电力系统基础课件：第9章 现代电力系统的运行

1、第9章 现代电力系统的运行2014年5月电力系统基础第9章 现代电力系统的运行9.1 9.1 电力系统的频率与有功功率电力系统的频率与有功功率9.2 9.2 电力系统的电压与无功功率电力系统的电压与无功功率9.3 9.3 电力系统运行的稳定性电力系统运行的稳定性2014年5月电力系统基础9.1 电力系统的频率与有功功率电力系统频率调整电力系统频率调整的必要性的必要性用电设备的运行状况与频率相关用电设备的运行状况与频率相关 不受频率影响的负荷 与频率变化成正比的负荷 与频率高次方成正比的负荷 频率频率变化的影响变化的影响 异步电动机转速变化 电力系统频率崩溃 增加无功损耗 电力系统频率的调节与有

2、功功率密切相关电力系统频率的调节与有功功率密切相关2014年5月电力系统基础电力系统的频率发电机的转速原动机输入功率发电机输出功率系统的有功负荷严格的维持系统的频率不变是不可能的，应将频率偏移限制在一定的范围内9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础有功功率电源和备用容量有功功率电源和备用容量有功功率平衡有功功率平衡电源发出的有功功率应满足负荷消耗的有功功率和传输电功率时在电力网中损耗的有功功率之和。 备用备用容量容量为了保证供电可靠性和电能质量以及有功功率的经济分配，发电厂必须有足够的备用容量。9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础电力系统的频率特性电力

3、系统的频率特性电源有功功率静态频率特性电源有功功率静态频率特性发电机组的原动机械功率与角速度或频率的关系未配置调速系统时 配置调速系统时9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础电力系统的频率特性电力系统的频率特性电力系统负荷的静态频率特性电力系统负荷的静态频率特性多项式模型 9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础 频率调整频率调整变化幅度小，变化周期较短的负荷分量 可由发电机组的调速器调整 变化幅度较大，变化周期较长的负荷 需用手动调频器 变化缓慢的持续变动负荷 按照最优化原则在发电厂间分配9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础一次频率

4、调整一次频率调整9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础二次频率调整二次频率调整9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础主调频厂的选择主调频厂的选择主调频厂：负责全系统的频率调整工作，一般由 一个发电厂担任 具有足够的调节容量和范围 具有较快的调节速度 具有安全性与经济性辅助调频厂：主调频厂不足以承担系统的负荷变化 时，辅助调频厂才参与频率的调整， 一般有一个、二个电厂承担非调频厂：一般不参与调频，只按调度部门分配的 负荷发电，又称基载厂或固定出力电厂9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础事故调频事故调频频率崩溃 当发电功率和功率消耗之间

5、发生很大的功率缺额时， 系统频率将降低，电力系统可能瓦解，造成用户停电 电压崩溃 无功功率发生缺额时，负荷端电压被迫降低，当电压降 低到某个临界值后，继续不断地下降而不能恢复 事故调频的措施与步骤 （1）投入旋转备用容量，迅速起动备用发电机组； （2）切除部分负荷； （3）选取合适地点，将系统解列运行； （4）分离厂用电，以确保发电厂能迅速恢复正常，与 系统并列运行9.1 电力系统的频率与有功功率2014年5月电力系统基础电力系统基础第9章 现代电力系统的运行9.1 9.1 电力系统的频率与有功功率电力系统的频率与有功功率9.2 9.2 电力系统的电压与无功功率电力系统的电压与无功功率9.3

6、9.3 电力系统运行的稳定性电力系统运行的稳定性2014年5月电力系统基础电压偏移对负荷的影响电压偏移对负荷的影响电动机、电热、照明、家用电器、系统 调调压的必要性压的必要性电力设备设计：额定电压下才能有好技术经济性能异步电动机：电压低，定子电流显著增大，温升，加速绝缘老化， 烧电机；电压高，破坏绝缘。电热设备：电压低，大大降低发热量。照明设备：电压低，发光不足；电压高，影响寿命。家用电器（如电视）：电压低，图像不稳定；电压高，影响显像管寿命。电子设备、精密仪器：对电压都极其敏感，要求更高电压质量已成为现代企业投资环境的重要因素9.2 电力系统的电压与无功功率电压偏移对电力系统自身的电压偏移对

7、电力系统自身的影响影响电压低：功率损耗、电能损耗增大，危及电力系统运行稳定性电压高：破坏设备绝缘、超高压网络电晕损耗2014年5月电力系统基础 电力系统允许的电压偏移电力系统允许的电压偏移负荷随机变化系统运行方式经常变化不可能严格保证所有节点任何时刻都为额定电压，电压偏移不可避免，需合理规定允许的偏移范围。电网额定电压电压允许偏移35kV及以上5%10kV及以下7%低压照明+5%-10%农村照明+7.5%-10%事故时再加5%，正偏移不能超过10%9.2 电力系统的电压与无功功率电力系统电压的调节与无功功率密切相关电力系统电压的调节与无功功率密切相关9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5

8、月电力系统基础2014年5月电力系统基础9.2 电力系统的电压与无功功率 电力系统的电压特性电力系统的电压特性无功功率无功功率负荷负荷以滞后功率因数运行的用电设备所吸收的无功功率。电力系统主要是异步电动机，特别是当异步电动机轻载时，所吸收的无功功率较多。一般综合负荷的功率因数为0.6-0.9。异步电动机异步电动机的无功功率和电压的关系的无功功率和电压的关系励磁电抗中的励磁功率漏磁电抗中的无功损耗2014年5月电力系统基础9.2 电力系统的电压与无功功率假设有功出力恒定，当电压下降时，转差率增加，电流I增加，漏抗中无功损耗也增加。电压电压下降时电动机无功功率的变化下降时电动机无功功率的变化同时由

9、于电压下降，使励磁功率减少。转差率在额定电压UN 附近，电动机消耗的无功功率QM 主要由Qm 决定，因此 QM 会随电压的升高而增加，随电压的降低而减少。但当电压低于某一临界值 Ucr时，漏磁电抗中的无功功率损耗将在 QM 中起主导作用，随着电压的下降， QM不但不减小，反而会增大。2014年5月电力系统基础9.2 电力系统的电压与无功功率PUICosUIX CosXUESinXPUICosUIX CosXUESinXPUICosUIX CosXUESinXQUISinUIX SinXUECosUXQUXECosU()QUISinUIX SinXUECosUXQUISinUIX SinXUEC

10、osUXQUISinUIX SinXUECosUXQUISinUIX SinXUECosUX当P恒定不变时QUXECosU()发电机的无功功率和电压的关系发电机的无功功率和电压的关系2014年5月电力系统基础无功平衡水平决定电压水平，实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件，即要求无功电源充足。9.2 电力系统的电压与无功功率 无功功率平衡对电力系统电压的影响无功功率平衡对电力系统电压的影响 无功电源无功电源同步发电机同步发电机 电力系统中最基本的无功功率电源在额定有功功率条件下，所提供的最大无功功率与发电机的额定功率因数有关过励磁时发出感性无功功率，欠励磁时吸收感性无功功率缺缺

11、 点点经过长距离输电线路传输无功功率，将引起较大的有功、无功损耗，会增加电压损耗9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础调相机调相机 实质上是空载运行的同步电机 通过改变励磁可平滑的调节无功功率输出 可直接装设在用户附近缺缺 点点 有功功率损耗不可避免 运行维护比较复杂，噪声较大9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础电力电容器电力电容器 只能向系统提供感性无功功率；有功功率损耗小；单位容量投 资费用；小可集中又可分散地使用。缺缺 点点 在系统发生故障或其他原因使电压下降时，将导致系统电压 继续下降；不能平滑的调整电压静止补偿器静止补偿器（Static Va

12、r Compensator，SVC） 调节快速、功能多、工作可靠、投资费用小 既具有电容器的结构优点，又具有良好的 调节特性 SVC由特种电抗器和电容器组成，是一种 并联连接的无功功率发生器和吸收器 缺缺 点点 将使电力系统产生附加的高次谐波9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础高压输电线的充电功率高压输电线的充电功率输电线路中电纳的无功功率为容性线路的充电功率35kV以下线路，充电功率不计110kV以上高压线路，充电功率较大9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础变压器变压器的无功损耗的无功损耗励磁损耗，其占额定容量的百分数约等于空载电流的百分数可变损耗

13、，由漏电抗产生，与负荷电流的平方成正比输电线的无功损耗输电线的无功损耗输电线电抗所产生的无功损耗，与线路电流的平方成正比输电线截面越大，无功损耗的比重越大对于220kV，较短输电线（300km），呈容性 无功无功损耗功率损耗功率9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础系统中的无功电源功率要大于或等于负荷系统中的无功电源功率要大于或等于负荷所需所需的无功功率的无功功率和网络中的无功功率损耗之和。和网络中的无功功率损耗之和。所有无功电源发出的无功功率所有负荷的无功功率负荷的无功功率无功备用容量电力网中的无功功率损耗无功电源设备容量 无功平衡无功平衡9.2 电力系统的电压与无功功率

14、无功补偿无功补偿减少系统元件的容量；降低网络功率损耗和电压损耗；改善电压质量2014年5月电力系统基础 电力系统的调压措施电力系统的调压措施电压调整的必要性电压调整的必要性保证各种用电设备的运行具有良好的技术指标和经济指标电力系统的电压调整要从调整无功功率着手电力系统的电压调整要从调整无功功率着手9.2 电力系统的电压与无功功率调调压措施压措施依靠调节发电机、变压器输出端电压依靠调节发电机、变压器输出端电压依靠改变无功功率分布、线路参数依靠改变无功功率分布、线路参数2014年5月电力系统基础 改变发电机端电压调压改变发电机端电压调压发电机端电压的调节范围5%不需要另外增加设备，最经济的调压方式

15、实质：使发电机的端电压随负荷的大小而调节不适用于用户性质差别大、用户距电源远近悬殊的大容量电厂9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础 改变变压器分接头或采用专门的调压变压器改变变压器分接头或采用专门的调压变压器改变变压器的变比可以改变其二次侧输出电压 只能在停电的情况下改换分接头目前广泛采用的调压方式对于6300kVA以下无励磁调压变压器，调压分接头有1.05UN，UN，0.95UN对于8000kVA以下无励磁调压变压器，调压分接头有1.05UN，1.025 UN ，UN，0.975 UN ，0.95UN无载调压无载调压有载调压有载调压在不停电的情况下改换变压器的分接头，调

16、压更方便，关键部件是有载调压的分接开关 9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础 改变电力网无功功率分布调压改变电力网无功功率分布调压当电力系统的无功电源不足时，必须在适当的地点装设无功电源对无功进行补偿 并联无功功率补偿装置并联无功功率补偿装置并联电容器电容器与电抗器组合调相机（同步补偿机）静止无功补偿器9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础投资省、电能损耗小、维护简单、建设工期短 并联电容器，电容器与电抗器组合并联电容器，电容器与电抗器组合优先选用调相调相机（同步补偿机），静止无功补偿器机（同步补偿机），静止无功补偿器远距离输电线路母线电压受负荷影响而

17、变化频繁、幅值较大带有冲击负荷的母线维持受端系统稳定的需要时9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础例例1 以并联电容器为例说明无功补偿的原理以并联电容器为例说明无功补偿的原理9.2 电力系统的电压与无功功率V1V2R+jXP+jQjQC2014年5月电力系统基础例例2 以改变以改变输电线路的输电线路的参数来调压参数来调压减小线路电抗以降低电压损耗采用串联电容器调压9.2 电力系统的电压与无功功率V1V2R+jXP1+jQ1-jXC2014年5月电力系统基础串联电容补偿与并联电容补偿比较串联电容补偿与并联电容补偿比较当负荷功率因数很高时，串联补偿作用不大；串联电容补偿不能使流

18、过线路电流减小，当线路导线受到热容量限制时，应采用并联补偿方式；串联补偿响应时间短，对减轻冲击负荷所引起的电压急剧波动效果好；线路的电抗值相对较大时，串联补偿调压效果特别显著；并联补偿可明显降低线路的功率损耗；串联补偿的容抗中所补偿的电压与线路电流成正比，其可自行按需要调整线路末端电压；对于串联电容补偿，需设置专门的过电压保护装置。9.2 电力系统的电压与无功功率2014年5月电力系统基础2014年5月电力系统基础第9章 现代电力系统的运行9.1 9.1 电力系统的频率与有功功率电力系统的频率与有功功率9.2 9.2 电力系统的电压与无功功率电力系统的电压与无功功率9.3 9.3 电力系统运行

19、的电力系统运行的稳定性稳定性 9.3.1 9.3.1 电力电力系统稳定性的系统稳定性的概念概念 9.3.2 9.3.2 发电机转子运动方程发电机转子运动方程 9.3.3 9.3.3 发电机的功率特性发电机的功率特性 9.3.4 9.3.4 电力系统的静态稳定特性电力系统的静态稳定特性 9.3.5 9.3.5 电力系统的暂态稳定特性电力系统的暂态稳定特性2014年5月电力系统基础9.3 电力系统运行的稳定性9.3.1 9.3.1 电力系统稳定性的概念电力系统稳定性的概念稳定性：稳定性：在在受到外界干扰受到外界干扰的情况下发电机组间的情况下发电机组间维持同步维持同步运运 行行的的能力能力。研究电力

20、系统稳定性问题归结为研究当系统受到扰动后的运动规律，从而判断系统是否可能失去稳定及研究提高系统稳定性的措施。电力系统稳定性问题，是一个机械运动过程和电磁暂态过程交织在一起的复杂问题，属于电力系统机电暂态过程的范畴。根据扰动量的大小，可将电力系统稳定性分为静态稳定性和暂态稳定性两大类型。2014年5月电力系统基础 电力系统在运行中时刻受到小的扰动，例如负荷的随机变化、汽轮机蒸汽压力的波动、发电机端电压发生小的偏移等。在小扰动作用下，系统将会偏离运行平衡点，如果这在小扰动作用下，系统将会偏离运行平衡点，如果这种偏离很小，小扰动消失后，系统又重新恢复平衡，则称种偏离很小，小扰动消失后，系统又重新恢复

21、平衡，则称系统是静态稳定的。系统是静态稳定的。如果偏离不断扩大，不能重新恢复原来的平衡状态，则系统不能保持静态稳定。 电力系统运行时还会受到大的扰动，例如，电气元件的投入或切除、输电线路发生短路故障等等。在大扰动作用下，在大扰动作用下，如果系统运行状态的偏离是有限的，且在大扰动结束后又如果系统运行状态的偏离是有限的，且在大扰动结束后又达到了新的平衡，则称系统是暂态稳定的。达到了新的平衡，则称系统是暂态稳定的。如果偏离不断扩大，不能重新恢复平衡，则称系统失去了暂态稳定。9.3 电力系统运行的稳定性电力系统稳定的核心问题是研究旋转电机转子运动状态对于干扰的响应发电机输出的电磁转矩与发电机的电磁特性

22、、转子运动特性、负荷的特性、网络结构等有关9.3 电力系统运行的稳定性9.3.2 9.3.2 发电机转子运动方程发电机转子运动方程2014年5月电力系统基础2014年5月电力系统基础对于简单电力系统（“单机-无限大”系统）当不计各元件的电阻及对地导纳支路时，系统的总电抗为P+jQT1LT2GU&P+jQU&qE&dX1TX/2LX2TX9.3 电力系统运行的稳定性9.3.3 9.3.3 发电机的功率特性发电机的功率特性隐极发电机的纵轴与横轴的同步电抗相等，即Xd=Xq隐极机的功率特性隐极机的功率特性当发电机的电势Eq和受端电压U均为恒定时，传输功率PEq是角度的正弦函数。因为传输功率的大小与相

23、位角密切相关。称为“功角”或“功率角”。传输功率与功角的关系PEq=f()，称为“功角特性”或“功率特性”。9.3 电力系统运行的稳定性2014年5月电力系统基础自动励磁调节器对功率特性的影响自动励磁调节器对功率特性的影响为维持系统电压，一般发电机都装有自动励磁调节器。当发电机输出功率增加、端电压下降时，励磁调节器动作以增大励磁电流，使发电机电势Eq增大，直到端电压恢复或接近恢复到整定值UG0为止。这时，励磁调节器将使Eq随功角增大而增大。用不同的Eq值，作出一组正弦功率特性曲线族，其幅值与Eq成正比，如图所示。一般的比例式励磁调节器并不能完全保持发电机端电压不变。在近似计算中，可以认为它能保

24、持发电机q轴暂态电势Eq不变。9.3 电力系统运行的稳定性2014年5月电力系统基础简单电力系统静态稳定实用判据简单电力系统静态稳定实用判据2014年5月电力系统基础a点运行时，b点运行时，系统系统保持静态稳定的充要条件保持静态稳定的充要条件静态稳定的实用判据静态稳定的实用判据系统处于静态不稳定静态稳定静态不稳定临界点，静态稳定极限9.3 电力系统运行的稳定性9.3.4 9.3.4 电力系统的静态稳定特性电力系统的静态稳定特性2014年5月电力系统基础发电机功率特性曲线的最大值称为功率极限，可通过对发电机功率特性求极值，即令dP/d=0求得。 对无励磁调节器的隐极发电机，功率极限为对有自动励磁

25、调节器的凸极发电机，其功率极限为9.3 电力系统运行的稳定性功率极限与静态稳定储备系数功率极限与静态稳定储备系数从电力系统运行可靠性要求出发，不允许电力系统运行在功率极限附近，否则运行情况稍有变动，系统便会失去稳定。为此，一般要求电力系统有相当的稳定裕度稳定裕度。稳定裕度的大小通常用稳定储备系数表示2014年5月电力系统基础系统的静态稳定储备系数某一运行情况下的输送功率最大功率9.3 电力系统运行的稳定性在正常运行时，要求KP15%20%事故后运行方式下，要求KP10%2014年5月电力系统基础从静态稳定的分析可以看出，提高电力系统的静态稳定性，应着力于提高电力系统的功率极限。 提高发电机电势

26、E 减少系统的总电抗X 采用分裂导线；提高线路额定电压等级；采用串联电容补偿 提高和稳定系统电压 在系统中装设充足的无功电源9.3 电力系统运行的稳定性提高电力系统静态稳定的措施提高电力系统静态稳定的措施2014年5月电力系统基础电力系统的暂态稳定性，是指系统在受到电力系统的暂态稳定性，是指系统在受到大扰动大扰动的情况下，的情况下，系统中各发电机组能否继续保持同步运行的问题。系统中各发电机组能否继续保持同步运行的问题。通常在暂态稳定计算中采用一些近似简化条件： 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的周期分量，这就意味着发电机定、转子绕组的电流、系统的电压及发电机的电磁功率在大扰

27、动的瞬间均可以突变。 在发生不对称故障时，不计零序和负序电流对转子运动的影响，从而在发生不对称故障时可以应用正序等效定则和复合序网。故障时确定正序分量的等值电路与正常运行时的等值电路的不同之处，仅在于在故障处接入由故障类型确定的附加阻抗Z。 在近似计算中，近似考虑发电机电磁暂态过程和自动励磁调节器的作用，认为发电机可保持暂态电势E =C（常数）。 不考虑原动机调速器的作用，假定原动机输入功率保持恒定。 9.3 电力系统运行的稳定性9.3.5 9.3.5 电力系统的暂态稳定特性电力系统的暂态稳定特性2014年5月电力系统基础一般情况下， XIXIII PIIImPIImdX1TXLX2TXUdX1TXLXULX2TXUdX1TXLXLX2TXX(n)9.3 电力系统运行的稳定性2014年5月电力系统基础9.3 电力系统运行的稳定性2014年5月电力系统基础由e、d、f、g围成的面积称为“减速面积”，它既代表转子在减速过程中