《電力系統(tǒng)工程基礎(chǔ)》控制篇

1、電力系統(tǒng)工程基礎(chǔ)--控制篇,,主要內(nèi)容,第15章 電力系統(tǒng)的運行與控制第16章 電力系統(tǒng)電能質(zhì)量與可靠性,第15章 電力系統(tǒng)的運行與控制,15.1 電力系統(tǒng)運行的安全性15.2 電力系統(tǒng)的有功與頻率控制15.3 電力系統(tǒng)的電壓控制 15.4 電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度15.5 電力系統(tǒng)運行的自動化,15.1 電力系統(tǒng)運行的安全性,,15.1 電力系統(tǒng)運行的安全性,15.1.1 電力系統(tǒng)運行安全性的定義電力系統(tǒng)運行的安全性是指

2、應(yīng)付各種可能的擾動以保持電力系統(tǒng)連續(xù)運行的能力。,,具體而言，電力系統(tǒng)的正常運行必須滿足兩個條件（約束）：有功、無功功率的平衡（等式約束）；電能質(zhì)量和設(shè)備的運行狀態(tài)（即頻率、電壓、元件電流、機組功率、功角等）不應(yīng)超出允許要求的范圍（不等式約束）。應(yīng)付的手段：電力系統(tǒng)的運行調(diào)度與調(diào)節(jié)、保護、控制，用戶側(cè)管理等。,15.1.2 電力系統(tǒng)安全性的防御,電力系統(tǒng)運行的監(jiān)測任務(wù)：向調(diào)度控制中心提供實時運行的相關(guān)信息。主要包括母線電壓，線路

3、電流\有功\無功，斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)，系統(tǒng)頻率，機組功率，變壓器分接頭位置等。作用：依據(jù)收集的信息，判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為調(diào)度人員及時作出相關(guān)的控制決策提供輔助手段。手段：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition，SCADA），完成電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計（state estimation，SE），預想事故評估（static security assessment / d

4、ynamic security assessment，SA/DSA）等。,8,,,,預想事故評估預想事故評估：在完成電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的基礎(chǔ)上，對預想的事故集（contingencies）進行分析。電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)分類 根據(jù)電力系統(tǒng)運行必須滿足的兩個條件，將電力系統(tǒng)運行狀態(tài)劃分如下：正常狀態(tài)：安全正常狀態(tài)、不安全正常狀態(tài)緊急狀態(tài)崩潰狀態(tài)恢復狀態(tài),電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程,安全狀態(tài),不安全狀態(tài),,正常狀態(tài),,,緊急狀

5、態(tài),恢復狀態(tài),崩潰狀態(tài),,,,,,,緊急控制,校正控制,恢復控制,供電恢復,預防控制,預想事故,,正常狀態(tài): 分為安全/不安全正常狀態(tài)預防控制：使系統(tǒng)從不安全正常狀態(tài)轉(zhuǎn)移到安全正常狀態(tài)的控制，如架設(shè)輸電線路、新建發(fā)電廠等。緊急狀態(tài): 滿足第一個條件，不滿足第二個條件。靜態(tài)情況下，表現(xiàn)為過載或電壓越限，允許時間較長，通過校正控制使系統(tǒng)返回正常狀態(tài)；對于穩(wěn)定性破壞性質(zhì)的，功角不斷增大，頻率或電壓不斷下降，允許時間較短，通過緊急控制，

6、如切機、解列、切負荷使系統(tǒng)進入恢復狀態(tài),,恢復狀態(tài): 第一個條件不滿足，第二個條件滿足。啟動機組、系統(tǒng)并列等，使系統(tǒng)重新進入正常狀態(tài),15.1.3 電力系統(tǒng)的安全準則,為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，電力系統(tǒng)運行各部門（規(guī)劃、計劃、設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)運行和科研試驗等）都有自己的安全準則安全準則隨技術(shù)、經(jīng)濟水平的發(fā)展而不斷修正《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》 81年版、DL 755-2001《電力系統(tǒng)技術(shù)導則》 SD 131-84 《電力

7、系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》SDJ161-85,15.2 電力系統(tǒng)的有功與頻率控制,,全系統(tǒng)的有功平衡各類發(fā)電廠發(fā)出的有功功率的總和，在任何時刻都應(yīng)同系統(tǒng)的總負荷相平衡。但系統(tǒng)中的電源總?cè)萘勘仨毚笥谙到y(tǒng)的最大負荷，即要有備用。設(shè)置備用的目的：系統(tǒng)的最大負荷不確定；發(fā)輸電設(shè)備的故障不確定；機組必須定期檢修,15.2.1 有功功率平衡與備用,備用容量的分類,按投入時間（工作方式）分熱備用：運轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率與發(fā)電負荷之差（旋轉(zhuǎn)備

8、用）；冷備用：未運轉(zhuǎn)的、但能隨時啟動的發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率（不含檢修中的設(shè)備）；,,按用途分負荷備用：適應(yīng)負荷短時波動、一日內(nèi)計劃的負荷增加，一般為最大負荷的2~5%；事故備用：適應(yīng)發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時的備用，一般為最大負荷的5~10%，分冷、熱備用；檢修備用：滿足檢修需要而設(shè)置的備用（有時不設(shè)）；國民經(jīng)濟（發(fā)展）備用：計及負荷超計劃增長而設(shè)置的備用，一般為最大負荷的3~5%。,15.2.2 有功功率負荷變動及控制,三類

9、負荷變化1、周期短（＜10s）、幅度小，偶然性極大；2、周期較長（10s~3min） 、幅度較大。如電爐、壓延機械、電力機車等帶有沖擊性的負荷變動。3、周期長（>3min）、幅度大。主要是由生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負荷變動。基本上可預測，并由負荷曲線反映。,,電網(wǎng)頻率 f 是發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω的體現(xiàn)，當發(fā)電機PM與PE（+有功損耗）平衡時，ω和 f 不變。負荷隨機變化，PE隨機變化。不可能嚴格保證任何時刻額定頻率，頻率偏移

10、不可避免，需要合理規(guī)定允許的偏移范圍。我國目前：50Hz±(0.2~0.5)Hz，發(fā)達國家：±0.1Hz。,,控制方式控制原則為有功功率的平衡，實質(zhì)上調(diào)整發(fā)電機輸出功率頻率的一次調(diào)整：調(diào)速器頻率的二次調(diào)整：調(diào)頻器頻率的三次調(diào)整：依負荷曲線，在發(fā)電廠、機組間經(jīng)濟合理地分配,近似直線族（一次、二次調(diào)頻）發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率：發(fā)電機組 原動機或電源頻率特性的斜率。標志著隨頻率的升降發(fā)電機組發(fā)出

11、功率減少或增加的多寡。,發(fā)電機組功頻靜態(tài)特性,,,,,f,,,f0,fN,0,PGN,PG,,,1,2,3,發(fā)電機調(diào)差系數(shù)：單位調(diào)節(jié)功率的倒數(shù)。發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù)的關(guān)系：發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的：汽輪發(fā)電機組： σ% =3~5 或 KG* =33.3~20水輪發(fā)電機組： σ% =2~4 或 KG* =50~25,,,,,f,,,f0,fN,0,PGN,PG,,,1,2,3,,負荷的頻率靜特性,負荷有

12、功功率與頻率的關(guān)系：與頻率變化無關(guān)的負荷：如照明設(shè)備、電阻爐與頻率變化的一次方成正比：如切削設(shè)備、往復式水泵、壓延設(shè)備，等與頻率變化的二次方成正比：如變壓器的渦流損耗，等與頻率變化的三次方成正比：如通風機、靜水頭阻力不大的循環(huán)水泵，等與頻率變化的高次方成正比：如靜水頭阻力很大的循環(huán)水泵，等,a0+a1+a2+a3+…=1，當f=fN時，PD=PDN主要成份為前2種，在額定值附近為一直線（族）負荷的單位調(diào)節(jié)功率：綜合負荷靜

13、態(tài)頻率特性的斜率。,,,,,f,,,fN,0,PLN,PL,1,2,3,,,,,標志了隨頻率的升降負荷消耗功率增加或減少的多少。其標幺值在數(shù)值上等于額定條件下負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，即一定頻率下負荷隨頻率的變化率：負荷的單位調(diào)節(jié)功率是不能整定的，KL*≈1.5。值得注意的是，電力系統(tǒng)的靜態(tài)頻率特性（發(fā)電機和負荷）之所以認為是線性的，其前提是頻率圍繞額定值變化很小的范圍。,頻率的一次調(diào)整,基礎(chǔ)：有功平衡幾何圖解： 負荷增加、頻率降低

14、初始負荷增量: ΔPL0系統(tǒng)頻率變化: Δf = f′0 – f0 < 0負荷調(diào)節(jié)效應(yīng): ΔPL = KL Δf < 0負荷實際增量: ΔPL0+ ΔPL = ΔPL0 + KL Δf 發(fā)電機功率增量: ΔPG = –KG Δf 依據(jù)有功平衡，有：ΔPL0+ ΔPL = ΔPG,,,f,,,f0,f′0,0,P0,P,,,,,,,,,,,,P′0,PL,P′L,PG,A′,B′,Q′,A,B,Q,ΔPG,ΔPL,

15、ΔPL0,,,,,,ΔPL0 = ΔPG – ΔPL = –(KG + KL) Δf = –KS Δf KS 為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率標志了系統(tǒng)負荷增加或減少時，在原動機調(diào)速器和負荷本身調(diào)節(jié)效應(yīng)的共同作用下系統(tǒng)頻率下降或上升的多寡。其可以確定在頻率允許偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)能承受的負荷的變化量。系統(tǒng)負荷 ↑，f ↓，發(fā)電機輸出 ↑，負荷由其本身調(diào)節(jié)效應(yīng)減少功率消耗，達到新的平衡狀態(tài)P′0， f′0（而不是P0 +

16、 ΔPL0 ）。,,頻率的一次調(diào)整為有差調(diào)節(jié)。KS 數(shù)值越大，負荷增減引起的頻率的變化就越小，頻率也就越穩(wěn)定。負荷的單位調(diào)節(jié)功率不可調(diào)，要調(diào)節(jié)KS需要控制、調(diào)節(jié)發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率或調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)。系統(tǒng)進行頻率的一次調(diào)頻的前提是系統(tǒng)有備用容量，即PGN＞ PLN。如果機組滿載，則KG =0。,例如，系統(tǒng)中有 n 臺發(fā)電機，當 n 臺發(fā)電機全部參加調(diào)整時：當n臺機組僅有m臺參加調(diào)整時：,,,需要注意的是，KS* ≠ KG*

17、+ KL*ΔPL0 = ΔPG – ΔPL = ?( KG + KL ) Δf = ?( KG * PGN / f N + KL* PLN / f N ) Δf兩邊同時除以PLN，得 ΔPL0* = ?(ρKG* + KL*) Δf * ， ρ= PGN / PLN 備用系數(shù)ΔPL0太大時，僅靠一次調(diào)頻不能使 Δf 在一定的范圍內(nèi)。,可知：并聯(lián)運行機組所調(diào)節(jié)的有功功率與頻率

18、變化和機組額定容量成正比，與機組調(diào)差系數(shù)成反比。,并聯(lián)機組有功功率的分配,,能否將 KS 整定的很大（或調(diào)差系數(shù)很?。?，以保證頻率質(zhì)量？如果 KS 很大，在多機系統(tǒng)中，負荷變化量在個發(fā)電機組之間的分配無法固定，使得各發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。,頻率的二次調(diào)整,負荷初始增量：ΔPL0頻率變化 ：Δf = f″0 - f0負荷調(diào)節(jié)效應(yīng)： ΔPL = KL Δf 負荷實際增量 ： ΔPLQ +

19、 ΔPL 發(fā)電機一次調(diào)整功率增量： ΔPG = ? KG Δf 發(fā)電機二次調(diào)整功率增量： ΔPGQ,,,f,,,f0,f′0,0,P0,P,,,,,,,,,,,P′0,PG,A′,B′,Q′,A,B,Q,ΔPGQ,ΔPLQ,,,,A″,C″,C,B″,Q″,,,P″0,f″0,Δf′,Δf″,,,,,,,P′G,PL,P′L,,依據(jù)有功平衡，有 ：ΔPLQ + ΔPL = ΔPG + ΔPGQ ΔPL0

20、 –ΔPGQ = –(KG + KL) Δf Δf = – (ΔPL0 –ΔPGQ ) / KS若ΔPLQ >ΔPGQ ，f 如何變化？若ΔPLQ =ΔPGQ ，f 如何變化？ （無差調(diào)節(jié)）,,調(diào)頻廠須滿足的條件調(diào)整的容量和范圍應(yīng)足夠大；調(diào)整的速度應(yīng)足夠快；調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟性能應(yīng)該好；注意系統(tǒng)內(nèi)及互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。根據(jù)各種電廠的特點，調(diào)頻廠的選擇原則系統(tǒng)

21、中有水電廠時，選擇水電廠做調(diào)頻廠；當水電廠不能做調(diào)頻廠時，選擇中溫中壓火電廠做調(diào)頻廠,互聯(lián)電網(wǎng)的頻率調(diào)整,若設(shè)A、B兩系統(tǒng)互聯(lián)， KA和KB分別為互聯(lián)前A、B兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。兩系統(tǒng)負荷變化（增加）分別為ΔPDA 和 ΔPDB ，引起互聯(lián)系統(tǒng)的頻率變化（降低Δf ），及聯(lián)絡(luò)線交換功率的變化ΔPt 。假設(shè)兩系統(tǒng)中都設(shè)有進行二次調(diào)整的電廠，它們的功率增量分別為ΔPGA 和 ΔPGB 。設(shè)聯(lián)絡(luò)線上的交換功率由A向B流動時為正值。,系統(tǒng)A

22、：系統(tǒng)B：在負荷增加ΔPDA 、 ΔPDB 的影響下，兩系統(tǒng)的頻率和交換功率的變化量為：,,頻率的三次調(diào)整,負荷曲線的編制與負荷預報 負荷預計+歷史實測數(shù)據(jù)+天氣預報+統(tǒng)計分析方法誤差不超過2%~3%按預計的負荷曲線（有功功率日負荷曲線），安排系統(tǒng)中各發(fā)電廠預計可投入的發(fā)電設(shè)備和發(fā)電容量發(fā)電計劃： 機組組合（unit commitment，UC） 經(jīng)濟調(diào)度（econom

23、ic dispatch，ED） 最優(yōu)化潮流（optimal power flow，OPF）,與潮流計算的聯(lián)系,在潮流計算中，除平衡節(jié)點以外其他節(jié)點的注入有功功率之所以可以給定，就是由于系統(tǒng)中絕大部分發(fā)電廠是按照經(jīng)濟性原則進行優(yōu)化調(diào)度的。平衡節(jié)點，一般取系統(tǒng)中擔負調(diào)頻任務(wù)的發(fā)電廠母線，實際運行中這類廠有多個，構(gòu)成自動發(fā)電控制（automatic generation control，AG

24、C）。,15.2.3 自動發(fā)電控制,自動發(fā)電控制自動發(fā)電控制是將一次、二次調(diào)整按照電力系統(tǒng)整體設(shè)計的自動負荷—頻率控制系統(tǒng)?；灸繕耸谷到y(tǒng)的出力與負荷相匹配將電力系統(tǒng)的頻率偏差調(diào)節(jié)到0，保持系統(tǒng)頻率為額定值控制區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線的交換功率與計劃值相等，實現(xiàn)各區(qū)域內(nèi)有功功率的平衡在區(qū)域各個電廠間進行負荷的經(jīng)濟分配,控制方式,區(qū)域控制誤差：ACEi = bi df + dPT,i定頻率控制（FFC，fixed frequency

25、 control）：以偏離額定頻率為準則，實現(xiàn)頻率的無差特性定聯(lián)絡(luò)線功率控制（FTC，fixed tie-line active power control）：以偏離區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線功率計劃值為準則，實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功率計劃值的無差特性聯(lián)絡(luò)線頻率偏差控制（TBC，tie-line frequency bias control）：使每個區(qū)域的負荷和發(fā)電恢復平衡，即：頻率在給定值，鄰近區(qū)域的純功率交換為給定值,AGC的一般過程,,AGC對機組功率

26、的分配包括兩個部分：按經(jīng)濟調(diào)度原則分配計劃負荷和計劃外負荷，送出基點功率值；將消除區(qū)域控制誤差所需要的調(diào)節(jié)功率PR分配給機組按照一定的時間間隔（如5min） AGC機組由三次調(diào)整整定其基態(tài),,從廣義角度，電力系統(tǒng)一次、二次、三次頻率調(diào)整聯(lián)合、統(tǒng)一的自動功能就是電力系統(tǒng)的AGC。其中，一次調(diào)整時自然的，二次調(diào)整與三次調(diào)整緊密相關(guān)，將電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟進行統(tǒng)籌考慮。,15.3 電力系統(tǒng)的電壓控制,,電力系統(tǒng)的電壓偏移,大電壓

27、偏移對現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的影響電力設(shè)備設(shè)計：額定電壓下才有好的技術(shù)經(jīng)濟性能異步電動機： 電壓低，定子電流顯著增大，溫升，加速絕緣老化，燒電機；電壓高，破壞絕緣電熱設(shè)備：電壓低，大大降低發(fā)熱量照明設(shè)備：電壓低，發(fā)光不足；電壓高，影響壽命家用電器（如電視機）：電壓低，圖像不穩(wěn)定；電壓高，影響顯像管壽命,,電子設(shè)備、精密儀器：對電壓極其敏感，要求極高；電壓質(zhì)量已成為現(xiàn)代企業(yè)投資環(huán)境的重要因素電力系統(tǒng)用戶，要求提供電壓合格的優(yōu)質(zhì)電能商品

28、大電壓偏移對電力系統(tǒng)自身的影響電壓低：功率損耗、電能損耗增大，危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性電壓高：破壞絕緣，超（特）高壓網(wǎng)絡(luò)電暈損耗增大,電力系統(tǒng)允許的電壓偏移,負荷隨機變化，系統(tǒng)運行方式經(jīng)常變化，導致電壓損耗隨機變化不可能嚴格保證所有節(jié)點任何時刻額定電壓，電壓偏移不可避免，需要合理規(guī)定允許的偏移范圍,15.3.1 無功功率電壓靜態(tài)特性,綜合負荷的無功功率電壓特性異步電動機是電力系統(tǒng)主要的無功負荷系統(tǒng)無功負荷的電壓特性主要由異步電動

29、機決定,,當U>UN時，鐵芯磁路飽和，Xm下降，Qm按電壓的高次方比例變化當U<UN時，Qm按電壓的平方比例變化當U<<UN時，轉(zhuǎn)差率 s 顯著增大，定子電流增大，Qσ顯著增加,發(fā)電機無功功率的電壓靜態(tài)特性,近似二次曲線族E ↑，曲線 ↑,電力系統(tǒng)的電壓靜態(tài)特性,無功功率平衡幾何圖解：負荷增加，電壓下降和控制過程結(jié)論：無功平衡水平?jīng)Q定電壓水平，實現(xiàn)無功功率在額定電壓下的平衡是保證電壓質(zhì)量的

30、基本條件，要求無功電源充足。,,,,,,,,,QG,1,2,3,Q,U,U2,U1,0,,U3,QG',QLD',QLD,15.3.2電力系統(tǒng)無功功率的平衡,全系統(tǒng)的無功平衡運行中： ∑QG= ∑QD + ∑QL無功功率負荷和無功功率損耗實際負荷的功率因數(shù)低（0.6~0.9），負荷消耗的無功功率約為其有功功率的0.5~1.3倍，而發(fā)電機功率因數(shù)高（0.8~0.9）（會產(chǎn)生什么問題？）,,網(wǎng)損：無功損耗

31、 > 有功損耗線路無功損耗：約為QD的25%變壓器：勵磁支路無功損耗的百分值≈空載電流的百分值（1~2%）；繞組漏抗無功損耗≈短路電壓的百分值（10%）；多級變壓器無功損耗約為QD的50~75%系統(tǒng)中總無功損耗 ≈ 無功負荷，無功電源約為2倍無功負荷,,無功功率不能遠距離輸送有功功率損耗電壓損耗因此：需要就地設(shè)置除發(fā)電機外的其他無功電源以滿足系統(tǒng)電壓要求：無功補償！,無功功率電源,同步發(fā)電機唯一的有功電源，

32、又是基本的無功電源。發(fā)無功的能力與同時發(fā)出的有功有關(guān)系，由發(fā)電機的PQ極限曲線決定。 有功備用足夠時，可將負荷中心發(fā)電機降低功率因數(shù)運行，少發(fā)有功，多發(fā)無功，有利于無功的局部平衡，提高系統(tǒng)的電壓水平。,,同步調(diào)相機同步調(diào)相機是特殊運行狀態(tài)下的同步電機，可視為不發(fā)PG的同步發(fā)電機或不帶PL的同步電動機過勵運行時發(fā)出QG（無功電源）；欠勵時吸收QG （無功負荷），為過勵運行容量的50~60%優(yōu)點：調(diào)節(jié)平滑、強勵故障時也能

33、調(diào)（有利于穩(wěn)定性）、電源\負荷（升壓\降壓）均可缺點：旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備，損耗大（額定容量的1.5~5%），投資大，維護量大。一般安裝在樞紐變電所，平滑調(diào)壓，提高穩(wěn)定性,,并聯(lián)電容器優(yōu)點：可分散、集中，可分相補償；投資少、損耗少（額定容量的0.3~0.5%），無旋轉(zhuǎn)部件，維護量小，可根據(jù)負荷情況分組投切缺點：無功補償量與電壓的平方成正比，電壓下降時急劇下降，不利于電壓穩(wěn)定在110kV以下電網(wǎng)應(yīng)用得非常普遍,,靜止無功補償器SVC：

34、static VAR compensator采用晶閘管控制和可調(diào)電抗器并聯(lián)使用組成原理圖和伏安特性曲線,,,通過控制晶閘管的導通角來改變吸收的無功功率（電力電子技術(shù)）優(yōu)點：調(diào)節(jié)能力強，反應(yīng)速度快，特性平滑，可分相補償，維護簡單，損耗小，國內(nèi)外已大量使用缺點：最大補償量正比于電壓平方，電壓低時補償量小；諧波污染,,高壓輸電線路的充電電容：Qp=U2BL高壓線充電功率固有，當無功電源過剩，電壓偏高時，才采取措施，如并聯(lián)

35、電抗器（特高壓線路）,,無功功率平衡的基本要求無功電源發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于負荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗之和系統(tǒng)還必須配置一定的無功備用容量盡量避免遠距離、大量的傳送無功功率，應(yīng)該分地區(qū)、分電壓等級地進行無功功率局部平衡一般情況下按照正常最大和最小負荷的運行方式計算無功平衡，必要時還應(yīng)校驗某些設(shè)備檢修時或故障后運行方式下的無功功率平衡,15.3.4 電力系統(tǒng)的電壓管理,調(diào)壓的目的：采取各種措施，使用戶處的電壓偏

36、移保持在規(guī)定的范圍內(nèi)負荷節(jié)點：現(xiàn)代大規(guī)模電力系統(tǒng)中負荷節(jié)點數(shù)多且分散，不可能對所有負荷節(jié)點的電壓進行監(jiān)視和控制我們該怎么辦？,中樞點的選擇及其電壓管理,中樞點：電壓水平具有代表性的關(guān)鍵母線，包括：大型發(fā)電廠的高壓母線、大型變電所的二次母線、有大量地方負荷的發(fā)電廠母線,,認為：只要控制好中樞點電壓，其他母線的電壓就能滿足要求。問題是：中樞點是否真正具有代表性？（一般取短路容量越大的點作為中樞點）,中樞點電壓和所代表的負荷電壓的關(guān)系？

37、,,,,,,,,結(jié)論：中樞點至各負荷點在最大最小負荷電壓損耗之差不能大于負荷點允許上下限電壓之差（一般為10%）。即：中樞點到不同負荷點的電壓損耗不能太大。,中樞點電壓的控制方式,逆調(diào)壓（難）：最大負荷，高電壓（線路額定電壓+5%）；最小負荷，低電壓（線路額定電壓）。適用：中樞點到各負荷點遠、負荷變化較大順調(diào)壓（易）：最大負荷，低電壓（不低于額定電壓+2.5%）；最小負荷，高電壓（不高于額定電壓+7.5%）。適用：中樞點到各負荷點近，

38、負荷變動小恒調(diào)壓（中）：保持在比線路額定電壓高2~5%。適用：介于上述兩者之間。,,電壓控制原理,可能有幾種控制措施？,,,,,,,調(diào)整UG調(diào)整變比K1、K2改變功率分布SD（以QD為主）改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R+jX（以X為主）,怎么做?,15.3.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整措施,利用發(fā)電機控制電壓調(diào)節(jié)勵磁電壓適用于直接由發(fā)電機供電的小系統(tǒng)、線路不長易于逆調(diào)壓，實質(zhì)上是調(diào)節(jié)發(fā)電機無功輸出兩個問題機端負荷電壓調(diào)整范圍為5%~0，滿足不

39、了遠方負荷要求：通過較長線路、多電壓級，最大、最小負荷時電壓損耗之差往往大于5%多機系統(tǒng)中，實際上是改變發(fā)電機間無功分配，與無功備用、無功的經(jīng)濟分配有矛盾因此，發(fā)電機調(diào)壓僅作為輔助措施,改變變壓器變比控制電壓,改變電力變壓器分接頭（改變變比）、主接頭（對應(yīng)UN）主接頭通常設(shè)在高壓或中/高壓繞組側(cè)，如110±2?2.5% /10.5kV，主接頭？分接頭幾個？變比分別是多少？如何選擇分接頭？,雙繞組變壓器：降壓變,已知

40、條件：低壓側(cè)固定接頭電壓：U2N最大/最小負荷：Pmax+jQmax，Pmin+jQmin歸算到高壓側(cè)的變壓器阻抗：R+jX (忽略勵磁支路)實際高壓側(cè)電壓U1max , U1min (由潮流計算獲得)希望通過調(diào)壓，低壓側(cè)要求得到的電壓為U2max , U2min 待求量：高壓側(cè)分接頭電壓U1N,,普通雙繞組變壓器，須停電換分接頭，這時，選定的分接頭應(yīng)當兼顧各種負荷水平！,規(guī)格化為U1N,,校驗：誤差應(yīng)小于半個分接頭電壓

41、，如不合格采用OLTC,規(guī)格化為U1N,,,,,取平均值兼顧,,,雙繞組變壓器：升壓變,已知低壓側(cè)實際電壓U2和高壓側(cè)希望得到的電壓U1 ，求高壓分接頭U1N？與降壓變不同之處：,規(guī)格化為U1N,,三繞組變壓器,分接頭在高、中壓側(cè)，兩次套用雙繞組算法由高 - 低壓側(cè)，定高壓側(cè)分接頭；由高 - 中壓側(cè)，定中壓側(cè)分接頭。注意點：三個繞組功率不一樣時，計算ΔU時，須計算中性點電壓,有載調(diào)壓變壓器,如果選定的分接頭不能兼顧不同負荷水平，

42、則需要有載調(diào)壓變壓器（工作原理，在不同負荷水平下，可不停電選不同分接頭）,加壓調(diào)壓變壓器,依電源變、串聯(lián)變得不同解法，功能有所不同，可具有復數(shù)變比，有：縱向調(diào)壓、橫向調(diào)壓、混合型調(diào)壓3種加壓調(diào)壓變壓器,利用無功補償控制電壓,無功補償：按調(diào)壓要求；按經(jīng)濟要求（15.4.2節(jié)）。與變壓器調(diào)壓配合，充分利用變壓器的作用兩個步驟：變比和容量假定補償前后， U1不變,,已知條件（與確定雙繞組降壓變變比相同）低壓側(cè)固定接頭電壓：U2N

43、最大/最小負荷：Pmax+jQmax，Pmin+jQmin歸算到高壓側(cè)的變壓器+線路阻抗：R+jX (忽略勵磁支路)實際高壓側(cè)電壓U1max ,U1min , (由潮流計算獲得)希望通過調(diào)壓，低壓側(cè)要求得到的電壓為U2max , U2min 待求量：高壓側(cè)分接頭電壓U1N （或變比k） , 補償容量Qc,,補償前：補償后：由補償前后U1不變，可知：解得：,,引入變比 k ：補償量Qc取決于補償前后的電壓U′2

44、、U2c及變比 k根據(jù)補償設(shè)備不同，補償量選擇方法不同,,,利用無功補償控制電壓（并聯(lián)電容器）特點：只發(fā)感性無功，可全部或部分切除，不能平滑調(diào)節(jié)分兩步計算：①最小負荷時，無功電源不缺，切除全部電容，利用變壓器調(diào)壓滿足要求（確定k）規(guī)格化為U1N，求得變比: k =U1N/U2N,,②最大負荷時，k 已確定，確定Qc：U2cmax：最大負荷時，由調(diào)壓要求確定的低壓希望得到的電壓U′2max：最大負荷時，補償前低壓側(cè)歸算

45、到高壓側(cè)的實際電壓規(guī)格化Qc，并校驗U2cmax 、 U′2max是否達到要求,利用無功補償控制電壓（同步調(diào)相機）特點：能作無功電源；又能作無功負荷，但此時最多為容量的50~60%；能平滑調(diào)節(jié)①最大負荷時：作無功電源,,,②最小負荷時：作無功負荷求出k，規(guī)格化，然后求Qc，再規(guī)格化后校驗,,利用串聯(lián)電容控制電壓,,,補償電容器使短路電流顯著加大，補償容量越大，短路電流增大就越強烈。在電容器“后側(cè)”線路的短路時，短路電流可

46、能大于其“前側(cè)”線路短路時的電流，從而使保護誤動作。,15.4 電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度,,,電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行是怎么回事？在競爭激烈的市場環(huán)境下，電力公司可以通過經(jīng)濟運行來降低成本，提高競爭力（與傳統(tǒng)方式比）供不應(yīng)求：若所有機組必須滿載才能滿足負荷需求，則無經(jīng)濟性可言供大于求：事實上，可用的發(fā)電容量總大于系統(tǒng)負荷，有多種可行的發(fā)電組合，有經(jīng)濟性優(yōu)化的空間,,經(jīng)濟調(diào)度（economic dispatch，ED）：在滿足安全和電能質(zhì)量的前提

47、下，合理利用能源和設(shè)備，以最低的發(fā)電成本（或燃料費用）保證對用戶可靠地供電。分類：有功ED和無功ED,15.4.1 有功功率的最優(yōu)分配,電力系統(tǒng)的有功功率的最優(yōu)分配屬于三次調(diào)整，主要包含有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負荷在運行機組間的最優(yōu)分配兩個方面。有功功率電源的最優(yōu)組合，即機組組合（unit commitment，UC） ，是指在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的條件下，合理地選擇運行的機組和安排其開停計劃，使運行周期內(nèi)系統(tǒng)的運行費用

48、（或燃料耗量）最少。,,有功功率負荷在運行機組間的最優(yōu)分配，即有功EDUC涉及的是系統(tǒng)備用容量的合理分配問題。有功ED涉及的是系統(tǒng)熱備用容量的合理分配問題。,有功ED問題的數(shù)學建模與求解,電力系統(tǒng)運行成本：燃料、勞動力、維護等。為簡化分析，僅考慮可變成本，主要是燃料成本。耗量特性：發(fā)電在單位時間內(nèi)的輸入、輸出關(guān)系。 Fi (PGi) （t標準煤/h）或Wi (PGi) （m3/h）,,比耗量：耗量特性上某點縱坐標和橫坐標的比值，μ

49、=F/P 或μ=W/P，其倒數(shù)表示發(fā)電廠的效率η=P/F 或η=P/W。耗量微增率：耗量特性上某點切線的斜率，它表示在該點運行時輸入增量對輸出增量之比。,,耗量特性曲線一般是近似的二次曲線，即：系數(shù)均為正值，分析合理性？c>0：有極小值，無極大值b>0 ：極小值落在 PGi0 ： PGi = 0 時，F(xiàn)i (PGi) >0 （廠用電等）例：一臺300MW容量機組,有功ED數(shù)學模型的一般形式,問題：各節(jié)點負荷

50、給定PDi，如何優(yōu)化n臺機組的PGi，使發(fā)電總成本最小？目標函數(shù)：約束條件：等式約束：有功潮流方程，對所有節(jié)點不等式約束： ，對所有發(fā)電機 ，對所有支路,,因此，ED問題是一個帶有高維等式和不等式約束的大規(guī)模非線性規(guī)劃問題（最優(yōu)化原理）。,如何理解ED問題？,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)給定電壓參考相角給定（δ1=0）所有SDi 給定所有Ui

51、給定一旦給定控制變量（PG2 , PG3）的數(shù)值（滿足不等式約束），通過潮流計算確定PG1 , δ2和δ3若PG1和所有支路Pij滿足不等式約束，則解可行，可以計算出可行解下的總耗量FΣ。,如何理解ED問題？,ED問題是在所有（PG2 , PG3）的可行解中找到使 FΣ最小的最優(yōu)解。借助計算機用非線性規(guī)劃方法求解ED問題很耗CPU時間，同時不易解釋最優(yōu)解的物理意義。我們怎么辦？,有功ED問題的實用解法和物理解釋,問題簡化1

52、. 忽略線路潮流不等式約束2. 忽略發(fā)電機出力不等式約束3. 忽略網(wǎng)損模型簡化為：等式約束：特點：無損系統(tǒng)中，若忽略線路潮流約束，用上述約束代替潮流方程約束；無不等式約束。,等耗量微增率準則,等耗量微增率準則（重要）：如果存在最優(yōu)解，則在最優(yōu)解中，所有機組的耗量微增率相等。證明：帶等式約束的多元函數(shù)求極值問題，可用拉格朗日乘子法來求解，構(gòu)造L函數(shù)（λ為L乘子）：,,L取極值必要條件：（高數(shù)）

53、 n+1個方程，n+1個待求量,,如何理解等耗量微增率？,采用反證法：二機系統(tǒng)的兩臺機組運行在不同的耗量微增率上，不可能是最優(yōu)解！如圖， λ1 >λ2，若PG1減少ΔP，節(jié)省標準煤ΔP *λ1， PG2增加ΔP ，增加標準煤ΔP *λ2 ，總發(fā)電（150MW）不變，但總耗量節(jié)?。害 *(λ1 -λ2),ED求解中的問題？,對n臺機組，總負荷PL在ED求解時，拉格朗日

54、函數(shù)的極值條件為n個方程，n個未知數(shù)，如何求解？（線性或非線性）發(fā)電機出力有上下限？解不滿足怎么辦？,如何考慮發(fā)電機出力限制？,在經(jīng)典ED模型上增加不等式約束：在數(shù)學上，利用最優(yōu)化理論求解滿足不等式約束條件下目標函數(shù)的最小值一般的ED準則：（1）找到一個λ，使所有機組有相同的耗量微增率，且滿足機組出力上下限約束；（2）假如不能滿足負荷要求，需調(diào)整λ（發(fā)電不足時，增加λ；發(fā)電過剩時，減少λ）；Why？,(λ是PG的增

55、函數(shù)),,（3）假如某機組出力越界，則將其固定在界上，在剩余機組中繼續(xù)用等耗量微增率準則調(diào)整λ，直到滿足負荷。試用反證法來證明上述算法得到的是帶出力上下限約束的ED最優(yōu)解？,如何考慮網(wǎng)損？,如所有發(fā)電機位于同一廠內(nèi)或地理上很接近，則忽略網(wǎng)損是合理的。但現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電廠廣域分布，網(wǎng)損必須考慮，前述的ED準則必須修正?？紤]最簡單情形：如果系統(tǒng)中n臺機組完全相同，就是位置不同，若考慮網(wǎng)損，則離負荷中心越近的發(fā)電機多發(fā)電一定更經(jīng)濟。,

56、,更一般地：若PL已知，假定網(wǎng)損為ΔPΣ，則ΔPΣ(PG)這時，功率平衡約束變?yōu)椋簶?gòu)造拉格朗日函數(shù)為：L極值的必要條件為：,或：,,這是經(jīng)過網(wǎng)損修正后的等微增率準則，αi為網(wǎng)損修正系數(shù)， 為網(wǎng)損微增率。不同發(fā)電機在電網(wǎng)中位置不同，網(wǎng)損微增率也不同，當其大于0時，則PGi 增加會引起ΔPΣ增加，這時αi >1，發(fā)電機耗量微增率宜取較小的數(shù)值，反之亦然。注意：ΔPΣ(PG)是潮流方程的隱函數(shù)，網(wǎng)損微增率的實際求

57、解比較復雜（不做要求）。,考慮水火電協(xié)調(diào)的有功ED問題的求解與物理解釋,前述方法：針對純火電考慮水電時，有什么特殊性？如何進行水火電協(xié)調(diào)？,1個水電和火電機組的協(xié)調(diào)ED問題（最簡單情形）,水電約束的特殊性：在指定的運行周期內(nèi)（一日），發(fā)電總用水量WΣ為給定值（水庫來水）水火電協(xié)調(diào)的ED問題：在整個運行周期內(nèi)，時刻滿足負荷需求的前提下，如何合理分配水、火電機組的出力，使運行周期內(nèi)的總發(fā)電成本最?。?,問題簡化：1. 考慮到水電成本為

58、零，ED目標變?yōu)榛痣姲l(fā)電耗量最小化2. 忽略網(wǎng)損3. 忽略水庫水頭（水位）變化4. 忽略不等式約束（機組出力、線路潮流）,水火協(xié)調(diào)ED的數(shù)學模型,目標函數(shù)：約束條件：W(PH)是水耗量特性曲線，單位m3/h特點：求泛函極值問題，一般用變分法進行求解，這里，我們用L乘子法求解思路：對時間積分不好處理，將時間離散化，變?yōu)榍蠛停?功率平衡,水量平衡,水火協(xié)調(diào)ED問題的求解,時間離散化：將運行周期τ，劃分為T個微段：假設(shè)任意

59、時段 Δtk 內(nèi)，負荷功率PLk，水電廠功率PHk ，火電廠功率PTk基本不變新目標：新約束：總共有T＋1個等式約束條件。,,,,應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法，為約束條件1設(shè)置乘數(shù)λk ，為約束條件2設(shè)置乘數(shù)γ。構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：上式中共有 3T+1 個變量。將函數(shù)分別對這些變量求偏導，并令其為零。,( k=1, 2, …, T ),( k=1, 2, …, T ),,第（1）、（2）式合并得：如果時間段取得足夠短，則

60、認為任何瞬間都滿足：上式表明，在水、火電廠間負荷的經(jīng)濟分配也負荷等微增率準則。,( k=1, 2, …, T ),λ的物理意義,當火電廠增加功率ΔP時，煤耗增量為:當水電廠增加功率ΔP時，耗水增量為:兩式相除并計及水煤換算系數(shù) 噸煤/立方米水上式表明，按發(fā)出相同數(shù)量的電功率進行比較，1立方米的水相當于 γ 噸煤,,水力發(fā)電廠在一定時間內(nèi)可消耗的水量

61、（ΔWΣ）越多，單位重量燃料可折換的水量就越大， γ及 γλH 就越小，按等耗量微增率準則，水力發(fā)電廠應(yīng)分配的負荷就越大；反之亦然。,水火協(xié)調(diào)有功ED的迭代算法,（1）給定初值γ，計算出水電機組等值耗量微增率λ；（2）利用等微增率準則，計算出全部時段ED的最優(yōu)解；（3）校驗總耗水量W是否等于給定的WΣ。否則，調(diào)整γ （若W > WΣ，調(diào)大γ； W < WΣ ，調(diào)小γ），繼續(xù)用等微增率準則，計算全部時段的ED最優(yōu)解，直到W

62、 = WΣ ，收斂。,計及網(wǎng)損時多個水火電機組協(xié)調(diào)的有功ED求解,同學們課下推導！直接給出等微增率準則（又稱為協(xié)調(diào)方程式）推廣至多機系統(tǒng)，除了網(wǎng)損修正系數(shù)，在形式上并無差異,15.4.2 無功ED問題及其求解,問題：系統(tǒng)產(chǎn)生無功功率并不消耗能量，但其在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸則會產(chǎn)生有功功率損耗。在有功負荷分配已確定的前提下，如何調(diào)整各無功電源之間的負荷分布，使有功網(wǎng)損達到最?。?------無功ED有功損耗可表示為：,,進行無功負荷經(jīng)濟

63、分配時，除平衡機以外，所有發(fā)電機的P 都已確定，各節(jié)點負荷的Q 也是已知的，待求的是節(jié)點無功電源的功率。手段：調(diào)整無功電源出力。無功電源有哪些？,無功ED的數(shù)學模型,目標函數(shù)：約束條件：等式約束：無功潮流方程，對所有節(jié)點不等式約束：特點：無功ED同樣是一個帶高維等式和不等式約束的大規(guī)模非線性規(guī)劃問題（最優(yōu)化原理）。最笨的方法就是窮舉法：測試所有可行的QG組合，計算潮流，得PL，找出PL最小的QG 。,,任務(wù)：找實用算法，找最

64、優(yōu)解物理解釋！,,模型簡化：目標函數(shù)：等式約束：構(gòu)造L函數(shù)：極值條件：共n+1個待求量，n+1個方程,,計算得無功ED的等微增率準則：其中：,網(wǎng)絡(luò)有功損耗對于第i 個無功電源功率的微增率；,無功網(wǎng)損對于第i個無功電源功率的微增率；,無功網(wǎng)損修正系數(shù)。,,無功ED步驟：（1）潮流計算；（2）計算各無功電源的 λ 值（3） λ>0，減小無功電源出力； λ<0，增大無功電源出力；（4）收斂條件：,電力