大工21春《电力系统分析》复习资料七
电力系统分析辅导资料七主 题：第五章电力系统有功功率的平衡和频率调节（第1-2节）学习时间：2020年5月11日--5月17日
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
每周文摘：忠诚是共产党人必须具备的优秀品格。“忠诚印寸心，浩然充两间”的坚毅，“砍头不要紧，只要主义真”的无畏，腹中满是草根而宁死不屈的气节，食指钉入竹签而永不叛党的坚贞，无数先烈用鲜血诠释了对党的忠诚。对党忠诚必须是纯粹的、无条件的，是政治标准、更是实践标准，鲜明体现在坚决贯彻答案决策部署上。
摘选自《在第十九届中央纪律检查委员会第二次全体会议上的讲话》课程内容：
这周我们将学习第五章中的第1-2节，通过学习我们要掌握电力系统有功功率平衡基本概念，电力系统中的有功功率最优分配。
第五章电力系统有功功率的平衡和频率调节
电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保障正常、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。
本章主要讨论如何保证电力系统的频率质量，以及如何在满足负荷的条件下最小化发电成本。
第一节 电力系统有功功率平衡的基本概念
1.频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响
对用户的影响：系统频率的变化将引起工业用户的电动机转速的变化，这将影响产品的质量。当频率降低，使电动机有功功率降低，将影响所有的转动机械的出力。频率的不稳定，将会影响电子设备的准确性。
对发电厂自身的影响：发电厂的厂用机械多使用异步电机带动，系统频率降低使电动机出力降低，若频率降低过多，将使电动机停止运转，会引起严重后果。
可见，频率较大偏移对系统是有害的，如何保证系统频率满足要求是一个很重要的问题。
2.有功平衡和频率变化的关系
发电机转子转矩与功率关系
注意：原动机惯性大，有功调节慢，无法时刻保持与瞬变负荷及发电机定子功率的平衡，而只能保证动态平衡，相应频率也只能保持动态稳定。即：频率微小偏差不可避免，但可控制在一定范围之内。
频率变化反映机组的有功平衡关系，是机组有功调节的依据。
电力系统的有功平衡：发电机与负荷之间的电磁功率平衡，时刻平衡。
3．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
1）有功功率的变动
电力系统有功功率负荷（以下简称负荷）时刻都在作不规则变化，如上图所示。对系统实际负荷变化曲线的分析表明，系统负荷可以看作是由三种具有不同变化规律的变动负荷所组成。不同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。
2）调整手段
本质：发电机跟踪负荷波动，使得功率平衡。
对第一种负荷，由发电机组调速器调节（一次调频）（事后）。
对第二种负荷，由发电机组调频器调节（二次调频）（事后）（系统调度机构特定调频电厂进行调节）。
对第三种负荷，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。（三次调频）（事前）注：对这类负荷调节属于事前调节，需先进行负荷曲线的预测
注：可以看出负荷变动的幅度愈大，周期就愈长。
3）负荷预测
负荷预测主要针对第三种负荷进行，可以作为有功功率和频率三次调整的依据 。
预测方法可分为传统方法（经验型）和统计分析方法（回归分析法，时间序列分析法等）。
精度：对次日负荷曲线的预测，偏差可到2%以内。
4.有功功率负荷的平衡和备用容量
有功功率平衡电力系统中，在任何时候，所有发电厂发出的有功功率的总和∑PG ，都是同系统的总负荷∑PL 相平衡的。而∑PL包括所有用户的有功功率∑PD 、所有发电厂厂用电有功负荷∑PS和网络的有功损耗∑PC ，即
为保证可靠供电和良好的电能质量，电力系统的有功功率平衡需要在额定运行参数下确定。而且，还应具有一定的备用容量，也就是在系统最大负荷情况下，系统电源有功容量大于发电负荷的部分称系统的备用容量。
（1）系统备用容量根据使用目的一般分负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用。
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％-5％，大系统采用较小数值，小系统采用较大数值。短时的负荷波动是指随机性的负荷波动和冲击性负荷波动。计划外的负荷波动是指没有考虑到的负荷增加。
事故备用是指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％-10％，但不得小于系统中最大机组的容量。
检修备用是指为保证系统的发电设备进行定期检修时，不致影响供电而在系统中留有的备用容量。发电设备运行一段时间以后，都必须进行检修。检修分大修和小修。一般大修时分批分期安排在一年中最小负荷季节进行。小修则利用节假日进行，以尽量减少因检修停机所需的备用容量。通常冬季和夏季负荷比较大。
国民经济备用是考虑到工农业用户的超计划生产，新用户的出现等而设置的备用容量，其值根据国民经济的增长情况而确定。
（2）根据机组运行状态的不同，又可分为热备用和冷备用。
热备用 (旋转备用)：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。
冷备用：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冷备用（因为它不能随时发电，冷备用虽然不发电但是可以在接到命令随时发电）。发电设备从“冷状态”至投入系统发出额定功率所需时间几分钟（水电常）或十余小时（火电厂）。热备用越多，越有利于保证电能质量和供电可靠性，但经济性不好。
（3）备用容量及各种备用容量之间的关系：
负荷备用（2%-5%）属于热备用
事故备用（5%-10%）至少包括一部分热备用（可含一部分冷备用）
检修备用属于冷备用
国民经济备用属于冷备用
只有具备了备用容量，才可能谈及备用用量在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
1.最优分配的概念
如上图所示，负荷可根据波动规律分解为三种负荷。其中，第三种负荷由于其具有很强规律性且周期性较长，可通过负荷预测提前预测出。为保证负荷平衡，可提前把该负荷分配给各发电厂形成各发电厂的计划。实时调度时，责成各发电厂按事先给定的负荷发电，即可满足该类负荷。不包括第一种和第二种负荷调节。这就是有功功率的最优分配问题，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。
2.各类发电厂的特点及合理组合
（1）各类发电厂的特点
电力系统中的发电厂主要有以下三类：水利发电厂、火力发电厂、原子能发电厂（核电厂）。各类发电厂由于其设备容量、机械特性、使用的动力资源等不同，而有着不同的技术经济特性。必须结合它们的特点，合理地组织这些发电厂的运行方式，恰当安排它们在电力系统日负荷曲线和年负荷曲线中的位置，以提高电力系统运行的经济性。
火电厂的主要特点：①启停时间长且启停费用高，且易损坏设备；不宜频繁开停机；承担急剧变动负荷时也会增加耗能和设备损害。②一旦开机，存在有功出力最小限制。这是因为锅炉和汽轮机都有技术最小负荷，前者为额定负荷的25%～70%，后者为额定负荷的10%～15%。整个发电机组的最小负荷取决于锅炉，即 PGmin＝25～70％PGN。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，超高温高压之分，供电效率与蒸汽参数有关，温度压力越高，效率越高，但灵活调节的范围越窄。④热电厂(供热式火力发电厂)效率高,但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率，不利于系统调峰。
水电厂的主要特点：①存在水电厂的强迫功率：为保证河流下游的灌溉、通航，向下游释放一定水量时发出的功率。②水轮机也有技术最小负荷，其值因水电厂的具体条件而异，但通常出力调节范围比火电机组大。③水轮机启停速度快，操作简便，无需额外的费用。出力调节的速度也很快，通常用于二次调频电源。④水电厂水头过低时，水轮发电机组可发的功率要降低。⑤绿色能源，不需燃料费，但一次投资大。⑥水电厂的运行依水库调节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响。水电厂按其有无调节水库、调节水库的大小或其功能分为无调节、日调节、季调节、年调节、多年调节和抽水蓄能等几类。
核电厂的主要特点：①启停或承担剧烈负荷波动时耗能、耗时且易损坏设备，因此核电厂常作为基荷进行调度。②反应堆的负荷没有限制，其技术最小负荷取决于汽轮机，为其额定负荷的10%～15%。③一次投资大，运行费用小（也适合于做基荷）。
（2）各类发电厂的合理组合
原则：①充分利用水源和核电
②尽可能降低火电的单位煤耗，发挥高效机组的作用
③尽量降低火力发电成本
④根据上述原则，在夏季丰水期和冬季枯水期各类电厂在日负荷曲线中的安排示意图，见下图
夏季丰水期，水量充足，水电厂应带基本负荷以避免弃水、节约燃煤。在此期间，可抓紧时间进行火电厂设备的检修。冬季枯水期，来水较少，应由凝汽式火电厂承担基本负荷，水电厂则承担尖峰负荷。
3.有功功率负荷的最优分配
（1）基本概念
在机组组合完成之后，需要确定在所研究的周期内各个时间点各台开机机组的发电功率，这就是负荷最优分配问题（或经济调度问题）。电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是，在满足负荷和一定约束条件的前提下，尽可能节约消耗的能源，即最小化能耗（或成本）。因此，在求解前必须要先明确发电设备单位时间内消耗的能源和发出有功功率之间的关系，即发电设备输入和输出的关系，称为耗量特性。对于火电或水电厂来说，耗量特性是一个单调、上升的二次曲线，如下图。
一些重要概念：
耗量微增率λ：为耗量特性曲线上某一点切线的斜率。表示发电设备在给定功率P下再增加单位功率输出时的单位时间内的煤耗量或耗水量。
比耗量μ :为耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值，表示发电设备在给定功率P下的单位时间内的平均耗煤量或耗水量。
发电设备的效率η：为比耗量的倒数。
特征：在比耗量曲线和耗量微增率曲线的交点m处，发电设备发电的比耗量最小，效率最高。
重要概念比较
耗量微增率λ和比耗量μ：单位相同，意义不同，用途也不同。λ主要用于负荷最优分配，μ主要用于机组组合的选择。例如：合理组合发电设备的方法之一，就是按最小比耗量由大到小的顺序，逐步投入发电设备。
（2）目标函数和约束
以纯火电系统为例，来分析负荷最优分配问题。有功负荷的最优分配的目的是在供应同样大小负荷有功功率的前提下，单位时间内的能源消耗最少。这样，目标函数应该是总耗量最小。原则上，总耗量应与所有变量有关，但通常认为，它只是各发电设备所发有功功率的函数，即目标函数可写作
等式约束条件：有功功率平衡
对每个节点有
对整个系统有
不计网损，则为
不等式约束条件：各节点发电设备的运行范围约束
(3)负荷分配问题的求解
现用两个发电厂之间（n＝2）的经济分配来说明问题，略去网络损耗。根据上面讲述的目标函数和等式约束条件、不等式约束条件，建立数学模型。
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。
对拉格朗日函数求导，得到最小值时应有的三个条件求解上述条件，可得：
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。
上述结论对于n台火电机组同样成立，求解结果为。
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值，不再参加最优分配计算，剩下的负荷由其他发电设备重新进行最优分配计算。本周要求掌握的内容如下：
电力系统有功功率的平衡基本概念
电力系统有功功率的最优分配习题：
（一）选择题
1、电力系统中的发电厂主要有以下哪几类（ ）。
A、火力发电厂
B、水利发电厂
C、原子能发电厂
D、备用发电厂
答案：ABC
2、不同周期的负荷有不同的变化规律（ ）。
A、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
B、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
C、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。
D、以上说法都不正确
答案：ABC
（二）判断题
1、系统备用容量根据使用目的一般分为负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用；根据机组运行状态的不同，又可分为热备用和冷备用。（ 正确）
东财作业答案可以联系QQ 76129 6021
页:
[1]