电气工程基础

1、电气工程基础汇总1.1.1 电力系统的定义一次能源(primary energy)：自然界提供的动力资源，包括煤炭、石油、天然气(统称为化石燃料fossil fuel)，水能，风能，太阳能，地热能，潮汐能等。二次能源：由一次能源转换得到易于传输和使用的能源，最典型的就是电能。发电厂(power plants/power stations)：将不同种类的一次能源转换为电能的工厂。电力网(electrical power network/electrical power system)：将电能从发电厂输送到用电侧的网络，包括变压器和输电线路。由变电站和不同电压等级输电线路组成的网络称为电力网。电力

2、系统(electrical power system/power system)：由发电厂内的发电机、电力网和用电设备按照一定的规律连接组成的统一整体称为电力系统。动力系统：电力系统加上发电厂内的动力部分统称为动力系统。1.1.1 电力系统的定义电力网电力系统动力系统1.1.2 电力系统的组成 电力系统就是由各种电压等级的输电线路将发电机，变电站和用户连接成为一体的系统，完成发、输、变、配、用的完整过程 发电 power generation 输电 power transmission 变电 power transformation 配电 power distribution 用电 power

3、 utility1.1.2 电力系统的组成 电力网根据电压等级可以分为： 输电网(power grid/transmission network)：整个电力网中输电电压等级最高的部分，在我国是330kV500kV，输电距离超过300km。这部分电网将位于偏远能源产地的发电厂产生的电能输送到用电负荷中心，并作为不同的大区电网和省网之间的联络线。输电网加上发电机称为bulk power system(发输电系统)。 地区电网(subtransmission network)：输电电压等级在我国是110kV220kV，输电线路距离在50km以上，连接发电厂并向用户负荷中心供电。 配电网(distri

4、bution network)：在我国电压等级在10kV35kV，输电距离50km以内，用于从终端变电站向工业用户、商业、民用和农村用电负荷直接供电的部分。1.1.2 电力系统的组成 变电站根据电压等级和作用可分为： 枢纽变电站：一般高压500kV/330kV，中压220kV，低压110kV。处于联系电力系统各部分的中枢位置，地位重要，容量大，一旦出现故障，会产生很严重的影响。 中间变电站：一般高压220kV，中压110kV，低压35kV。将发电厂，枢纽变电站和负荷中心联系起来，处于电源和负荷的中心位置，一般110kV或35kV侧可以直接向较大的工业用户供电。 终端变电站(local subs

5、tation)：一般高压110kV，中压35kV，低压10kV。通常是降压变电站，将110kV进线功率降压到35kV供工业用户，降压到10kV供商业/民用用户。1.1.3 电力系统的特点4个 电能不能大量存储，生产和消费过程同时完成 供需不平衡就会产生系统稳定的破坏 有功需求不平衡导致频率波动频率、有功全网统一调整 无功需求不平衡导致电压波动电压、无功就地平衡 过渡过程十分短暂 机电暂态过程不超过秒级，必须依靠高度自动化的监测、控制、保护与自动装置保证电力系统的安全稳定运行1.1.3 电力系统的特点 电力系统有较强的地区性特点 能源集中分布在偏远地区；负荷中心集中在城市 西电东送，北煤南送 水

6、火协调 与国民经济关系密切 经济发展，电力先行 电力发展滞后造成大面积停电，工厂不得不停工或错峰运行1.1.5 联合电力系统的优势 合理利用资源，协调不同一次能源的发电容量 水电跨流域调度 水火协调 可以采用大容量发电机组，提高机组运行效益 系统故障或供需不平衡条件下，区域间可以相互提供支援 减少总备用容量 提高整个电网的供电可靠性和安全稳定性 是不是越大越好？ 复杂的机电磁耦合，过大的电力系统会产生无法控制的振荡 电网越大，发生联锁停电事故波及范围越广，事故影响越严重 多大合适？热力网热力网水水库库23kV锅锅炉炉10kV35kV工业用户工业用户220/380V居民用户居民用户反反应应堆堆2

7、3kV220kV110kV500kV枢纽变电站地区电网中间变电站配电网终端变电站输电网10kV杆上变压器1.2.1 火力发电厂 火力发电厂的分类 朗肯(Rankine)循环做功流体依次汽化、液化 布雷顿(Brayton)循环做功流体始终保持气态 1.2.1 火力发电厂 特点 一次性投资比较少，建设周期短，见效快。 可以靠近负荷中心，减少电能的大容量、远距离传输，增强电网的稳定性。 运行费用高：耗煤量大，设备繁多，控制操作复杂，厂用电和运行人员都比较多。 最优单机容量600MW左右，小型火电机组很不经济。 由于锅炉本身的物理限制，火电机组爬坡速率有限，从停机到开机到带满负荷要8个小时以上，开停机

8、成本高，适宜带基本负荷。 做调峰、调频电厂会增加损耗，降低效率，而且增加设备故障率。 对环境还是有一定影响1.2.2 水力发电厂 特点 生产过程简单，设备少，可以实现高度自动化。 启停迅速，发电出力调节快速，开机到带满负荷不超过1分钟，极其适合提供调峰、调频。 运行费用低。 抽水蓄能电厂是目前唯一的可以大规模存储电能的实用方法。 大型水电工程通常远离负荷中心，需要高电压、大容量、远距离送电，会带来电网稳定运行方面的问题。 土建规模大，建设费用高昂，建设周期长。 发电量受水流条件影响很大。丰水期为避免弃水，一般宜带基荷，不宜做调峰调频使用；枯水期发电量不到丰水期的30%。 环境问题 未来水电如何

9、发展？ 我国的水电厂多了吗？1.2.6 储能技术 常见储能技术 抽水蓄能 压缩空气储能 飞轮储能 化学储能蓄电池 铅酸电池、镍氢电池、锂电池 氢气储能 超导磁体储能 超级电容器 可再生能源基本上都是间断性能源，功率输出不稳定，必须和储能技术配合，因此可再生能源发电的发展大大促进了储能技术的发展。1.2.6 储能技术 常见储能技术的比较 不同的应用场景适合不同的储能方案 长时间，大容量：抽水蓄能、压缩空气适合于大电网 长时间，中等容量：氢气储能，铅酸电池适合于分布式发电、中低压电网 短时间，大容量：飞轮，超导磁体，超级电容器适合于分布式发电、中低压电网 短时间，小容量：镍氢电池、锂电池适合于便携

10、、小功率应用，也许会被超级电容取代 放开思路，还有其它储能方法： 储热：家庭中可以通过热水器，热泵等设备储热；前面讲过太阳能热电厂中通过熔融硝酸盐作为介质储热 相变储能 1.3.2 负荷曲线日负荷曲线1.3.2 负荷曲线 年负荷曲线 年持续负荷曲线 横坐标范围是8760小时。将1年内系统负荷的数值大小从大到小按照其持续小时数依次排列 安排发电生产计划的重要依据 确定发电报价策略的重要依据1.4.3 波形质量指标 谐波 正弦的电流流经非线性电路时会产生非正弦的电压 电力电子设备会产生谐波电流，成为电网中的谐波电流注入源 电流和电压的谐波畸变会产生无功功率，降低功率因数，增大系统损耗并影响电气设备

11、的正常运行 什么是谐波？ 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍1.3.1 负荷的分类 按供电可靠性分类 一类用户 绝不允许出现供电中断 2路以上独立电源，自身备用电源 二类用户 尽量保证供电连续性 2路以上电源 三类用户 允许短时停电 单路电源1.5.2 电力系统电压等级 高压电压等级 6、10、35、（60）、110、（154）、220、330和500KV 制定电压等级的基本假设 用电设备的容许电压偏移一般为5% 沿线路的电压降落一般为10% 在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%1.5.2 电力系统电压等级 根据以上假设规定电压等级 线路额定电压就是电压等级规定的

12、额定电压UN 用电设备额定电压为线路额定电压UN 发电机额定电压为线路额定电压的105%UN 变压器额定电压 一次侧(算用电设备) 额定电压等于用电设备额定电压UN 直连发电机的升压变等于发电机的额定电压1.05 UN 二次侧(算电源1.05UN ，加变压器内耗5%) 额定电压等于用电设备额定电压的110% UN1.5.2 电力系统电压等级示例：1.6.1 接地的概念 如何实现工作接地 ？ 电气设备（电力变压器、电压互感器或发电机）的中性点接地 又称为电力系统中性点接地。 电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。 中性点接地方式的分类非直接接地系统直接接地系统大电流接地系统大电流接

13、地系统小电流接地系统小电流接地系统中性点直接接地中性点直接接地经小阻抗接地经小阻抗接地中性点不接地中性点不接地经消弧线圈接地经消弧线圈接地1.6.2 小电流接地系统 中性点经消弧线圈接地补偿方式 全补偿 IL=IC，电容电流全部被补偿，接地点电流为零 电网将产生串联谐振，中性点电压可能会达到很高的数值，不能采用 欠补偿 ILIC，补偿后的残余电流呈电感性1.4.2 频率质量指标 我国规定的电网标准频率为50Hz 频率的波动对电动机等设备会造成严重影响，频率过低会导致频率崩溃，引起电网瓦解 规定限值 大容量系统允许频率偏差0.2Hz 中小容量系统允许频率偏差0.5Hz1.5.1 电力系统接线方式

14、 输电网接线方式双端电源输电线路并架双回线1.5.1 电力系统接线方式 输电网接线方式环网结构本章小结 电力系统的组成 电力系统：发、输、变、配、用(牢记) 电网：输电网、地区电网、配电网(牢记) 变电站：枢纽、中间、终端 发电生产过程 3种电厂的发电生产过程和各自的优缺点(熟悉，尤其是水电、火电) 负荷 3类负荷 日负荷曲线、年负荷曲线的作用 电能质量指标 电压、频率允许的波动范围(牢记)电压等级的规定(牢记)1.6.4 中性点接地方式的确定2.1.2 架空线路 架空线路的换位ABCAAABBBCCC目的在于减少三相参数不平衡目的在于减少三相参数不平衡 整换位循环：指一定长度内有两次换位而三

15、相导线整换位循环：指一定长度内有两次换位而三相导线都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。 滚式换位滚式换位 换位方式换位方式 换位杆塔换位换位杆塔换位2.2.1 架空线路的等值参数 有哪些参数？ 电阻：反映线路通过电流产生的有功功率损失效应 电抗：反映载流导线周围产生的磁场效应 电导：反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流以及导线附近空气游离产生的有功功率损失 电纳：反映带电导线周围的电场效应假定每单位长度的电阻为假定每单位长度的电阻为r1(/km)，电抗为，电抗为x1 (/km)，电导为，电导为g1 (S/km)，电纳为，电纳为b1 (S/km

16、)，则长度为，则长度为l的架空线路参数为：的架空线路参数为：lrR1lxX1lgG1lbB1() () (S) (S) 2.1.2 架空线路 架空线路 导线：主要由铝、钢、铜等材料制成 避雷线：一般用钢线例如：LGJ400/50表示载流额定截面积为400mm2、钢线额定截面积为50mm2的普通钢芯铝线。 架空线路的标号： 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *2.1.2 架空线路 导线为增加架空线路的性能而采取的措施 目的：减少电晕损耗或线路电抗 多股线 其安排的规律为：中心一股芯线，由内到外，第一层为6股，第二层为12股，第三层为18股，以此类推 扩径导线 人为扩大导线直径，但不增加

17、载流部分截面积。不同之处在于支撑层仅有6股，起支撑作用 分裂导线 将每相导线分成若干根，相互间保持一定的距离2.1.2 架空线路 杆塔 按用途分 直线杆塔 耐张杆塔 终端杆塔 转角杆塔 换位杆塔 按材质分 钢筋混凝土杆(水泥杆) 铁塔2.2.1 架空线路的等值参数 电阻Sr1导线材料的电阻率导线材料的电阻率(mm2/km)S导线的截面积导线的截面积(mm2)铝铝=31.5(mm2/km)；铜；铜=18.8(mm2/km)考虑随温度的变化考虑随温度的变化)20(1 20trrt电阻的温度系数，铝电阻的温度系数，铝0.0036(1/)，铜，铜0.00382(1/) 电气工程基础课件电气工程基础课件

18、 page *2.3.1 变压器的等值参数 变比：变比k指原方、副方空载线电压的比值Y/Y型和型和/型接法的变压器型接法的变压器21wwk Y/型接法的变压器型接法的变压器213wwk 变压器在高压侧一般有多个分接头变压器在高压侧一般有多个分接头：变压器的实际运行变比，是两侧绕组实际工作抽头的变压器的实际运行变比，是两侧绕组实际工作抽头的空载线电压之比空载线电压之比2.2.1 架空线路的等值参数 电抗三相线路，每相导线有自感，导线之间有互感。三相线路，每相导线有自感，导线之间有互感。假设三相线路对称排列，或经过完全换位，单位长度的电抗为：假设三相线路对称排列，或经过完全换位，单位长度的电抗为：

19、)/( 0157. 0lg1445. 01kmrDxge近似计算：近似计算：x1=0.4/km3bcacabgeDDDD三相对称排列三相对称排列 : Dge=D三相水平排列三相水平排列 : Dge=1.26D2.2.1 架空线路的等值参数 电抗分裂导线：分裂导线：近似计算：近似计算：2分裂导线分裂导线 x1=0.33/km；3分裂导线分裂导线 x1=0.30/km；4分裂导线分裂导线 x1=0.28/km)/( 0157. 0lg1445. 01kmmrDxeqgemkmkeqdrr12正常运行时不允许产生正常运行时不允许产生电晕，计算中电导总是电晕，计算中电导总是取取0，即，即g=02.2.

20、1 架空线路的等值参数 电纳三相导线之间以及相与地之间具有分布电容三相导线之间以及相与地之间具有分布电容当线路上有电压时，这些分布电容形成电纳当线路上有电压时，这些分布电容形成电纳(S/km) 10lg58. 72611eqgerDfCb2.2.2 等值电路100300km之间的输电线路采用之间的输电线路采用型等值电型等值电路路100km以下线路可忽略线路电纳。以下线路可忽略线路电纳。300km以上线路用多个以上线路用多个型等值电路串联等值。型等值电路串联等值。2.3.1 变压器的等值参数电力系统中变压器大部分是三相变压器，计算时采用单相等值电力系统中变压器大部分是三相变压器，计算时采用单相等

21、值电路。双绕组变压器采用电路。双绕组变压器采用型等值电路表示：型等值电路表示：l电阻表示电流流过变压器原方、副方绕组产生的有功损耗电阻表示电流流过变压器原方、副方绕组产生的有功损耗(铜损铜损)，铭牌上，铭牌上通过短路损耗通过短路损耗Ps(Pk)表示表示;l电抗表示变压器自感、绕组互感当电流流过时产生的电压降，铭牌上通电抗表示变压器自感、绕组互感当电流流过时产生的电压降，铭牌上通过短路电压百分比过短路电压百分比Us%(uk%)表示表示;l电导表示激磁电流流过变压器铁芯产生的有功损耗电导表示激磁电流流过变压器铁芯产生的有功损耗(铁损铁损)，铭牌上通过空，铭牌上通过空载损耗载损耗P0表示。表示。l电

22、纳表示变压器的激磁无功功率，铭牌上通过空载电流值电纳表示变压器的激磁无功功率，铭牌上通过空载电流值I0%表示。表示。2.3.4 变压器的型等值电路 双绕组变压器实际电力系统计算中，必须同时计入变压器的变比：实际电力系统计算中，必须同时计入变压器的变比：忽略激磁支路：忽略激磁支路： 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *2.3.4 变压器的型等值电路 双绕组变压器kIIUkZIUT2121122122111) 1()()()1 (UkkUUkYIUUkYUYkITTT阻抗归算到一次侧的等值电路：阻抗归算到一次侧的等值电路：2.3.4 变压器的型等值电路 双绕组变压器如果阻抗归算到二次侧：

23、如果阻抗归算到二次侧：对应等值电路为对应等值电路为:2.3.1 变压器的等值参数 电阻)( 10322NNSTSUPRlPS是短路损耗，单位是短路损耗，单位kW；UN是额定电压，单位是额定电压，单位kV；SN是变压器额定容是变压器额定容量，单位量，单位kVA。l若若UN取一次侧额定电压，取一次侧额定电压，RT归算到一次侧；归算到一次侧；l若若UN取二次侧额定电压，取二次侧额定电压，RT归算到二次侧。归算到二次侧。n电抗电抗)( 10100%32NNSTSUUXn电导电导n电纳电纳)( 10320SUPGNT)( 10100%320SUSIBNNT2.3.2 三绕组变压器的参数型等值电路：型等值

24、电路：2.3.2 三绕组变压器的参数 电阻铭牌上给定短路损耗铭牌上给定短路损耗:一个绕组开路时，另一个绕组开路时，另2个绕组的短路损耗个绕组的短路损耗Ps1-2，Ps2-3，Ps3-1131332322121sssssssssPPPPPPPPP211332313322123213211212121ssssssssssssPPPPPPPPPPPP每个绕组的电阻：每个绕组的电阻：)( 10)( 10)( 10322333222232211NNSTNNSTNNSTSUPRSUPRSUPR2.3.2 三绕组变压器的参数 电阻三绕组变压器三个绕组的额定容量可能不等，按规定有三绕组变压器三个绕组的额定容量

25、可能不等，按规定有100/100/100，100/50/100,100/100/50(高高/中中/低压低压)三种。铭牌上的额定容量是高压绕组的容三种。铭牌上的额定容量是高压绕组的容量。后量。后2种情况下，铭牌上的短路损耗还要先进行一次折算。种情况下，铭牌上的短路损耗还要先进行一次折算。132131332232322122121450100450100100100sssssssssPPPPPPPPP132131332232322122121100100450100450100sssssssssPPPPPPPPP容量比为容量比为100/100/50，折算公式：折算公式：容量比为容量比为100/50

26、/100，折算公式：折算公式：假设高压绕组为编号假设高压绕组为编号1，2.3.2 三绕组变压器的参数 电抗电抗计算过程与电阻相同：电抗计算过程与电阻相同：计算电抗不需要容量比折算计算电抗不需要容量比折算(Us%是相对值，铭牌数据已折算是相对值，铭牌数据已折算)实际变压器中，排列在铁芯中间的绕组电抗值会比较小，或实际变压器中，排列在铁芯中间的绕组电抗值会比较小，或者是负值。者是负值。%21%21%21%213231321322123231211ssssssssssssUUUUUUUUUUUU)( 10100%)( 10100%)( 10100%322333222232211NNsTNNsTNNs

27、TSUUXSUUXSUUXn其它参数其它参数电导、电纳、变比和双绕组相同电导、电纳、变比和双绕组相同2.3.4 变压器的型等值电路 三绕组变压器2.4 发电机的等值参数发电机采用带有一定内阻抗的电压源表示，等值电路为：发电机采用带有一定内阻抗的电压源表示，等值电路为：2.6.1 标幺制的概念 幺就是1，标幺就是以1为基准(per unit) 基准值有名值标幺值 2.6.2 基准值的选择 选择额定值作为基准值 电力系统的电气量：电压、电流、功率、阻抗 4个量中只要设置2个基准值 推算另外2个基准值 按照习惯：选定电压UB和功率的基准值SBBBBBBBBSUIUUSI2B3 Z3这样选择基准值，三

28、相电路中计算功率、阻抗时就不用再考虑这样选择基准值，三相电路中计算功率、阻抗时就不用再考虑 的系数的系数 32.6.3 不同基准值下电气量的换算以变压器为例，变压器的以变压器为例，变压器的US%实际上就是以变压器额定容量实际上就是以变压器额定容量SN和额定电压和额定电压UN为基准值的电抗标幺值，假设要把该电抗值换算为基准值的电抗标幺值，假设要把该电抗值换算到全网统一的基准电压到全网统一的基准电压UB和基准容量和基准容量SB下，应该如何换算？下，应该如何换算？先算成有名值：先算成有名值：NNSNSSUuZu2T100%100%X(UN单位单位kV，SN单位单位MVA)再换算成新基准值下的标幺值再

29、换算成新基准值下的标幺值222T*100%XBBNNSBBTBTUSSUuUSXZX同类除以同类2.6.4 多级电压电网中电气元件标幺值的计算 基准容量全网统一取值，一般是100MVA 近似计算法 每个电压等级取本等级的平均电压作为基准值 按我国规定，平均电压取额定电压的1.05倍，忽略变压器的变比2.6.5 标幺制的优缺点 优点 直观：所有电气量都以额定值为基准，正常值都应该在1左右浮动，很容易判别运行参数是否偏高或偏低 例题见课本P169页注意：最终计算结果必须换算为有名值有名值 = 标幺值基准值 要记得换算3f23.1.1 基础知识复习 基本概念 功率(power) 设备发出或吸收能量随

30、时间的变化率 功率 ，单位W(VA) 关联正向：当电压和电流取关联正向的时候，乘积取正号。若功率为正，表示设备是一个负载，从外部电路吸收功率。 由能量守恒，任何电路中功率代数和为0： 能量(energy) 能量最终的目的是用来做功，做功的结果是能量的转换 能量是功率的积分 ，单位Whivdtdwp 0pttttidtvpdtw003.1.1 基础知识复习 相量 电力系统中，总是假设电流和电压波形是正弦波，频率恒定（工频50Hz） 电力系统稳态分析中，总是使用相量(phasor)描述正弦的电压和电流波形正弦波正弦波)cos(2)(utUtutjjeUetuu2Re)(用复数用复数uUU表示正弦波

31、表示正弦波u(t)电力系统分析稳态计算中，所有的计算都是复数运算电力系统分析稳态计算中，所有的计算都是复数运算 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.1.2 电气元件的电压降落和功率损耗 线路的电压降落一段输电线路：一段输电线路：单相等值电路单相等值电路: 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *输电线路的电压降落输电线路的电压降落:221)(IjXRUUUd分解为同向和垂直的分解为同向和垂直的2个分量个分量:2222222222sincossincosRIXIUXIRIU线路末端的复功率：线路末端的复功率：222222*222sincosIjUIUIUS22222222 U

32、RQXPUUXQRPU可得线路首端的电压为：可得线路首端的电压为：已知线路末端电压，求首端电压已知线路末端电压，求首端电压2221222221122222222221 )()(UUUtgUUUUUURQXPjUXQRPUUUUU 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *已知线路首端电压，求末端电压已知线路首端电压，求末端电压11121111 URQXPUUXQRPU可得线路末端的电压为：可得线路末端的电压为：1111212112211111111112 )()(UUUtgUUUUUURQXPjUXQRPUUUUU以上都是同一电压等级里的计算 例题见P1513.1.3 开式电力网的潮流计算

33、开式电力网开式电力网：只有一端有电源的电力网一个由一个由3段线路组成的单电压等级开式电力网段线路组成的单电压等级开式电力网已知：供电电源点已知：供电电源点A的电压的电压UA，节点，节点b，c，d的功率的功率要求节点要求节点b，c，d的电压的电压LDdLDcLDbSSS和,单电压等级开式电力网单电压等级开式电力网潮流计算的基本要求：已知部分节点的功率（一般是负荷节点）和部分节点的电压（一般是电源点），求全网所有节点的电压1. 输电线路输电线路型等值电路的导纳支路用额定电压下充电功率代替型等值电路的导纳支路用额定电压下充电功率代替 212NiBUBQi2. 充电功率与负荷功率合并，成为节点的运算负

34、荷充电功率与负荷功率合并，成为节点的运算负荷 33221BLDddBBLDccBBLDbbQjSSQjQjSSQjQjSS负荷功率是消耗有功和无功为正，而线路电容是产生无功功率，所以是减法等值电路等值电路3. 从最后一段线路开始，利用线路额定电压，计算每段线路的功从最后一段线路开始，利用线路额定电压，计算每段线路的功率损耗：率损耗：2222222232333332333 ),( , ),( ,LNLcLNLdSSSjXRUSSSSSSSSjXRUSSSS 一直推算到首端一直推算到首端1S4. 根据前述公式，已知首端电压和功率，计算第根据前述公式，已知首端电压和功率，计算第1段线路的电压段线路的

35、电压降落，得到降落，得到Ub，再依次推算，再依次推算Uc和和Ud例例3-1：开式电力网如下图所示，线路参数标于图中，线路额开式电力网如下图所示，线路参数标于图中，线路额定电压为定电压为110kV，如电力网首端电压为，如电力网首端电压为118kV，试求运行中全电，试求运行中全电网的功率和电压分布。各点负荷为：网的功率和电压分布。各点负荷为：SLDb=(20.4+j15.8)MVA, SLDc=(8.6+j7.5)MVA, SLDd=(12.2+j8.8)MVA。MVAjjUBjUBjSSMVAjjjjUBjUBjSSMVAjjjUBjSSNNLDbbNNLDccNLDdd)62.144 .20(

36、 )11010213. 11101020.82j-j15.8(20.422)53. 66 . 8( )11010277. 011010282. 05 . 76 . 8( 22)33. 82 .12( )11010277. 08 . 82 .12(224242122242423222423P151页简化计算：简化计算：在在35kV以下线路中，可以忽略电纳支路以下线路中，可以忽略电纳支路；计算每段线路的功率；计算每段线路的功率损耗时，可以忽略后面线路功率损耗的影响，并用额定电压代损耗时，可以忽略后面线路功率损耗的影响，并用额定电压代替实际负荷点电压，计算公式简化为：替实际负荷点电压，计算公式简化为

37、：1,2,3)( ),(2iUXQRPUjXRUSSNiiiiiiiNiLibcdcddSSSSSSSSS123 3.1.3 开式电力网的潮流计算多电压等级开式电力网多电压等级开式电力网手算：手算：采用有名值，每段线路按自己的额定电压计算采用有名值，每段线路按自己的额定电压计算线路采用线路采用型等值电路；型等值电路；变压器采用阻抗串联非标准变比，励磁支路表示为节点注入功率变压器采用阻抗串联非标准变比，励磁支路表示为节点注入功率如第二章标幺值一节所述即使在标准档位，变比也不为13.1.3 开式电力网的潮流计算多电压等级开式电力网多电压等级开式电力网计算机算法：计算机算法：采用标幺值采用标幺值线路

38、和变压器都采用线路和变压器都采用型等值电路。型等值电路。3.1.3 开式电力网的潮流计算多电压等级开式电力网多电压等级开式电力网例例3-2：两级电压开式网如下图所示。两级电压开式网如下图所示。变压器参数：变压器参数：SN=16000kVA, Po=21kW, I0(%)=0.85, Pk=85kW, Uk(%)=10.5，变比，变比K=110kV/11kV; 110kV线路参数：线路参数：r0=0.33/km, x0=0.417/km, b0=2.7510-6s/km；10kV线路参数：线路参数：r0=0.65/km，x0=0.33/km；110kV线路首端供电电压为线路首端供电电压为117k

39、V；负荷：负荷：SLDc=（11+j4.8）MVA, SLDd=（0.7+j0.5）MVA。求网络的电压和功率分布。求网络的电压和功率分布。1. 计算元件参数计算元件参数110kV线路：线路： R1 = r0l1 = 0.3340 = 13.2 X1 = x0l1 = 0.41740 = 16.68 B1 = b0l1 = 2.7510-640 = 1.110-4S10kV线路：线路： R2 = r0l2 = 0.655 = 3.25 X2 = x0l2 = 0.335 = 1.65变压器：变压器：11/110)136. 0021. 0( )1600010086. 021(100(%)41.7

40、910160001001105 .1010100(%)02. 410160001108510 0003232322322KMVAjjSIjPSSUUXSUPRNNNkTNNkT2. 功率分布计算功率分布计算MVAjjjXRUSSkVNLDd)012. 0024. 0()65. 125. 3(105 . 07 . 0)(10222222222线路阻抗功率损耗：MVAjjjjSSSSLDcLDdc)312. 5724.11()8 . 411012. 0024. 05 . 07 . 0( 2：变压器二次侧送出功率j1.088)MVA(0.055 )41.7902. 4(110312. 5724.11

41、 )( 222212jjXRUSSTTNcT耗：变压器阻抗支路功率损MVAjjjjjUBjSSSSkVNTcb)87. 58 .11()666. 0136. 0021. 0088. 1055. 0312. 5724.11(2 1102110线路末端功率：j0.239)MVA(0.189)68.162 .13(11087. 58 .11 )( 11022211212jjXRUSSkVNbl线路阻抗功率损耗：MVAjjjjUBjSSSNlba)443. 5989.11( )666. 0239. 0189. 087. 58 .11( 2 211首端输入功率：3. 电压分布计算电压分布计算j6.109

42、)MVA(11.989)666. 0443. 5989.11(2211jjUBjSQjPSNaaaakVUXQRPUUUUbaaaaab78.114 11768.16109. 62 .13989.11117 111点电压：MVAjjjSSQjPSTcbbb)4 . 6779.11()088. 1055. 0312. 5724.11(kVKUXQRPUKUUUcbTbTbbTbc994.1011110/94.109 )11/110/(78.11441.794 . 602. 4779.1178.114 / )(/ )( 点电压：MVAjjjSSQjPSdddd)512. 0724. 0()012.

43、 0024. 05 . 07 . 0(210.7kV)994.1065. 1512. 025. 3724. 0994.10( 222cddccdUXQRPUUUUd点电压：计及变压器的变比 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.2.1有功和频率调整的基本概念 频率变化的原因（考察概念） 频率由全网发电机的转速决定，所有发电机必须同步旋转 失步机组必须被尽快从系统中切除 刚开机的机组，必须在频率和电压接近电网频率和电压的条件下并网，通过电网强大的惯性拖入同步(准同期并网) 作用在发电机转子上的动力矩和阻力矩的平衡使得发电机稳定旋转 动力矩是原动机的力矩(机械转矩) 阻力矩是发电机端电

44、磁功率产生的转矩(电磁转矩) 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.2.1有功和频率调整的基本概念 频率变化的原因 发电机 发电机开机加励磁以后，机端就会感应产生电压 发电机并网以后才有定子电流，有电压和电流才有电磁功率 能量守恒，任何时刻发电机的电磁功率都与负荷功率加上电网损耗平衡： 负荷 负荷功率发生改变时，全网的功率分布就会发生变化 电磁波以接近光速传播，发电机机端的电磁功率会由于全网的功率重新分布瞬时发生变化(这种功率的变化通过潮流计算得到) 频率波动 由于原动机的机械惯性，原动机产生的动力矩不可能马上跟上电磁转矩的变化，发电机的转速就会产生变化，因此电网的频率也会产生变化

45、 结论：频率全网调节，通过调节原动机的输出功率进行调节lossLDiGiPPP 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.2.4 电力系统的频率特性假设发电机和负荷稳定运行在假设发电机和负荷稳定运行在A点点，此时频率为，此时频率为f0，功率为，功率为P0假设负荷功率从假设负荷功率从PLD增加到增加到 ,新的稳定运行点由负荷和发电机新的稳定运行点由负荷和发电机的频率特性共同决定，即的频率特性共同决定，即B点点发电机增加的输出功率发电机增加的输出功率fKPPPGG01负荷减少的功率负荷减少的功率fKPPPDD12负荷功率的变化引起的频率变化为负荷功率的变化引起的频率变化为fKKPPPPPD

46、GDGLDLDLD)(K表示引起单位频率变化需要的负荷变化量。K越大，表示系统的惯性越大，频率越稳定。电力系统的功频特性系数DGKKKLDP发电机 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.2.5 电力系统频率调整 频率二次调整频率二次调整通过发电机的转速控制机构同步器实现。同步器的作用是调节整定点的位置实现发电机功频特性的平移，使频率回到额定频率。初始稳定运行点为初始稳定运行点为A，负荷功率从，负荷功率从PLD增加到增加到仅依靠发电机的一次调频，频率会降到仅依靠发电机的一次调频，频率会降到f1。如果人工进行二次调频，调整调速器的如果人工进行二次调频，调整调速器的整定位置，向上平移发电

47、机功频特性到整定位置，向上平移发电机功频特性到新的稳定运行点为新的稳定运行点为C。二次调频引起的发电机功率输出增加为二次调频引起的发电机功率输出增加为GGGPPP0(线段线段AD)一次调频引起的发电机功率输出增加为一次调频引起的发电机功率输出增加为DE负荷减少的功率为负荷减少的功率为EF频率仅从频率仅从f0减小到减小到f2 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.2.5 电力系统频率调整 频率二次调整选择主调频厂二次调频的过程不是自动完成，而是由调度下令，由调频厂的运行人员手动调整发电机的调速器整定点完成，将系统频率恢复到额定频率。一般一个电网只设置一个主调频厂，如果主调频厂的可调容

48、量不够，则辅助调频厂在调度命令下参与调整。枯水期可以选择大型的水电厂作为主调频厂。丰水期可以选择中温中压的火电厂作为调频厂。 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.2.5 电力系统频率调整 频率的三次调整 电网的自动发电控制功能AGC和经济调度功能ED ED每5分钟计算一次，根据复杂的算法以全网煤耗最小为优化目标将发电出力分配到每台机组 AGC根据电网频率的变化在ED计算的基础上再叠加一个调整增量 AGC和ED将目标出力值通过通信通道下达到机组 机组通过一个自动的控制回路自动调整发电机调速器的整定点来调整发电机的出力到给定目标值 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.2

49、.6 有功功率平衡和系统负荷在各类发电厂间的合理分配 各类发电厂负荷的合理分配不同类型的发电厂有不同的技术经济特性和运行条件，必须根据其具体特点安排它们在负荷曲线中承担的负荷。核电厂：带基本负荷水电厂：丰水期尽量利用，满开机，减少弃水，适宜带基本负荷，此时火电厂可以安排计划检修水电厂：枯水期，有调节能力的水电厂适宜做调峰调频火电厂：大容量，高温高压机组宜带基本负荷火电厂：中等容量、中温中压机组用于调峰调频 频率由全网发电机的转速决定，所有发电机必须同步旋转 频率全网调节，通过调节原动机的输出功率进行调节 我国规定：频率偏差范围为0.20.5Hz3.2.6 有功功率平衡和系统负荷在各类发电厂间的

50、合理分配 有功平衡和备用容量任何时刻，电力系统中的发电出力都与负荷和损耗平衡：任何时刻，电力系统中的发电出力都与负荷和损耗平衡：plantlossLDiGiPPPP全网总发电出力全网总负荷功率网损厂用电n为保证电网正常运行，电网中必须保留一定的备用容量，为保证电网正常运行，电网中必须保留一定的备用容量，备用容量包括：备用容量包括：l负荷备用：为适应电网中每天负荷波动设置的备用容量。负荷备用：为适应电网中每天负荷波动设置的备用容量。l检修备用：保证机组和输电设备计划性检修而保留的备用容量。检修备用：保证机组和输电设备计划性检修而保留的备用容量。l事故备用：防止电网故障产生功率缺额保留的备用容量。

51、事故备用：防止电网故障产生功率缺额保留的备用容量。l国民经济备用：防止负荷超计划增长保留的备用容量。国民经济备用：防止负荷超计划增长保留的备用容量。n备用形式包括：备用形式包括：l热备用热备用(旋转备用旋转备用)：运行机组不满载，保留一部分容量。：运行机组不满载，保留一部分容量。l冷备用冷备用(停机备用停机备用)：未开机但可以正常运行的机组。：未开机但可以正常运行的机组。3.3.1 基本概念 如何保证电压的稳定性 电力系统的运行电压水平由电力系统中的无功平衡决定 无功输出过多会导致电压过高烧毁设备，无功供给不足会导致电压过低 输电线路电抗远大于电阻，因此无功功率不能远距离传输，只能就地平衡 结

52、论：调电压就是调无功，无功就地平衡，通过调节无功电源的输出调节电压水平3.3.2 无功功率平衡 无功电源同步调相机 同步调相机相当于空载运行的发电机，不输出有功功率，只输出(过励磁)或吸收(欠励磁)无功功率，从而调节系统电压 无功电源电容器 电容器通常并联在供电母线上作为无功电源为负荷点提供电压支撑无功电源静止无功补偿器3.3.2 无功功率平衡 无功功率平衡电力系统的电压无功特性以一台发电机经过一段线路向负荷供电为例以一台发电机经过一段线路向负荷供电为例sincosXEUUIPXUXEUUIQ2cossinLdXXXP为一定值时为一定值时XUPXEUQ222假设负荷的假设负荷的Q-V特性是曲线

53、特性是曲线2，电源的，电源的Q-V特性特性是曲线是曲线1，在，在A点稳定运行，电压为点稳定运行，电压为VA负荷增加时，负荷负荷增加时，负荷Q-V特性向上平移到特性向上平移到2，稳，稳定运行点为定运行点为B，电压下降到，电压下降到VB如果发电机有无功备用，增大励磁电流增加无如果发电机有无功备用，增大励磁电流增加无功输出，将功输出，将Q-V特性上移到特性上移到1，稳定运行点为，稳定运行点为C，就可以把电压恢复到就可以把电压恢复到VA的水平的水平 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.3.3 电力系统的电压管理 中枢点的调压范围假设中枢点假设中枢点O向负荷点向负荷点A、B供电，供电，VA

54、和和VB的允许变化范围为的允许变化范围为(0.951.05)VN假设负荷假设负荷A、B的日负荷的日负荷曲线为：曲线为：电压损耗曲线为：电压损耗曲线为： 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.3.3 电力系统的电压管理 中枢点的调压方式 逆调压 负荷大时保持中枢点电压比线路额定电压高5% 负荷小时保持为线路额定电压 可以改善电压质量，但调节难度大 适用于输电线路长，负荷变动大的中枢点 顺调压 负荷大时允许中枢点电压不低于线路额定电压102.5% 负荷小时中枢点电压不高于线路额定电压107.5% 用于线路短，负荷波动小的中枢点 常调压 任何负荷下，保持中枢点电压为线路额定电压的102%

55、105% 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.3.4 电力系统的电压调整措施 调压措施 改变发电机励磁电流，调节发电机输出无功和机端电压。 改变变压器变比。（选择变压器档位） 并联无功补偿调压。（选择并联补偿电容器容量） 串联电容补偿改变线路参数。 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.4.2 电能损耗 定义 供电量：在给定的时间内(日、月、季或年)内，系统中所有发电厂的总发电量减去厂用电称为供电量 电网损耗电量：所有输电、变电、配电环节损耗的电量，称为电网损耗电量 网损率：在同一时间内，电网损耗占供电量的百分比称为电网的损耗率，简称网损率%100供电量电网损耗电量网

56、损率 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *3.4.2 电能损耗 电能损耗的计算最大负荷损耗时间法假定线路向一个集中负荷供电，时间假定线路向一个集中负荷供电，时间T内线路电能损耗为：内线路电能损耗为：8760 0 32203-2)( 10103hkWdtRUSdtRIALTL简化，假设线路输送功率始终保持最大负荷简化，假设线路输送功率始终保持最大负荷Smax，经过时间，经过时间，消耗的能量，消耗的能量恰好等于全年实际消耗的能量：恰好等于全年实际消耗的能量：)( 10322maxhkwRUSALL2max8760 0 2SdtS变压器的电能损耗：变压器的电能损耗：)( 10322max0

57、hkWRUSTPATTn台变压器时台变压器时：)( )(2max0hkWSSnPTPnANST和负荷曲线形状有关，最大负荷利用小时数Tmax和负荷曲线形状也有关，通过对各种典型负荷曲线预先计算，可以得到和Tmax之间的关系 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *例例3-3：额定电压为额定电压为110kV，长度为，长度为100km的双回输电线路向变电所供电，线的双回输电线路向变电所供电，线路单位长度参数为路单位长度参数为Z0=(0.17+j0.409)/km，b0=2.7910-6S/km，两台变压器每，两台变压器每台的额定容量为台的额定容量为31.5MVA，变比为，变比为110/11，

58、P0+jQ0=(0.03+j0.22)MVA，PS=190kW，US % =10.5%，最大负荷为，最大负荷为(40+j30)MVA，Tmax=4500h，试计，试计算电力网全年的电能损耗。算电力网全年的电能损耗。解：解：1. 计算电力网的潮流分布计算电力网的潮流分布 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *变压器阻抗：变压器阻抗：17.2010315001101005 .102110100(%)2116. 110315001101902110213232322322NNkTNNkTSUUXSUPR变压器绕组中的功率损耗：变压器绕组中的功率损耗：MVAjMVAjjXRUSSTTNLDT)

59、17. 424. 0( )17.2016. 1 (1103040)(2222双回线路电容充电功率：双回线路电容充电功率：MVAUlBQNb38. 32220线路阻抗末端的功率：线路阻抗末端的功率：MVAjjjjjQSSSSbjTLD)23.313 .40( 38. 3)22. 003. 0(217. 424. 0304002 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *2. 计算变压器全年的电能损耗计算变压器全年的电能损耗当当Tmax=4500h, cos = 0.8时，查表得时，查表得=3150h)(1028. 1 87603023150)5 .3150(2190)(6202maxhkWh

60、kWTPnSSnPANkT3. 计算线路全年的电能损耗计算线路全年的电能损耗线路阻抗末端负荷的功率因数线路阻抗末端负荷的功率因数79. 023.313 .403 .40cos2222222QPP)(1075. 5 10315010017. 02111031230403001063222322maxhkWhkWhkWRUSALNL4. 计算电力网全年总电能损耗计算电力网全年总电能损耗)(1003. 76hkWAAALT 电气工程基础课件电气工程基础课件 page *等微增率准则等微增率准则假设假设2台机组向负荷供电，要求确定负荷功率在台机组向负荷供电，要求确定负荷功率在2台机组之间的台机组之间的