第2章电力系统负荷

1、1第二章 电力系统的负荷 2负荷的分类和基本定义分类综合负荷 供电负荷发电负荷3定义综合负荷：电力系统用户用电设备所消耗电功率的总和。供电负荷：综合负荷和电力网功率损耗之和。发电负荷：供电负荷与厂用电之和。综合负荷电力网的功率损耗供电负荷供电负荷厂用电发电负荷发电负荷42.1 负荷的表示方法电力系统的负荷有功负荷（有功功率）无功负荷（无功功率）有功功率的定义？5无功功率的定义？把电能转换为其他能量（机械能、 光能、热能等）并在用电设备中 真实消耗掉的功率。6并不做功，只是用来完成电磁能 量的相互交换所需的功率。为什么存在无功负荷?7一、负荷功率三相负荷PUPIabc8复数功率复数功率*PPPS

2、U IQPSjP0PUPI向量图向量图固定轴-*PI9二、负荷曲线 描述某一段时间内用电负荷大小随时间变化规律的曲线。cosUIP sinUIQ 10年负荷曲线按功率性质有功负荷曲线无功负荷曲线按 时 间日负荷曲线月负荷曲线季负荷曲线负荷曲线的分类11按负荷范围用户负荷曲线地区电网负荷曲线电力系统负荷曲线v 实际中只能得到离散时间的实测 （或估计）值，因此一般用折线法 或阶梯法描绘。12折线法负荷曲线阶梯法负荷曲线（一）日有功负荷曲线13峰谷差峰谷差日用电量日用电量Ad 日最大负荷Pmax和日最小负荷Pmin的差值。日有功负荷曲线所围成的面积。dA241240dkkktPtP日负荷曲线的定义:

3、描述一天24小时内负荷随时间变化规律的曲线。日最大负荷、日最小负荷、峰荷、腰荷和基荷14日平均负荷日平均负荷PavmaxavmPPk负荷率负荷率kmavP24dA241240241d241kkktPtP15v km、值愈小，表明负荷波动愈大，发电机的利用率愈差。km和愈大，负荷特性愈好。采用“削峰填谷”等措施，尽量使得km、趋近于1。最小负荷系数最小负荷系数 maxminPP16日负荷曲线的作用日负荷曲线的作用 安排日发电计划 确定各发电厂的发电任务及系 统的运行方式 计算用户日用电量等17（二）年负荷曲线年最大负荷曲线年持续负荷曲线18年最大负荷曲线的定义年最大负荷曲线的定义描述一年内每月（

4、或每日）最大有功负荷随时间变化情况的曲线。19年最大负荷曲线的作用年最大负荷曲线的作用 制订发电设备的检修计划。检修机组应尽量安排在负荷量小的时段；为新建或扩建电厂的容量提供依据。20年持续负荷曲线的定义年持续负荷曲线的定义按一年内系统负荷数值的大小及其累计小时数顺序由大至小排列而成的曲线。年持续负荷曲线的作用年持续负荷曲线的作用安排发电计划及进行可靠性估计。21计算用户全年的耗电量A87600dtPA22最大负荷利用时间最大负荷利用时间Tmax87600maxd1tPPmaxTmaxPA23表表2-1 各类用户的各类用户的 Tmax Tmax （h） 负荷类型户内照明及生活用电单班制企业用电

5、两班制企业用电三班制企业用电农灌用电2000300015002200300045006000700010001500242 .2 负荷特性与模型 负荷特性的定义反映负荷功率随系统运行参数(电压U或频率f ）的变化而变化规律的曲线或数学表达式。负荷特性静态特性动态特性25 负荷特性的主要研究方法实测法辨识法实测法实测法需要大量的测点，且测点的电压 变化要求大于10。实测中变 化频率也相当困难。26实测法的难度较大，一般不使用这种方法。辨识法辨识法将负荷当成一整体，根据现场采 集的测量数据，确定负荷模型的 结构，然后辨识所采集的数据得 出模型所需参数。27 常用的辩识方法最小二乘法卡尔曼滤波法非线

6、性递归滤波法负荷模型 在电力系统分析计算中对负荷特性 所作的物理模拟或数学描述。28 一、负荷的静态特性反映电压和频率缓慢变化时负荷功率变化的特性。),(PfUFP ),(QfUFQ 29负荷静态特性常用近似模型负荷静态特性常用近似模型电力系统的潮流计算频率稳定、电压稳定分析计算无功优化补偿等分析计算多项式幂函数恒定阻抗负荷静态模型的使用范围负荷静态模型的使用范围30(一)多项式负荷静态特性NNNQNQ2NQNNNNPNP2NPNNN)/d()/d(1)/d()/d(1ffffQQCUUBUUAQQffffPPCUUBUUAPPff负荷的电压特性负荷的频率特性31v负荷静态模型系数的意义AP、

7、BP、CP AQ、BQ、CQ若不计负荷的频率特性32NNNQNQ2NQNNNNPNP2NPNNN)/d()/d(1)/d()/d(1ffffQQCUUBUUAQQffffPPCUUBUUAPPffQNQ2NQNPNP2NPNCUUBUUAQQCUUBUUAPP331-等效恒定阻抗负荷2-等效恒定电流负荷3-等效恒定功率负荷QNQ2NQNPNP2NPNCUUBUUAQQCUUBUUAPP12334思考题？ 当P、Q、U均为额定值时，AP、BP、CP，AQ、BQ、CQ之间的关系如何？ 怎样得到恒定阻抗、恒定电流、恒定功率的负荷特性？35(二)幂函数式负荷静态特性 fUNNNPPffUUPPfUNN

8、NQQffUUQQ电压特性系数频率特性系数36v电压特性系数的物理含义当负荷功率和频率均为额定值时，功率对电压的变化率，即N)/( d)/( dNNUffUUPPPN)/( d)/( dNNUffUUQQQ37v频率特性系数的物理含义当负荷功率和电压均为额定值时，功率对频率的变化率，即N)/( d)/( dNNfUUffPPPN)/( d)/( dNNfUUffQQQ38负荷特性常用幂函数形式表示 因为幂函数式中的幂系数PU、 QU、 Pf、 Qf比多项式中的各系数AP、BP、CP、 AQ、BQ、CQ容易确定。39(三)恒定阻抗式负荷静态特性 RfLRUP222)2( PUQU2 )2()2(

9、)2(222222fLfLRUXfLRUQ由幂函数形式可得40)2 ()2 ()2 ()2 (222222222fLfLRUXfLRUQRfLRUPfUfUNNNNNNQQPPffUUQQffUUPP（1）（2）恒定阻抗幂函数41对于感性阻抗，当系统频率偏差很小时，可得有功、无功频率特性系数分别为fQN)/(d)/(dNNUUffPPfP222)2()2(2fLRfL2sin212cosN)/(d)/(dNNUUffQQ2cos42对于容性阻抗，同理可得2UUQP2cos1fP2cosfQ43恒定阻抗模型最简单，可大大提高 分析计算的速度，但与实际情况的 误差较大。通常只在负荷容量小、端电压波

10、动 不大、精确度要求不高的情况下使 用。44思考题？ 试证明P24的式（2-19）（2-22）45 二、 负荷的动态特性反映电压和频率急剧变化时负荷功率变化的特性。),dd,dd,dd,(pfUtftUfUP),dd,dd,dd,(pfUtftUfUQ46负荷动态特性分析负荷动态特性分析电力系统综合负荷的主要成分是 异步电动机。异步电动机的动态特性机械暂态过程机电暂态过程电磁暂态过程47异步电动机的等值电路UssjXR rjXmmjXR sRrj/()j()j(jrrmmssXsRXRXRXRZ总等值阻抗I48异步电动机的电压方程为 Z IXsRXRXRIUj/()j()j(rrmmss异步电

11、动机从系统吸收的有功功率P和无功功率Q分别为？ 49GURXRURZURIP2222222BUXXRUXZUXIQ2222222等值电纳等值电导50v转差率s00s2-异步电动机转子稳态运行角速度211-异步电动机转子角速度s1511-异步电动机的惯性时间常数2-异步电动机的电磁转矩3-异步电动机的机械转矩v异步电动机的运动方程JTt ddeMmM12352v电磁转矩Me2Ncrcrmax2UUssssMMee2-与Memax对应的临界转差率。 121-U 等于UN时的最大电磁转矩53v机械转矩Mm1-负荷率2-与转速无关的部分力矩,即静止力矩)1)(1 (0sKMm1233-与机械转矩特性有

12、关的系数54若不计静止力矩 0mKM标幺值当转速偏差较小时)(000mm MM12551-异步电动机的稳态机械转矩2-线性化机械转矩特性系数综合负荷动态模型异步电动机负荷模型恒定阻抗负荷模型(其比例可取为总负荷的2535) 562.3 电力系统中的谐波由于负荷的非线性使电压和电流波形产生畸变，出现各种谐波分量，谐波亦称为电力网中的“垃圾”。谐波的含量是衡量电能质量的重要指标之一。57一、主要的谐波参数1、含有谐波的电压和电流11)sin(2)(nnntnUtu11)sin(2)(nnntnIti基波角频率初相角58 已知变化周期为T的电流i（t）的大小，其有效值I如何求得？TttiTI02d)

13、(1ttnItItITInnTd)sin(2)2sin(2)sin(2121021211125921202d)(sin21nnTnIttnIT)(0)dsin()sin(411102nmttmItnITmmnTnv根据三角函数的正交性可知60含有谐波的i（t）和u（t）的有效值只和所含各次谐波的有效值有关，而与它们的相位无关。非正弦周期量的最大值和有效值之间已不存在 的关系122232221nnnIIIIII122232221nnnUUUUUU261 三次谐波初相角与基波相同三次谐波初相角与基波相反622、谐波分析中常用的若干特征量谐波含量谐波含量谐波电压含量 22HnnUU谐波电流含量 22

14、HnnII63 谐波总畸变率谐波总畸变率谐波含量与基波分量的比值的百分数，用THD表示。电压总畸变率 %100THD1HUUU%100THD1HIII电流总畸变率 64 第n次谐波的电压含有率为 %100HR1UUUnn谐波含有率谐波含有率某次谐波的有效值与基波有效值的比值，记为HR。同理，可得第n次谐波的电流含有率。 653、含有谐波时的有功功率和功率因数有功功率有功功率PPTttituT0d)()(1nnnnIUcosnnP166当n在第一、第四象限时，Pn为正， 表示负荷吸收有功功率，为谐波负载。1- n为n次谐波电流落后于n次 谐波电压的相位角。当n在第二、第三象限时，Pn为负， 表示

15、负荷发出有功功率，成为谐波源。67功率因数功率因数SPcos如何计算？vP可能会小于它的基波功率P1， 即用户可以将所吸收的一部分基波功率转化为谐波功率，反馈到电网。68这里的已经不是任何一次谐波电压和电流之间的相位差。含有谐波时的视在功率MnnNnnIUS121269AP-有功电能表的读数（kWh） 实际工程中含有谐波的功率因数如何计算？2Q2PP)()(cosAAA12AQ-无功电能表的读数（kvarh）70二、谐波源电力系统中的非线性负荷大量增加，在电力系统中形成了大量的谐波源。根据负荷的特点，谐波源分类如下： 谐波源含电弧和铁磁非线性设备的谐波源 整流和换流电子器件所形成的谐波源 71

16、含电弧和铁磁非线性设备的 谐波源电弧炉形成的谐波在这类谐波中占有很大的比例。其伏安特性具有高度的非线性，是主要的谐波源。电弧炉和接触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频炉等均属此类非线性电力负荷。72 73典型电弧炉的HRI统计值 1.1谐波 次数h 2 3 4 5 6 7 8 9谐波电流含有率HRI (%) .5.05.83.04.21.21.10.874电气化铁道中的交流单相整流供电机车整流和换流电子器件形成 谐波源直流输电的大容量整流和逆变装置工业中大量使用的变频调速装置冶金、化工、矿山部门大量使用的晶闸管整流电源75谐波电流因集肤效应和邻近效应， 在变压器绕组中引起附加铜耗。谐 波电压可使变压

17、器的磁滞及涡流损 耗增加。 三、谐波的危害谐波使旋转电机附加损耗增加、 出力降低，绝缘老化加速。76在直流电机中，谐波除附加发热外， 还会引起换相恶化和噪音。 谐波电流在三相感应电动机内产生的附加旋转磁场与基波旋转磁场相反时， 将降低电动机的效率，使电动机过热。 77谐波电流与基波磁场间的相互作用产生的振荡力矩严重时使发电机产生机械共振，使汽轮机叶片疲劳损坏。78谐波还使变压器的噪声增大，使绝缘材料中的电场强度增大，缩短变压器的使用寿命。 3次谐波及其倍数的谐波在变压器三角形接法的绕组中形成的环流会使变压器绕组过热。 79谐波电压作用在对频率敏感（频率越 高，电抗越降低）的电容元件上，例 如电容器和电缆等，会使其严重过电 流，导致发热，介质老化，甚至损坏。高次谐波电流会在串联电抗器上形成过高的压降，使电抗器的匝间绝缘受损。 80谐波电流因集肤效应使输电线（包 括电缆）的电阻增大，加大了线路的损耗。谐波电压的存在影响线路的绝缘，使电晕加重。谐波电压、电流对电工仪表的测量正确度产生影响。81供电