，综合耗量微增率曲线如图514所示。49-12250-122（2）PL=100MW，按最优分配时， PG1=45.3MW、PG2=54.7MW，总耗量为51-122PL=100MW，按平均分配时， PG1=50MW、PG2=50MW，总耗量为二者相差0.07t/h。虽然每小时仅相差0.07t， 但日积月累，数字也很可观。52-122已知三个火电厂的耗量特性分别为：不计网损时，求：当总负荷为700MW时各个发电厂间有功负荷的最优分配；若三个火电厂所用燃料价格分别为100、110、90元/t，按电能成本分配负荷。 算例253-122算例2解：由题目可得各厂的耗量微增率为根据耗量微增率准则有54-122求解得到校验机组的有功出力，发现PG1150MW， 越限，因此，令PG1150MW，机组2、 3再进行经济分配。55-122（2）燃料价格与耗量特性相乘就得
