电力系统分析学习报告

电力系统分析学习报告作者：陈静时间：2010 年 10月15 日一. 电力系统概述1. 几个概念：(1) 电力系统：生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起而组成的整体(2) 定义：电力系统中输送和分配电能的部分电力网：(包括升压变压器、降压变压器、相关变电设备以及各种电压等级的输电线路) I分类J按供电范围的大小和电压等级的高低：地区、区域、超高压远距离电网 |按功能分：传输网、配电网(3) 发电厂：电力系统的电源，把不同种类的一次能源转换成电能(4) 厂作用：汇集电源、升降电压、分配电能变电所按功能分：升压、降压变电所一分类按设备布置的地点：户外、户内、箱式、地下L按容量和重要性：枢纽、中间、终端5)电力系统的负荷：系统中所有用电设备消耗功率的总和，也称电力系统综合用电负荷 供电负荷：综合用电负荷加上电力网的功率损耗发电负荷：供电负荷加上发电厂的厂用电消耗的功率(6)负荷曲线J定义：以曲线描述某一时间段内负荷随时间变化的规律.分类按负荷种类：有功功率和无功功率负荷曲线按时间长短：日负荷曲线和年负荷曲线为平均负荷、P负荷率：k = a， Pm P av max最小负荷系数：Pa = minPmax(7)最大负荷利用小时数Tmax在负荷始终等于最大值P ，经过T 小时消耗的电能恰maxm ax18760J PdtPmax 0好等于全年的实际耗电量Wmax Pmax2. 系统中额定电压的规定(1) 发电机的额定电压与网络的额定电压为同一等级时，发电机的额定电压规定比网络的 额定电压咼5%，但在咼于13.8V时两者相等(2) 变压器一次绕组的额定电压与网络额定电压相等，但直接与发电机联接时，则与发电 机的额定电压相等二次绕组的额定电压比网络的额定电压高 10%，但若变压器的短路电压小于 7%或直 接与用户联接时，则规定比网络的额定电压高 5%3. 电力系统的接线方式(1) 无备用接线(开式电力网)方式：任一负荷和电源之间只有一条途径，结构简单、经济、运行方便，供电可靠性差（2）有备用接线（闭式电力网）方式：任一负荷和电源间有多个途径，供电可靠、电压质 量高，但是开关设备和保护电器数量增加4. 电力系统的中性点：接入系统星形联接的变压器或发电机绕组的中性点（1）中性点不接地系统VBCC 相接地短路情况B正常情况一相短路接地时，故障点相电压为 0，中性点对地电压升高为相电压，非故障相对地 电压升高为线电压，但三相之间线电压不变，且仍对称接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的 3 倍。2）中性点经消弧线圈接地 消弧线圈：带气隙铁心的线性电感线圈，其电阻很小，感抗很大 单相接地时，非接地相对地电压升高为线电压流过接地点的电流为接地电容电流IC与消弧线圈的电感电流IL之和。注意点：虽然I =匚时短路电流理论上为0但此时为产生谐振的条件，可能有过电压CLCL（3）中性点直接接地非故障相电压不变，但短路电流过大，容易发生供电中断“保护接零”的原理：当设备故障带电后通过零线与相线形成回路，产生较大电流，通过熔 断器切除电源形成保护5. 电力系统运行的特点 电能不易贮存、暂态过程十分短暂、电能与国民经济各部门及人民的生活关系密切6. 对电力系统的要求： 为用户提供充足的电能；保证电力系统供电的可靠性；保证电能质量；保证电力系统运行的 经济性；环保问题。二. 电力系统的元件模型与参数计算1. 电力系统的元件：构成电力系统的各组成部件 包括各种一次设备元件、二次设备元件及各种控制元件2. 数学模型：元件或系统物理模型（物理特性）的数学描述 可分为：描述静态（或稳态）问题的代数方程；描述动态（或暂态）问题的微分方程； 描述线性系统的线性方程和非线性系统的非线性方程 定常系数方程和时变系数方程；描述非确定性过程的模糊数学方程及利用人工智能 和神经元技术的网络方程等3. 电力系统分析计算的一般过程抽象出等效电路T确定其数学模型T用数学方法进行求解4. 输电线路的几个概念（1）架空输电线路：由导线、避雷线（架空地线）、杆塔、绝缘子和金具组成 横距：架空线路相邻杆塔之间的水平距离 弧垂：在档距中，导线的最低点和悬挂点之间的垂直距离对导线的要求：有良好的导电性能；有相当高的机械强度；有耐化学腐蚀的能力；经济性（2）电缆线路：由导体、绝缘层和保护层三部分组成5. 输电线路的等值电路jwLjwCr:反映线路通过电流时产生的有功功率损失效应L:反映载流导线周围产生磁场效应g：反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流及导线附近空气游离而产生的有功功率损失C：反映带电导线周围的电场效应（1）短输电线路：只考虑r和L（长度不超过lOOKm的架空输电线路，线路额定电压为60KV及以下以及不长的电缆线路）RXV1 中i 阻抗：Z = R + jX = rl + jxl V2（2）中等长度的输电线路：线路电压为 110KV220KV，架空输电线路长度为lOOKm300Km,电缆线路长度不超过lOOKm 的线路兀形等值电路T 形等值电路V1V211 口V1I1V2Z = R + jX = rl + jxlY = jB = jbl(3)长距离输电线路：长度超过100300Km的架空线路和长度超过lOOKm的电缆线路兀形等值电路I1V1V2V1准确参数：T 形等值电路I1 .聲I2 厂_1r,.Y近似分布参数V2a k rl + jk xl ra jk blbZ = Z shrlCY =込山,其中Z =ZCZ t h r lCshrlZC近似分布参数同准确参数的误差随线路长度的增加而增大6.输电线路的参数计算1=1 一 xbl231b=1 一 (xb 一 r2) l26x1=1 + xbl212(1) 电阻：r = -，p为导线的电阻率，s为导线载流部分的标称截面积 s在t C精确计算时：r = r 1 + a (t - 20)t 20a为电阻的温度系数，铜取0.00382，铝取0.0036( 2 )电抗a.单导线线路每相单位长度的电感和电抗uDL =旷In寸L为三相输电线路的一相的等值电感a2 冗DasDx = 2冗f L = 0.1445 Ig 丁(Q /Km )x为导线单位长度的电抗NDsu 为导线材料的真空导磁系数， f 为额定频率 50Hz0ND为导线的几何均距D = re 一4，D为三相导线的几何平均距离D = D D D sseqeqab bc cab.分裂导线线路每相单位长度的电感和电抗Deq，DsbDx = 2冗 f L = 0.1445 Ig廿(Q / Km )NDsbD为分裂导线每相的自几何均距，当分裂根数为2时，D =Ddsbsbs当分裂根数为3时，D = D d2sbs当分裂根数为4时，D = 1.09 ；D d 3sbs3)电纳：三相导线单位长度的电容及电纳分别相等a.单导线:0.0241C =-DIg eqrx 10 -6( F / Km )，当 f = 50 H z ,7.58b= d x 10-6(S /Km ) Ig eqrRTJXT.A P亠APV 2V %V 2A PA PR =s 或 R=S N , X= Sx N , G=Feu0, BT3I 2T1000 S 2 T100ST1000 V 21000 V 2NNNNN1)双绕组参数计算I %0 Scr时，投入k台变压器并联运行 cr N YA PS当S Scr时，投入(k-1)台变压器并联运行四. 电力系统有功功率和频率调整1. 衡量电能质量的主要指标：频率、电压和波形2. 频率变化对用户的影响(1)引起电动机转速的变化，影响用户生产产品的质量(2) 使异步电动机的功率降低，影响所传动机械的出力(3) 电力系统的频率不稳定，将会影响电子设备的准确度3. 频率变化对发电厂和电力系统本身的影响(1) 频率降低将使发电厂中由异步电动机拖动的重要设备出力降低，从而引起频率的进一步降低(2) 电力系统在低频率运行时，容易引起汽轮机低压叶片的共振，可能造成重大事故(3) 电力系统的频率降低时，系统的无功功率损耗增加，在备用无功电源不足的情况下，可能导致电压的降低4. 电力系统的有功功率平衡：全系统发电机发出的有功功率之和，在任何时刻都与系统中有功功率负荷及网络上的有功功率损耗相平衡5. 电力系统的频率与有功功率平衡的关系 当转矩平衡时，M = M n P = PTETEM 为机械转矩， M 为电磁转矩 TE当 M 增加时， M 有负的加速度而减小，转子转速改变，根据 ETf =，引起频率下降60我国电力系统的额定频率f在50Hz,额定的频率偏差范围为土 0.2土 0.5HzN6. 负荷曲线的分类(1) 第一种负荷曲线：变化幅度小、频率高、周期短；用调速器进行频率的一次调整(2) 第二种负荷曲线：变化幅度较大、频率较低、周期较长；用调频器进行频率二次调整(3) 第三种负荷曲线：变化幅度很大、变化缓慢、周期最长；进行经济运行调整(预测)7. 有功功率平衡的关系式：G LD L工P为所有电源发出的有功功率之和GP 为网络中有功功率损耗之总和L8.几个概念及分类（1）总装机容量：所有发电机的额定容量之和称之（2）备用容量：系统中电源容量大于发电负荷的部分称之（3）备用容量的分类按用途分负荷备用：a.工pld为所有负荷消耗的有功功率之和为满足系统中短时的负荷波动和一天中计划外的负荷增加而在系统中 留有的备用容量，一般为最大发电负荷的 2%5%事故备用：为防止系统总某些发电设备发生偶然事故时不致影响供电而在系统总 留有的备用容量。一般为最大发电负荷的 5%10%，并且不小于系统 中一台最大机组的容量检修备用：b.按状态分热备用:冷备用：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，一般为最大发电负荷的 4%5% 国民经济备用：考虑到工业用户超计划生产及新用户的出现等而设置的备用容量， 一般为最大发电容量的 3%5% 处于运行状态，但带的容量很小的备用容量，为运转中的发电机可能发 出的最大功率与实际发电负荷的差值，一般作为负荷备用和事故备用 未运转的发电机组可能发出的最大功率，一般作为检修备用和国民经济 备用 9负荷的静态频率特性：系统处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率的变化特性K D负荷的频率调节特性：K D当频率偏离额定值不大时，负荷的静态频率特性常用一条直线近似表示A P=tan B = d AfA P / P A P=D DN = D*当f下降时，P下降，当f上升时，P上升DDAf / f Af N*当系统PT P时，负加速度使电机频率下降，P下降有利EE于系统平衡当调速器的调节过程结束，建立新的稳态时，发10. 发电机组的有功功率频率静态特性电机的有功功率与频率之间的关系一次调频、有差调频，无法恢复到原来的水平）：11. 调速器的工作原理p Tn f p Tnf f p f Tm /与 fDGN DGN对应于增大了的负荷，发电机组输出功率增加，频率低于初始值；反之，如果负荷减小，则 调速器调整的结果使机组输出功率减小，频率高于初始值12. 调频器的工作原理：当机组负荷变动引起频率变化时，利用调频器平行移动机组功频静特性来调节系统频率和分配机组间的有功功率。调频器在实际应用中不一定能恢复 f ，但能使机组开停时有功功率逐步变化，不会造成NA PDT0AfP （f）, P（f）为负荷的频调特性DDB 点为发出的有功功率与消耗的有功功率平衡点系统负荷的增量A P = - K AfD0（理解为某频率下负荷的瞬间突变）AP系统的功率一频率静特性系数（系统的单位调节功率）：K = K + K = -一do G DA fP备用系数：Kr = f ,表示发电机组额定容量与系统额定频率时的总有功负荷之比PDN（当Kr 1时，调速器没有作用，因为有功功率不能大于P ，机组一般将最大容量标为额GN定值）当机组满载时，K = 0，只有K 作用G *D *14. 电力系统频率一次调整的计算过程（注意点：整个系统中Af *相同）nP（1）n台机组的等值单位调节功率K = K GiNGG i* fi TN（当其中某机组已满载时，其K =0）Gi*（2）求出系统的功率一频率静特性系数K = K + KGD各台机组所承担的功率增量为APGi = -一 Vii*NGT = P5GiNi*特点：系统的单位调节功率愈大，频率就愈稳定，但K *的值不可能很大15. 频率二次调整过程中：功率的平衡方程：AP = AP K Af K AfD 0G GDAP 为系统负荷的初始增量， AP 为由二次调整而得到的发电机组的功率增量D 0GK Af 为一次调整而得到的发电机组的功率增量GK Af 为负荷本身的调节效应而得到的功率增量D16. 调频厂应满足的条件：（1）具有足够多的调整容量（2）具有较快的调整速度（3）调整范围内的经济性好17. 互联系统的频率调整AB频率偏移Af =(A P+ A P ) (A P + A P )DADBGAGBK + KAB联络线的交换功率APABK (A P A P ) K (A P A P )ADBGBBDGAK + KAB功率调整时也要考虑联络线交换功率的限制，否则过载保护工作或系统失去静态稳定18. 不同类型发电厂的特点（1）火力发电厂：有燃料及运输费用；有功出力的最小限制；效率与蒸汽参数有关；启停时间长且启停费用高； 热电厂总效率较高，但输出的是不可调节的强迫功率（2）水力发电厂：不需要燃料费，但一次投资大；出力调节范围比火力机组大；启停费用低且操作简单；出力受水头影响；抽水蓄能；必须释放水量时发出的是强迫功率（3）核电厂：技术最小负荷主要取决于汽轮机；反应堆和汽轮机在退出、再投入或承担急剧变动的负荷时，要耗费能量、时 间，且设备容易损坏；一次投资大，运行费用小19. 各类发电厂合理组合的特点：充分合理的利用水力资源，尽量避免弃水；尽量降低火力发电厂的单位耗煤，尽量发挥高效机组的作用 尽量降低水力发电的成本20. 等耗量微增率准则：负荷在两台机组间分配时，如果它们的燃料消耗微增率相等，即dFdF，则总的燃料消耗量将是最小的dP dPG1 G 2PPPGi m inGiGi maxQQQG i m inGiGi max不等式约束条件为：有功功率值越限的发电厂，可按其限值分配负荷，然后对其余的发电厂按经济分配剩下的负 荷功率计及网损时，等微增率准则表达式为匚 X-=-dFa 八（i = 1,2 n）dP （18 P 、 dP G1（1 匸丿G 28PGia为网损修正系数，竺-为网损微增率i8 PGi五. 电力系统无功功率和电压调整1.电压偏移的影响： （1）效率下降，经济性变差（2）对绝缘产生不利影响（3）电压过低会增加恒转矩异步电机的转差，引起发热，甚至损坏2无功功率负荷（主要为异步电动机）Q = Q + QMmoQ4）电压不可逆转的急剧下降会引起系统电压的崩溃 在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而 增减，当电压明显低于额定值时，无功功率随电压下 降而上升V2+ I 2 XLTS=AQ + AQ = V 2B + ()2 X0 T T V TX发电机Q = S sin 9GN同步调相机（调节性能好）=P tan 9G NN G N NJ过励磁时供给感性无功，提高系统电压L欠励磁时吸收感性无功，降低系统电压V2，调节性能较差X C静电补偿器：由静电电容器与电抗器并联以平滑地改变无功功率静电电容器QQ = Q + K V )0N6.发电机的P-Q极限确定数下运行时的情况：（1）当cos 9 cos 9时，Q上升，视在功率取决于励磁电流不能超过额定值的限制，S下N降，S cos 9时，Q上升，S取决于原动机机械功率不变的限制，S SNN7. 无功功率平衡关系式为Q - Q - Q = QG CLD L res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8. 无功功率不足时应采取的措施（1）要求各类用户将负荷的功率因数提高到规程规定的数值（2）挖掘系统的无功潜力（3）根据无功功率平衡的要求，增添无功补偿容量，并按就地平衡的原则进行补偿容量的 分配9. 电压偏移的原因（系统运行方式改变） （1）负荷大小改变（2）电网阻抗参数的改变（个别设备因检修或故障而退出工作）（3）电力系统接线方式的改变（4）无功不足或者过剩10. 电力系统中允许的电压偏移（1）35KV及以上电压供电的负荷土5%（2）10KV及以下电压供电的负荷7%（3）低压照明负荷+5%-10%（4）农村电网 +7.5%-10%11. 电压中枢点定义：能够反映和控制整个系统电压水平的点（母线）”大型发电厂的高压母线升压站的高压母线枢纽变电所的二次母线有大量地方性负荷的发电厂母线选择调压s逆调压：最大负荷时中枢点电压为1.05V，最小负荷时为1.0VNN顺调压：最大负荷时不低于 1.025V ，最小负荷时不高于 1.075VNNJ常调压：中枢点电压保持在（1.0251.05） VN1）调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG2）改变变压器的变比 k1,k 23）改变功率分布P + jQ （主要是Q）,减小电压损耗A V改变网络参数R + jX （主要是X）,减小电压损耗AV13. 电压调整的方法A.利用发电机和变压器调压（1）改变发电机端电压调压供电线路不长，线路上电压损耗不大的小型电力网，可以满足符负荷点电压质量要求 I线路较长，供电范围较大，（2）改变变压器变比调压a.降压变压器分接头的选择有多级变压的供电系统，作为辅助性的调压措施-A V)V /Vax Tmax 2N 2m ax-A V)V /VinT m in2N 2m in+V )/2x1tm inV =(V+ A V)V /V1tm ax 1m ax Tmax 2N 2m axV =(V+ A V)V /V1tm in1m inT m in 2N 2m inV =(V +V )/21tav1tm ax1tm in根据最大负荷计算的V和最小负荷算的V分别选择各自合适的分接头1tm ax1tm in12.调整负荷点电压的措施4）加压调压变压器B.无功功率补偿调压原理：在线路上串联一个附加电势，改变附加电势的大小和相位来改变线路上电压的大小和相位 厂纵向调压变压器：只改大小，不改相位 分类彳横向调压变压器：只改相位，不改大小混合调压变压器：既改变大小，又改变相位V V 计算出变压器分接头电压V =2N tV2 min1t并联补偿I按要求算补偿容量QC同步调相机补偿串联补偿计算变比k二叱V2 C max 2 maxC max -(V X2 C m ax+ V V2C min 2 mina V 2+ V 22 C m ax2 c m in选择最接近的分接头以确定实际变比kL计算调相机的容量Q = V 2 C max (VCX2C max实质：以容性电抗补偿线路感抗计算：X =C补偿度： kV2 max ) k 2 kV TTV2NV2 max ) k 2 kXCcXL使线路电压尽可能均匀，而且各负荷点电压都在允许范围内 负荷集中于末端时，串联电容器可安装在线路末端 沿线有若干负荷时，安装在未加串联电容补偿前产生二分之1 一线路电压损耗处（静电电容补偿f选与V最接近的分接头电压V并确定变比k =上TT V 2 N注意点:串联电容补偿用于 10KV 以下电压等级，长度特别大或有冲击负荷的架空分支线路 上时为改善电压质量的作用，用于220KV以上电压等级的远距离输电线路时，作用 为提高运行稳定性和输电能力14. 无功功率最优分配的等网损微增率准则：当各无功电源点的网损微增率相等时，网损达到最小：8 QGi8 QL8Q8 P8QGiP 为网络中的有功功率损耗， Q 为网络中无功功率损耗 LL15. 无功负荷最优分配的计算步骤（1）计算潮流分布（2）计算网损微增率（3）交替计算网损微增率和潮流分布直到网损不 能再小为止16. 最优网损微增率（无功功率经济当量）：每增加单位容量无功补偿设备所能减少的有功损 耗最优网损微增率准则：dP (a + y ) K l -c = y8 QpT旳G i max表明只应在网损微增率具有负值，且小于y的节点设置无功功率补偿设备eq六. 电力系统三相短路的分析计算1.短路广定义：一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况类型：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路原因绝缘材料的老化 闪络放电或避雷器误动作，架空线路的电杆倒塌 人为误操作电缆损伤 短路电流急剧增大 系统电压大幅度下降 并列运行的发电机失去同步三相不平衡电流感应电动势，干扰通讯系统的正常运行2同步发电机短路的暂态过程3.短路电流的计算（1）冲击电流（最大可能的瞬时值）i = I + Ie -0.01/ T = (1 + e -0.01/ T) I = k Iimpm pmpm im pmI为短路电流周期分量的幅值；T为非周期分量电流衰减的时间常数；k为冲击系数 p maim（2）最大有效值：I = I V1 + 2（k - 1）2impim3）有效值：以时刻 t 为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值Tt+ 2 i2 dtT tt -24. 短路容量：短路电流有效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积S 八 3 V I,ta v tB B B5.三相短路实用计算的假设1）认为所有发电机的电势都同相位2）负荷只作近似估计，或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源3）不计磁路饱和4）认为三相系统对称5）发电、输电、变电和用电的元件均用纯电抗表示6）认为是金属性短路6转移电抗的定义：源点和短路点直接相连的阻抗7.网络等值变换的方法无源网络的星、三角变换有源支路的并联网络化简8.实用计算分裂电势源和分裂短路点利用网络的对称性化简厂定义:-电流分布系数法取网络中各发电机的电势为零，并仅在网络某一支路（如短路支路）施加电势，此时各支路与 电势所在支路电流的比值称之确定方法：单位电流法、网络还原法1）起始此暂态电流：把等值电路中系统所有元件都用其此暂态参数表示，后按稳态电流的方法计算同步发电机近似取E二1.05 1.1，不计负载影响时取E二1 异步电动机常取E二0.8，X=0.35（2）冲击电流：i =k 0d8静态稳定储备系数K =GTT X 100% ,PPG0P 为静态稳定的极限输送功率， P 为正常运行时发电机输送的功率S1G 07.小干扰法分析电力系统的静态稳定性d0 时，系统振荡衰减后稳定Eq工 0, S 0 时，稳定；d 8不计发电机组的阻尼作用时8=80 0, S 0时，不稳定；D 0时，不稳定。Eq8提高静态稳定性的措施（1）（2）（3）（4）（5）9电力系统机电暂态过程的特点大扰动发电机电磁功变化采用自动励磁调节装置提高运行电压水平减小输电线路的电抗（采用串联电容补偿；采用分裂导线；提高输电线路的电压等级） 减小发电机和变压器的电抗改善系统结构率转子出现一不平发电机功角急剧变化衡转矩转速变化10.暂态稳定分析的基本假设（1）忽略发电机定子电流的非周期分量和与它相对应的转子电流周期分量（2）发生不对称故障时，不计零序和负序电流对转子运动的影响（3）不考虑频率变化时系统参数的影响（4）发电机采用E，恒定的简化数学模型（5）不考虑原动机调速器的作用（6）忽略暂态过程中发电机的附加损耗11.功角特性p 正常状态I等面积定则：加速面积和减速面积相等 保持暂态稳定的条件：最大可能的减速 面积大于加速面积ib0 555min 0saxp故障切除状态IIIPj原动机机械功率卜（尸-P ）5 0 TII0极限切除角：5= arccosc . limp故障状态IId 5 + f5 s (P P ) d 5 0TIII5cP (5- 5 ) + P cos 5 一 P cos 50 cr0millcrmII0P Pm IIIm II临界角5=冗 arcsincrP0Pm III故障切除点临界稳定角度12. 提高暂态稳定的措施（ 1 ）快速切除故障（ 2 ）采用自动重合闸（ 3 ）发电机快速强行励磁（ 4 ）发电机电气制动（减小加速面积）（ 5 ）变压器中性点经小电阻接地（减小加速面积）（ 6 ）快速关闭气门（减小加速面积、增加减速面积）（ 7 ）切除发电机和负荷（增加减速面积）（ 8 ）设置中间开关站（ 9 ）输电线路强行串联补偿（增加减速面积）I % V %SI 2 VH 0S + S(N )2100 N 100 S VN用约等号是因为假设电流都是感性的，实际上有一部分电流是阻性的 4输电线路的无功损耗P 2 + Q 2V 2 + V 2A Q + A QL X rlBL B V221传输功率较大时消耗无功功率，在空/轻载时可能出现末电压比首电压高的情况，并联电抗 器可防止以上情况5无功功率源