第五章 电力系统运行分析

第五章电力系统运行分析第一节电力系统有功功率的平衡和频率的调整一、频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响频率变化的原因：由有功负荷变化引起的我国频率范围：500.2Hz发达国家（如澳大利亚）：500.1Hz华东电网已达到：500.1Hz

频率变化电动机转速的变化产品质量电动机停转电厂的给水泵停运，锅炉停炉等等电力系统频率变化所造成的影响对用户的影响（1）异步电机转速：纺织工业、造纸工业（2）异步电机功率下降（3）电子设备的准确度对发电厂和电力系统的影响（1）对发电厂厂用机械设备运行的影响（2）对汽轮机叶片的影响（3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗。功率平衡和转矩平衡异步电动机的功率和损耗有：一、功率平衡输入功率定子铁损电磁功率机械功率输出功率定子铜损转子铜损有功功率和频率调整频率与有功平衡的关系转矩平衡与功率平衡转矩不平衡时,转子转速变化,引起频率变化保持频率恒定不变是十分困难的

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二、电力系统中有功功率的平衡电力系统的有功负荷的变化是由不同变化规律的负荷组成的一、变化幅度很小、变化周期较短，负荷变动有很大的偶然性。二、变化幅度较大、变化周期较长，如电炉、电气机床。三、变化缓慢的持续变动负荷，如由生产、生活、气象变化引起的负荷变动。根据负荷变化，电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分为：一次调频：由发电机调速器进行；二次调频：由发电机调频器进行；三次调频：由调度部门根据负荷曲线进行最优分配。前两种是事后的，第三种是事前的。一次调频是所有运行中的发电机组都可参加的，取决于发电机组是否已经满负荷发电。这类发电厂称为负荷监视厂。二次调频是由平衡节点来承担。

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：（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电炉启停。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电力系统的经济运行调度（发电计划）（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等负荷的有功功率与频率的关系－频率静态特性电力系统的频率特性发电机的有功功率－频率静态特性调速器的工作原理1、为转速测量元件—离心飞摆及其附件；2、为放大元件—错油门(或称配压阀)；3、为执行机构—油动机(或称接力器)；4、为转速控制机构或称同步器(调频器)当系统的有功率遭到破坏时，会引起系统频率的变化，为了减小或者消除这种不利的变化，采取以下措施进行调整。调频器的工作原理发电机组的有功功率－频率静态特性（1）静态调差系数:某台机组负荷改变时相应的频率偏移若2为额定运行点，1为空载运行点：单位调节功率:调差系数的倒数，表示频率变化时发电机组输出功率的变化量。小结：调差系数越小，单位调节功率越大，频率偏移越小。调差系数是可以整定的。3电力系统的有功功率－频率静态特性PfP1f1ACBP2f2负荷功率的实际增量：它同发电机功率增量平衡：系统的单位调节功率：计及发电机和负荷的调节效应时，引起频率单位变化时的负荷变化量。PfP1f1ACBP2f2标幺值表示系统的单位调节功率kr=PGN/PDN为备用系数

等式两端同除以PDN/fN小结：系统中有功功率电源的出力不仅应满足在额定频率下系统对有功功率的需求，而且应有一定的备用。频率的二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移动，从而使负荷变化引起的频率偏移在允许的波动范围内。1.主调频厂的选择调频厂：负有二次调频任务的电厂，分为主调频厂和辅助调频厂。调频厂应满足的条件：1）足够的调整容量2）较快的调整速度3）调整范围内的经济性较好频率的二次调整2.频率二次调整的过程pf0f1ABf2CEF频率的二次调整结论：（1）由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。（2）可以做到无差调节。AEEFFC频率调整和电压调整的相同和不同之处调频频率唯一集中调整只能调原动机功率调压电压水平各点不同调整分散手段多样（有多种无功电源）第二节电力系统无功功率平衡和电压的调整一、电压偏移对用电设备的影响电力系统的负荷：电动机、照明设备、电热器具、家用电器、冲击性负荷（电弧炉、轧钢机等）。除相对很小的白炽灯只消耗有功功率，为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功率。

所有的用电设备都是以额定电压为条件制造的，最理想的工作电压是额定电压。实际运行电压高于或低于它的额定电压，运行性能和效率将有所下降，并可能影响到使用寿命甚至使设备损坏。对用电设备的影响

a、白织灯

b.异步电动机

c.电热器具

d.精密仪器加工业

对电力系统本身而言电压降低，使网络中功率损耗和电能损耗加大，可能危及电力系统稳定性；电压过高，电气设备绝缘易受损。

电压偏移过大的危害电压偏低对系统和用户的影响电动机输出转矩降低或定子电流增大，失速甚至停转；电热设备生产效率降低照明光线不足，影响人的视力网络功率和能量损耗增加降低系统运行的稳定性电压偏高对系统和用户的影响电气设备绝缘受损，寿命缩短超高压网络电晕损耗允许电压偏移35kV及以上供电电压：正、负偏移的绝对值之和不超过10%VN；上下偏移同号时，按较大偏移绝对值衡量10kV及以下三相供电电压：±7%VN220V单相供电电压：+7%~-10%VN正常情况允许偏移小：

35Kv及以上

10Kv及以下和380V电力用户低压照明和220V用户+5％～－10％农网（正常情况）+7.5％～－10％（事故情况）+10％～－15％事故情况下，电压偏移允许值比正常值多5%，但电压的正偏移不大于10％。

各电压等级用户的允许电压偏移

二、系统综合负荷电压静态特性取决于负荷性质及各类负荷所占的比重。

1.电动机

同步电动机的有功功率与电压无关。

异步电动机的有功功率基本上与电压无关。

2.白炽灯

其电阻值随温度而变化，P＝KtU1.6

3.阻抗不随电压变化的负荷

如电热、电炉、整流负荷，P＝

由电动机、变压器、电抗器、电热器和白炽灯等多种负荷组成的系统，称为综合负荷系统。系统综合负荷电压的静态特性无功负荷三、电力系统无功功率平衡要使各用户和各母线的电压在允许的电压偏移范围内，首先必须满足系统的无功功率平衡，在此基础上，再采取适当的电压调整措施。Qres>0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；Qres<0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。四、电力系统的无功电源在电力系统中，同步发电机、同步电动机和高压输电线路都是重要的无功功率的电源，它们所发出的无功功率可以很方便的进行调整。1、同步发电机2、同步调相机同步调相机其本质上是一台空载运行的同步电动机。它的主要作用是：(1)、在激磁状态下，从系统中吸取无功功率，减低系统电压(2)、当系统发生故障以后，可以迅速及时地调整系统的电压，有利于系统的稳定性；(3)、同步调相机安装在枢纽变电站中，减少无功功率的损耗，平滑的调节电压，提高系统的稳定性。3、并联电容器与静电补偿器并联电容器安装在变电所或者用户变电所中。它的主要作用是：(1)、消耗无功功率，有效调节系统电压(2)、根据系统负荷的变化，对电压进行阶梯式调整；静电补偿器是一种动态无功功率补偿设备，由电容器和可调电抗器组成，即可补偿无功功率，又可以消耗无功功率，这样就可以补偿电压的偏移，又可以调节电压的波动。这样有利于提供系统稳定性，提高电能质量。五、电力系统电压管理1)中枢点：电力系统中重要的供电点（电压支撑点）。电力系统中负荷点数目众多又很分散，有必要选择一些有代表性的节点，这些点的电压质量符合要求，其它各点的电压质量也能基本满足要求。如： ①区域性水、火电厂高压母线 ②有大量地方负荷的发电机电压母线 ③枢纽变电所的二次母线2.中枢点电压管理2)中枢点电压允许变化范围确定中枢点向两个负荷点供电中枢点向多个负荷点供电如果中枢点是发电机母线在任何时候，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围应有公共部分中枢点向两个负荷点供电SBmaxt/h

SSBminSAmax

SAmint/h

△Vt/h

VSABASBO电力系统调压的目的是保证系统各负荷的电压在允许的电压偏移范围之内。六、电力系统的调压措施利用发电机励磁调压利用变压器的分接头调压利用有载变压器调压利用改变电力系统无功功率分布调压利用改变线路参数调压在系统中，改变系统的阻抗值，可以达到调压的目的。有一下措施（1）改变电力系统的导线截面；改变电力系统的接线方式；(3)串联电容器进行电压补偿。改变变压器变比调压降压变压器分接头选择V1RT+jXTP+jQV2升压变压器分接头选择k:1V2RT+jXTP+jQV11:kG根据计算得到的分接头电压选择最接近的变压器分接头额定电压；六、电力系统的调压措施电压调整的原理和措施改变变压器变比调压采用固定分接头的变压器调压，电压损耗不会改变，负荷变化时次级电压变化幅度也不会改变；如果电压损耗超过分接头可调整范围（±5%），或者调压要求与实际的相反（如逆调压），采用普通变压器的分接头调整将无法满足调压要求；采用有载调压方式，可根据负荷状态确定合适分接头，从而缩小次级电压变化幅度，甚至改变电压变化趋势；可用于有载调压的有：载调压变压器和加压调压变压器；有载调压变压器：可带负载调节分接头，分接头调节范围比较大；加压调压器：与主变压器配合使用，相当于有载调压变压器；电压调整的原理和措施利用无功补偿调压V1V2R+jXP+jQjQCV1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC补偿容量与调压要求和变压器变比选择均有关变比k选取原则：满足调压要求的前提下，使得无功补偿容量最小低压配电线路和电缆线路，R>X，PR/V占电压损耗较大，无功补偿调压效果一般；电压调整的原理和措施各种调压措施的简要述评多机系统中，调节任一台发电机励磁电流，会引起发电机间无功功率重新分配，应根据发电机与系统连接方式和承担有功功率情况，合理确定调压整定值；系统无功电源充足时，可通过改变变压器变比进行调压，电压变化幅度较大或要求逆调压时，宜采用变压器有载调压方式；系统无功不足时，不宜采用改变变压器变比的方式调压；并联电容器和串联电容器补偿的作用在于减少电压损耗的QX/V分量；只有该分量占比重较大时，调压效果才明显；并联电容补偿和串联电容补偿需要增加设备费用，并联补偿可以减小网损；七、电压调整与频率调整的关系电力系统的有功功率和无功功率即和电压有关，也和频率有关。频率和电压的变化都将通过系统的负荷特性的变化而影响到有功功率和无功功率的变化。系统频率下降时，无功功率减少；电力系统的电压提高，有功功率增加，对应的无功功率将有所减少；电力系统的电压降低时，系统的有功功率较少；当电压水平提高时，会导致系统的频率的升高电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率负荷异步电动机等值电路因为异步电动机在电力系统负荷（特别是无功负荷）中占比重很大，系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定异步电动机的无功功率和有功功率异步电动机的无功电压特性受载系数负载不变电压降低无功损耗反而升高受饱和影响，励磁功率稍高于二次曲线电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率负荷变压器的无功损耗变压器的无功损耗变压器等值电路输电线路的无功损耗输电线路的无功消耗输电线路等值电路35kV线路充电功率很小；110kV及以上线路轻载时为无功电源，重载时消耗无功功率。电力系统的无功功率平衡和电压调整—电力系统无功电源发电机—P-Q极限受额定励磁电流限制，发电机电抗压降限值，以O点为圆心，OC为半径进相运行的稳定约束和定子绕组端部温升受定子额定电流限制，发电机电抗压降限值，以A点为圆心，AC为半径OC—空载电势OA—机端电压AC—发电机电抗压降，正比于视在功率；AD—正比于机端有功功率AB—正比于机端无功功率DC—原动机输入功率（额定有功功率）约束电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源旋转元件，运行维护复杂；有功损耗较大，满负荷时约为额定容量的1.5%~5%，容量越小，比例越大；小容量机组投资费用高（每kVA），仅利于集中大容量使用；响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求20世纪70年代后，逐渐为静止无功补偿器取代；同步调相机过励磁运行，向电网输出感性无功功率；欠励磁运行，从电网吸收感性无功功率；欠励磁最大容量为过励磁容量的50%~65%；可实现无功电压连续调节；具有强励功能，有利于提高稳定性电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静止无功补偿器—饱和电抗器型静止补偿器电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静止无功补偿器—晶闸管控制电抗器型静止补偿器TCR支路正负半周内部分导通等值电感可连续调节有谐波电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静止无功补偿器—晶闸管投切电容器型静止补偿器TSC：整周波投切，不产生谐波分级调节快速响应第三节电力系统的静态稳定性静态稳定是指电力系统在某一正常运行状态下受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到原始运行状态的能力。静态稳定问题实际上就是确定小扰动下系统的某个运行稳态点能否保持的特性。0自发振荡，静态失稳非周期性失步，静态失稳静态稳定常见的小干扰有以下三种：(a)、架空线缆因风吹摆动引起的导线距离的变化引起线路阻抗的变化；(b)、个别小的负荷的接入或者切除；(c)、发电机组转速的不均匀；一、发电机并列运行的稳定性与实用判据简单系统的分析：不考虑发电机的励磁调节器作用——空载电势Eq恒定不考虑原动机调速器的作用——发电机的机械功率PT恒定无限大系统隐极机～GTL——小扰动下运行点变化的物理过程分析a点：小扰动后能自行恢复到原先的平衡状态，静态稳定运行点。b点：小扰动后，转移到a点或失去同步，静态不稳定运行点。周期衰减振荡a点是静态稳定运行点非周期失稳转移到a点b点是静态不稳定运行点小扰动后功角变化曲线静态稳定储备系数静态稳定储备系数正常运行方式的静态稳定储备要求事故后运行方式的静态稳定储备要求根据我国现行的《电力系统安全稳定导则》：稳定极限点对应的功率某一运行情况下的输送功率简单系统的静态稳定判据a点稳定，处于功角特性的上升沿，该点的斜率大于0；b点不稳定，处于功角特性的下降沿，该点的斜率小于0。简单系统的稳定判据：运行点处功角特性的斜率（导数）大于0，即：整步功率系数整步功率系数大小可以说明系统静态稳定的程度。整步功率系数值越小，静态稳定的程度越低。整步功率系数等于0，则是稳定与不稳定的分界点，即静态稳定极限点。在简单系统中静态稳定极限点所对应的功角就是功角特性的最大功率所对应的功角。简单系统中发电机为凸极式时的静态稳定分析b点：静态不稳定运行点a点：静态稳定运行点稳定判据：(6-25)整步功率系数二、提高系统静态稳定性的措施1、采用自动励磁装置发电机的无功功率与系统的电压和电抗值有关系。而发电机装设有自动励磁装置时，可以明显减小发电机的阻抗值，必然使得它的无功功率静态特性曲线变化的缓慢。2、减小系统电抗系统的电抗值直接影响的系统的功率变化，可以通过减小电抗值来提高系统的静态稳定性。可以采取一下措施：A、采用分裂导线B、采用“串联电容补偿”设备C、提高线路的额定电压等级3、提高电力系统的运行电压电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行状态的能力。暂态稳定研究的是电力系统在某一运行状态下受到较大干扰时的稳定性问题。大干扰：短路故障，突然断开线路、变压器或发电机，大量负荷的切除或投入等。系统的暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行状态有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间均有关。第四节电力系统暂态稳定性1)起始阶段：故障后约1s内考虑保护动作：切除故障线路、重合闸、切机

2)中间阶段：起始阶段后5s

3)后期：中间阶段以后的时间大干扰后，不同的时间里电力系统各部分的反应不同，分3个不同阶段来分析大扰动后的暂态稳定性：调速器、自动切负荷装置动作暂态过程的几个阶段：暂态稳定分析的基本假设——采用正序稳态网络计算功率特性

3）不计发电机定子绕组及电网中的电磁暂态过程。只计及发电机定子电流中的正序基频交流分量产生的电磁功率。理由：a、定子及电网的电磁暂态过程很快，百分之几秒。

b、非周期分量在转子上产生的功率平均值接近于零，又由于转子转动惯量大，因此对转子运动影响很小。

c、不计零序和负序电流的影响，只考虑基波正序分量。零序电流所产生的磁场对转子运动没有影响。负序电流在转子上产生的功率平均值接近于零，因此对转子运动影响很小。2）假设机组转速接近同步转速

1）略去发电机定子绕组电阻

——暂态稳定分析的简化模型2)不计调速器的作用：1)发电机模型3)负荷为恒定阻抗进一步假定恒定。发电机的等值模型：安装AER：正常运行状态的系统结构与功率特性正常运行

(a)正常运行方式及其等值电路故障时的系统结构