第5章 电力系统功率平衡与控制

1、电力系统分析第第5章章 电力系统功率平衡与控制电力系统功率平衡与控制 电力系统运行的基本任务是将电能在电力系统运行的基本任务是将电能在电压、频率合格的前提下安全、可靠、电压、频率合格的前提下安全、可靠、经济地分配给各用电设备。经济地分配给各用电设备。 本章讨论对稳态运行的电力系统如何本章讨论对稳态运行的电力系统如何进行优化和调整以保证电能质量。进行优化和调整以保证电能质量。 5.1 电力系统中有功功率平衡电力系统中有功功率平衡与频率变化与频率变化 电力系统理论上应时刻保持有功功率的平衡，即每一时刻发电机发的有功功率之和应等于电力系统消耗的有功功率之和。 电力系统PPGLGPPPP电力网厂用电或

2、5.1 电力系统中有功功率平衡电力系统中有功功率平衡与频率变化与频率变化 实际上电力系统负荷消耗的有功功率在不断变化，当电力系统发出的有功功率之和大于电力系统消耗的有功功率之和时，电力系统的频率会上升，反之，电力系统的频率会下降。 电力系统频率不稳定的影响电力系统频率不稳定的影响 电力系统的频率变化对用电设备、发电机组以及电力系统的运行状况都有很大的影响 ： 1）对用户的影响 2）对发电厂的影响 3）对电力系统的影响 我国规定允许的频率范围为 500.2Hz 5.2有功功率的电源与负荷有功功率的电源与负荷 5.2.1.有功功率负荷及其变化实际负荷第三种负荷第二种负荷第一种负荷5.2.2.有功功

3、率电源的备用 电力系统中的产生有功功率的唯一电源是发电厂（未来其他清洁电源并网后也可以看成是发出有功功率的电源）。 电力系统的总发电容量必须大于其最大负荷时需消耗的容量，这多出来的部分就是备用容量。 5.2.2.有功功率电源的备用系统的备用容量一般可分为1. 负荷备用，2. 事故备用，3. 检修备用，4. 国民经济备用。 5.2.2.有功功率电源的备用 备用容量按其存在的形式又可以分为热备用和冷备用 热备用是指运转中的发电设备可能发的最大功率与系统发电负荷之差，也叫运转备用或旋转备用。 冷备用是指未运转的发电设备可能发的最大功率，它不包括检修中的发电设备。它作为检修备用、国民经济备用和部分事故

4、备用。 5.2.3.各类发电厂的合理组合 1）火力发电厂在运行中需要消耗燃料，并受运输条件限制，但火力发电不受自然条件的影响 。 2）水力发电的首要原则是要充分利用水资源，尽量避免弃水 。 3）核电厂一次投资大，运行成本低，但启停成本很高。 5.2.3.各类发电厂的合理组合抽水蓄能电厂抽水蓄能电厂发出功率发出功率抽水蓄能电厂抽水蓄能电厂吸收功率吸收功率(a)枯水季节枯水季节 (b)丰水季节丰水季节 5.3 电力系统的有功功率平衡电力系统的有功功率平衡 1. 负荷有功功率负荷有功功率-频率静态特性频率静态特性 实验测得当电力系统频率略有下降时，同一负荷实际吸收的有功功率下降 ：fKPLLKL-负

5、荷的单位调节功率 LnnLnLnL*LPfKf/f/PPK5.3 电力系统的有功功率平衡电力系统的有功功率平衡 2. 发电机的有功功率发电机的有功功率-频率静态特性频率静态特性 发电机组有功功率-频率静态特性曲线 f-KPGG斜率KG称为发电机组的单位调节功率，又称发电机组的有功功率-频率静态系数， GnnGnGnG*GPfKf/f/PP-K2. 发电机的有功功率-频率静态特性 也有把KG的倒数定义为发电机组的静态调差系数： 汽轮发电机组：KG*=16.725， =0.060.04 水轮发电机组：KG*=50250。 =0.040.02GPf-nGnGnGn*fP/PPf/f-*3. 电力系统

6、的有功功率电力系统的有功功率-频率静态特性频率静态特性 其中KS=KG+KL，称为系统的单位调节功率或系统的有功功率-频率静态特性系数。式中负号表示频率减小时系统发出的有功功率增加。 对一个具体系统，负荷的KL并不可调，因此KS主要由KG决定。 KS主要由KG决定。 f-KfK-f-KP-PPSLGLGS5.3.2 电力系统的频率调整 1.电力系统频率的一次调整电力系统频率的一次调整 前面讨论的由发电机组调速系统随电力系统频率变化而自动控制发电机进行输出有功功率的调整，通常称为电力系统频率的一次调整。 对多发电机组和多负荷组成的电力系统， KS=KL+KG1+ KG2+KG3+ 例例5-1 设

7、电力系统中各发电机组的容量和它们的单位调节功率标幺值为： 水轮机组：100MW/台5台， KG*=25 汽轮机组：300MW/台2台，KG*=16 负荷的单位调节功率KL*=1.5，系统总负荷为1000MW，试计算：1）全部机组都参加调频时2)汽轮机组已满载，仅水轮机组参加调频时的电力系统的单位调节功率和频率下降0.2Hz系统能够承担的负荷增量。例例5-1 解：1) 全部机组都参加调频时 水轮机组: 汽轮机组: 负荷： 电力系统: 25050100255fPK5KnGnG*G19250300162fPK2KnGnG*G305010001.5fPKKnLn*LL21.52300510050472

8、Pf30192250PfKKSnnSnnS*S（MW/Hz） （MW/Hz） （MW） 94.4(-0.2)-(472)f-KPSS （MW）例例5-1 解：2）仅水轮机组参加调频时 电力系统: 频率的一次调整的作用是有限的，它只能适应变化幅度小，变化周期较短的变化负荷，且一般情况下，一次调整不能维持频率不变。 （MW） （MW）12.72300510050280Pf30250KSnn*S56(-0.2)-(280)f-KPSS2.电力系统频率的二次调整电力系统频率的二次调整 二次调频是人为设定，根据电网频率高低来调整机组负荷，是指当电力系统负荷或发电出力发生较大变化时，一次调频不能使频率恢复

9、到规定范围时采用的调频方式。 二次调频由发电机组的调频控制器（同步器）来实现， 2.电力系统频率的二次调整电力系统频率的二次调整 在发电机组的有功功率-频率静态特性曲线上频率的二次调整体现为曲线的平移。 二次调频只是增加了发电机组的出力 3. 互联电力系统频率的调整互联电力系统频率的调整 把整个电力系统看作是由若干个子系统通过联络输电线路连接而成的互联系统，在频率调整时，为了减少线路传输损耗，提高电力系统运行的经济性，还要注意联络线路交换功率的控制问题。 3. 互联电力系统频率的调整互联电力系统频率的调整 对B系统PAB是一个电源，功率平衡方程： f-KP-PPAGAABLA 对A系统PAB是

10、一个负荷，功率平衡方程： f-KP-P-PBGBABLBBAGBGALBLAKKP-P-PP-ffK-P-PPALAGAAB书上这里印错，是加号例例5-2 如图5-7所示的两个子电力系统通过联络线互联，正常运行时PAB=0，各子系统的额定容量和以额定容量为基准的一次调频单位调节功率标幺值如下： A系统：额定容量1500MW，KGA*=20，KLA*=1.5 B系统：额定容量2000MW，KGB*=16，KLB*=1.5例例5-2 设A子系统的负荷增加了100MW，试计算下列情况下频率变化量和联络线上传输的有功功率。 1）A、B两子系统都只有一次调频。 2）A子系统都增发60MW（二次调频），且

11、A、B都有一次调频。 3）B子系统增发100MW（二次调频），且A、B都有一次调频。例例5-2解解 1）A、B两子系统都只有一次调频。PGA=0，PGB=0，PLB=0，PLA=100MW。 -0.074700645100-KKP-P-PP-fBAGBGALBLA-52700645100700-KKP-PK-P-PKPBAGALABGBLBAAB (Hz) (MW)负号表示有功功率的实际传输方向与假设方向相反，是从B流向A。 -20.8270064560-100700-KKP-PK-P-PKPBAGALABGBLBAAB例例5-2解解 2）A子系统增发（二次调频）60MW，且A、B都有一次调频

12、。 PGA=60MW，PGB=0，PLB=0，PLA=100MW。 (Hz) (MW)这种情况比较理想，频率偏移较小且线路传输功率较小从而损耗也较小。 0.0370064560-100KKP-P-PP-fBAGBGALBLA100700645100700-100-645KKP-PK-P-PKPBAGALABGBLBAAB例例5-2解解 3）B子系统增发100MW（二次调频），且A、B都有一次调频PGB=100MW， PGA=0， PLB=0，PLA=100MW。 (Hz) (MW)这时通过联络线传输的功率很大，会增加线路损耗，虽可维持频率不变，但不是最佳方案。 0KKP-P-PP-fBAGBG

13、ALBLA5.4 电力系统中无功功率的平衡 电力系统各节点的电压值是不相等的，是在其额定值附近波动，根据我国对电能质量的要求，电力系统各节点的电压偏移必须控制在（15%）Un的范围内，如果电压偏移过大，会对用电设备和电力系统都造成不利的影响。 5.4.1 无功功率负荷和无功功率损耗无功功率负荷和无功功率损耗 1.无功功率负荷无功功率负荷 QL0_感性负荷，如异步电动机等。感性负荷，如异步电动机等。 2.变压器的无功功率损耗变压器的无功功率损耗 3. 电力线路的无功功率电力线路的无功功率2nn2knoT2T2LTUUSS100%US100%IXUSBUQ）（）（此式书上有错2221XBXUU2B

14、-QQQQ电力线路是作为无功功率负荷还是无功功率电源要视具体情况而定 。5.4.2 无功功率电源无功功率电源 与有功功率只能由发电机供给不同，产生无功功率的电源却有多种，除了发电机，还有同期调相机、电容器、静止补偿器等多种无功补偿装置。 5.4.2 无功功率电源无功功率电源 1.发电机发电机 发电机在正常运行时，其定子电流和发电机在正常运行时，其定子电流和转子电流都不能超过额定值，在额定转子电流都不能超过额定值，在额定运行状态下，发电机发出的无功功率运行状态下，发电机发出的无功功率为：为：tanPsinSQGnGnGn5.4.2 无功功率电源无功功率电源 2.同期调相机同期调相机 旋转机械，运

15、行维护比较复杂，并需要消耗有功功率。一般适用于大容量集中使用。20世纪70年代以来同期调相机已逐步被静止补偿器取代。 5.4.2 无功功率电源无功功率电源 3.并联电容器并联电容器 并联电容器可按三角形或星形接法连接到变电所母线上，只能发出无功功率。 5.4.2 无功功率电源无功功率电源 4.静止（无功）静止（无功）补偿器补偿器 静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。 5.4.2 无功功率电源无功功率电源 5.静止同步无功补偿器静止同步无功补偿器 静止同步无功补偿器又称静止无功发生器（static Var

16、 Generator，SVG），是目前技术最为先进的无功补偿装置。 与静止无功补偿器相比，其主要优点是响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更少，尤其是所在处电压较低时仍可向系统注入较大的无功功率，它的储能元件的容量远小于它所能提供的无功容量。 5.4.3 无功功率与电压的关系无功功率与电压的关系 电力系统在稳态运行时必须保持无功功率的平衡，即电力系统发出的无功功率之和必须等于无功功率负荷和电力网中无功功率损耗之和。 1.电力系统供给的无功功率不足会导致节点电压下降 2.负荷节点电压偏低使电力线路、变压器的无功功率损耗增加 3.节点电压大小对无功功率分布起决定性的作用 5.4.3 无功功率与

17、电压的关系无功功率与电压的关系 电力系统无功功率平衡的基本要求是： 1.无功功率电源容量必须大于无功功率负荷的容量，即除了无功功率时刻保持平衡外，系统还留有一定的无功功率备用容量。5.4.3 无功功率与电压的关系无功功率与电压的关系 2.无功功率就地补偿 我国规定：以35kV及以上电压等级直接供电的工业负荷，功率因数要达到0.90以上，对其他负荷，功率因数不能低于0.85。 3.电力系统在无功负荷较小的运行阶段，可能会无功功率过剩的现象，导致电压过高，所以在采取无功补偿措施时要适当考虑选用能双向补偿的无功补偿设备。 5.5 电力系统的电压控制电力系统的电压控制 5.5.1中枢点的电压管理中枢点

18、的电压管理 选择一些具有代表性的节点对电力系统的电压加以监控，这些节点被称为电压监控中枢点，简称电压中枢点。电压中枢点一般选择： 区域性发电厂的高压母线， 有大量地方性负荷的发电厂母线， 枢纽变电所的二次母线 城市直降变电所的二次母线。 5.5.1中枢点的电压管理中枢点的电压管理 中枢点的调压方式 1）逆调压方式 在负荷高峰时升高中枢点电压，负荷低谷时降低中枢点电压的调压方式称为逆调压。 2）顺调压方式 在负荷高峰时允许中枢点电压低一些，在负荷低谷时允许中枢点电压高一些。 3）常调压（恒调压）方式 无论是负荷高峰或负荷低谷，中枢点电压基本保持不变 5.5.2 电压调整的基本原理电压调整的基本原

19、理 2G11G21Gb/kUkQXPR-kU/kU-kUU若要调整用户端的电压Ub可以采取以下措施：1）调节励磁电流以改变发电机端电压UG；2）适当选择变压器的变比（k1和k2）；3）改变线路的参数X；4）改变无功功率Q的分布5.5.3 电压调整措施电压调整措施 1. 改变发电机端电压改变发电机端电压UG调压调压 由孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网，这是最经济合理的调压方式。 在大型电力系统中发电机调压只能作为一种辅助性的调压措施。 5.5.3 电压调整措施电压调整措施 2.改变变压器的变比调压改变变压器的变比调压 1）降压变压器分接头的选择 2N2maxTmax1max1tmaxUUU

20、-UU2N2minTmin1min1tminUUU-UU负荷高峰时 负荷低谷时 取它们的算术平均值 /2UUU1min1max1av根据U1av选择一个最接近的分接头，然后还要作校验。 例例5-3 解：5.711040142.4428UXQRPU1maxTmaxTmaxTmax2.341134062.4410UXQRPU1minTminTminTmin（kV）（kV）109.46.06.35.7-100UUU-UU2N2maxTmax1max1tmax105.66.66.32.34-100UUU-UU2N2minTmin1min1tmin（kV）（kV）107.5/2105.6109.4U1t

21、av选分接头：U1t=107.25 (kV) 例例5-3 校验，改变变压器变比后，变压器的低压母线的实际电压值 负荷高峰时 负荷低谷时 6.136.3107.255.7-113/kU-UUT1max26.56.3107.252.34-113/kU-UUT1min2（kV） 6.0（kV） （kV）6.6（kV） 可见所选的分接头（-2.5%）符合调压要求。 5.5.3 电压调整措施电压调整措施 2.改变变压器的变比调压改变变压器的变比调压 2）升压变压器分接头的选择 2N2maxTmax1max1tmaxUUUUU2N2minTmin1min1tminUUUUU负荷高峰时 负荷低谷时 取它们的

22、算术平均值 /2UUU1min1max1av根据U1av选择一个最接近的分接头，然后还要作校验。 例例5-4 解：（kV）（kV）（kV）（kV）选主分接头：U1t=121(kV) 5.371204014328UXQRPU1maxTmaxTmaxTmax3.771144010310UXQRPU1minTminTminTmin119.671110.55.37120UUUUU2N2maxTmax1max1tmax122.161010.52.34114UUUUU2N2minTmin1min1tmin120.91/2122.16119.6U1tav（kV）例例5-4 校验，改变变压器变比后，变压器的低

23、压母线的实际电压值 负荷高峰时 负荷低谷时 可见所选的主分接头符合调压要求。 88.1010.51215.37120/kUUUT1max210.0910.51212.34114/kUUUT1min2（kV）10（kV）2、改变变压器的变比调压 三绕组变压器的分接头选择公式与双绕组降压变压器相同，因为三绕组变压器的高、中压绕组都有分接头，需要对高压和中压绕组的分接头经过两次计算来逐个选择，至于先选择哪一侧的分接头，要根据功率的流向来决定，例如三绕组降压变压器（功率从高压侧流向低、中压侧）要先按低压母线的调压要求选择高压侧的分接头（把高低压绕组相当于一个双绕组变压器），然后按中压母线的调压要求选择

24、中压侧的分接头（此时把高中压绕组相当于一个双绕组变压器）。 3.改变无功功率改变无功功率分布调压分布调压 当电力系统无功功率不足时，就不能单靠改变变压器的变比来进行调压，必须在适当的地点进行无功功率补偿。 没并联电容 221UQXPRUU并联C后 2CC2C1UXQ-QPRUU如果要补偿前后供电点的电压U1保持不变 22C22C2CCUQXPR-UQXPRU-UXUQ讨论讨论 在确定补偿容量QC之前，要先选择适当的变压器的分接头，选择原则是： 在满足调压要求条件下，使无功功率补偿容量最小。 3.改变无功功率分布调压改变无功功率分布调压 （1）选用并联电容器 在最大负荷时全部接入，最小负荷时全部

25、切除 11minmin112minUXQRP-UU最大负荷时2N2min2mintUUUU确定变压器的变比k=Ut / U2N 变压器高压端最小负荷时11max1max12maxUXQRP-UU若要求补偿后使变压器低压侧的电压提高到2CmaxU，需补偿的容量为 2max2Cmax2CmaxCU-kUXkUQ需补偿的QC3.改变无功功率分布调压改变无功功率分布调压（2）若补偿设备为同期调相机（或静止补偿器） 其特点是在最大负荷时能发出无功功率，在最小负荷时能吸收无功率，进行双向补偿。 3.改变无功功率分布调压改变无功功率分布调压最大负荷时2max2Cmax2CmaxCU-kUXkUQ最小负荷时2min2Cmin2CminCU-kUXkUQ-吸收的无功功率解得变压器的变比 22Cmin22Cmax2min2Cmin2max2CmaxUUUUUUk选择最接近的分接头，确定实际变比kt 并代入，求出需补偿的无功功率设备的容量QC。 例例5-5 简单电力系统及