稳态电力系统的有功功率和频率调整PPT课件

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用户申报＋计划调整（经验型）
发电厂负荷曲线＝总负荷＋网损＋厂用电
▪ 负荷预测方法：可变 不可变
火电0.1％～1％Pmax 水电：5％～8％ 核电：4％～5％
传 统 1. 预 测 2. 方 3. 法
回归分析； 时间序列分析； 指数平滑方法 ；
天气、节 假日、重 现 大的电力 代 系统故障 预 和其他的 测 随机事件， 方 传统预测 法 方法往往 对此无能 为力。
P3（幅度最大，周期最长，由生活、 气象等引起，三次调频）
t
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▪ 不同的周期的负荷有不同的变化规律： 1. 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；
2. 第二种变动幅度较大，周期也较长，属于这种负荷的主要有：电 炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷变动；
3. 第三种变动基本上可以预计，其变动幅度最大，周期也最长，是 由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。
1、人工神经网络法； 2、模糊系统方法； 3、专家系统方法； 4、灰色系统方法； 5、遗传算法； 6、小波分析方法等
状态空间法
组合预测方法
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▪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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第五章 电力系统的有功功率和频率 调整
1. 有功功率的最优分布 2. 频率调整
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概述
• 电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保证正常、稳 态运行时的电能质量和经济性问题，是我们考虑的重点问题之一。
• 衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏 移、电压偏移和波形畸变率表示。
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最优潮流：满足各节点正常功率平衡及各种安 全性不等式约束条件下，求以发电费用（耗量） 或网损为目标函数的最优的潮流分布。
最优潮流的优点：将安全性运行和最优经济运 行等问题综合地用统一的数学模型来描述。
二.有功功率负荷预测的简要介绍
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。
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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
检修备用：使系统中发电设备能定期检修而设置，（视需要）；
国民经济备用：着眼未来 注意：只有在备用容量充足的情况下，才谈得上经济分配
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第二节 电力系统中有功功率的最优分 经配济调度的第二个问题是有功功率的最优分
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。它要求在保证系统安全的条 件下，在所研究的周期内，以小时为单位合理 选择电力系统中哪些机组应该运行、何时运行 及运行时各机组的发电功率，其目标是在满足 系统负载及其它物理和运行约束的前提下使周 期内系统消耗的燃料总量或总费用值为最少。
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2. 各类发电厂的合理组合
抽水蓄能电厂蓄能
抽水蓄能电厂发电
水电厂可调功率 中温中压火电厂
中温中压火电厂
高温高压火电厂
热电厂可调功率 燃烧劣质当地燃料火电厂
原子能电厂 无调节水电厂和其它强迫功率 水电厂和热电厂的强迫功率
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（a）枯水季节 第20页（/共b6）1页洪水季节
三. 最优分配负荷时的目标函数和约束条 件
U1min U1 U1max ,U2min U2 U2max
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3. 负荷最优分配问题的求 解b) 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。
C * F1 PG1 F2 PG2 PG1 PG2 PL1 PL2
（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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从数学的角度来讲，经济调度问题是一个高维的、非凸的、多约束的、 离散的混合整数非线性优化问题。当系统规模较大时，很难找出理论上的最 优解。但由于它能够带来显著的经济效益，人们一直在积极研究和开发各种 算法来解决这个问题。
i 1
i 1
n
n
PGi PLi 0
i 1
i 1
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2. 负荷最优分配的数学模型
3) 不等式约束条件：为系统的 运行限制。
PGimin PGi PGimax QGimin QGi QGimax Ui min Ui Ui max
当消耗的能源受到限制时，目标函数就不再是单位时间内消耗的能源：
常规方法：优先顺序法、动态规划法、混合整数规划法、拉格朗日松弛法 等； 新型算法：遗传算法、模拟退火法、Tabu搜索、粒子群算法、蚁群算法和 人工神经网络法等以及一些组合算法。
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三. 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性 火电厂 （1）锅炉的技术最小负荷取决于锅炉燃烧的稳定性PGmin＝25～70％PGN，汽轮 机：PGmin＝10～15％PGN；取决于锅炉。 （2）锅炉和汽轮机的启停耗能，耗时且易损坏设备；不宜频繁开停机 （3）锅炉和汽轮机有低温低压、中温中压、高温高压，亚临界压力，超高温高 压等：
拉格朗日乘子
c) 对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有
的三个条件：dF1PG1 0
dPG1
dF2 PG2 0
dPG 2
f PG1 , PG2 PG1 PG2 PL1 PL2
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3. 负荷最优分配问题的求 d解) 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。 e) 对不等式约束进行处理
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• 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：
1. 一次调频：由发电机调速器进行； 2. 二次调频：由发电机调频器进行； 3. 三次调频：优化准则，即由调度部门根据
负荷曲线进行最优分配，责成各发电厂按 事先给定的负荷发电。除平衡节点（调频） 外均属此类。（有功功率日负荷曲线）
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衡量运行经济性的主要指标为：比耗量和 线损率 有功功率的最优分布包括：有功功率负荷 预计、有功功率电源的最优组合、有功功率 负荷在运行机组间的最优分配等。
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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
P
P1（幅度小，周期短，一次调频） P2（幅度较大，周期较长，冲击性 负荷，二次调频）
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一.有功功率电源的最优组合（或发电机组 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. 机组的最优组合顺序 2. 机组的最优组合数量 3. 机组的最优开停时间
二.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
min F • Fcost Fi (PGi )
a2i PG2i a1i PGi a0i
iSG
iSG
关于目标函数的一些重要的概念：
a) 耗量微增率 ：单位时间内输入能量微增量与
输 出功F率/ 微P增量d的F 比/ d值P 。或为耗 量 特W性/曲线P 上 d某W一/ dP 点切线的斜率。
b) 比耗量 ：单位时间第内23页输/共入61页能量与输出功率之比。
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：调整负荷波动或超计划负荷增加，2～5％Pmax
事故备用：发电设备发生偶然事故时，使电力用户不受严重影响，维持 系统正常供电所需的备用，5～10％Pmax
1. 数学模型
一般非线性规划问题可描述为满足非线性约 束条件是非线性函数的最小值问题，其标准形式为：
min f ( x、u、d ) s.t. h( x、u、d ) 0
g g( x、u、d ) g
即在满足h(x、u、d)=0的等式约束条件下和g(x、
u、d)不等式的条件下，求取目标函数f(x、u、d)
• 前两种是事后的，第三种是事前的。
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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。 三次调频即是经济调度的内容
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• 电力系统经济调度：是电力系统运行的重要内容 之一，其主要任务是在保证电能质量和供电安全 性的前提下，使系统的运行成本降至最低。系统 经济调度主要通过制定优化的系统运行计划来实 现。短期运行计划就是指日或周的系统发电计划， 其直接服务于系统的优化运行。系统的短期运行 计划问题是一个十分复杂的系统优化问题，但由 于其所带来的显著经济效益，人们一直在积极研 究，提出了各种方法来解决这个问题。
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▪
负荷预测分类：
1. 安全监视过程中的超短期负荷预测；
2. 日调度计划日负荷预测；
3. 周负荷预测；
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4. 年负荷预测；
5. 规划电源和网络发展时需要用1~20 年的负荷预测值。
三.有功功率电源备用容量
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。
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2. 负荷最优分配的数学模型
1) 目标函数：系统发电所需的总费用或所消耗的总 燃料耗量。
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
的关系称为耗量特性。其函数关系式为：
低温低压：效率低，技术经济指标差，调节范围宽；（峰荷） 高温高压：效率高，调节范围窄，技术要求高。（基荷） （4）热电厂：PGmin 取决于热用户。
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原子能： （1）汽轮机：PGmin＝10～15％PGN； （2）启停耗能，耗时且易损坏设备；（基荷） （3）一次投资大，运行费用小。 水电 （1）灌溉、通航，因此有强迫功率； （2）水轮机最小技术负荷由具体条件而异； （3）启停简单，便于增减负荷 （4）水头低时。可发功率降低 （5）无调节；有调节：抽水蓄能
a) 建立数学模型。
min F • Fcost Fi (PGi )
a2i PG2i a1i PGi a0i
2
2
iSG
iSG
PGi PLi 0
i 1
i 1
PG1min PG1 PG1max , PG2min PG2 PG2max
QG1min QG1 QG1max , QG2min QG2 QG2max
Fi Fi PGi
单位：吨/小
时
上述函数可用试验数据通过最小二乘法拟
合而成Fi，根a2据i PG前2i 人a经1i P验Gi ， a阶0i数为2比较合适，即 22 第22页/共61页
2. 负荷最优分配的数学模型
有功功率最优负荷分配的目的在于：同样大小
负荷，单位时间内买到能源消耗最少，即总的目
标函数为：
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2. 负荷最优分配的数学模型 F /P 或 W /P
c) 发电设备的效率 ：为比耗量的倒数。
2) 等式约束条件：有功功率必须保持平衡的条件。
对于每个节点： n
PGi PLi U i U j Gij cos ij Bij sin ij 0
j 1
n
n
对于整个P系Gi 统：PLi P 0
4) 变量：各发电设备输出有功功率。
min F • Fcost
0 Fi ( PGi )dtቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
iSG
等式约束还应增加：
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)dt
定值
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3. 负荷最优分配问题的求 解能源消耗不受限制时
一般用拉格朗日乘数法。
现用两个发电厂之间（SG＝2）的经济分配来说
明，问题略去网络损耗。