电力系统分析(完整版)

1、电力系统与电气自动化电力系统与电气自动化部部 门：生产管理门：生产管理撰写人：郭华伟撰写人：郭华伟2021-12-24生产管理2课程简介 什么是电力系统？ 由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。 什么是电气自动化？ 简单来说由电设备、气动设备组合实现自动运行的组合。2021-12-243课程内容 电力系统的基本概念 电容补偿的目的 设备设计的基本概念 控制部分及移动部分生产管理2021-12-244目录 第一章电力系统的基本概念 第二章电网等值 第三章电力系统潮流计算 第四章电力系统运行方式的调整和控制 第五章电力系统故障分析 第六章电力系统稳定性分析生产管理2021-

2、12-245第一章 电力系统的基本概念 1.1电力系统概述 1.2我国的电力系统 小结生产管理2021-12-2461.1.1电力系统的形成和发展 电磁感应定律 法拉第，1831 世界上第一个完整的电力系统 1882，法国 三相变压器和三相异步电动机1891 直流电力系统和交流电力系统爱迪生和西屋生产管理2021-12-2471.1.2电力系统的组成 电力系统发电厂、输电和配电网络、用户 电网、电力系统和动力系统 一次设备和二次设备生产管理1.1.2电力系统的组成2021-12-248生产管理2021-12-2491.1.3 电力系统的特点和运行的基本要求 电力系统的特点1 电能与国民经济各部

3、门、国防和日常生活之间的关系都很密切2 对电能质量的要求比较严格3 电能不能大量储存4 电力系统中的暂态过程十分迅速 运行的基本要求1 可靠性 可以满足用户的用电需求：不断电，频率、电压、波形 质量符合要求 负荷按供电可靠性要求分为三类2 安全性 保证系统本身设备的安全。 要求电源容量充足，电网结构合理3 经济性%4 减小对环境的不利影响生产管理2021-12-24101.1.4电力系统的基本参量、接线图 衡量电力系统规模的基本参量总装机容量额定有功功率之和年发电量最大负荷最高电压等级 接线图地理接线图、电气接线图生产管理2021-12-24111.1.5电力系统的接线方式和中性点接地方式 接

4、线方式 无备用接线 特点：简单、经济、运行方便灵活。 供电可靠性差，电能质量差 有备用接线 特点：供电可靠，电能质量高 运行操作和继电保护复杂，经济性差 中性点接地方式（小接地方式和大接地方式） 不接地 供电可靠性高，绝缘成本高。 110kv电网生产管理2021-12-24南京理工大学121.2我国的电力系统（1） 4个发展阶段195x：城市电网196x：省网19701990：区域电网1990：区域电网互联 电力系统的规模2004 400GW2010 535GW2020 790GW2021-12-24南京理工大学131.2我国的电力系统（2） 电压等级（KV） 发电机 3.15, 6.3, 1

5、0.5, 15.75, 23.0 用电设备 3,6,10,35,110,220,330,500,750(60,154已不再发展）3 企业内部 6、10配电电压（6用于高压电机负荷）110、220:高压。110：区域网，中小电力系统主干线 220：大电力系统主干线330、500、750:超高压 750:特高压提高输电电压的利弊：减小载流截面和线路电抗，利于提高线路功率极限和稳定性，增加绝缘成本2021-12-24南京理工大学141.2我国的电力系统（3） 电力系统的电压与输电容量和输电距离线路电压(kv)输送容量(MV) 输送距离(km) 6 0.10.241510 0.22.062035 21

6、02050110105050150220100500100300330200800200600500100015002508502021-12-24南京理工大学151.2我国的电力系统（4） 额定电压：发电机、变压器、用电设备等正常运行时最经济的电压 在同一电压等级中，电力系统的各个环节（发电机、变压器、电力线路、用电设备）的额定电压各不相同。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。用电设备的额定电压是其他元件的参考电压。用电设备端压允许在额定电压UN的5%内波动输电线路的额定电压为线路的平均电压 UN(1+5%)+UN(1-5%)/2=UN2021-12-24南京理工大学161.2我国的电

7、力系统（5）发电机的额定电压 UN(1+5%)变压器的额定电压为变压器两侧的额定电压，以变比表示为 k= U1N / U2Nv一次侧直接与发电机相连： U1N = UN(1+5%)35kv 联络（相当于用电设备）： U1N = UNv二次侧相当于发电机空载 U2N = UN(1+5%) 带负载 U2N = UN(1+10%)（内部压降约5%）Us%7.5或直接连负载时U2N = UN(1+5%)2021-12-24南京理工大学17例题 确定图中电力系统各元件的额定电压GMT1T2T3T410kv110kv35kv10kv6kv380vXG:10.5kvT1:10.5/121kv T2:110/

8、38.5/11kv T3:35/6.3kv T4:10kv/400vM: 6kv L:380v2021-12-24南京理工大学181.2我国的电力系统（6） 我国电力工业发展的指导思想 继续续发展煤电厂，提高能源效率，减小环 境污染 加速水力资源的开发利用和水电厂的建设 发展核电技术并适度发展核电厂 开发风力和潮汐等可再生能源 加速建设输、配、变电工程，西电东送，促 进区域电网互联，并最终形成全国电力系统2021-12-24南京理工大学19第一章小结 电力系统由发电机、电网和用户组成，是动力系统的一部分。由于电能不能大量储存、暂态过程迅速，为保证可靠性、安全性和经济性要求，需要合理地对电力系统

9、进行规划、设计、运行调度和故障恢复。 在同一电压等级中，电力系统的各个环节的额定电压各不相同。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。 电力系统分析的任务是建立电力系统的等值模型，计算稳态潮流，并确定故障和扰动对系统的影响。2021-12-24南京理工大学20第二章电网等值 2.1 概述 2.2 输电线路的等值电路 2.3 变压器和电抗器的等值电路 2.4 电力网的等值电路 2.5 标么制 小结2021-12-24南京理工大学212.1 概述 问题：怎样将电力系统用一个电网络来 表示？ 本章计算电力线路和变压器的等值电路 假定系统的三相结构和三相负荷都完全对称，即讨论三相电流和电压的正序分量

10、。2021-12-24南京理工大学222.2 输电线路的等值电路 2.2.1 输电线路的种类架空线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子、金具组成电力电缆包括三部分：导体、绝缘层、保护层 2.2.2 架空线路的等值电路分布参数与集中参数单回线路分裂导线2021-12-24南京理工大学23单回线路的等值电路（1）有效电阻 交流电阻，一般大于直流电阻。 原因：集肤效应和临近效应电力网计算中常采用较大的电阻率。 原因：绞线长度比导线长度大23%， 实际截面小于额定截面， 交流电阻略大于直流电阻。0/rS0/rS0/ (/)rSkm 电阻（20 ）101(20)(/)rrtkm铜0.00382/铝0.0036

11、/ 2021-12-24南京理工大学24单回线路的等值电路（2） 电抗导线流过交流电流时，由于导线的内部和外部交变磁场的作用而产生电抗。循环换位的三相输电线路每相导线单位长度的电抗为402(4.6lg0.5) 10 (/)eqrDxfkmr2021-12-24南京理工大学25单回线路的等值电路（3）vDeq 为三相导线间的互几何间距vr 为导线的计算半径v r 为导线材料的相对导磁系数，有色金属的相对导磁系数为1v第一项为外电抗，第二项为内电抗3123eqDD D D00.1445lg0.0157(/)eqrDxkmr2021-12-24南京理工大学26单回线路的等值电路（4）v导线电抗与r成

12、对数关系。对不同截面的导线，当Deq为常数时，电抗变化不大，工程上常取x0=0.4 /km。00.1445lg(/)eqsDxkmDvDs为导线的自几何均距非铁磁材料单股线Ds=0.779r 非铁磁材料多股线Ds=0.7240.771r 钢芯铝线Ds=0.770.9r,计算中常取0.81r2021-12-24南京理工大学27单回线路的等值电路（5） 电纳由导线间的电容和导线与大地间的电容决定。电容电纳电缆线路的电纳比架空线路大得多600.02410 (/)lg/eqcF kmDr607.5810 ( /)lg/eqbS kmDr2021-12-24南京理工大学28单回线路的等值电路（6） 电导

13、反映由电晕现象和绝缘子泄露引起的有功功率损耗电晕：导线周围的电场强度超过2.1kv/cm时，导线周围会发生空气电离现象，产生光环，发出放电声。危害：消耗电能、干扰通信、表面腐蚀电晕产生的有功功率损耗称为电晕损耗。110kv以上线路与电压有关的有功功率损耗主要由电晕损耗引起。2021-12-24南京理工大学29单回线路的等值电路（7） 架空线路产生电晕的临界线电压 ， m1 : 导线表面光滑系数。单股线=1，对绞线=0.830.87 m2：气象系数。干燥晴朗=1，恶劣天气=0.8 ： 空气相对密度 b ： 大气压力（Pa）(一个大气压为101325帕) ： 空气温度（） 1249.3lgeqcr

14、DUm mrr3.92 b=1333.22 (273+ )2021-12-24南京理工大学30单回线路的等值电路（8） 关于电晕损耗的测量和计算是高电压技术讨论的内容。 输电线路电晕损耗（包括泄漏损耗）对应的电导为20( /)gPgS kmU2021-12-24南京理工大学31单回线路的等值电路（8） 线路方程及等值电路线路每相的等值参数是沿线路均匀分布的。1U2UlxdxxIxU1z dx1y dxxxId IxxUdU111zrjx111ygjb2021-12-24南京理工大学32单回线路的等值电路（9） 距离线路末端x处，压降和电流增量为11xxxxdIU ydxdUI zdx11/xx

15、xxdI dx U ydU dx I z221 1221 1/xxxxd I dxzy Id U dxzyU2222sinhcoshcoshsinhxxcUIxIxZcUUxI Zx2021-12-24南京理工大学33单回线路的等值电路（10） 线路的传播系数实部反映行波振幅的衰减特性，虚部反映行波相位的变化特性 线路的特征阻抗（也称波阻抗）11/( )cZzy11jz y2021-12-24南京理工大学34单回线路的等值电路（11） 无损线路的自然功率自然功率用来衡量线路的输电能力，一般20kv以上线路的输电能力大致接近自然功率 行波波长波长时（1500km），两端相位差9022ecUPZ1

16、1112216000kmLCfLC2021-12-24南京理工大学35单回线路的等值电路（12） 线路的 型等值电路x=l 时，1U2U z1212coshsinh1sinhcoshclZlUUllIIZc2Y2Y1U2U2Y2Y2021-12-24南京理工大学36单回线路的等值电路（13） Z=Z1l， Y=Y1lsinhtanh22lZZllYYl2021-12-24南京理工大学37单回线路的等值电路（14） 等值电路 短线路（35kv,100km的架空线路、短电缆线路） 中等长度线路（ 110330kv,100300km架空线路、330kv, 300km架空线路、100km电缆线路）1U

17、2U1U2U2bBjKrxK RjK X2bBjK2112211111211131()6112rxblKx br blKx bxlKx b2021-12-24南京理工大学39分裂导线 采用分裂导线可增加导线的等值半径 电阻减小 电抗减小 电导减小00/brrn00.01570.1445lg0.1445lg( /)eqeqreqsbDDxkmrnD112131neqndd dd20( /)gPgS kmU1nnsbseqDD d2021-12-24南京理工大学40分裂导线 电纳增大 电晕临界电压增大1249.3lgeqcrneqDUm mrfr12(1)sinnnfrndn607.5810 (

18、/)lg/eqeqbS kmDr1nneqeqrrd2021-12-24南京理工大学412.3 变压器和电抗器的等值电路 双绕组三相变压器等值电路参数归算到变压器的一侧，用哪一侧的额定电压，结果就归算到哪一侧2220022%1000100%1000100kNkNTTNNNTTNNPUUURXSSPISGBUU2021-12-24南京理工大学422.3 变压器和电抗器的等值电路 三绕组三相变压器用等值的Y/Y接线来分析，并用一相等值电路来反映三相运行情况额定容量比有三类：100/100/100， 100/100/50， 100/50/100各绕组的容量比按电压从高到低排列。三绕组变压器的容量指容

19、量最大的绕组的容量。其他绕组的容量是相对于该绕组的容量而言。2021-12-24南京理工大学432.3 变压器和电抗器的等值电路 电阻额定容量比为100/100/100时1(1 2)(1 3)(2 3)2(1 2)(2 3)(1 2)3(1 3)(2 3)(1 2)()/2()/2()/2kkkkkkkkkkkkPPPPPPPPPPPP222123123222,100010001000KNKNKNTTTNNNP UP UP URRRSSS2021-12-24南京理工大学442.3 变压器和电抗器的等值电路v上述的Pk与额定容量相对应。额定容量比为100/100/50，100/50/100时，厂

20、方给出的各绕组间铜耗指容量较小的绕组达到本身的额定电流时的损耗，需归算到额定容量下。2021-12-24南京理工大学452.3 变压器和电抗器的等值电路v额定容量比为 100/50/100 100/100/50(1 2)(1 2)22(2 3)(2 3)321(3 1)(3 1)3()()KKNKKNNKKNPPSPPSSPPS21(1 2)(1 2)222(2 3)(2 3)3(3 1)(3 1)()()NKKNNKKNKKSPPSSPPSPP2021-12-24南京理工大学462.3 变压器和电抗器的等值电路 电抗（厂方一般提供已折算数据）1(1 2)(1 3)(2 3)2(1 2)(2

21、3)(1 2)3(1 3)(2 3)(1 2)%(%)/2%(%)/2%(%)/2kkkkkkkkkkkkUUUUUUUUUUUU222123123%,100100100KNKNKNTTTNNNUUUUUUXXXSSS2021-12-24南京理工大学472.3 变压器和电抗器的等值电路 励磁支路导纳0022%1000100NTTNNPISGBUU2021-12-24南京理工大学482.3 变压器和电抗器的等值电路 双绕阻单相变压器铭牌给出的容量、损耗 都是一相的数值，计算参数时，要乘以3，UN仍用线电压。 三绕阻单相变压器与双绕阻单相变压器一样，SN ,PK，P0都乘以3，UN仍用线电压。20

22、21-12-24南京理工大学492.3 变压器和电抗器的等值电路 自耦变压器等值电路与三绕阻变压器相同。第三绕阻容量较小，一般短路数据未经折算。(1 2)(1 2)2(2 3)(2 3)32(3 1)(3 1)3()()KKNKKNNKKNPPSPPSSPPS(1 2)(1 2)(2 3)(2 3)3(3 1)(3 1)3%()%()%KKNKKNNKKNUUSUUSSUUS2021-12-24南京理工大学502.3 变压器和电抗器的等值电路 电抗器3%100100%1003rNRrrrNrNrRrNIXXXUUXXI2021-12-24南京理工大学512.4 电力网的等值电路 基本级多电压级

23、网中各元件处于不同的电压等级，元件参数在所处电压等级求得，需归算到同一个电压等级称为基本级K:向基本级一侧的电压/待归算一侧的电压2212122212121212()()/()/()()/()RR K KXX K KGGK KBBK KUU K KIIK K2021-12-24南京理工大学522.5 标么制 有名制与标么制标么值=有名值/基准值 基准值线电压和三相功率相电压和单相功率3333ppUZIUSUIS.333331/BBBB Bp B BpBB BpBBSU IUISUZ IUZY2021-12-24南京理工大学53第二章小结 电力线路电阻、电抗、电导、电纳的物理意义和计算方法。 线

24、路电晕临界电晕电压的计算方法 变压器等值电路参数的计算方法。 多电压级网络参数和变量的归算方法 标么值的定义和计算方法2021-12-24南京理工大学54第三章电力系统潮流计算 3.1电力网的电压降落和功率损耗 3.2输电线路的运行特性 3.3简单网络的潮流计算 3.4 电力系统潮流的计算机算法 小结2021-12-24南京理工大学553.1电力网的电压降落和功率损耗3.1.1 电压降落元件两端电压的相量差。U1=U2+dU2 U2=U1-dU1222222222P RQ XP XQ RdUjUUUU 111111111PRQ XPXQ RdUjUUUU 纵分量和横分量2021-12-24南京

25、理工大学563.1电力网的电压降落和功率损耗 电压损耗 两端电压的数值差电压偏移 实际电压余额定电压之差(百分比)电压调整 线路末端空载电压与负载电压之差 功率损耗阻抗支路对地支路 线路 变压器222222ZPQPQSRjXUU22111122YLSGUjBU22YTTTSG UjB U2021-12-24南京理工大学573.2输电线路的运行特性 空载运行特性忽略电阻和电导时线路末端电压高于始端电压 输电线路的传输功率极限1222BXUUU2222222P RQ XP XQ RdUjUU2021-12-24南京理工大学583.2输电线路的运行特性因为没有有功功率损耗没有有功功率损耗，所以线路输

26、送的有功功率无功功率（忽略第一式的横分量）22122211cossinQ XP XUUjUUUjU1212sinU UPPX1222()UU UQX2021-12-24南京理工大学593.2输电线路的运行特性 提高线路输送能力的途径提高线路的电压等级v代价大减小线路的电抗v分裂导线v串联电抗器2021-12-24南京理工大学603.3简单网络的潮流计算 辐射型网络例 简单环形网络循环功率的计算例2021-12-24南京理工大学613.4电力系统潮流的计算机算法 3.4.1 网络方程式节点电压方程：方程个数少于回路个数节点类型： PQ,PV,平衡节点节点导纳矩阵：n节点系统 nxn矩阵功率平衡方

27、程：求有功、无功功率偏差牛顿-拉夫森法：在解附近二次收敛修正方程： 求节点电 压修正量2021-12-24南京理工大学62第三章小结 本章的重点内容为 电压降落、电压损耗、电压偏移、电压调整、运算负荷功率、运算电源功率等概念 电力线路和变压器中电压降落和功率损耗的计算 辐射型网和简单环网的潮流分布计算 牛顿-拉夫森法计算复杂电力系统潮流2021-12-24南京理工大学63第四章 电力系统运行方式的调整和控制 4.1电力系统有功功率和频率调整 4.2电力系统无功功率和电压调整 小结2021-12-24南京理工大学644.1电力系统有功功率和频率调整 有功功率和频率调整的基本概念 电力系统的频率特

28、性 电力系统的频率调整 各类发电厂的合理组合 电力系统有功功率的经济分配2021-12-24南京理工大学654.1.1有功功率和频率调整的基本概念 频率变化对电力系统的影响 频率与有功功率平衡 有功负荷的变化及其调整 备用容量2021-12-24南京理工大学664.1.2电力系统的频率特性 负荷的P-f静态特性 发电机组的P-f静态特性 电力系统的P-f静态特性2021-12-24南京理工大学674.1.3电力系统的频率调整 频率的一次调整 频率的二次调整 互联系统的频率调整2021-12-24南京理工大学684.1.4各类发电厂的合理组合 各类发电厂的特点 各类发电厂在日负荷曲线上的负荷分配

29、2021-12-24南京理工大学694.1.5电力系统有功功率的经济分配 发电机组的耗量特性 经济分配的目标函数和约束条件 等微增量准则 多个发电厂间的负荷经济分配 一个火电厂和一个水电厂间的有功负荷最优分配2021-12-24南京理工大学704.2电力系统无功功率和电压调整 电压调整的必要性 电力系统的无功功率平衡 电力系统的电压管理与调整 电力系统综合调压 电力系统无功功率的最优分配2021-12-24南京理工大学714.2.1电压调整的必要性 额定电压2021-12-24南京理工大学724.2.2电力系统的无功功率平衡 电压水平取决于无功功率的平衡 无功功率负荷和无功功率损耗 无功功率电

30、源 无功功率平衡 无功平衡与电压水平2021-12-24南京理工大学734.2.3电力系统的电压管理与调整 电力系统允许的电压偏移 中枢点的电压管理 电力系统的电压调整2021-12-24南京理工大学744.2.3电力系统的电压调整 改变发电机端电压调压 变压器调压固定变比变压器有载调压变压器加压调压变压器 无功功率补偿调压并联补偿串联补偿2021-12-24南京理工大学754.2.4电力系统综合调压2021-12-24南京理工大学764.2.5电力系统无功功率的最优分配2021-12-24南京理工大学77第四章小结2021-12-24南京理工大学78第五章电力系统故障分析 故障类型：简单故障

31、/复合故障 短路故障/断路故障 5.1电力系统短路的基本知识 5.2电力系统对称故障分析 5.3电力系统不对称故障分析 小结第五章电力系统故障分析2021-12-24南京理工大学795.1电力系统短路的基本知识 5.1.1短路短路的类型短路的主要原因短路的危害 5.1.2计算短路电流的目的选择电器设备，继电保护的设计和整定比较和选择系统主接线图确定限制短路电流的措施2021-12-24南京理工大学805.2电力系统对称故障分析 5.2.1恒定电势源电路的三相短路暂态过程v三项短路时，只有周期分量是对称的，各项短路电流的非周期分量不等。非周期分量为最大值或零值的情况只可能在一相出现。非非周期电流

32、越大，短路电流最大瞬时值越周期电流越大，短路电流最大瞬时值越大大。v非周期电流有最大初值的条件：Im-Ipm在t=0时与t轴平行，且有最大可能值。2021-12-24南京理工大学815.2电力系统对称故障分析短路冲击电流：短路电流的最大可能瞬时值，用于检验电器设备的电动力稳定度。v短路后回路阻抗角一般约90度，因此非周期电流有最大初值的条件为：空载，合闸角为0。概念：冲击系数v短路电流有效值和最大有效值用于检验电气设备的断流能力和耐力强度v短路容量：用于检验开关的切断能力。常只用电流的周期分量来计算，是一个求解稳态正弦交流电路的问题。2021-12-24南京理工大学825.2电力系统对称故障分析 5.2.2同步电机的三相短路同步电机的基本方程v理想发电机v电势方程和磁链方程:派克方程无阻尼绕阻同步电机的三相短路v暂态电抗和暂态电势有阻尼绕阻同步电机的三相短路v次暂态电抗和次暂态电势2021-12-24南京理工大学835.2电力系统对称故障分析 5.2.3三相短路的实用计算基本假设常用变换起始次暂态电流和冲击电流的计算短路电流周期分量的