一、作用及分类
电力系统之所以需要备用容量,主要是由于电力工业生产的特点和用户用电的不均衡性所决定的。电能的生产,输送和消费几乎同时进行,电能又不能大量储存,而用户的用电又具有随机性和不均衡性特点,因此,为了保证电力系统安全,可靠,连续地发供电,则必须设置足够的备用容量。
在电源安排时,所配置电源的装机容量必须大于最大负荷的要求,两者的差额称为备用容量。
按设置备用容量的用途(或任务)可分为下述三种备用。
(1) 负荷备用。具体又分周波备用和负载备用,用于满足电力系统由于负荷突然变动的调频需要,以保证系统的正常周波的周波备用;用于补偿一些预计不到的负荷需求的负载备用。
(2) 检修备用。为保证电力系统正常设备的运行效率和提高设备的使用寿命,设置检修备用是必不可少的。检修备用是用于满足设备定期计划检修的容量设置。
(3) 事故备用。用于替代发生事故的机组出力,承担系统的事故负荷备用。事故备用是保证系统稳定和保证系统重要用户供电可靠性的需要。
以及还应考虑满足系统超计划用电的需要。
备用容量的种类,按其所处的状态划分,又可分为热备用和冷备用。
(1) 热备用。又称旋转备用,指运转中的机组可发最大功率与最大负荷的差额,其表现为部分机组空载或欠载运行的容量之和。
(2) 冷备用。属于等待调用未运转的机组可发容量。
在发展规划设计中,主要考虑冷备用问题。
电力系统的备用率为
式中 K ——电力系统的备用率;
Ny——电力系统的装机容量 (kw) ;
Pm——电力系统的最大负荷 (kw) 。
其中备用率 K 的大小确定与系统规模,用电结构,电压等级等因素有关。
直观分析可知,在电力系统规划期内,如果系统的备用容量不足,将直接导致供电可靠性下降;但如果备用容量设置过大,又将使电源建设的投资费用增加。因此,如何在可靠性与经济性之间,对备用容量的大小作出合理的选择,一直是规划设计中的一项重要研究内容。
就性质来说,备用容量是一种储备容量或等待调用容量,它与系统的正常工作容量一起组成了系统的需要容量。系统的工作容量主要与系统的需要负荷大小相适应,而备用容量则是为了满足系统在发生异常情况下的补偿容量,诸如设备故障、枯水季节、负荷波动及预测误差等现象发生时所设置的容量。广义上讲,电力系统的各个环节都涉及备用容量问题,但在电力电量平衡分析中,主要是研究确定发电环节的备用容量问题。
关于备用容量的确定方法。合理确定各种备用容量,应从可靠性与经济性两个方面进行分析和论证。但目前经常所使用的方法还属于一种经验估计方法,在我国的《电力系统设计技术规程》中规定,各种备用容量的确定是按占系统最大负荷的一定百分比来估算。
有关通过可靠性分析来确定备用容量的方法,我们将在以后章节中另作介绍。
二、周波和负荷备用
电力系统运行时,由于电力用户用电设备经常的投入或切除,造成负荷的突然急剧变化,并导致系统周波也在不断变化,为维持电力系统周波在要求的误差范围内,就必须设装置一定的备用容量,该容量称为周波备用,用以调整系统的周波。
电力系统的负荷与电源间的供需平衡是预先有计划的,但这种计划是预测的估计值,在实际运行中电力系统必须满足系统预计不到的负荷要求,这也需要设置一定的备用容量,称负荷备用,用来负担短期内计划外的负荷增加。
因此,周波和负荷备用是为了调整电力系统瞬间的负荷波动以稳定系统的周波,和担负短期内计划外的的负荷增加。
周波和负荷备用容量的大小,应根据电力系统容量的大小,以及系统内电力用户的性质和组成情况来确定。在系统规划设计中,一般取系统最大负荷的3%~5%。其中,大系统取小值(容量基数大),而小系统取大值。
周波备用和负荷备用可以在一年中不同的季节内,和一昼夜中不同的时间内,由不同的发电厂来担任。
由于水电厂的水轮机组应变能力较强,能较好的适应负荷的变化,能量损失小,而且水轮机的最大效率是在机组额定容量的70%~90%,因此,一般的系统都由水电厂来担负周波和负荷备用。在丰水期还可以用这部分容量来发电,以节约燃料。若由火电厂来担任周波和负荷备用时,则要有热备用机组。
周波备用和负荷备用只需要有容量备用,不需要能量储备。
三、事故备用
电力系统中的发电设备,可能因为某些偶然的事故而被迫临时停机。为了解决电力系统中的某些突然事故,防止发电设备事故停机时,影响对电力用户的正常供电。在电力系统中需设置一定数量的备用容量,以替代事故停机时的发电设备,这部分备用容量称事故备用容量。
因为事故备用容量要替代事故机组的运行,因此,事故备用除需要备用容量外,还必须有相应的能量储备。
(一)影响事故备用容量的因素
(1)系统装机总容量和单机容量:
根据大型机组事故次数统计,单机事故占75%,两机以上同时事故占20%,全厂事故只占5%,可见单机发生故障的概率最大。因此。系统装机总容量越大,机组台数越多,事故备用容量越大。
因为事故备用机组要替代发生事故的机组运行,为保证电力系统中最大机组事故时有替代容量,事故备用容量必须等于或大于系统中最大机组的容量。
(2)运行人员的技术水平。
(3)系统中机组的使用年限,及新旧机组的比例。
(4)设备检修的质量。
(二)事故备用容量的确定方法
1.经验统计法
根据电力系统多年来的运行经验确定,一般采用电力系统最大负荷的百分数来计算。根据历史统计资料分析,事故备用容量大致为系统最大负荷的8%~10%。
为保证系统中最大机组事故时有替代容量,事故备用容量应不小于系统中最大机组的容量。
2.经济比较法
估算出电力用户因系统事故停电所造成的损失,和安装事故备用容量的费用进行经济比较,通过比较可以确定出经济而有利的事故备用容量。
3.用概率理论计算事故备用容量
用概率理论计算事故备用容量,是基于系统中机组发生事故具有随机性的特点所形成的方法,该方法在后边发电系统可靠性分析中将具体介绍。
系统事故备用容量应在各种电源间进行合理分配,一般可按各电源工作容量的比例进行,调节性能良好,靠近负荷中心的火电厂,可担任较大的事故备用容量。在进行事故备用容量的分配时还要考虑以下情况:
(1)一般水电厂担任事故备用容量时,需要有相应的事故备用库容。
(2)火电厂担任事故备用容量时,应将其大部分设置在运转机组上,以提高系统供电的可靠性。也就是火电厂要设有部分热备用,以利于系统的经济运行,和事故时周波的稳定。
因火电厂机组经济出力在80%-90%之间,其欠载部分可在系统发生事故时投入而满载运行。
四、检修备用
电力系统中的机组设备,均需要进行定期预防性检修,电厂设备的检修主要有大修,小修及事故修理三种,事故修理由事故备用容量来解决,检修备用只考虑大修和小修。
检修备用容量的确定,主要取决与每台机组检修所需要的时间,和两次检修之间的时间间隔。
确定机组检修的时间和时间间隔,主要考虑机组的工作年限,检修质量,及备用备件供应情况等。一般火电机组大修周期为1~2年,检修时间为30天左右,水电机组大修周期为2~3年,检修时间为20天左右,小修每年一次约需5天左右。一般对电力系统机组的检修,首先应考虑利用年负荷的季节低落时,所空闲出来的容量进行机组检修。
注意到:只有当季节性低落所空闲出来的容量,不足以保证全部机组周期性检修时,才需要设置检修备用容量。
检修备用容量的确定,应在年负荷曲线上进行,一般为系统最大负荷的12%-15%。
依据百分数估计法,一般系统总备用容量约占系统最大负荷的20%左右。