031第三章 电力系统稳态分析(电力系统潮流分析)与计算

发电机功率因数、视在功率、无功功率与有功功率的关系
2）同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步发电机。可以通过调 节其励磁平滑地改变它输出无功的方向和大小。
过励磁运行：无功电源，发出无功，提高系统电压水平 欠励磁运行（欠励磁最大容量只有过励磁容量的（ 50 % ～ 65%） ：无功负荷，吸收无功，降低系统电压水平
变压器的无功损耗
变压器的无功损耗包括励磁无功损耗和电抗中的无功损耗。
S Q Q Q XT T 0 K U B T U I0% Uk %S2 STN 100 100 STN
2
2
假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电 压US%=10.5，在额定满载下运行时，无功功率的 消耗将达额定容量的13%。从电源到用户需要经过 好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值是相 当可观的。
Q Q Q Q R 1 2
3.无功负荷及无功损耗
1）无功负荷
异步电动机是最主要的无功负荷。 除白炽灯和电阻性加热设备外，其它用电设备都消 耗无功功率。 综合负荷的功率因数为0.6～0.9。
2）无功损耗
输电线路的无功损耗
输电线路的π 型等值电路
线路电抗中的无功损耗为
2 2 2 2 P Q P Q 1 1 2 2 Q X 或 X L 2 2 U U 1 2
二、电力系统无功功率平衡
1.无功功率对节点电压的影响
1）输电线路传输的无功功率 在高压电力网中，任一节点电压幅值与该点无功功率的变化密 切相关。
U
P2 R Q 2 X U2
P2 X Q 2 R U U2
电压等级为110KV及以上时，有R〈〈X，且一般输电线路的δ 较小，cosδ =1，则 Q X U 2 U 2
静止无功补偿器的原理图
(a)可控饱和电抗器型；(b)自饱和电抗器型； (c)可控硅控制电抗器型； (d) 可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型
三.电力系统电压调整 1.用电设备允许电压偏移
35KV 及以上供电用户，电压正负偏移绝对值 之和不超过额定电压的10%； 10KV及以下系统，电压正负偏移不超过7%


3.频率偏移的范围：50Hz±(0.2～0.5)Hz
二、电力系统有功功率平衡及备用
1.有功功率的平衡 频率值决定于同步并列运行的所有机组的转速。 发电机的转速又主要决定于与蒸汽输入量或进水量有关的输入 功率和与负荷有关的输出功率。


∑PG＝∑PL＋∑ΔP＋∑ΔPG
∑PG-----所有发电机发出的有功功率总和； ∑PL----所有负荷的有功功率总和； ∑ΔP---电力网所损耗的有功功率总和；
4.无功电源
1）同步发电机
是系统的唯一有功电源，也是系统最基本的无功电源。同 步发电机发出的有功、无功功率之间的关系：
Q S sin Ptg S P Q P 1 tg
2 2 2
当系统有功功率充足，无功电源不足时，可以将同步发电机 降低功率因数运行，甚至将发电机作调相机用。
负荷分类： 1）与频率变化无关的负荷，如照明、电炉、整流负荷等； 2）与频率成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵等； 3）与频率高次方成正比的负荷，如带鼓风机或离心式水泵的电动 机等。 由于第二类负荷在系统中占大多数，因此综合负荷的功率静特 性接近一条直线，称为电力系统综合负荷的频率静态特性曲线。
线路电容的充电功率为
B 2 2 Q ( U U C 1 2) 2
线路的无功总损耗为
P Q U U Q Q 2 X B L C U 2 1
2 1 2 1 2 1 2 2
线路电压不高时（35kV及以下电压等级）， △QL－△QC≈ △QL >0输电线路是损耗无功功率的。 110kV及以上的架空线路，当输电功率较大时， △QL>△QC 线路仍是消耗无功功率的；当线路传送功率不大时， △ QC >△ QL ,输电线路成为无功电源。

四、电力系统频率调整
1、 负荷变动分解 第一种：变动幅度很小，周期短，具有较大 的偶然性； 第二种：变动幅度较大，周期较长，主要有电 炉、轧机、电气机车等冲击负荷； 第三种：变动幅度最大，周期最长，如不同行 业的日负荷曲线。


2、发电厂按调频的作用分类
1）主调频厂：负责全系统的调频工作，一般 由一个发电厂担任； 2）辅助调频厂：一般由少数几个发电厂担任； 3）非调频厂：在正常情况下，机组均按事先 安排好的发电计划发电的电厂,又称基荷厂。
Q
C
U X
2
源自文库
C


4)静止补偿器
静止无功补偿器是由电力电容器和电抗器组成的， 可以发出无功功率，也可吸收无功功率。 与调相机相比，它的功率损耗小，能分相补偿以 适应不平衡负荷变化，实现连续调节。运行维护 方便，对冲击负荷也有较强的适应性，但其产生 高次谐波。

目前在电力系统中越来越广泛使用。
一、电压偏移对用电设备的影响
异步电动机a）转矩b）电流；
白炽灯
电子设备：电压低于额定值工作不稳定，甚至不能工作； 电压高于额定值寿命严重降低。
电压偏移过大对电力系统本身以及用 电设备会带来不良的影响。
电力系统一般规定一个电压偏移的最 大允许范围，例如±5%以内。为了实现这 个要求，需要对电压进行调整。
电力系统有功功率平衡及频率调整 一.频率变动的影响
1.对用户的影响 1）频率变化引起异步电动机转速变化，影响产品质量; 2）频率降低引起电动机输出功率降低，影响驱动设备正 常运行生产率降低; 3）频率不稳定将影响电子设备的工作，如雷达、计算机 等将因频率过低而无法工作; 4)引起测量仪表的准确性。


热备用：处于运行状态的备用，亦称旋转备用。
指运转中的设备可能发的最大功率与发电负荷之差。 如负荷备用和部分事故备用。

冷备用：处于停机待用状态的备用，亦称停机备
用。指未运转的发电设备可能发的最大功率，如检 修备用、国民经济备用及部分事故备用。
三、综合负荷的频率静特性和电源的频率静特性


1、综合负荷频率静特性


2）事故备用
防止由于部分机组发生偶然性事故退出运行而影响供电。 其容量大小与系统总容量的大小，发电机台数的多少、单机容 量、系统中各种电厂的比重及系统对供电可靠性的要求有关。 一般取5～10%的最大负荷，且不小于系统中最大一台机组的 容量。
3）检修备用
4）国民经济备用

3～5%，考虑国民经济的上升而增加的备用。

∑Δ PG---各电厂厂用电所需的有功功率总和。

结论：系统的有功平衡与频率密切相关，有功不能平 衡时，频率必然发生变化。
2.电力系统备用容量


1） 负荷备用（调频备用）
适应短时负荷波动以及一天中的计划外负荷的增加。 负荷备用容量一般取3～5%的系统最大负荷； 担任负荷备用的水电厂，装机容量不得小于15%的Pmax。

2.对电力系统本身的影响
1）对汽轮机的影响。低频运行会引起汽轮机叶片产生共振，严 重时产生断裂，造成重大事故。 2）频率下降造成发电厂厂用机械(风机和泵）出力下降，影响锅 炉运行，从而发电机发电能力下降，进一步造成频率下降，导致 频率崩溃。 3）频率下降造成异步电动机和变压器励磁电流大大增加，引起 无功损耗增加，从而引起电压下降。 4）频率变化，还会引起系统中各电源间功率的重新分配，影响 系统的经济运行。
可装在负荷附近，以减少输送的无功损耗。 调相机是旋转电机，有功功率损耗较大，运行维护较复 杂。目前已逐渐被静止补偿器代替。
3）电力电容器 单台容量不大，可多台连接使用，可集中，可分散 使用，较灵活。运行功率损耗小，维护方便，价格 低。是目前广泛使用的无功电源。


缺点:只能供给无功功率，不能连续调节。当节点 电压下降时，它供给的无功功率也急剧减少，使系 统电压继续下降。
发电机的速度调整是由原动机附设的调速系统来实 现的。 发电机的有功出力与频率之间的关系称为发电机组 的功率-频率静态特性，简称发电机的功频静特性。


离心飞摆式调速系统示意图
离心飞摆式调速系统的作用原理
一次调频-----发电机调速器自动实现 有差调节

二次调频------由调频器来实现 在主调频厂，在人工或自动装置控制下，通 过开动调频器的伺服电动机，来改变发电机 组的功频静特性，使其上下平行移动。
接入电力系统中的用电设备从系统中取用的有功与 用户的生产状态、接入点的电压和系统的频率有关， 假设前两种因素不变，仅考虑有功功率随频率变化 的静态关系，称为综合负荷的频率静态特性。
f f2 f3 P P P () P ( ) P ( ) ... d 0 de 1 de 2 de 3 de f f f e e e
UU ( U U ) U U ( U U ) 2 1cos 2 2 2 1 2 Q 2 X X X
输电线路所传输的无功功率取决于U1、U2的大小。无功功率由 电压高的一端流向电压低的一端，电压差值愈大，传输的无功 功率Q2就愈大。
若U1＝U2，则Q2＝0，末端负荷所需无功只 能由末端无功电源供给。

电力系统的电压调整问题可转变成保证电压中 枢点电压不越出给定范围的问题。
2. 电压中枢点调压方式
电压中枢点：电力系统中监视、控制和调整电压 的母线。 中枢点的选择： 区域性大型发电厂和枢纽变电所高压母线； 枢纽变电所的6～10KV电压母线； 有大量负荷的发电厂6～10KV的发电机电压 母 线。

3、分级调整
（1）一次调整：针对第一种变动，由发电机组的调 速器（所有发电机组均装有调速器，所以除已满载的 机组外，每台机组均参加频率的一次调整）来完成， 按发电机组调速器的静态频率特性自动完成； （ 2 ）二次调整：针对第二种变动，由发电机组的调 频器完成，使发电机组的静态特性平行上移，以保证 频率偏差在允许范围内。由主调频厂和辅助调频厂来 完成。 ＊三次调整：计划调整，在各发电机组之间进行计划 经济分配调整。
若无功由线路传送，必须提高首端电压或 降低末端电压。若电压偏移超过允许值时， 就应减小线路传送的无功功率，所缺少的 无功功率只能由设在末端的无功电源来满 足。
2）无功负荷的电压静特性
指稳态运行时，用电设备取用的无功随电压的变化关系。 额定运行电压UN 当无功供应不足时，负荷 的端电压将被迫下降； 当无功负荷增加时，电压 静特性平行上移，如虚线， 如注入无功不变电压降为 U2。若电压保持不变，应 增加注入无功Δ Q。
由上可见，无功与电压关系密切，通过调节无功 功率可以有效地调节电压。
因此要研究调节电压的措施，应该首先从无功平 衡开始。
2.无功功率平衡

无功平衡是指任意时刻系统的无功电源发出的无 功功率与系统的无功负荷及无功损耗相平衡。


ΣQGC＝ΣQL＋ΣΔQ
考虑运行可靠性及系统负荷发展的需要，还有一 定的无功备用电源。当无功功率保持平衡时，系 统的电压水平保持不变，否则电压会波动。

频率调整过程说明
一次调频：有差调节（fa→fc) ；二次调频：无差调节。
第五节 电力系统无功功率平衡及电压调整

无功功率和电压调整的复杂性：
– 全系统各点电压不同，各点电压的容许变化
范围也可能不同； – 调整电压的手段除各个发电机外，还有大量 分散在电力系统的无功补偿设备和带负荷调 整的分接头变压器；而且，还必须和发电机 的控制进行协调，才能使满足电压要求的前 提下，全系统的功率损耗最小。
中枢点的调压方式
逆调压 调压范围：最大负荷时，中枢点电压比标称电压高 5%； 最小负荷时，中枢点电压为标称电压 适用范围：供电线路较长，负荷变动较大（最大负荷 与最小负荷数值差较大），电压质量要求较高时 装备要求：调相机、静止补偿器、有载调压变压器等 较贵重设备 恒调压 调压范围：比线路标称电压高2～5%的某个电压值， 保持恒定不变
连接容量：频率和电压等于额定值时，接在电网上的用电设备的 实际容量。
连接容量改变时，静态特性曲线将上下平移。 连接容量不变时， f↓ ， P↓ ，从而限制了频率进一步恶化。一般 f↓1%，P↓1～3%。
2、发电机组的功率—频率静特性

发电机所带负荷变化时，发电机的转速就要发生变化， 为此要保证系统频率在允许的范围内，需要进行频率 调整。