电力系统的容量组成与优化方案

一、电力系统和负荷图

若干个电站及用户之间用输电线联结为一个共同的电力网，称为电网或叫电力系统。网内各种电站（尤其是水电站和其他动力资源的电站）进行联合供电，可以彼此取长补短，大大改善电网的工作条件，提高供电的可靠性和经济性。在我国各地区大都以水电站、火电站为主组成电力系统，只是它们的比重有所不同。如华东、华北地区，以火电为主，而西北和西南地区则以水电为主，这是由水资源分布的地区特性所造成的。在规划设计水电站时，首先要了解电力系统中用户需要，发展趋势及地区能源构成，各类电站的组成情况，能源发展方针和计划。

在电力系统中，系统负荷是其各用户用电要求的汇总，故负荷特性随用户组成而变，而且各用户一般都有明显的日变化（如城市民政用电）和季变化（如农田排灌用电等）。电力系统的负荷变化可用负荷图表示。负荷的日变化过程叫日负荷图（见图12-6）。

日负荷图有几个特征值，如日最大负荷Nmax，日最小负荷Nmin以及日平均负荷日负荷曲线以下所包含的面积，就是一日的需电量。它等于日平均负荷乘以24h。这三个特征值，将日负荷图分成三部分。在最小负荷水平线以下部分称为基荷，这部分负荷在一天内是不变的。日平均负荷水平线以上部分为峰荷，此负荷各时刻变动甚大。在峰荷与基荷之间的叫腰荷。还可用相对值来表示负荷曲线的特征，如日平均负荷率γ=，日最小负荷率β=Nmin/Nmax。这两个负荷系数是反映日负荷图均衡程度的指标。γ、β愈小，表示负荷愈不均衡。

负荷在一年内的变化过程线，称为年负荷图。年负荷图是由月或季典型日负荷图的三个特征值（Nmax、Nmin）点绘而来的。

图12-6　日负荷图

在实际运行中，日、年负荷图各年也是变化的。随着社会主义建设事业不断发展，电能和负荷都在逐年增长，故设计水电站时。应从发展的观点估计逐年需电负荷的增长，如第十章所述。目前，一般采用第一台机组投入运行起5～10年后的电力负荷作为设计依据。设计水平年的负荷资料，可根据历史资料及借鉴于工业发达国家的用电资料来估计。其年增长率推算公式如下：定义Pn+1=[（En+1-En）/En]×100%为第n年到第（n+1）年的增长率。其中En、En+l分别为第n年和第（n+1）年的发电量，由此式可推出：

式中　P——n年的年平均增长率。

二、系统容量的组成

以任一天为例，为了保证系统中各用户用电，必须同时满足两个条件：第一，电力系统中各电站当天能够随时投入运行的机电设备容量（电力系统各电站总的机电设备容量称电力系统的装机容量）不小于该天最大的日负荷Nmax；第二，电力系统中各电站每天储备的水量以及燃料所能发出的电能，必须不小于日负荷图所要求的电量。

同样，在一年内各时刻，也必须满足年负荷图年内各时刻容量和电量要求，这两个条件称为容量平衡和电量平衡。年负荷图是确定电力系统各电站装机容量的主要依据之一。根据机电设备容量的目的和作用，可将整个电力系统的装机容量划分如下几个部分：

（l）工作容量。为了满足负荷要求而设置的容量称为工作容量。它承担负荷图的正常负荷，如图12-6中粗线所示。

（2）负荷备用容量。由于用电户投入和切除负荷往往是突然的，如冶金工厂中大型轧钢机的启动和停机，都会使负荷突然跳动，所以系统的实际负荷是时刻波动而呈锯齿状变化，如图12-6中细线所示。所以除工作容量外，还要增设一定数量的容量，来应付突然的负荷跳动。此部分容量称负荷备用容量。根据实际运行经验，系统的负荷备用容量为最大负荷的2%～5%。

（3）事故备用容量。任何一个电站工作过程中，都可能有一个甚至几个机组发生故障而停机。就全系统而言，也可能在某一时刻有几个电站若干个机组同时发生事故。为了避免因机组发生故障而影响系统正常供电，必须在电力系统中设置一定数量的事故备用容量。系统事故备用容量一般可取系统最大负荷的8%～10%，但不应小于系统中最大单机容量。

（4）检修备用容量。为了延长机器寿命，减少事故，电站机组应定期轮流检修。每台机组每年平均检修时间约15～30d。一般利用系统负荷较小季节，电力系统有空闲容量时安排检修。例如，在汛期水电站为了充分利用径流加大发电，水电站投入容量较多，而火电站会有一部分空闲容量可以安排检修。汛期过后，则水电站有部分空闲容量可安排检修。如果系统年负荷图中没有足够的空闲容量，难以安排机组检修，就要设置一定的检修备用容量。但一般情况下，力求不设或少设置此部分备用。

在电力系统中，各电站的工作容量和备用容量都是保证系统正常供电所必需的。因而，这两部分容量之和，称为系统的必需容量。

图12-7　电力系统容量组成示意图

（5）重复容量。前面讲到的水电站必需容量是保证系统正常供电所必需的，所以它是以设计枯水年的水量作为设计依据的。但是，在寻常年份，例如丰水年和平水年的全年或汛期水量都会有富余，若仅以必需容量工作会产生大量弃水。为了利用此部分水量来发电，只需要增加一部分机电容量，而可不增加大坝等水工建筑物的投资。显然，此部分容量在枯水期或枯水年组是得不到水量保证的。其作用完全在于利用部分弃水量来替代和减少火电站煤耗。由于这部分容量并非保证电力系统正常供电所必需的，故称为重复容量。在设置有重复容量的电力系统中，系统的总装机容量就是必需容量与重复容量之和，即

电力系统中上述各种容量的组成，如图12-7所示。

三、水、火电站的工作特性以及其他电站简介

目前我国各地区的电力系统，大多是以水、火电站为主要电源所构成的。此外尚有少量地热电站、蓄能电站、潮汐电站、核电站等。由于各类电站的特性不同，其所组成的电力系统能相互取长补短，提高输电质量和供电可靠性，因此了解各类电站的特点，有助于合理拟定地区电源构成，从最优运行角度研究开发各种能源，选定水电站工程规模和装机大小。下面主要介绍水、火电站的工作特性。

（一）火电站工作特性

火电站所用燃料主要是煤、石油和天然气，故以消耗燃料来分，就有燃煤式、燃油式和燃气式几种。火电站的建设不像水电站那样受天然来水条件的限制，只要燃料供应充分，全部装机都可以利用。但对燃煤式火电站常有技术最小出力限制，此最小出力一般不低于额定出力的70%左右。燃煤式火电站机组启动比较费时，须先由冷状态达到热状态，其后的加载过程亦比水电站慢得多，通常每10min内出力上升值，只有其额定出力的10%～20%，因此从启动到满负荷运行要经过2～3h。这一情况使这种电站一般宜于担任电力系统的基荷工作。而燃气式火电站，由于起动快，机组负荷变化亦灵活，可以建在负荷中心，担任电力系统的峰荷位置，但燃料费用昂贵。(www.xing528.com)

火电站建设亦不像水电站那样受地形条件的限制，一般来说，只要有燃料有冷却水的地方都可以建火电站，而且电站本身投资也小。但以往在水、火电站的经济比较中，在估计火电站建设投资时，并未计入煤矿和输煤投资费用，这是不合理的。现在一般都考虑上述两种投资费用。对于燃煤式火电站，现在大力提倡建在煤矿附近，即所谓坑口电站，以输电线路替代煤的输送，这在铁路或水路运输紧张的地区往往有利，一般通过经济比较确定电站地点。

（二）水电站的工作特点

（l）水电站的重要特性之一，是其出力和发电量随天然径流情况而变化，一般来说丰水年电能有余，而特枯水年电能则不足，会引起电力系统正常工作的破坏。水电站的出力和电量随时间的变化也将引起电力系统其他电站出力、电量的变化。

水电站有时水头太低使水轮机不能发出额定出力。这种水头下降的原因或是洪水期下游水位太高，或因枯水期上游库水位过低所致。

（2）水电站主要设备水轮机具有启动快、增减负荷灵活、自动化程度高的特性。它能适应负荷的剧烈变化（自开机后几分钟内就能达到全出力工作），而且负荷增减并不引起水电站水量损失，所以水电站能适应电力系统的峰荷位置和担任系统的负荷备用，周波调节（即调频）等。

（3）水电站要有一系列的挡水建筑物及负担水库淹没迁移费用，通常工程总投资要比火电站大，施工期亦长，但运行费和成本都比火电站低，因为水电站发电能源是水能，厂内用电亦小，而火电站生产电能要消耗宝贵的燃料，厂内用电也大。一般而言，当来水较丰时，让水电站多发电能，以减少火电站煤耗，经济上是有利的。

（4）水电站在调度上的复杂性。由于天然来水年际、年内变化大，加上无可靠的长期预报，使水电站调度带来很大困难。这种困难主要反映在综合利用的限制上，如防洪与发电，灌溉与发电上的矛盾等。电站本身也有水量利用和水头利用的矛盾，如为了防止弃水、汛期要降低水位，水头就比较低，相反，如提高水库蓄水位，则弃水量可能会增加。合理地解决这些矛盾是调度中的重要课题。火电站调度就比较简单，供电可靠性也大。

（三）其他电站简介

原子能发电站是利用核反应堆所产生的热能，使水变成高温高压的蒸汽，推动汽轮发电机组生产电能。由于核反应堆的造价昂贵，核电站的单位投资比燃煤或燃油的火电站要高得多，但其运行费比较便宜。核电站宜于连续不断以额定出力工作，效率较高，因之它总是担负系统的基荷部分。对设备检修或事故需要停堆，则在系统中需设较大的备用容量。从1956年世界上建成第一个核电站以来，发展很迅速，特别是从1973年石油涨价以来发展更快。如法国可利用的水电已开发殆尽，就很快发展核电，1972年核电年发电量138亿kW.h，占总年发电量的8.4%，到1982年核电发电量达到1030亿kW.h占总年发电量的38.7%；而火电由61.9%降到34.6%，其他如美、英等国核电发展都较快。我国现已在广东、华东等地区修建了大亚湾、秦山等核电站。

燃气轮机电站是用石油和天然气作燃料的火电站。它是利用燃烧室燃气推动汽轮机组发电。电站主要设备简单、体积小、投资省。燃气易于控制调节，启动快、运行可靠，宜于承担系统的备用容量、尖峰负荷，及应急供电。但因燃料费贵，成本高，一般情况下不用这种电站供电。

四、水电站工作方式

根据水、火电站特点，进一步研究它们在电力系统负荷图的工作位置，其目的是使水力资源和其他动力资源得到合理的配合，使电力系统尽量达到成本低、运行灵活、供电可靠。所谓工作方式主要是指各电站在电力系统日、年负荷图上的位置，如峰荷、腰荷和基荷。

对无调节水电站，为了充分利用天然径流多发电能，它应在基荷工作。

至于有调节的蓄水式水电站，它在电力系统中的工作位置是经常改变的。枯水季节水量不多，又可用水库调蓄以适应负荷剧变，所以任峰荷为宜（见图12-8）。

在汛期，天然来水较多，甚至可能有弃水，为了充分利用径流，水电站总是以预想满出力工作，故大多处在基荷位置，而让火电站任峰荷，如图12-8（b）所示。如果来水情况处于上述二者之间，且有部分空闲容量时，则可任腰荷，如图12-8（c）所示。当火电站任峰荷时，虽然要增加单位电能煤耗量，但此时其总发电量将减少，总的煤耗量亦减少，所以对系统还是有利的，如有燃气机组，能适应负荷变化，就更有利。

水电站工作位置不仅一年内各季不同，而且年与年间也因天然来水量不同而有变化。例如丰水年在基荷、腰荷的工作时间会长一些，而在枯水年任峰荷的时间长一些，甚至没有可能转到基荷工作。

图12-8　水火电站工作位置图

（a）枯水期；（b）汛期；（c）其他

由此可见，水电站在电力系统中工作位置主要看来水的多少，看水电站日发电量和水电站装机容量的相对比值。换句话说，看水电站有无“空闲容量”，有空闲容量，就可任腰荷或峰荷。

图12-9　水电站工作位置

举例来说明水、火电站的工作位置：例如水电站所发日电能为E水，则平均出力为=E水/24，且已知水电站能提供的工作容量为N水，而且N水＞，试求水电站在日负荷图上的位置。如图12-9所示。左边为日负荷图，右边是负荷图的分析曲线或叫出力电量累积曲线，它由日负荷图中负荷曲线自下而上累积而成。该曲线上任一点a的出力，就是日负荷图上相应的出力Na（同一纵标）。a点的电量Ea，为日负荷图上出力水平线Na以下所包围的面积。下面我们要设法在日负荷图上找到这样一块面积（水平切块），使切块的高等于N水，只使这切块面积所包含的电量为E水。这个位置可通过图12-9右边分析曲线中找出。

将曲线向左平移一个电量为E水的距离（①线）。再将分析曲线向上平移一个出力为N水的距离（②线），则两平移后的曲线交点P到a和b的距离必为E水和N水，从a和b向日负荷图上作水平线就决定了水电站在日负荷图的位置。注意：图中①线或②线作相对移动时，也可能没有交点。

对于调节性能较高的多年调节水库来说，由于需要蓄存部分丰水年水量以补连续枯水年之不足，所以一般全年担任峰荷，只有在水库水位较高，有可能弃水时，要加大发电量，才转移到腰荷或基荷。

一般来说，水库调节性能越好，则在系统中担任峰荷的时间就越长。当电力系统中有几个水电站工作时，调节性能高且靠近负荷中心的宜任峰荷，尤其在水文气象条件相近的一些水电站之间。