稳态优化与调整汇总课件

稳态运行下的优化与调整9/21/20231兰州交通大学自动化学院电力系统稳态运行状况下的优化与调整电力系统在运行基本要求：供电安全可靠性、运行经济性、保证电能质量（安全、可靠、经济、优质）衡量电能质量的指标：频率偏移、电压偏移、电压波形稳态运行下的优化与调整频率变化对负荷的影响(1)异步机(2)电子设备(3)电钟频率变化对电力系统的影响水泵、风机、磨煤机汽轮机的叶片变压器的励磁频率允许偏移的范围：50Hz±(0.2~0.5)Hz系统中负荷的变化9/21/20232兰州交通大学自动化学院调频的必要性频率变化的原因?稳态运行下的优化与调整9/21/20233兰州交通大学自动化学院

1.电压偏移对负荷的影响照明、电热、电动机、家用电器

2.电压偏移对电力系统的影响功率损耗、电能损耗、设备绝缘、运行稳定性、电晕损耗调压的必要性稳态运行下的优化与调整频率偏移、电压偏移有功、无功分配和频率电压的调整电力系统有功功率的平衡和频率调整（5）电力系统无功功率的平衡和电压调整（6）电力系统导线截面的选择9/30/20234兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/20235兰州交通大学自动化学院第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整电力系统中有功功率的平衡电力系统的频率调整稳态运行下的优化与调整9/30/20236兰州交通大学自动化学院第一节 电力系统中有功功率的平衡一、频率变化对用户和发电厂及系统本身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。系统频率的变化，对发电机及电力系统本身也十分有害。发电厂的厂用机械多使用异步电动机带动，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。稳态运行下的优化与调整1、有功功率的变动及其调整电力系统有功功率负荷时刻都在作不规则变化，如右图所示。第一种：变化幅度很小，变化周期短，负荷变动有很大的偶然性；第二种：变化幅度大，变化周期较长；第三种：变化缓慢的持续变动负荷。二、电力系统中有功功率的平衡和备用容量9/30/20237兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整负荷的变化将引起频率的相应变化，电力系统的有功功率和频率调整大体上分一次、二次、三次调整三种。9/30/20238兰州交通大学自动化学院

频率的一次调整（或称为一次调频）指由发电机组的调速器进行的，是对一次负荷变动引起的频率偏移作调整。

频率的二次调整（或称为二次调频）指由发电机组的调频器进行的，是对二次负荷变动引起的频率偏移作调整。

频率的三次调整（或称为三次调频）是对三次负荷变动引起的频率偏移作调整。将在有功功率平衡的基础上，按照最优化的原则在各发电厂之间进行分配。稳态运行下的优化与调整2、有功功率平衡和备用容量运行中：规划、设计：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 ，而 包括所有用户的有功功率 、所有发电厂厂用电有功负荷 和网络的有功损耗9/30/20239兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202310兰州交通大学自动化学院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，系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用容量。系统备用容量一般分负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。稳态运行下的优化与调整9/30/202311兰州交通大学自动化学院负荷备用：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。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。—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。稳态运行下的优化与调整9/30/202312兰州交通大学自动化学院检修备用：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。尽量减少因检修停机所需的备用容量。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值根据国民经济的增长，一般约为系统最大负荷的3%—5%热备用和冷备用的形式存在于系统中。热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用稳态运行下的优化与调整9/30/202313兰州交通大学自动化学院电力系统中的发电厂主要有以下三类

水力发电厂

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。三、各类发电厂的特点及合理组合稳态运行下的优化与调整9/30/202314兰州交通大学自动化学院1、火力发电厂的主要特点要支付燃料及运输费用，不受自然条件的影响。有功出力最小限制，启停时间长且启停费用高。效率与蒸汽参数有关，高温高压设备效率最高，低温低压设备效率最低。热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率。稳态运行下的优化与调整9/30/202315兰州交通大学自动化学院2、水力发电厂的特点必须释放水量－－强迫功率。出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简单。不需燃料费，但一次投资大，抽水蓄能，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。稳态运行下的优化与调整9/30/202316兰州交通大学自动化学院3、原子能发电厂的特点最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停及急剧调节时，易于损坏设备。一次投资大，运行费用小。稳态运行下的优化与调整9/30/202317兰州交通大学自动化学院（二）各类发电厂的合理组合原则（1）充分利用水源。降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。尽量降低火力发电成本。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，见图5-2。稳态运行下的优化与调整图5-2 各类发电厂组合顺序示意图（a）枯水季节 （b）丰水季节9/30/202318兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202319兰州交通大学自动化学院

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。稳态运行下的优化与调整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，尽可能节约消耗的能源。耗量微增率

：单位时间内输入能量微增量与输出功率 微增量的比值。为耗量特性曲线上某一点切线的斜率。比耗量

：单位时间内输入能量与输出功率之比。为耗 量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值。发电设备的效率

：为比耗量的倒数。四、有功功率负荷的最优分配9/30/202320兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整效率曲线和微增率曲线耗量特性9/30/202321兰州交通大学自动化学院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，在系统中有一定的备用容量时，就可以考虑这些负荷在已运行发电设备或发电厂之间的最优分配问题。在数学上，其性质是在一定的约束条件下，使某一函数为最优。稳态运行下的优化与调整等式约束条件：有功功率必须保持平衡的条件。对于每个节点：对于整个系统：若不计网损：9/30/202322兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整不等式约束条件：为系统的 运行限制。变量：各发电设备输出有功功率。9/30/202323兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整3、最优分配负荷时的等耗量微增率准则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：9/30/202324兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整求解（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。9/30/202325兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整第二节 电力系统的频率调整一、电力系统负荷的有功功率——频率静态特性当频率变化时，电力系统中的有功功率负荷也将发生变化。当电力系统处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率的变化

特性称为负荷的有功功率-频率静态特性。9/30/202326兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整二、发电机组的有功功率—频率静态特性发电机的频率调节是由原动机的调速系统实现的。9/30/202327兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整1.

概念介绍1)

发电机的单位调节功率：发电机组原动机或电源频率特性的斜率。标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡。二、发电机组的有功功率—频率静态特性9/30/202328兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整2)

发电机是调差系数：单位调节功率的倒数。发电机的单位调节功率与调差系数的关系：一般来说发电机的单位调节功率是可以整定的：v汽轮发电机组=3~5或=33.3~20•水轮发电机组=2~4或=50~259/30/202329兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整3)

负荷的单位调节功率：综合负荷的静态频率特性的斜率。一般而言：9/30/202330兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整简述：由于负荷突增，发电机组功率不能及时变动而使机组减速，系统频率下降，同时，发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大，负荷功率因其本身的调节效应而减少，经过一个衰减的振荡过程，达到新的平衡。数学表达式：Ks：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。三、 频率的一次调整9/30/202331兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整频率调整图9/30/202332兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整注意：取功率的增大或频率的上升为正；为保证调速系统本身运行的稳定，不能采用过大的单位调节功率；对于满载机组，不再参加调整。对于系统有若干台机参加一次调频：具有一次调频的各机组间负荷的分配，按其调差系数即下降特性自然分配。9/30/202333兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整四、频率的二次调整当负荷变动幅度较大（0.5%~1.5%），周期较长（几分钟），仅靠一次调频作用不能使频率的变化保持在允许范围内，这时需要籍调速系统中的调频器动作，以使发电机组的功频特性平行移动，从而改变发电机的有功功率以保持系统频率不变或在允许范围内。数学表达式如果，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量，则，即所谓的无差调节。对于N台机，则：9/30/202334兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整当系统负荷增加时，由以下三方面提供：二次调频的发电机组增发的功率

；发电机组执行一次调频，按有差特性的调差系数分配而增发的功率

；由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率。9/30/202335兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整频率调整图9/30/202336兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整六、 互联系统的频率调整由几个地区系统互联为一个大系统的情况，对某一个地区系统而言，负荷变化（增加）时，可能伴随着与其他系统交换功率的变化，则有若设A、B两系统互联，两系统负荷变化（增加）分别为，引起互联系统的频率变化（降低），及联络线交换功率的变化，如下图：9/30/202337兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整系统A：系统B：在负荷增加的影响下，两系统的频率和交换功率的变化量为：9/30/202338兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整电力系统有功功率的平衡和频率调整（5）电力系统无功功率的平衡和电压调整（6）频率偏移、电压偏移有功、无功分配和频率电压的调整9/30/202339兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202340兰州交通大学自动化学院第六章 电力系统无功功率的平衡和电压调整电力系统中无功功率的平衡电力系统的电压管理电力系统的几种调压措施电力线路导线截面的选择稳态运行下的优化与调整9/30/202341兰州交通大学自动化学院第一节 电力系统中无功功率的平衡一、无功功率负荷和无功功率损耗1、无功功率负荷无功功率负荷是以滞后功率因数运行的用电设备（主要是异步电动机）所吸收的无功功率。一般综合负荷的功率因数为0.6-0.9。2、电力系统的无功损耗变压器的无功损耗电力线路的无功损耗稳态运行下的优化与调整9/30/202342兰州交通大学自动化学院对线路不长，长度不超过100Km，电压等级为220Kv电力线路，线路将消耗感性无功功率；对线路较长，其长度为300Km左右时，对220Kv电力线路，线路基本上既不消耗感性无功功率也不消耗容性无功功率，呈电阻性；线路大于300Km时，线路为电容性的。稳态运行下的优化与调整二、无功功率电源电力系统的无功功率电源包括同步发电机、同期调相机、并联电容器和静止补偿器等。1、同步发电机发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：图6-19/30/202343兰州交通大学自动化学院发电机的P-Q极限稳态运行下的优化与调整2、同期调相机调相机实际上就是只能发无功功率的发电机。3、并联电容器及静止补偿器

缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。

优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。三、无功功率的平衡系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。9/30/202344兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202345兰州交通大学自动化学院第二节 电力系统的电压管理一、中枢点电压管理电力系统进行调压得目的，就是要采取各种措施，使用户处的电压偏移保持在规定的范围内。电力系统电压的监视和调整可通过监视、调整电压中枢点电压来实现。电压中枢点是指某些可以反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所母线。电力系统电压调整问题转变为保证各中枢点的电压偏移不超出给定范围的问题。稳态运行下的优化与调整9/30/202346兰州交通大学自动化学院1、电压中枢点的选择电压中枢点的选择在：区域性水、火电厂的高压母线枢纽变电所二次母线有大量地方负荷的发电厂母线城市直降变电所二次母线2、中枢点的调压方式调压方式分为逆调压、顺调压和恒调压三类。逆调压：在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方式。供电线路较长、负荷变动较大的中枢点采用稳态运行下的优化与调整顺调压：大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的102.5％；小负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的107.5％的调压模式。对于某些供电距离较近，或者符合变动不大的变电所，可以采用这种调压方式。恒调压：介于前面两种调压方式之间的调压方式是恒调压。即在任何负荷下，中枢点电压保持为大约恒定的数值，一般较线路额定电压高2％～5％。9/30/202347兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202348兰州交通大学自动化学院二、电压调整的基本原理充足的无功功率电源是保证电力系统运行电压水平的必要条

要使所有用户的电压质量都符合要求，还必须采用各种调压手段稳态运行下的优化与调整电压调整原理图电压调整的措施：调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压VG；改变变压器的变比k1、k2；改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗△V变化；改变网络参数R+jX（主要是X），改变电压损耗△V。9/30/202349兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202350兰州交通大学自动化学院第三节 电力系统的几种调压方式一、改变发电机机端电压调压这种调压手段是一种不需要耗费投资，且是最直接的调

压方法，应首先考虑采用。发电机的电压调整是借助于调

整发电机的励磁电压，以改变发电机转子绕组的励磁电流，就可以改变发电机定子端电压。不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。对于发电机不经升压直接供电的小型电力系统，供电线路

不长，线路上电压损耗不大，借改变发电机端电压的方法，例如实行逆调压，就可以满足负荷点要求的电压质量。稳态运行下的优化与调整9/30/202351兰州交通大学自动化学院对由发电机经多级变压向负荷供电的大中型电力系统，线路较长，供电范围大，从发电厂到最远处的负荷之间的电压损耗和变化幅度都很大。这时，单靠发电机调压是不能解决问题的。发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求，即发电机采用逆调压方式。对于远处负荷电压变动，只能靠其它调压方式来解决。对有若干发电厂并列运行的大型电力系统，利用发电机调压，会出现新的问题。首先，当要提高发电机的电压时，则该发电机就要多输出无功功率，这就要求进行电压调整的电厂的母线电压，会引起系统中无功功率的重新分配，这还可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助的调压措施。稳态运行下的优化与调整二、改变变压器变比调压1、降压变压器分接头的选择降压变压器9/30/202352兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整式中， 是变压器的变比，即高压绕组分接头电压 和低压绕组额定电压 之比。将k

代入上式，得高压侧分接头电压当变压器通过不同得功率时，可以通过计算求出在不同负荷下为满足低压侧调压要求所应选择的高压侧分接头电压9/30/202353兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整普通的双绕组变压器的分接头只能在停电得情况下改变，在正常的运行中无论负荷怎样变化只能使用一个固定的分接头。这样可以计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压然后求取它们的算术平均值，即根据值可选择一个与它最接近的分接头。然后根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线电压上的实际电压是否符合要求9/30/202354兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整当考虑负荷变化时，分别求出最大和最小负荷时的抽头选择，然后取其算术平均值，再进行校验是否满足电压要求，基本步骤如下：1、根据最大和最小负荷的运行情况，求出其一次侧电压和 ，以及通过变压器的负荷

， 求取变压器的电压损耗

。2、套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择9/30/202355兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整3、取其算数平均值4、选择邻近的接头作为所选择的接头5、套用低压则电压计算公式进行验算9/30/202356兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整2、升压变压器分接头的选择选择升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同升压变压器由于升压变压器中功率方向是从低压侧送往高压侧的，故公式中△VT前的符号应相反，即应将电压损耗和高压侧电压相加。因而有式中，V21为变压器低压侧的实际电压或给定电压；

V 为高压侧所要求的电压。9/30/202357兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202358兰州交通大学自动化学院3、三绕组变压器分接头的选择①

将高低绕组看作双绕组，确定高绕组接头；②

将高中绕组看作双绕组，确定中绕组分接头位置。注意：功率分布4、有载调压变压器有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头而且调节范围也比较大，一般在15%以上。目前我国暂定，110kV级的调压变压器有7个分接头，即VN±3×2.5%；220kV级的有9个分接头即VN±4×2.0%。稳态运行下的优化与调整采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的

V1tmax值和最小负荷算得的V

1tmin分别选择各自合适的分接头。这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。有载调压变压器接线图9/30/202359兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整三、改变网络中无功功率分布调压当电力系统中无功电源不足时，就不能单靠改变变压器变比调压。而需要在适当地点对所缺无功进行补偿，这样也就改变了电力网中无功功率的分布。按调压要求选择无功补偿设备容量

1、并联无功补偿调压的基本原理9/30/202360兰州交通大学自动化学院2、按调压要选择补偿量的基本原理稳态运行下的优化与调整第二项很小于是有9/30/202361兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202362兰州交通大学自动化学院选择补偿容量的基本原则：在满足各种运行方式下的调压要求下，与其它调压方式配合，使补偿容量最小。有补偿的变压器选择的基本原则：在满足调压的要求下，使补偿容量最小（1）选用并联电容器通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时

却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补

偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时

全部退出。稳态运行下的优化与调整①

根据调压要求，按最小负荷时没有补偿这样变压器变比②

按最大负荷时的调压要求选择补偿容量③

校验实际电压是否满足要求9/30/202363兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整（2）选用同期调相机调相机的特点是既能过励磁运行，又能欠励磁运行。如果调相机在最大负荷时按额定容量过励磁运行，在最小负荷按（0.5～0.65）额定容量欠励磁运行，那么，调相机的容量将得到最充分的利用。同步调相机容量选择最大负荷时调相机发出全部容性无功 ，最小负荷时吸收 感性无功，（ ），有：9/30/202364兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整按以上公式选择k和两式相除：可得9/30/202365兰州交通大学自动化学院稳态运行下的优化与调整9/30/202366兰州交通大学自动化学院第四节 电力线路导线截面的选择电力线路导线的投资在电力线路总投资中所占的比重较

大，正确地选择电力线路的导线截面，对电网的经济运行，提高电能的质量至关重要。一、按经济电流密度选择导线截面根据经济条件选择导线截面，要考虑两方面问题；从降低功率损耗及电能损耗，则导线截面越大越有利；从减少投资和节约有色金属出发，则导线截面越小越好。综合考虑了各方面的因素，定出符合总的经济利益的导线截面称为经济截面，对应于经济截面的电流称为经济电源