电力工程 电力网及其稳态分析课件

1、第二章 电力网及其稳态分析 Steady state analysis电力工程9/20/20221河北科技大学电气工程系2.1电力网电力线路的结构Transmission Line Structures2.2 输电线路的电气参数 Transmission Line Parameters2.3 电力网参数计算中变压器参数的计算方法 Transformer parameters2.4 输电线的等值电路 Equivalent circuit of Transmission Line2.5 电力网电压计算 Voltage calculation2.6 电力系统的无功平衡和电压调节 Reactive P

2、ower Compensation and voltage regulation2.7 电力系统的有功平衡及频率调节 Active power and frequency regulation2.8 电力网的功率损耗和电能损耗 Power losses2.9 电力系统潮流分布计算 Power Flow Analysis2.10 输电线路导线截面的选择 Cross-section of conductor2.11 电力系统的中性点接地方式 Grounding of neutral-point小结 Summary9/20/202222.1电力线路的结构Transmission Line Struc

3、tures 9/20/20223 一、电力线路的结构 1架空线路 架空线路主要由导线、避雷线（即架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等部件组成，如图所示。 图 架空线路的结构导线和避雷线：导线的作用是传导电流、输送电能；避雷线的作用是将雷电流引入大地，以保护电力线路免遭雷击。9/20/20224导线材料：要求电阻率小、机械强度大、质量轻、不易腐蚀、价格便宜、运行费用低等，常用材料有铜、铝和钢。 铝绞线的优点是重量轻，价格低，缺点是导线性能比铜差，机械强度低，运行中表面易形成氧化铝薄膜，使接头的接触电阻增大。 在负荷较大、机械强度要求高和35kV及以上的架空线路上，多采用LGJ型钢芯铝绞线，用以增强导

4、线的机械强度。铝为载流体。 铜绞线的优点是导电性能最好，机械强度也高，抗腐蚀性能好，但密度大，价格贵。TJ铜绞线LJ铝绞线，用于10kV及以下线路 LGJ钢芯铝绞线，用于35kV及以上线路 GJ钢绞线，用作避雷线 9/20/20226 架空线路采用的导线结构型式主要有单股、多股绞线和钢芯铝绞线三种，如图所示。图 裸导线的构造a）单股线 b）多股绞线 c）钢芯铝绞线导线的结构型式：导线分为裸导线(bare conductor)和绝缘导线(insulated conductor)两大类，高压线路一般用裸导线，低压线路一般用绝缘导线。9/20/20227杆塔：用来支撑导线和避雷线，并使导线与导线、导

5、线与大地之间保持一定的安全距离。 按材料分：有木杆、钢筋混凝土杆（水泥杆）和铁塔。杆塔的分类电杆木杆水泥杆金属杆钢管杆型钢杆铁塔机械强度大，维修工作量小，使用年限长，但价格较贵且材料来源比较紧张，主要应用于高压架空线路。使用年限长，维修工作量小，能节省大量的钢材和木材，质量大，运输与施工不方便。被淘汰 9/20/20229按用途分：有直线杆塔（中间杆塔）、转角杆塔、耐张杆塔（承力杆塔）、终端杆塔、换位杆塔和跨越杆塔等。（1）直线杆：又称中间杆，是架空线路使用最多的电杆，大约占全部电杆的80%。直线杆只承受导线本身的重量和拉力，顶部比较简单，一般不装拉线。线路走向为直线，价格较低。（2）耐张杆：

6、又称承力杆或锚杆，是为了防止线路某处断线，使整个线路拉力不平衡以致倾倒而设的。通常在耐张杆的前后方各装一根拉线guyed wire，用来平衡这种拉力。（3）终端杆：终端杆是安装在线路起点和终点的耐张杆。终端杆只有一侧有导线，为了平衡单方向导线的拉力，需要在导线的对面装拉线。9/20/202210Tuesday, September 20, 2022（4）转角杆：转角杆用在线路改变方向的地方，通过转角可以实现线路转弯。（5）分支杆：分支杆用于线路的分支处，它是一种特殊的耐张杆，受外力作用较多，承受顺线路方向的拉力、导线的重力、水平方向的风力及分支线路方向的导线拉力、重力等。（6）特种杆：用于跨越

7、铁路、公路、河流、山谷的跨越杆塔（高度可达200m以上），线路中导线需要换位处的换位杆塔及其他电力线路所采用的特殊形式的杆塔，统称为特种杆。 9/20/202211 横担的长度取决于线路电压等级的高低、档距的大小、安装方式和使用地点等。横担cross arm：电杆上用来安装绝缘子。常用的有木横担、铁横担和低压瓷横担三种。 电杆与横担组装在一起，其作用是支持绝缘子架设导线，保证导线对地及导线与导线之间有足够的距离。铁横担的机械强度高，应用广泛。瓷横担兼有横担和绝缘子的作用，但机械强度低，一般仅用于较小截面导线的架空线路。9/20/202212 瓷横担的特点：有良好的电气绝缘性能，兼有绝缘子和横担

8、的双重功能，能节约大量的木材和钢材，有效地降低杆塔的高度，可节省线路投资30%40%。 9/20/202213Tuesday, September 20, 2022拉线用于平衡电杆所受到的不平衡作用力，并可抵抗风压防止电杆倾倒，如图所示。在受力不平衡的转角杆、分段杆、终端杆上需装设拉线。拉线必须具有足够的机械强度并要保证拉紧。为了保证其绝缘性能，其上把、腰把和底把用钢绞线制作，且均须安装拉线绝缘子进行电气绝缘。9/20/202214Tuesday, September 20, 2022额定电压（kv）3563110220330500绝缘子的最少个数2357131419222426悬式绝缘子9/

9、20/202216高压针式绝缘子低压针式绝缘子高压线路拉棒绝缘子高压线路瓷横担绝缘子线路盘形悬式绝缘子复合针式绝缘子复合棒式绝缘子9/20/202217Tuesday, September 20, 2022带电更换V型串绝缘子带电更换耐张闪络绝缘子9/20/202219Tuesday, September 20, 2022500千伏江苏江都变电所，更换母线绝缘子作业钢化玻璃绝缘子是高压和超高压输电线路使用的换代产品，它与瓷绝缘子比较，具有耐污、耐弧等性能好，寿命长，重量轻，零值自破、便于维护，生产周期短等优点，国外已大量推广使用。9/20/202220线路金具、U型抱箍、挂板 杆顶帽、拉线抱箍

10、金具是用来连接导线和绝缘子的金属部件的总称。9/20/202221事故预防架空线路经常出现故障的设备有电杆、导线、绝缘子等。应根据事故特点，掌握季节和环境变化，采取以下的预防措施：（1）防污（2）防雷（3）防暑监视（4）防寒防冻（5）防风（6）防汛9/20/202222Tuesday, September 20, 2022220KV双回路直线杆220KV双回路耐张杆9/20/202223Tuesday, September 20, 202210kV丁字型分支杆110KV双回路终端杆9/20/2022242电缆线路电缆的种类（1）按电压可分为高压电缆和低压电缆。（2）按线芯数可分为单芯、双芯、三

11、芯和四芯等。（3）按绝缘材料可分为油浸纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和橡胶绝缘电缆及交联聚乙烯绝缘电缆等，还有正在发展的低温电缆和超导电缆。9/20/202226电缆的结构：包括导体、绝缘层和保护包皮三部分。 分为单芯、三芯和四芯等种类。单芯电缆的导体截面是圆形的；三芯或四芯电缆的导体截面除圆形外，更多是采用扇形，如图所示。图 扇形三芯电缆1导体 2纸绝缘 3铅包皮 4麻衬 5钢带铠甲 6麻被导体：由多股铜绞线或铝绞线制成。9/20/202227电缆的敷设方式：直接埋入土中：埋设深度一般为0.70.8m，应在冻土层以下。当多条电缆并列敷设时，应留有一定距离，以利于散热。 电缆沟敷设：当电缆条数较多时

12、，宜采用电缆沟敷设，电缆置于电缆沟的支架上，沟面用水泥板覆盖。穿管敷设：当电力电缆在室内明敷或暗敷时，为了防电缆受到机械损坏，一般多采用穿钢管的敷设方式。9/20/2022292.2 输电线路的电气参数 Transmission Line Parameters9/20/2022301 电阻：单根导线的直流电阻为： 导线的交流电阻比直流电阻增大0.2%1%，主要是因为：应考虑集肤效应和邻近效应的影响；导线为多股绞线，使每股导线的实际长度比线路长度大;导线的额定截面（即标称截面）一般略大于实际截面。 通常取 ; 9/20/202231工程计算中，可先查出导线单位长度电阻值 r1，则需要指出：手册中

13、给出的 r1值，则是指温度为20时的导线电阻，当实际运行的温度不等于20时，应按下式进行修正： 式中，为电阻的温度系数(1/)，铜取0.00382（1/），铝取0.0036（1/）。 9/20/2022322 电抗：每相导线单位长度的等值电抗为：式中，r为相对磁导率，铜和铝的 ; r为导线半径（m）；Sav为三相导线的线间几何均距（m）,电抗单位/km。图3-14 三相导线的布置方式a）等边三角形布置 b）水平等距布置若三相导线等边三角形排列，则 若三相导线水平等距离排列，则9/20/202233注意：为了使三相导线的电气参数对称，应将输电线路的各相导线进行换位，如图3-15所示。图 一次整循

14、环换位电缆线路的阻抗 电缆线路的结构和尺寸都已经系列化，这些参数可事先测得并由制造厂家提供。一般，电缆线路的电阻略大于相同截面积的架空线路，而电抗则小得多。通常架空线路的电抗值在0.4/km左右，则 9/20/202234 分裂导线三相架空线路的电抗 分裂导线采用了改变导线周围的磁场分布，等效地增加了导线半径，从而减少了导线电抗。可以证明： 9/20/202235电纳：每相导线单位长度的等值电容（F/km）为： 则单位长度的电纳（S/km）为： 一般架空线路b1的值为 S/km左右，则 9/20/202236分裂导线线路的电容、电纳和三相架空线路的差别是：导线半径不同9/20/202237电导

15、： 电导参数是反映沿线路绝缘子表面的泄露电流和导线周围空气电离产生的电晕现象而产生的有功功率损耗 。电晕：强电场作用下导线周围空气的电离现象。 电晕现象：在架空线路带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导线周围的空气被电离而产生局部放电的现象。 9/20/202238 当线路电压高于电晕临界电压时，将出现电晕损耗，与电晕相对应的导线单位长度的等值电导（S/km）为： 因此， 式中， 为实测线路单位长度的电晕损耗功率（kW/km）。 注意：通常由于线路绝缘良好，泄漏电流很小，而电晕损耗在设计线路时已经采取措施加以限制，故在电力网的电气计算中，近似认为G=0。 在设计架空线

16、路时依据电晕临界电压规定了不需要验算电晕的导线最小外径：110kV导线外径不应小于9.6mm；220kV导线外径不应小于21.3mm；60kV及以下的导线不必验算电晕临界电压；220kV以上的超高压输电线，采用分裂导线或扩径导线以增大每相导线的等值半径，提高电晕临界电压。9/20/2022392.3 变压器参数的计算方法 Transformer parameters 9/20/2022401双绕组变压器 双绕组变压器采用型等效电路，如图3-18所示。35kV及以下的变压器，励磁支路可忽略不计，可用简化等效电路。注意：变压器等值电路中的电纳的符号与线路等值电路中电纳的符号相反，前者为负，后者为正

17、；因为前者为感性，后者为容性。？ 图3-18 双绕组变压器的等效电路a）型等效电路 b）励磁支路用功率表示的等效电路 c）简化等效电路9/20/202241电阻RT：在变压器短路试验中所测得的短路损耗PK近似等于额定电流流过变压器时绕组中的总铜耗，即所以 （） PK用KW，SN用kVA，UN用千伏。9/20/202242电抗XT：在短路试验中，短路电压等于变压器阻抗在额定电流下产生的压降，即由于 对小容量变压器， 则所以 （） SN用kVA，UN用千伏。9/20/202243励磁电导GT： 变压器空载试验所得变压器空载损耗P0近似等于铁耗，因此，电导可由空载损耗求得9/20/202244励磁电

18、纳BT：变压器的电纳是用来表征变压器的励磁特性的。由于变压器的空载电流包含有功分量和无功分量，与励磁功率对应的是无功分量。由于有功分量很小，无功分量和空载电流在数值上几乎相等。 IBI0，而所以 （S） 由 得： 因此 （S） 说明：以上各式中， U 、S、P、Q、的单位分别为kV、kVA、kW和kvar。9/20/202245【例5-2】有一台110/10千伏、容量SN为20000千伏安的三相双绕组变压器，其短路损耗Pk为135千瓦，空载损耗P0为22千瓦，短路电压百分数为Uk%=10.5，空载电流百分数I0%=2.8，试计算变压器等值阻抗与导纳。解：计算变压器阻抗1）串联电阻（归算到110

19、千伏电压侧）2）串联电抗9/20/2022463）励磁回路（并联）导纳4) 电纳有名值 9/20/202247三绕组变压器三绕组变压器的等效电路如图3-19所示。 图3-19 三绕组变压器的等效电路a）励磁回路用导纳表示 b）励磁回路用功率表示9/20/2022482.4 输电线的等值电路 Equivalent circuit of Transmission Line 9/20/2022492输电线路的等效电路一字型等效电路 ： 用于长度不超过100km的架空线路（35kV及以下）和线路不长的电缆线路（10kV及以下）。不考虑线路的分布参数特性，只用将线路参数简单地集中起来的电路表示。图3-1

20、6 一字型等效电路 向量图9/20/202250型或T型等效电路：（110220kV）和长度不超过100km的电缆线路（10kV以上）。 用于长度为100300km的架空线路图3-17 型或T型等效电路a）型 b）T型例2-89/20/2022512.5 电力网电压计算 Voltage calculation 9/20/202252 电压是电能质量的指标之一，电力网络在运行过程中必须把某些母线上的电压保持在一定范围内，以满足用户电气设备的电压处于额定电压附近的允许带段内。但是当电流（功率）在电力网络中的各个元件上流过时，将产生电压降落，直接影响用户端的电压质量。因此，电压降落的计算为分析电力网

21、运行状态所必需。 9/20/202253 一、电压降落（相位差）与电压损失（绝对值差） 1电压降落:是指线路首末端电压的相量差，即 图3-20a中，阻抗中流过的电流为 ，相量图如图3-20b所示。 图3-20 输电线路的型等效电路及相量图a）等效电路 b）相量图9/20/202254当负荷为感性时， 因此 其中： 电压降落的纵分量 电压降落的横分量 线路首端电压有效值为： 末端电压的相位差为： 则 说明：上述公式是按感性负荷下推出的，若为容性负荷，公式不变，无功功率Q前面的符号应改变。9/20/2022552电压损失:是指线路首末端电压的代数差，即 将 按二项式定理展开并取前两项得： 因此 几

22、点说明: 对于110kV及以下电压等级的电力网，可忽略电压降落的横分量 ，此时，电压损失就等于电压降落的纵分量 ，即 输电线路不长，首末两端的相角差不大时9/20/202256P2、Q2、U2的单位分别为kW、kvar 和kV ，且所有参数必须是线路上同一点的参数。电压损失通常以线路额定电压的百分数表示，即如果已知线路首端的参数 P1、Q1、U1，则9/20/202257电压偏移：指线路始端或末端实际电压与线路额定电压的数值差。为数值，标量以百分值表示：电压调整：指线路末端空载与负载时电压的数值差。为数值，标量以百分值表示：9/20/202258负荷以超前功率因数运行，则有关公式中的无功功率负

23、荷应改变符号，这时电压降落的纵分量可能为负值，即线路末端电压可能高于始端。如在高压输电线路空载或轻载时投入并联电抗器，以抑制容性无功功率流动，防止末端电压升高。 三相和单相计算：以上公式均适用，单相计算时取相电压、单相功率、三相计算时取线电压和三相功率、标幺值时普遍适用。一般情况下， ，因此有：9/20/202259功率损耗所以以上公式为已知同一端功率、电压求另一端电压和电压损耗、功率损耗。 考虑对地电纳和并联支路时，牢记以上公式计算过程中，所用电流和功率均为流经RjX中电流和功率。9/20/2022602.6 无功平衡和电压调节 Reactive Power Compensation and

24、 voltage regulation9/20/202261无功功率负荷电压机制 电力系统中无功功率的平衡与补偿电力系统中的电压管理与调压方法电压偏移的影响 当运行电压偏离额定值较大时，技术经济指标就会恶化。 发电厂厂用电中由电动机驱动的辅机，其机械转矩与转速的高次方成正比，电压降低滑差增大，转速降低，输出功率迅速减少，将影响汽轮、锅炉的工作，严重情况下将造成安全问题。变压器的运行电压偏低，若负载功率不变，致使输出电流增加，使绕组过热。电压偏高，励磁电流增大，铁芯损失增加，温升增高，严重情况下引起高次谐波共振。 由于局部地区无功不足，运行电压严重低下，一些变电所在负荷的微小扰动下会出现电压大幅

25、度下滑，以至失压，即所谓电压崩溃 .9/20/20226235KV及以上：510KV及以下：7低压照明：+5，-10农村电网：+7.5，-10 (+10，-15)允许电压偏移指标允许电压偏移指标9/20/202263无功功率对电压有决定性的影响无功功率是引起电压损耗的主要内容无功功率的远距离传输和就地平衡节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定性作用无功功率和电压的关系总之，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9/20/202264无功功率负荷电压机制 有功功率平衡是全系统的平衡，且全系统只有一个频率；而无功功率平衡要满足众多的结点电压的要求，除了对全系统需要平衡以外，地区系

26、统也需要平衡。电力系统中无功功率电源不足，系统结点电压就要下降。电力系统必须具备足够的无功电源才能维持所要求的电压水平，以满足系统安全稳定运行的要求，以下对电力系统中的无功负荷构成、无功电源构成、电力系统无功功率平衡问题以及为改善系统无功功率不平衡而采取的补偿措施等方面进行阐述。 9/20/202265负荷分类及其对电压影响的控制 电力系统中负荷的变动以及由此而引起的变电所母线的电压变动可以分为两类： 由生产、生活和气象变化引起的负荷功率的变化。 电压偏移 调节变压器分接头，投切电容器以及调节发电机母线电压 负荷功率具有冲击性或间歇性 电压波动 安装静止无功补偿器一类的动态补偿器安装串联电容

27、后果改善后果改善9/20/2022661.电力系统中的无功电源一是同步发电机以及过激运行的同步电动机，二是无功补偿电源包括电容器、静止无功补偿器和同步调相机，三是110KV及以上电压线路的充电功率。三、电力系统中无功功率的平衡与补偿9/20/202267同步发电机：发电机是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。 9/20/202268同步调相机（相当于空载运行的同步发电机）。 过激运行时向电网发出滞后的无功功率，欠激时从电网吸收滞后的无功功率，成为无功功率用户，有正常激磁、过激与欠激三种不同运行状态 由于响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求，20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿

28、装置所取代。9/20/202269静电电容器静电电容器损耗小，投资省，运行灵活，适宜于分散使用。但具有负调节效应，此外需用真空开关成组投切，投切次数依赖于这种开关的性能。静电电容器供给的无功功率Qc与所在节点的电压V的平方成正比，即 QcV2/Xc式中，Xc1/wc为静电电容器的电抗。当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少。因此，当系统发生故障或由于其他原因电压下将时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。换言之，电容器的无功功率调节性能比较差。9/20/202270静止无功补偿器（Static Var Compensation，SVC）属于灵活交流输电系统（FACTS）的家族，是一种

29、动态无功补偿装置。晶闸管控制的电抗器固定电容型（TCRFC）晶闸管开关电容器型（TSC）饱和电抗器（SR）型饱和电抗器型可控硅控制电抗器型(TCR)可控硅投切电容器型(TCR)TCR和TSC组合型SVC由静电电容器与电抗器并联组成，SVC在我国电力系统中将得到广泛应用。9/20/2022711）TCR-FC型补偿器 2）TSC型补偿器是用可控硅投切的电容器组（Thyristor Switched Capacitor）。 9/20/2022723）SR型补偿器是用直流电流控制的饱和电抗器（D.C. Control Saturable Reaction）与固定电容器的并联组合。 9/20/2022

30、73 静止无功发生器 它是一种更为先进的静止型无功补偿装置(SVG),它的主体是电压源型逆变器。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG地运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与SVC比较，SVG具有相应快、运行范围宽、谐波电流含量少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流。9/20/2022742、电力系统中的无功负荷与无功损耗 1）电力系统中的无功负荷用户与发电厂厂用电的无功负荷（主要是异步电动机）2）电力系统中的无功损耗 线路无功损耗（串联电抗中的无功功率损耗（感性）与并联电纳中的充电功率（容性）。）变压器的无功损耗（励磁损耗与绕组漏抗损耗，后者与受载大小

31、有关。）并联电抗器的无功损耗 高压输电线路的充电功率 高压及超高压线路是一种数量可观的无功功率电源，其充电功率与线路电压的平方成正比。 电力系统的无功平衡与补偿 无功补偿容量的配置应取分区平衡、分级补偿原则。 9/20/202275电压控制的目的 保持电网枢纽点电压水平，保证电力系统稳定运行；保持供电电压的正常范围，保证用户的供电质量；减少网络损耗；在偶然事故下快速强行励磁，防止电力系统瓦解 中枢点电压管理一般选择下列母线为电压中枢点：（1）区域性水、火电厂的高压母线；（2）枢纽变电站二次母线；（3）有地方负荷的发电厂母线。 四、电力系统中的电压管理与调压方法9/20/202276 电压调整的

32、基本原理为了调整用户端电压Vb可以采取以下措施（1）调节励磁电流以改变发电机机端电压Vg（2）适当选择变压器的变比（3）改变线路的参数（4）改变无功功率的分布9/20/202277调压措施改变发电机及调相机励磁调压 改变发电机及调相机的励磁电流，可以改变它们的内电势，从而调整母线电压。利用发电机调压范围为发电机额定电压的5。 调相机调压属于改变网络无功功率分布进行调压的方法。即利用调相机的容量就地补偿负荷所需的无功功率，因而改变了线路输送的无功功率。从而调节了枢纽站母线的电压。 9/20/202278对于不同类型的供电网络，发电机调压所起作用不同（1）由孤立的发电厂不经升压直接供电的小型电力网

33、，改变发电机端电压就可以满足负荷点的电压质量要求，不必另外增加调压设备。（2）对于线路较长、供电范围交大、有多级变压的供电系统，发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求。（3）对于由若干发电厂并列运行的电力系统， 进行电压调整的电厂需有相当充裕的无功容量储备，一般不易满足。另外调整个别发电厂的母线电压，会引起无功功率重新分配，可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施9/20/202279改变变压器变比调压改变变压器变比可以升高或降低次级绕组的电压。改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择分接头 先决条件 :电网的无功电源

34、容量充裕 对负荷变化不大的变电所可适当选择变压器的分接头进行电压调整。对于负荷变化较大的一次及二次变电所采用负荷调整分接头的变压器，其切换装置在不能适应频繁操作要求时，应限制动作的次数。9/20/202280 利用无功功率补偿调压无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。合理的配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的电压质量1、并联无功补偿调压的基本原理 2、按调压要选择补偿量的基本原理 9/20/202281第二项很小 选择补偿容量的基本原则：在满足各种运行方式下的调压要求下，与其

35、它调压方式配合，使补偿容量最小。9/20/202282投切电容器组调压 通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时全部退出。9/20/202283静止无功补偿器调压 可按最大负荷时负荷母线电压的要求确定电容器的容量QC ,此时可控电抗吸收的无功功率为零或最小。由最小负荷时的电压要求确定静止补偿器的容量QSVC,此时QC不变，因此可控电抗器吸收的无功功率为9/20/202284组合调压 无功电源缺乏 ：静电电容器、静止补偿器及调相机 无功

36、充裕 ：调节抽头 发电机调压幅度有限：首选无直配负荷时5 有直配负荷时采用逆调整5 9/20/202285线路串联电容调压 在线路上串联接入静电电容器，利用电容器的容抗补偿线路的感抗，使电压损耗中QX/V分量减小，从而可提高线路末端电压。在线路负荷功率因数较低、无功负荷份额大时有显著作用。 补偿前补偿后 9/20/202286小结：（1）电压损耗V（PRQX）/V 中包含两个分量：一个是有功负荷及电阻产生的PR/V分量；另一个是无功负荷及电抗产生的QX/V分量。利用无功补偿调压的效果与网络性质及符合情况有关。（2）在低压电网中，V中有功功率引起的PR/V分量所占的比重大；在高压电网中，V中无功

37、功率引起的QX/V分量所占比重大。在这种情况下，减少输送无功功率可以产生比较显著的调压效果。反之，对截面不大的架空线路和所有电缆线路，用这种方法调压就不合适。9/20/202287五、电压调节与频率调节的比较无功功率平衡的讨论： 1、全局平衡和分地区平衡，保证满足以上总的平衡条件， 不一定满足电压要求，还必需实现局部主功功率平衡， 无功功率的分层次就地平衡是一个基本原则。2、任何时候网络中实际产生和消耗和无功功率相等。3、快速无功功率，无功功率动态平衡。无功功率不能远距离传送，必须分区、分 级（就地）平衡不同电压等级间不交换无功功率； 电力系统的频率由发电机的转速决定，相联系统只有一个频率，是

38、一个全局问题，与电压不同。 9/20/2022882.7 有功平衡及频率调节 Active power and frequency regulation 9/20/202289本节的主要内容 为什么P和 f 联系起来 有功功率平衡 调频原理 调频方法和措施9/20/202290负荷频率机制频率调整系统有功功率平衡及备用容量 衡量电能质量的一个重要指标：频率。我国频率规定：fN50Hz，频率偏差范围为0.20.5Hz 保证电力系统频率合乎标准是电力系统运行调整的一项基本任务 频率的影响影响产品质量：异步电动机转速与输出功率有关影响精确性：电子技术设备影响汽轮发电机叶片9/20/2022911、电

39、力系统频率控制的必要性 A 频率对电力系统的影响 （2）频率下降到47-48Hz时,火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机）的出力随之下降,从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。这种趋势如果不能及时制止,就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度。这种现象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造成大面积停电,甚至使整个系统瓦解。（4）电力系统频率下降时,异步电动机和变压器的励磁电流增加,使无功消耗增加,引起系统电压下降,频率下降还会引起励磁机出力下降,并使发电机电势下降,导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低,在频率下降到一定值时,可能出现所谓电压雪崩现象,出现电压雪崩也会造成大面

40、积停电,甚至使系统瓦解。9/20/2022922、电力系统有功功率控制的必要性 A 维持电力系统频率在允许范围之内 电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变化的,从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内，就是要及时调节系统内并联运行机组有功功率。 B 提高电力系统运行的经济性 当系统频率在额定值附近时，虽然频率满足要求，但没有说明哪些机组参与并联运行，并联运行的机组各应该发多少有功功率。电力系统有功功率控制的任务之一就是要解决这个问题。这就是电力系统经济调度问题

41、。C 保证联合电力系统的协调运行 电力系统的规模在不断地扩大,已经出现了将几个区域电力系统联在一起组成的联合电力系统，有的联合电力系统实行分区域控制，要求不同区域系统间交换的电功率和电量按事先约定的协议进行。这时电力系统有功功率控制要对不同区域系统之间联络线上通过的功率和电量实行控制。9/20/202293 电力系统的频率水平由有功功率平衡决定，如果有功电源充足，能保证用户需要，且具有及时进行调整的能力，则能保证频率在合理的范围之内，反之，则将出现较大的频率偏移。 9/20/202294有功功率负荷的变动及其分类控制（1）变动周期小于10s，变化幅度小（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生

42、产、生活规律（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大调速器频率的一次调整调频器频率的二次调整根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配频率的三次调整 系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动负荷组成：9/20/202295二 频率负荷机制发电机输出电磁功率原动机输入功率电力运行的一大特点：电能不能储存！GPGGPGPLPT9/20/2022961. 有功功率平衡与备用容量2. 备用容量：作用：为了保证供电可靠性及电能质量合格，系统电源容量应大于发电负荷定义：备用容量系统可用电源容量发电负荷分类：系统有功功率平衡及备用容量9/20/202297按作用分：(1)负荷备用：满足负荷波

43、动、计划外的负荷增量(2)事故备用：发电机因故退出运行能顶上的容量(3)检修备用：发电机计划检修(4)国民经济备用：满足工农业超计划增长按其存在形式分：(1) 热备用(2) 冷备用9/20/2022983. 有功功率电源的最优组合 有功功率电源的最优组合是指各发电厂（机组）在承担系统负荷时的合理组合各类发电厂的运行特点：火电厂：(1)需支付燃料费用(2)最小技术出力(3)可调范围小(4)热电厂中，热负荷输出功率是强迫功率(5)运行效率与蒸汽参数有关：高温高压中温中压水电厂：(1)无需支付燃料费用(2)受水库容量限制 (3)可调范围大。机组投切增减负荷不增加能耗，时间短(4)有强迫功率，视不同水

44、电厂而定 调峰机组核电站：(1)一次投资大(2)运行费用小(3)承担急剧负荷变动、投切时，需增加能耗，时间长承担基荷9/20/202299 各类发电厂（机组）的合理组合 基本原则：合理利用水资源，分枯水期与洪水期区别对待有调节能力的水电机组调峰基荷(1)(3)(2)(4)(5)(6)无调节水电厂、强迫功率核电站当地燃料火电厂热电厂可调高温高压中温中压9/20/2022100电力系统频率特性 1、发电机组和电力系统等效发电机组的 功率频率静态特性 OPGPG2PG1ff1f212发电机组的功率频率静态特性如右图，当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。9/20/2022101OPGPG2

45、PG1ff1f212等效发电机组的功率频率静态特性如右图所示，它跟发电机组的功率频率静态特性相似。9/20/20221021、发电机组和电力系统等效发电机组的 功率频率静态特性 由此可见，发电机组和等效发电机组的功率频率静态特性都是向下倾斜的，其程度用调差系数表示： 9/20/2022103综合负荷与频率的关系可表示成： 2、电力系统综合负荷的静态频率特性 电力系统综合负荷由各种各样的负荷组成。这些负荷吸取的有功功率有的与频率无关，有的与频率的一次方成正比，有的与频率的二次方成正比，有的与频率的更高次方成正比。 9/20/2022104OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2如图

46、，当等效发电机运行在特性G1，综合负荷特性为L1时，系统运行在a点，系统频率为f1。3、电力系统的频率特性 电力系统主要由发电机、输电网络和负荷组成。如果把输电网络的损耗看成负荷的一部分，则电力系统是由两个环节组成的闭环系统。发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性的交点就是电力系统的频率的稳定运行点。9/20/2022105OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2当系统负荷增加，综合负荷特性为L2时，如果不改变发电机调速系统的设定值，等效发电机特性仍然为G1, 系统运行在b点，系统频率为f2。如果当系统负荷增加，综合负荷特性变为L2时，改变发电机调速系统的设定值，等效发电机特

47、性变为G2, 则系统运行在c点，系统频率回到f1。当系统负荷增加，综合负荷特性为L2时，发电机调速系统的设定值不变，等效发电机特性仍然为G1, 系统运行在b点，系统频率为f2。这种由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。9/20/2022106OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2 对于右图，频率一次调整的结果：发电机有功功率增加了PL2-PL1，负荷调节效应是负荷少吸收有功功率为PL3-PL2，系统频率降低到f2。9/20/202210713.4 电力系统频率调整1、电力系统频率一次调整 当系统负荷减少时，频率的一次调整

48、过程与上述相反。即系统频率升高，发电机有功功率减少，负荷调节效应使负荷吸取的有功功率相对于原频率下的功率有所增加。9/20/20221082、电力系统频率二次调整 OPPL3PL1ff1f2abcPL2L1L2G1G2当系统负荷变化较大，频率的一次调整结果，系统频率过高或过低时，需要改变发电机调速系统的设定值，使系统频率恢复到规定范围内。对于右图，等效发电机特性变为G2, 系统频率回到f1。9/20/20221092、电力系统频率二次调整 当系统负荷变化较大，通过改变发电机调速系统的设定值使系统频率恢复到规定范围内的频率调整称为频率的二次调整。 电力系统频率的二次调整任务是由调频发电厂中的发电

49、机组承担的。9/20/20221103、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 在频率的三次调整之前，让我们先看看电力系统负荷的变化情况。负荷总的变化情况 随机分量 脉冲分量 持续分量9/20/20221113、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 由上图可见，总的负荷可分成三个部分： 随机分量 脉冲分量 持续分量一次调频一、二次调频发电计划加二次调频9/20/20221123、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 负荷的持续分量，调度部门用日负荷曲线来描述。日负荷曲线示例如下： 从以上日负荷曲线可看到，把负荷分成基荷和峰荷。相应地，调度部门把发电厂分为三类： 带基荷发电厂 调峰发电厂 调

50、频发电厂9/20/20221133、电力系统有功功率调整（频率的三次调整） 调度部门按日负荷曲线把发电计划下发到各类发电厂，计划发电计划与实际负荷不可能完全一致，其差值称为计划外负荷。计划外负荷由调频厂承担。由此可见，调度部门使用发电计划来解决大部分有功功率平衡问题的。 9/20/202211413.5 电力系统有功功率平衡及负荷的合理分配1、有功电源 发电厂是目前电力系统唯一的有功功率电源。 9/20/2022115水电厂强迫出力热电厂强迫出力强迫出力：为保证供热而必须发出的有功功率。核电厂高效率大机组火电厂中温中压凝气式火电厂中温中压火电厂水电厂可调功率抽头蓄能基荷峰荷2、有功功率负荷 有

51、功功率负荷随天气、季节、每天的时间、天气,人们的生活工作习惯等变化，以各种负荷曲线来反映，是电力调度部门的重要依据。 基荷：日负荷曲线最低点以下部分，峰荷：基荷与最大负荷之间的部分。9/20/20221162、有功功率负荷 实际负荷变化的特点 实际负荷变化由三种成分构成：变化幅度很小，变化周期最短（一般为10S以内），一般由中小型用电设备的投入切除引起，带有很大的随机性。变化幅度较大，变化周期较短（10S-3m），一般为轧钢机等的较大的间断性负荷；变化缓慢权的持续变化部分，由人们的作息制度、生活习惯、天气等决定。9/20/20221174、 有功功率电源的备用 为满足预计外的负荷需求和负荷变化

52、，需要以下几种备用：负荷备用：为满足负荷波动和计划外增加的负荷而设置的备用（最大负荷的3-5%）。事故备用：在电力系统中发电设备发生偶然故障时，为保证向用户正常供电而设置的备用。（5%10%，最大单机容量）检修备用：为发电设备的定期检修及设置的备用。国民经济备用：考虑到国民经济超计划增长而设置的备用。热备用：所有发电机组最大可能出力之和与该时刻总负荷的差值，（根据需要随时可以投入的备用） 热备用包括部分事故备用和全部负荷备用。冷备用：处于待机状态，但设备完好，随时可以启动的发电设备。9/20/20221182.8 功率损耗和电能损耗 Power losses 9/20/20221191. 电力

53、线路功率的计算 已知条件为：末端电压U2，末端功率S2=P2+jQ2，以及线路参数。求解的是线路中的功率损耗和始端电压和功率。 解过程：从末端向始端推导。电力网的功率损耗和电能损耗9/20/20221203.电力线路上的功率损耗 功率损耗分为在电阻或电导上产生的有功功率损耗和在电抗或电纳上产生的无功功率损耗。 9/20/2022121 变压器常用型等值电路表示，也具有串联阻抗支路及并联导纳支路（励磁支路）。其有功功率损耗及无功功率损耗的求取方法与上述方法相同，从而为变压器运行的经济分析提供数据。 9/20/20221223. 电力线路上的电能损耗 电力线路上的电能损耗是指一定时间段内由线路的功

54、率损耗所消耗的电能。 线损率 9/20/2022123最大负荷利用小时数Tmax：指一年中负荷消费的电能W除以一年中的最大负荷Pmax，即： 年负荷率：一年中负荷消费的电能W除以一年中的最大负荷Pmax与8760h的乘积，即： 年负荷损耗率：全年电能损耗除以最大负荷时的功率损耗与8760h的乘积，即： 9/20/2022124最大负荷损耗时间：全年电能损耗除以功率损耗，即：求取线路全年电能损耗的方法有以下两个：根据最大负荷损耗率计算：根据最大负荷损耗时间计算：9/20/2022125输电效率：指线路末端输出有功功率与线路始端输入有功功率的比值，以百分数表示：线损率或网损率：线路上损耗的电能与线

55、路始端输入的电能的比值P97 例2-109/20/2022126降低功率损耗和电能损耗的措施一、功率因数低的不良影响1使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大。2使供电网络的电压损失增大，影响负荷端的电压质量。3使供配电设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。4使发电机的出力下降，发电设备效率降低，发电成本提高。因为功率因数越低，在保证输送同样的有功功率时，系统中输送的总电流越大，从而使输电线路上的功率损耗和电能损耗增加。 由于发电机、变压器都有一定的额定电压和额定电流，在正常情况下不允许超过额定值，根据 ，功率因数越低，输出的有功功率越小，使设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。当有功

56、功率保持不变时，功率因数越低，无功电流越大，对发电机转子的去磁效应越大，端电压越低，发电机就达不到预定的出力。 由于 ，当P、R、X 一定时，功率因数越低，Q越大，则 越大。 9/20/20221272.7 无功功率补偿2提高功率因数的补偿法采用移相电容器（即静电电容器） 采用同步电动机采用同步调相机 静电电容器具有重量轻、安装方便、投资小、故障范围小、有功功率损耗小、易于维护等优点，是目前工业企业中应用最广泛的无功补偿装置。调节同步电动机的励磁电流，使其在超前功率因数下运行，就能向电网输送无功功率，因而能提高企业的功率因数。同步调相机实质上是空载运行的同步电动机，专门向电网输送无功功率，大容

57、量的同步调相机主要装设在电力系统的区域性变电所，作为该地区的无功补偿电源，用于提高该地区的功率因数和电压质量。低压电容器一般接成三角形。高压电容器组宜接成星形。9/20/2022128四、电容器并联补偿的工作原理 在工业企业中，绝大部分电气设备的等值电路可视为电阻R和电感L的串联电路，其功率因数可表示为： 当在R、L电路中并联接入电容器C后，如图2-8a）所示，回路电流为： 图2-8 电容器无功补偿原理图 可见，并联电容器后 与 之间的夹角变小了，因此，供电回路的功率因数提高了。 9/20/20221291.电力系统的无功平衡与补偿 无功功率平衡的基本要求无功电源发出的无功功率应该大于或至少等

58、于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和系统还必须配置一定的无功备用容量无功补偿容量的配置应取分区平衡、分级补偿原则。 2.无功功率管理的具体措施电力用户的功率因数达到0.95以上；分散安装电容器，就地供无功功率。在一次及二次变电所的低压母线上安装电容器，枢纽变电所安装调相机。在有无功冲击负荷的变电所以及超高压送电线末端宜安装静止无功补偿器；9/20/2022130对于水、火联合电网，枯水期利用水电机组调相运行，丰水期利用火电机组调相运行，供出感性无功功率；同步电动机过激运行，供出感性无功功率。分级管理。 发电厂和有调压能力的变电所按调度所规定的电压曲线调整无功功率和电压。 地区调度所监控地

59、区网络的电压、用户电压及其功率因数。实现无功功率就地平衡。 中心调度所着重监控主网的电压水平。协调全网有广泛影响的调压措施，合理分配无功出力和调整无功潮流。 协调配合，统一调度与分散控制相结合 9/20/2022131总之，无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。 一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户各种对无功平衡有影响的化 一般无功功率按照就地平衡的原则进行补偿容量 的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电 电容器；大容量的配置在系统中枢点的无功补偿 则宜采用同步调相机或SVC9/20/202213

60、23.9 电力系统潮流分布计算 Power Flow Analysis 9/20/2022133潮流：在发电机母线上功率被注入网络，而在变（配）电站的母线上接入负荷，其间功率在网络中流动。对于这种流动的功率，电力生产部门称之为潮流。开式网与闭式网：由电力网络的结构可区分为开式网与闭式网。 潮流计算: 是电力系统分析中的一种最基本的计算，它的任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态，如母线上的电压（幅值和相角），网络中的功率分布及功率损耗。一、 基本概念9/20/2022134潮流计算的用途 以电力网络潮流、电压计算为主要内容的电力网络稳态行为特性计算的目的在于估计对用户电力供应的质量以及为电力