第四章 电力系统的有功功率和频率调整

• 事故备用是使电力用户在发电设备发生偶然性事故时不 受严重影响，维持系统正常供电所需的备用。事故备用 容量的大小应根据系统容量、发电机台数、单位机组容 量、机组的事故概率、系统的可靠性指标等确定，—般 约为最大负荷的5％一10 ％，但不得小于系统中最大 机组的容量。 • 检修备用是使系统中的发电设备能定期检修而设置的备 用只有在系统负荷季节性低落期间和节假日安排不厂所 有设备的大小修时，才需设置专门的检修各电容量。 • 负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用归纳起 来以热备用和冷备用的形式存在于系统中。而不难想见， 热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用
五、网络损耗的修正 1．网损修正系数 计及网络损耗时
困难在于网损微增率的计算
第三节 电力系统的频率调整
一、调整顿率的必要性 电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都 会产生不利影响，所以必须保持频率在额定值50Hz上下， 且偏移不超过一定范围。 电力系统频率变动时，对用户的影响有： 用户使用的电动机的转速与系统频率有关。频率变化将 引起电动机转速的变化，从而影响产品质量。例如，纺织 工业、造纸工业等都将围频率变化而出现残次品。 近代工业、国防和科学技术都已广泛使用电子设备，系统 频率的不稳定将会影响电子设备的工作。雷达、电子计算 机等重要设施将因频率过低而无法运行。
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二、有功功申负荷曲线的预计 进行有功功率和频率的三次调整 时引以为据的多半是有功功率日 负荷曲线。 预计有功功率日负荷曲线的方法 不止一种，但都要运用累积的运 行记录。 连续曲线，则往往还需对它们加 工。加工的原则是：加工前后两 种曲线上最大、最小负荷等待征 点应一致；两种曲线下阴影面积， 即负荷消费的电能应一致。换言 之，不应在加工过程中带来附加 误差。 加工方法示于图
推广运用于更多发电设备或发电厂之间的负荷分配：
不等式约束条件的处理： • 由于无功功率约束和电压约束对有功功率的分配影响不 是很大，所以一般暂时搁置，待求得有功功率负荷的最 优分配并转而计算潮流分布时再计及它们。先只考虑有 功功率约束。方法是：利用等耗量微增率准则计算出某 发电设备应发功率低于其下限PGimin或高于其上限 PGimax，该发电设备的应发功率就取PGimin或PGimax。
编制预计系统有功功率日负荷曲线的要点：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 根据各大用电量用户申报的未来若干天的预计负 荷 • 参照长期累积的实测数据 • 汇总、调整用户的用电，并加以网络损耗 • 系统中各发电厂预计可投入的发电设备和发电容 量 • 气象条件的变化 • 科学的统计分析方法：其中有所谓“回归分析”、 “时间序列分析”
第五章 电力系统的有功功率和频率调整
• 前章涉及电力系统正常、稳态运行状况的分析和计算。本章与 第五章是前两章的继续和发展。因这两章将阐述正常、稳态运行 状况的优化和调整，亦即保证正常、稳态运行时的电能质量和经 济性问题。 • 衡量电能质量的指标如第一章中所述，有频率质量、电压质量和 波形质量，分别用频率偏移、电压偏移和波形畴变率表示。衡量 运行经济性的主要指标是比耗量和线损率。比耗量指为生产单位 电能所需消耗的一次能源。就火电厂而言，就指以g／(kw．h) 表乐的煤耗率。线损率或网损率则已如第一章中所述。这些技术 经济指标中．除波形指标外，均直接与系统中有功、无功功率的 分配以及频率、电压的调整有关。而这两方面正分别是这两章中 将讨论的主要内容。至于波形质量，由于涉及电力系统中的谐波 及其抑制，不属于本书范畴。 • 本章主要阐述电力系统中有功功率的最优分布和电力系统的频率 调整两个问题。而前者又可进而分有功功率负荷预计、有功功率 电源的最优组合、有功功率负荷在已运行机组间的最优分配等几 方面。
于是，除式(5-16)所示的不等约束条件仍可暂缓考虑 外，当前要解决的问题；是使在两个等约束条件下的 目标函数为最优。而尤为不同的是，这些约束条件和 目标函数列在都改以对时间的积分出现。 积分问题解决：时间分段将0至τ 时间间隔分成若干更 短的时间段。只要时间段足够小，是合适的。
拉格朗日乘数法：拉格朗日函数
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
2．各类发电厂的合理组合 火电厂以承担基本不变的负荷为宜，可避免频繁开停 设备或增减负荷，高温高压电厂因效率最高，应优先投入， 由于它们可灵活调节的范围较窄，在负荷曲线的更基底部 分运行更恰当，承担基荷。其次是中温中压电厂。低温低 压电厂设备陈旧、效率很低，应及早淘汰。而在淘汰之前 只能在高峰负荷期间用以发必要的功率。 原子能电厂的可调容量虽大，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。 无调节水库水电广的全部功率和有调节水库水电厂的 强迫功率都不可调，应首先投入。有调节水电厂的可调功 率，在洪水季节，为防止弃水，往往也优先投入；在枯水 季节则恰相反，应承担高峰负荷。枯水季节将水电厂的可 调功率移在后面投入，不仅可使火电厂的负荷更平稳，从 而减少因开停设备或增减负荷而额外消耗的燃料，而且可 使系统中的功率分配更合理，从而节约总的燃料消耗。
电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分一次、 二次、三次调整三种。 • 一次调整或频率的一次调整指由发电机组的调速器进行 的、对第第一种负荷变动引起的频率偏移的调整。二次 调整或频率的二次调整指由发电机的调频器进行的、对 第二种负荷变引引起的频率偏移的调整。三次调整的名 词不常用，它其实就是指按最优化准则分配第三种有规 律变动的负荷，即责成各发电厂按事先结定的发电负荷 曲线发电。
可能的能源约束：例如．水电厂一昼夜间消耗的水量受约 束于水库调度。出现这种情况时，目标函数就不应再是单 位时间内消耗的能源，而应是一段时间内消耗的能源，即 应为：
等约束条件应增加
三、最优分配负荷时的等耗量微增率准则 • 首先讨论能源消耗不受限制时有功功率负荷的最优分配 问题。：指有功功率在两个火电厂和两台火力发电设备 之间的最优分配。 不计网损时：数学模型： 目标函数：C=min(PG1, PG2) 约束条件：f (PG1, PG2)=0 解法：拉格朗日乘数法：首先建立拉格丽日函数，然后 求极值。 拉格丽日函数
等耗量微增率准则的运用
四、等耗量微增牢准则的推广运用
• 对象：能源消耗受限制时有功功率负荷的最优分 配问题 • 实例：有功功率负荷在火力发电设备与水力发电 设备或火力发电厂与水力发电厂之间的最优分配 问题。因如前所述，水电厂消耗的水量受水库调 度的约束。而为了简化分析，将负荷的分配局限 于一个火力发电设备(厂)与一个水力发电设备 (厂)之间，并略去网络损耗，且不计水头变化。 后一个假设之所以需要是由于水头变化将使水轮 机效率从而其耗量特性乃至可发功率都发生变化。 • 数学模型：
三、有功功率电源和备用容量
• 有功功率电源 • 备用容量： 1、定义：系统电源容量大于发电负荷的部分 2、分类：备用的形式：热备用和冷备用或 备用的目的：负荷备用、事故备用、检修备用 和国民经济备用. • 热备用指运转中的发电设备可能发的最大功率与系统发 电负荷之差，因而也称运转备用或旋转备用 • 冷备用则指未运转的发电设备可能发的最大功率。检修 中的发电设备不属于冷备用 • 负荷备用，是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划 外的负荷增加而设置的备用。负荷备用容量的大小应根 据系统负荷的大小、运行经验并考虑系统中各类用电的 比重确定。一般为最大负荷的2％一5％，大系统采用 较小数值，小系统采用较大数值
负荷曲线的最高部位往往是兼负调整系统频 率任务的发电厂的工作位置。系统中的负荷 备用就设置在这种调频厂内。
二、最优分配负荷时的目标函数和约束条件 1、耗量特性 电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是：在满足一定 约束条件的前提下，尽可能节约消耗的(一次)能源。 耗量特性：发电设备单位时间内消耗的能源与发出有功功 率的关系。 比耗量μ ：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。 发电设备的效率η :而当耗量持性纵横坐标单位相同时， 它的倒数就是效率 耗量微增率λ ：耗量持性曲线上某一点切线的斜率。耗量 微增率是单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量 的比值。
目录
• 第一节 电力系统中有功功率的平衡 • 第二节 电力系统中有功功率的最优分 配 • 第三节 电力系统的频率调整
第一节 电力系统中有功功率的平衡 • 一、有功功率负荷的变动和调整控制 • 负荷随时间负荷变动规律分解为三种。 第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动有很大 的偶然性。 第二种变动幅度较大，周期也较长，属于这—种的主要有 电炉、压延机械、电气机车等帮有冲击性的负荷变动 第三种负荷变动幅度最大，周期也是长，这一种是由于生 产、生活、气象等变化引起的负荷变动。第三种变动基 本上可以预计，而第二章中阶梯形负荷曲线所反映的基 本上也是这种负荷变动规律。因此，简言之，电力系统 中负荷变动的幅度愈大，周期就愈长。负荷变动的幅度 和周期大致有图5—z中曲线所示的关系。
备用容量的相互关系
• 具备了备用容量，才可能谈论它们在系统 中各发电设备和发电厂之间的最优分配以 及系统的频率调整问题。
第二节 电力系统中有功功率的最优分配
• 有功功率的最优分配有两个主要内容，即有功功率电源 的最优组台和有功功率负荷的最优分配。 • 有功功率电源的最优组合指的是系统中发电设备或发电 厂的合理组合，也就是通常所谓机组的合理开停。它大 体上包括三个部分：机组的最优组合顺序、机组的最优 组合数量和机组的最优开停时间。 • 有功功率负荷的最优分配指的是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。通 常所谓负荷的经济分配则是指这一方面。最常用的则是 按所谓等耗量微增率准则的分配。
频率变动对发电厂· 和系统本身也有影响： • 火力发电厂的主要厂用机械——风机和泵，在频率降低 时，所能供应的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正 常运行。 • 低频率运行还将增加汽轮机叶片所受的应力．引起叶片 的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。 • 低频率运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正 常电压，又要求增加励磁电流，以致使发电机定子和转 子的温升都将增加。为了不超越温升限额，不得不降低 发电机所发功率。 • 低频率运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损 耗和励磁电流都将增大，也为了不超越温升限额，不得 不降低变压器的负荷。 • 频率降低时，系统中的无功功率负荷将增大，如图2— 49(b)所示。而无功功率负荷的增大又将促使系统电压 水平的下降。
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6)热电厂的可调功率； 7)高温高压火电厂， 8)中温中压火电厂； 9)低温低压火电厂(不一定投入） 10)有调节水电厂的可调功率。 11)抽水蓄能水电厂
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。
各类发电厂组合顺序示意图：
抽水蓄能电厂在低谷负荷时，其水轮发电机组 作电动机—水泵方式运行，因而应作负荷考虑；在 高峰负荷时发电，与常规水电厂无异。
• 综上所述，可将各类发电厂承担负荷的顺 序大致排列如下 枯水季节： • (1)无调节水电厂； • (2)有调节水电厂的强迫功率； • (3)热电厂的强迫功率； • (4)原子能电厂； • (5)燃烧劣质、当地燃料的火电厂；
比耗量和耗量微增率虽通常都有相同的单位，却是 两个不同的概念，数值一般也不相同只有在耗量特 性曲线上某一特殊点m，它们才相等。
2．目标函数和约束条件
• 明确了有功功率负荷的大小和耗量特性，在系统中有 一定备用容量时，就可考虑这些负荷在已运行发电设备 或发电厂之间的最忧分配问题。 • 该问题属于非线性规划问题，即在已知约束条件求某一 最优目标函数问题。 • 数学模型： 求最优函数： 约束条件：包括等约束条件和不等约 束条件。
有功功率负荷最优分配的数学模型：
n i 1 Li
• 目的在于：在供应同大小负荷有功功率 P 的前提下， 单位时间内的能源消耗最少。目标函数应该就是总耗量。 通常认为，它只是各发电设备所发有功功率PGi的函数, 所以目标函数写成：
等约束条件也就是有功功率必须保持平衡的条件：
不等约束条件有三：