電氣工程基礎(chǔ) 課件 第4、5章 電力系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)對(duì)稱故障分析

第四章電力系統(tǒng)控制第一節(jié)電力系統(tǒng)的有功功率及頻率控制第二節(jié)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率及電壓控制第三節(jié)簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的有功與無(wú)功功率分配

第一節(jié)

電力系統(tǒng)的有功功率及頻率控制

一、

頻率調(diào)整的基本概念

1.頻率調(diào)整的必要性電力系統(tǒng)中許多設(shè)備的運(yùn)行狀況都與頻率密切相關(guān)，所以必須保持頻率在額定值50Hz上下，偏移不超過(guò)一定范圍。頻率波動(dòng)對(duì)用戶、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身都會(huì)產(chǎn)生不良影響，具體如下：

用戶使用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān)，頻率變化將引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。例如，紡織工業(yè)、造紙工業(yè)等都將因頻率變化而出現(xiàn)殘次品。

近代工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)都已廣泛使用電子設(shè)備，系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定將會(huì)影響電子設(shè)備的工作。雷達(dá)、計(jì)算機(jī)等重要設(shè)施將因頻率過(guò)低而無(wú)法運(yùn)行。

頻率變動(dòng)對(duì)發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身也有影響：火力發(fā)電廠的主要廠用機(jī)械——風(fēng)機(jī)和泵，在頻率降低時(shí)，所能供應(yīng)的風(fēng)量和水量將迅速減少，影響鍋爐的正常運(yùn)行。

低頻率運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)葉片所受的應(yīng)力將增加，會(huì)引起葉片的共振，縮短葉片的壽命，甚至使葉片斷裂。

低頻率運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的通風(fēng)量將減少，而為了維持正常電壓，又要求增加勵(lì)磁電流，以致使發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫升都將增加。為了不超越溫升限額，不得不降低發(fā)電機(jī)所發(fā)功率。

低頻率運(yùn)行時(shí)，由于磁通密度的增大，變壓器的鐵芯損耗和勵(lì)磁電流都將增大。為了不超越溫升限額，不得不降低變壓器的負(fù)荷。

頻率降低時(shí)，系統(tǒng)中的無(wú)功功率負(fù)荷將增大。而無(wú)功功率負(fù)荷的增大又將促使系統(tǒng)電壓水平的下降。

總之，由于所有設(shè)備都是按系統(tǒng)額定頻率設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)頻率質(zhì)量的下降將影響各行各業(yè)，而頻率過(guò)低時(shí)，甚至?xí)拐麄€(gè)系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。

2.有功功率負(fù)荷的變動(dòng)和調(diào)整控制

電力系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的網(wǎng)絡(luò)，額定工況下所有的發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速同步運(yùn)行，一起產(chǎn)生有功功率，并在每一時(shí)刻被所有的負(fù)荷及網(wǎng)絡(luò)損耗所消耗。系統(tǒng)頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)原動(dòng)機(jī)的輸入功率與發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率相平衡時(shí)，能維持發(fā)電機(jī)一定的轉(zhuǎn)速和頻率。但由于電能傳輸速度快、存儲(chǔ)難度大，而電力系統(tǒng)的負(fù)荷是時(shí)刻變化的，功率平衡并不能隨時(shí)維持，系統(tǒng)負(fù)荷的任何變化都會(huì)影響發(fā)電機(jī)的電磁功率，從而影響轉(zhuǎn)速(頻率)。電力系統(tǒng)中的負(fù)荷無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變動(dòng)，它的實(shí)際變動(dòng)規(guī)律曲線如圖4-1所示。圖4-1有功功率負(fù)荷的變動(dòng)

深入分析這種不規(guī)則的負(fù)荷變動(dòng)規(guī)律可見(jiàn)，它其實(shí)是幾種負(fù)荷變動(dòng)規(guī)律的綜合。換句話說(shuō)，可以將這種不規(guī)則的負(fù)荷變動(dòng)規(guī)律分解為幾種有規(guī)律可循的負(fù)荷變動(dòng)。如圖4-1

中，根據(jù)負(fù)荷變化的幅度大小及周期，可將其分解為以下三種：

第一種變動(dòng)幅度很小，周期又很短，這種負(fù)荷變動(dòng)有很大的偶然性，如圖4-1中的P1，是變化周期在10s以內(nèi)的隨機(jī)負(fù)荷。

第二種變動(dòng)幅度越大，周期也越長(zhǎng)，主要有電爐、壓延機(jī)械、電氣機(jī)車等帶有沖擊性的負(fù)荷變動(dòng)。如圖4-1中的P2，是變化周期在10~180s、幅度較大的負(fù)荷。

第三種變動(dòng)幅度最大，周期也最長(zhǎng)，是由生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動(dòng)。如圖4-1中的P3，產(chǎn)生的原因包括工廠的作息制度、人員生活習(xí)慣或氣象條件變化等。這種負(fù)荷變動(dòng)基本上可以預(yù)計(jì)。

簡(jiǎn)而言之，電力系統(tǒng)負(fù)荷變動(dòng)的幅度越大，周期就越長(zhǎng)。對(duì)應(yīng)負(fù)荷的變動(dòng)規(guī)律，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分一次、二次、三次調(diào)整三種，如圖4-2所示。圖4-2調(diào)頻任務(wù)的分配

二、

電力系統(tǒng)的頻率特性

電力系統(tǒng)的頻率特性是電力系統(tǒng)中頻率調(diào)整的依據(jù)。這里所謂頻率特性，是指有功功率

頻率靜態(tài)特性，包括系統(tǒng)負(fù)荷的頻率特性與發(fā)電機(jī)組的頻率特性。

1.電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的有功功率

頻率靜態(tài)特性

描述電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率隨頻率變化的關(guān)系曲線，稱為電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率靜態(tài)特性，簡(jiǎn)稱為負(fù)荷的頻率特性。

電力系統(tǒng)負(fù)荷的功頻特性依賴于負(fù)荷的構(gòu)成，其中包括與頻率變化無(wú)關(guān)的負(fù)荷，如照明等電阻性負(fù)荷；與頻率變化成正比的負(fù)荷，如驅(qū)動(dòng)磨粉機(jī)的固定力矩電機(jī)等；與頻率高次方成正比的負(fù)荷，如拖動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、離心水泵的異步電動(dòng)機(jī)等。負(fù)荷的頻率特性主要取決于異步電動(dòng)機(jī)，整體上呈現(xiàn)非線性關(guān)系。但在實(shí)際系統(tǒng)中允許的頻率變化范圍很小，在額定頻率附近系統(tǒng)負(fù)荷與頻率近似呈線性關(guān)系，如圖4-3所示。圖4-3負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性

由圖4-3中的負(fù)荷頻率特性P2可知，當(dāng)頻率由fN升高到f1時(shí)，負(fù)荷有功功率就自動(dòng)由PLDN增加到PLD1；反之，負(fù)荷有功功率就自動(dòng)減少。負(fù)荷有功功率隨頻率變化的大小由圖4-3中直線的斜率確定，具體為

式中，ΔPL

為有功負(fù)荷變化量(MW)；Δf為頻率變化量(Hz)；kLD為有功負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)(MW/Hz)，表示負(fù)荷隨頻率的變化程度。

若將式(4-1)中的ΔPL

和Δf

分別以額定有功負(fù)荷和額定頻率為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值表示，則頻率靜態(tài)特性斜率的標(biāo)幺值為

式中，kLD*

為有功負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)的標(biāo)幺值。當(dāng)頻率下降時(shí)，負(fù)荷吸收的有功功率自動(dòng)減??；當(dāng)頻率上升時(shí)，負(fù)荷吸收的有功功率自動(dòng)增加，這種特性有利于系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

2.發(fā)電機(jī)組的有功功率

頻率靜態(tài)特性

電力系統(tǒng)的負(fù)荷功率是靠發(fā)電機(jī)組供給的，當(dāng)有功負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率應(yīng)隨之發(fā)生變化，以保證頻率偏移不超出允許范圍。發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率與頻率之間的關(guān)系稱為發(fā)電機(jī)組有功功率

頻率靜態(tài)特性，簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性。

1)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性取決于原動(dòng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組的速度調(diào)節(jié)主要組成部分是調(diào)速器和調(diào)頻器。原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可分為機(jī)械液壓和電氣液壓兩大類。以下就以圖4-4所示離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)為例，介紹頻率調(diào)整。圖4-4-離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2)發(fā)電機(jī)組的有功功率

頻率靜態(tài)特性

通過(guò)以上分析可以看出，當(dāng)負(fù)荷功率增加時(shí)，通過(guò)調(diào)速器調(diào)整原動(dòng)機(jī)的輸出功率，使其輸出功率增加，可使頻率回升，但仍低于初始值；當(dāng)負(fù)荷功率減少時(shí)，通過(guò)調(diào)速器調(diào)整原動(dòng)機(jī)的輸出功率，使其輸出功率減少，頻率就會(huì)下降，但仍高于初始值。發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性如圖4-5所示。圖4-5發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性

其輸出有功功率大小隨頻率變化的關(guān)系可由圖4-5中直線的斜率來(lái)確定，即

式中，kG

為發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率(MW/Hz或kW/Hz)；ΔPG

為發(fā)電機(jī)組輸出有功功率的變化量(MW或kW)；Δf為頻率變化量(Hz)；負(fù)號(hào)表示ΔPG

的變化與Δf

的變化相反。

以PGN(發(fā)電機(jī)組輸出的額定有功功率)和fN為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值表示，則有

或

式中，kG*

為發(fā)電機(jī)組單位調(diào)節(jié)功率的標(biāo)幺值，亦稱發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性系數(shù)。

這種依靠發(fā)電機(jī)組調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組有功功率輸出的過(guò)程稱為一次頻率調(diào)整。一次調(diào)頻只能實(shí)現(xiàn)有差調(diào)頻；負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，除了已經(jīng)滿載運(yùn)行的機(jī)組外，系統(tǒng)中的每臺(tái)機(jī)組都將參與一次調(diào)頻。

3)發(fā)電機(jī)組的同步器

一次調(diào)頻后，若不能保證頻率偏移在允許范圍內(nèi)，通常就需要有“二次調(diào)整”，“二次調(diào)整”是借同步器(調(diào)頻器)完成的。

結(jié)構(gòu)如圖4-4的裝置5所示，同步器由伺服電動(dòng)機(jī)、蝸輪、蝸桿等裝置組成。在人工操作或自動(dòng)裝置控制下，伺服電動(dòng)機(jī)既可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸輪、蝸桿將D點(diǎn)抬高或降低。

二次調(diào)頻的效果就是平行移動(dòng)發(fā)電機(jī)組的功頻靜態(tài)特性，若將圖4-5中的功頻靜態(tài)特性由曲線1平行移到曲線2，就可使發(fā)電機(jī)在負(fù)荷增加ΔPG后仍能在額定頻率下運(yùn)行。所以，通過(guò)二次調(diào)頻，可以實(shí)現(xiàn)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)。二次調(diào)頻是在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，由一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)電廠來(lái)承擔(dān)的。

三、

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整

1.頻率的一次調(diào)整

負(fù)荷變化引起頻率偏差時(shí)，系統(tǒng)中的負(fù)荷及裝有調(diào)速器且留有可調(diào)容量的發(fā)電機(jī)組會(huì)依據(jù)各自的功頻靜態(tài)特性自動(dòng)參加頻率調(diào)整，這就是電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整。一次調(diào)整

只能做到有差調(diào)節(jié)。

以單機(jī)負(fù)荷為例，負(fù)荷和電源的有功功率靜態(tài)頻率特性已知，發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的頻率特性和負(fù)荷頻率特性的交點(diǎn)就是系統(tǒng)的原始運(yùn)行點(diǎn)，如圖4-6中的點(diǎn)Q。設(shè)在點(diǎn)Q

運(yùn)行時(shí)負(fù)荷突然增加ΔPLQ，即負(fù)荷的頻率特性突然向上移動(dòng)ΔPLQ，而發(fā)電機(jī)組功率不能及時(shí)隨之變動(dòng)，機(jī)組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。在系統(tǒng)頻率下降的同時(shí)，發(fā)電機(jī)組的功率將因它的調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷的功率將因它本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少。前者沿原動(dòng)機(jī)的頻率特性向上增加，后者沿負(fù)荷的頻率特性向下減少，經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減的振蕩過(guò)程，抵達(dá)一新的平衡點(diǎn)，即圖4-6中點(diǎn)Q'。圖4-6頻率的一次調(diào)整

由于圖4-6中QA=QB+BA=B'Q'-B'A'，而

B'Q'=ΔPG=-kGΔf，B'A'=ΔPL=kLDΔf，QA=ΔPLQ，可得

或

式中，kS稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，也以MW/Hz或MW/(0.1Hz)為單位。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率也可用標(biāo)幺值表示。以標(biāo)幺值表示時(shí)的基準(zhǔn)功率通常就取系統(tǒng)原始運(yùn)行狀態(tài)下的總負(fù)荷。因此從這個(gè)系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率kS

可求取在允許的頻率偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)能承受多大的負(fù)荷。

當(dāng)系統(tǒng)中有n

臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)所有發(fā)電機(jī)組的等值單位調(diào)節(jié)功率為kG∑

。這種情況下，電力系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率kS

的計(jì)算式為

2.頻率的二次調(diào)整

如圖4-7中，若不進(jìn)行二次調(diào)整，則在負(fù)荷增大ΔPLQ

后，運(yùn)行點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到Q'，即頻率將下降為f'Q，功率將增加為P'Q

。在一次調(diào)整的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次調(diào)整就是在負(fù)荷變動(dòng)引起的頻率下降Δf'越出允許范圍時(shí)，操作調(diào)頻器增加發(fā)電機(jī)組發(fā)出的功率，使頻率特性向上移動(dòng)。設(shè)發(fā)電機(jī)組增發(fā)ΔPGQ，則運(yùn)行點(diǎn)又將從點(diǎn)Q'轉(zhuǎn)移到點(diǎn)Q″。點(diǎn)Q″對(duì)應(yīng)的頻率為f″Q、功率為P″Q，即頻率下降。由于進(jìn)行了二次調(diào)整由僅有一次調(diào)整時(shí)的Δf'減少為Δf″，可以供應(yīng)負(fù)荷的功率則由僅有一次調(diào)整時(shí)的P'Q

增加為P″Q

。顯然，由于進(jìn)行了二次調(diào)整，系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量有了改善。

由圖4-7可見(jiàn)，只進(jìn)行一次調(diào)整時(shí)，負(fù)荷的原始增量ΔPLQ

可分解為兩部分：一部分是因調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機(jī)組功率-kGΔf'(圖中B'Q')；另一部分是因負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率kLDΔf'(圖中

B'A')。進(jìn)行二次調(diào)整時(shí)，這個(gè)負(fù)荷增量ΔPLQ

可分解為三部分：一部分是由于進(jìn)行了二次調(diào)整，發(fā)電機(jī)組增發(fā)的功率ΔPGQ(圖中QC)；第二部分仍是由于調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機(jī)組功率-kGΔf″(圖中CB=B″C″)；第三部分仍是由于負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率kLDΔf″(圖中AB=B″A″)。

于是，類比式(4-7)可得

若ΔPLQ=ΔPGQ，即發(fā)電機(jī)組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量ΔPLQ，則Δf=0，即實(shí)現(xiàn)了所謂無(wú)差調(diào)節(jié)，無(wú)差調(diào)節(jié)如圖4-7中虛線所示。圖4-7頻率的二次調(diào)整

如上的結(jié)論可推廣運(yùn)用于系統(tǒng)中有n

臺(tái)機(jī)組，且由第n臺(tái)機(jī)組擔(dān)負(fù)二次調(diào)整任務(wù)的情況。由于這種情況相當(dāng)于有一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行二次調(diào)整、n

臺(tái)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)整，從而類似式

(4-9)可直接列出

3.互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整

為討論這個(gè)問(wèn)題，將一個(gè)系統(tǒng)分成兩部分或看作是兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合，如圖4-8所示。圖中kA、kB

分別為聯(lián)合前

A、B兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。而為使討論的結(jié)論有更普遍的意義，設(shè)

A、B兩系統(tǒng)中都沒(méi)有進(jìn)行二次調(diào)整的電廠，它們的功率變量分別為ΔPGA、ΔPGB；A、B兩系統(tǒng)的負(fù)荷變量則分別為ΔPLA、ΔPLB；設(shè)聯(lián)絡(luò)線上的交換功率PAB由

A向B流動(dòng)時(shí)為正值。圖4-8兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合

例4.1

兩系統(tǒng)由聯(lián)絡(luò)線連接為一聯(lián)合系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)線上沒(méi)有交換功率流通。兩系統(tǒng)的容量分別為1500MW和1000MW；各自的單位調(diào)節(jié)功率(分別以兩系統(tǒng)容量為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值)如圖4-9所示。設(shè)A系統(tǒng)負(fù)荷增加100MW，試計(jì)算下列情況下的頻率變量和聯(lián)絡(luò)線上流過(guò)的交換功率：

(1)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參加一次調(diào)頻；

(2)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都不參加一次調(diào)頻；

(3)B系統(tǒng)機(jī)組不參加一次調(diào)頻；

(4)A系統(tǒng)機(jī)組不參加一次調(diào)頻。圖4-9兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)頻舉例

解：將以標(biāo)幺值表示的單位調(diào)節(jié)功率折算為有名值。

(1)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都參加一次調(diào)頻時(shí)：

這種情況正常，頻率下降不多，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線由B向A輸送的功率也不大。

(2)A、B兩系統(tǒng)機(jī)組都不參加一次調(diào)頻時(shí)：

這種情況最嚴(yán)重，A、B兩系統(tǒng)的機(jī)組都已滿載，調(diào)速器受負(fù)荷限制器的限制已無(wú)法調(diào)整，只能依靠負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)。這時(shí)，系統(tǒng)頻率質(zhì)量無(wú)法保證。

(3)B系統(tǒng)機(jī)組不參加一次調(diào)頻時(shí)：

(4)A系統(tǒng)機(jī)組不參加一次調(diào)頻時(shí)：

4.主調(diào)頻廠的選擇

為了避免在頻率調(diào)整過(guò)程中發(fā)生過(guò)調(diào)或頻率長(zhǎng)時(shí)間不能穩(wěn)定的現(xiàn)象，頻率的調(diào)整工作通常在各發(fā)電廠間進(jìn)行分工，實(shí)行分級(jí)調(diào)整，即將所有發(fā)電廠分為主調(diào)頻廠、輔助調(diào)頻廠和非調(diào)頻廠三類。

主調(diào)頻廠負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的頻率調(diào)整工作，一般由一個(gè)發(fā)電廠擔(dān)任。若主調(diào)頻廠不足以承擔(dān)系統(tǒng)的負(fù)荷變化，則輔助調(diào)頻廠參與頻率的調(diào)整，輔助調(diào)頻廠由1~2個(gè)發(fā)電廠承擔(dān)。非調(diào)頻廠一般不參與調(diào)頻，只按調(diào)度部門分配的負(fù)荷發(fā)電，因而又稱為基載廠(或固定功率發(fā)電廠)。

電力系統(tǒng)頻率主要靠主調(diào)頻廠負(fù)責(zé)調(diào)整，主調(diào)頻廠選擇的好壞直接關(guān)系到頻率的質(zhì)量。主調(diào)頻廠一般按下列條件選擇：

(1)具有足夠的調(diào)節(jié)容量和范圍；

(2)具有較快的調(diào)節(jié)速度；

(3)具有安全性與經(jīng)濟(jì)性。

除以上條件外，還應(yīng)考慮電源聯(lián)絡(luò)線上的交換功率是否會(huì)因調(diào)頻引起過(guò)負(fù)荷跳閘或失去穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)頻引起的電壓波動(dòng)是否在電壓允許偏移范圍之內(nèi)等。

當(dāng)正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)突然發(fā)生電源事故或系統(tǒng)解列事故，使頻率大幅度下降時(shí)，應(yīng)采取措施迅速使頻率恢復(fù)正常。通常應(yīng)在各級(jí)調(diào)度的統(tǒng)一指揮下，采用下列措施有步驟地進(jìn)行事故調(diào)頻；

(1)投入旋轉(zhuǎn)備用容量(或旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組)，迅速啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組。

(2)切除部分負(fù)荷。

(3)選取合適地點(diǎn)，將系統(tǒng)解列運(yùn)行。

(4)分離廠用電，以確保發(fā)電廠能迅速恢復(fù)正常，與系統(tǒng)并列運(yùn)行。

四、

電力系統(tǒng)有功功率平衡及最優(yōu)分配

電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配有兩個(gè)主要內(nèi)容，即有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配。

有功功率電源的最優(yōu)組合是指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠的合理組合，也就是通常所謂機(jī)組的合理開(kāi)停。它大體上包括三個(gè)部分：機(jī)組的最優(yōu)組合順序、機(jī)組的最優(yōu)組合數(shù)量和機(jī)組的最優(yōu)開(kāi)停時(shí)間。因此，簡(jiǎn)言之，這一方面涉及的是電力系統(tǒng)中冷備用容量的合理組合問(wèn)題。合理組合機(jī)組的方法主要有啟發(fā)式方法和優(yōu)化方法。最優(yōu)組合順序法是常用的一種啟發(fā)式方法。

1.有功功率平衡方程式及備用容量

為了保證頻率在額定值所允許的偏移范圍內(nèi)，電力系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率必須和負(fù)荷消耗的有功功率平衡。通常有功功率平衡表示為

式中：∑PG

為所有發(fā)電機(jī)組有功功率之和：∑PLD

為所有負(fù)荷有功功率之和；∑ΔP

為網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗之和：∑PP

為所有發(fā)電廠廠用電有功功率之和。

為了保證供電的可靠性和良好的電能質(zhì)量，電力系統(tǒng)的有功功率平衡必須在額定參數(shù)下確定，而且還應(yīng)留有一定的備用容量，備用容量通常按用途或備用形式進(jìn)行分類。

1)按用途分類

(1)負(fù)荷備用，是指為了適應(yīng)實(shí)際負(fù)荷的經(jīng)常波動(dòng)或一天內(nèi)計(jì)劃外的負(fù)荷增加而設(shè)置的各用容量。

(2)檢修備用，是指為了保證電力系統(tǒng)中的機(jī)組按計(jì)劃周期性地進(jìn)行檢修，又不影響此期間對(duì)用戶正常供電而設(shè)置的備用容量。

(3)事故備用，是指為了使電力系統(tǒng)在部分機(jī)組因系統(tǒng)或自身發(fā)生事故退出運(yùn)行時(shí)，仍能維持系統(tǒng)正常供電所設(shè)置的備用容量。

(4)國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用，是指計(jì)及負(fù)荷的超計(jì)劃增長(zhǎng)而設(shè)置的備用容量。

2)按備用形式分類

(1)熱備用(或稱旋轉(zhuǎn)備用)。熱備用容量?jī)?chǔ)存于運(yùn)行機(jī)組之中，能及時(shí)抵償系統(tǒng)的功率缺額。

(2)冷備用(或稱停機(jī)備用)。

2.各類發(fā)電廠的特點(diǎn)及其在負(fù)荷曲線中的位置

電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠主要有火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠和核電廠三類。

各類發(fā)電廠由于設(shè)備容量、機(jī)組型號(hào)、動(dòng)力資源等方面的不同有著不同的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特性。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特性，必須要注重各類發(fā)電廠的特點(diǎn)，合理地組織它們的運(yùn)行方式，安排它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)日負(fù)荷曲線或年負(fù)荷曲線中的位置。

1)各類電廠運(yùn)行特點(diǎn)

(1)火力發(fā)電廠的主要特點(diǎn)：

①

運(yùn)行需支付燃料費(fèi)用，占用國(guó)家的運(yùn)輸能力，但運(yùn)行不受自然條件的影響。

②

發(fā)電設(shè)備的效率受蒸汽參數(shù)的影響。高溫高壓設(shè)備的效率高，中溫中壓設(shè)備的效率次之，低溫低壓設(shè)備的效率低。

③

發(fā)電廠有功輸出功率受鍋爐和汽輪機(jī)的最小技術(shù)負(fù)荷的限制，調(diào)整范圍較小。機(jī)組的投入和退出運(yùn)行需要時(shí)間長(zhǎng)。

④

熱電廠除發(fā)電外還采用抽汽供熱，其總效率高于一般的凝汽式火電廠，但與熱負(fù)荷相應(yīng)的發(fā)電功率是不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫功率。

(2)水利發(fā)電廠的主要特點(diǎn)：

①

不需要支付燃料費(fèi)用，而且水能是可再生資源，但運(yùn)行不同程度地受自然條件的影響。

②

功率調(diào)整范圍較寬，負(fù)荷增減速度快，機(jī)組的投入和退出運(yùn)行費(fèi)時(shí)少。

③

水利樞紐往往兼有發(fā)電、航運(yùn)、防洪等多方面的效益，因而發(fā)電用水量通常要按水庫(kù)的綜合效益考慮，不一定能同電力負(fù)荷的需要相一致。

(3)核電廠的主要特點(diǎn)：

①

一次性投資大，運(yùn)行費(fèi)用小。

②

運(yùn)行中不宜承擔(dān)急劇變動(dòng)的負(fù)荷。

③

反應(yīng)堆和汽輪機(jī)組退出運(yùn)行和再度投入花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，且增加能量損耗。

2)各類發(fā)電廠的合理組合

根據(jù)各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)可見(jiàn)：

一般，火電廠以承擔(dān)基本不變的負(fù)荷為宜，這樣可避免頻繁開(kāi)停設(shè)備或增減負(fù)荷。其中，高溫高壓電廠因效率最高，應(yīng)優(yōu)先投入；而且，由于它們可靈活調(diào)節(jié)的范圍較窄，在負(fù)荷曲線的更基底部分運(yùn)行更恰當(dāng)。

根據(jù)各類發(fā)電廠的特點(diǎn)，結(jié)合夏季豐水期和冬季枯水期的具體情況，各類發(fā)電廠在日負(fù)荷曲線上的負(fù)荷分配如圖4-10所示?？蓪⒏黝惏l(fā)電廠承擔(dān)負(fù)荷的順序大致排列如下：圖4-10各類發(fā)電廠承擔(dān)負(fù)荷順序示意圖

枯水季節(jié)：

(1)無(wú)調(diào)節(jié)水電廠；

(2)有調(diào)節(jié)水電廠的強(qiáng)迫功率；

(3)熱電廠的強(qiáng)迫功率；

(4)核能電廠；

(5)燃燒當(dāng)?shù)亓淤|(zhì)燃料的火電廠；

(6)熱電廠的可調(diào)功率；

(7)高溫高壓火電廠；

(8)中溫中壓火電廠；

(9)低溫低壓火電廠(不一定投入)；

(10)有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率；

(11)抽水蓄能水電廠。

負(fù)荷曲線的最高部位往往是兼負(fù)調(diào)整系統(tǒng)頻率任務(wù)的發(fā)電廠的工作位置。系統(tǒng)中的負(fù)荷備用就設(shè)置在這種調(diào)頻廠內(nèi)?？菟竟?jié)往往就由系統(tǒng)中的大水電廠承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)；洪水季節(jié)該任務(wù)就轉(zhuǎn)移給中溫中壓火電廠。抽水蓄能電廠在其發(fā)電期間也可參加調(diào)頻，但低溫低壓火電廠則因容量不足、設(shè)備陳舊，不能擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)。

3.最優(yōu)分配負(fù)荷時(shí)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件

1)耗量特性

電力系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷合理分配的目標(biāo)是在滿足一定約束條件的前提下，盡可能節(jié)約消耗的(一次)能源。因此，要分析這個(gè)問(wèn)題，必須先明確發(fā)電設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出有功功率的關(guān)系，即發(fā)電設(shè)備輸入與輸出的關(guān)系。該關(guān)系稱為耗量特性，如圖4-11所示。圖4-11耗量特性

通常比耗量和耗量微增率的單位相同，如t/(MW·h)，但兩者卻是兩個(gè)不同的概念，而且它們的數(shù)值一般也不相等，只有在耗量特性曲線上某一特殊點(diǎn)

m，它們才相等，如圖4-12所示。這一特殊點(diǎn)m

就是從原點(diǎn)作直線與耗量特性曲線相切時(shí)的切點(diǎn)。圖4-12比耗量和耗量微增率

比耗量和耗量微增率的變化如圖4-13所示。圖4-13比耗量和耗量微增率的變化

2)目標(biāo)函數(shù)和約束條件

明確了有功功率負(fù)荷的大小和耗量特性，在系統(tǒng)中有一定備用容量時(shí)，就可考慮這些負(fù)荷在已運(yùn)行發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問(wèn)題。該問(wèn)題實(shí)際上屬于非線性規(guī)劃范疇。因?yàn)樵跀?shù)學(xué)上，其性質(zhì)是在一定的約束條件下，使某目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu)，而這些約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是各種變量即狀態(tài)變量、控制變量、擾動(dòng)變量的非線性函數(shù)。換言之，在數(shù)學(xué)上，該問(wèn)題可表達(dá)為：在滿足等約束條件f(x、u、d)=0和不等約束條件g(x、u、d)≤0的前提下，使目標(biāo)函數(shù)C=C(x、u、d)為最優(yōu)。

式中的ΔPΣ

為網(wǎng)絡(luò)總損耗。當(dāng)不計(jì)網(wǎng)絡(luò)損耗時(shí)，上式可改寫(xiě)為

這里的不等約束條件有三個(gè)，分別為各節(jié)點(diǎn)發(fā)電設(shè)備有功功率PGi、無(wú)功功率QGi和電壓大小不得逾越的限額，即

系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備消耗的能源可能受限制。例如，水電廠一晝夜間消耗的水量受約束于水庫(kù)調(diào)度。出現(xiàn)這種情況時(shí)，目標(biāo)函數(shù)就不應(yīng)再是單位時(shí)間內(nèi)消耗的能源，而應(yīng)是一段時(shí)間內(nèi)消耗的能源，即

而等約束條件除式(4-19)外，還應(yīng)增加

第二節(jié)

電力系統(tǒng)的無(wú)功功率及電壓控制一、

電壓調(diào)整的概念電壓偏移是衡量電能質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)橛秒娫O(shè)備通常都是按照電網(wǎng)額定電壓設(shè)計(jì)、運(yùn)行的，當(dāng)運(yùn)行電壓偏離額定值較大時(shí)，設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)就會(huì)惡化，直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞設(shè)備，甚至引起系統(tǒng)性的“電壓崩潰”，造成大面積停電。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時(shí)，各類負(fù)荷中占比重最大的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大，從而電動(dòng)機(jī)各繞組中的電流將增大，溫升將增加，效率將降低，壽命將縮短，如圖4-14所示。圖4-14異步電動(dòng)機(jī)的電壓特性

照明負(fù)荷，尤其是白熾燈，對(duì)電壓變化的反應(yīng)最靈敏。電壓過(guò)高，白熾燈的壽命將大為縮短；電壓過(guò)低，亮度和發(fā)光效率又要大幅度下降，如圖4-15(a)所示。日光燈的反應(yīng)較遲鈍，但電壓偏離其額定值時(shí)，也將縮短其壽命，如圖4-15(b)所示。圖4-15照明負(fù)荷的電壓特性

至于因系統(tǒng)中無(wú)功功率短缺，電壓水平低下，某些樞紐變電站母線電壓在微小擾動(dòng)下頃刻之間的大幅度下降，即圖4-16所示的“電壓崩潰”現(xiàn)象，則更是一種將導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解的災(zāi)難性事故。不僅電壓偏移過(guò)大會(huì)影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，電壓的微小波動(dòng)也會(huì)造成不良后果。例如，由于電壓波動(dòng)引起的燈光閃爍將使人疲勞。圖4-16“電壓崩潰”現(xiàn)象記錄

二、

電力系統(tǒng)的電壓特性

1.電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的無(wú)功功率

電壓靜態(tài)特性

電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷包括各種不同的用電設(shè)備，主要有以下幾類：

①

用戶與發(fā)電廠廠用電的無(wú)功負(fù)荷(主要是異步電動(dòng)機(jī))；

②

線路和變壓器的無(wú)功損耗；

③

并聯(lián)電抗器的無(wú)功損耗。所謂電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性，是指各種用電設(shè)備所消耗的有功功率和無(wú)功功率隨電壓變化的關(guān)系，簡(jiǎn)稱負(fù)荷電壓特性。

1)異步電動(dòng)機(jī)

如圖4-17所示為異步電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化等效電路。由異步電動(dòng)機(jī)的等值電路可知，它所消耗的無(wú)功功率為

式中，QM

為異步電動(dòng)機(jī)消耗的無(wú)功功率；Qm

為勵(lì)磁電抗Xm

中的勵(lì)磁功率；Qσ

為漏磁電抗Xσ中的無(wú)功功率損耗。圖4-17異步電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化等值電路

綜合Qm

和Qσ的變化特點(diǎn)，可得異步電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率

電壓靜態(tài)特性QM-U，亦即綜合無(wú)功負(fù)荷

電壓靜態(tài)特性QLD-U，如圖4-18所示。圖4-18異步電動(dòng)機(jī)的QLDU關(guān)系

2)變壓器

變壓器中的無(wú)功功率損耗也由兩部分組成，即勵(lì)磁損耗與繞組漏抗損耗，后者與負(fù)載大小有關(guān)，表達(dá)式為

變壓器的無(wú)功損耗在系統(tǒng)中的無(wú)功需求中占有相當(dāng)大的比重，從發(fā)電廠到用戶，中間要經(jīng)過(guò)多級(jí)變壓，無(wú)功功率損耗可達(dá)用戶負(fù)荷的50%~70%。

3)并聯(lián)電抗器

并聯(lián)電抗器損耗的無(wú)功功率為

2.發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率

電壓靜態(tài)特性

所謂發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率

電壓靜態(tài)特性，是指發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率與電壓變化關(guān)系的曲線，簡(jiǎn)稱電壓靜態(tài)特性。

某簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)如圖4-19所示。圖4-19(a)中的發(fā)電機(jī)為隱極機(jī)，略去各元件電阻，用電抗

X

表示發(fā)電機(jī)電抗Xd與線路電抗

Xl之和，則得到的等效電路如圖4-19(b)所示。圖4-19簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)圖4-20發(fā)電機(jī)電壓靜態(tài)特性

3.無(wú)功功率平衡對(duì)電力系統(tǒng)電壓的影響

電力系統(tǒng)的電壓運(yùn)行水平取決于發(fā)電機(jī)和其他無(wú)功電源輸送的無(wú)功功率QG

和綜合負(fù)荷無(wú)功功率QLD(含網(wǎng)絡(luò)無(wú)功功率損耗)的平衡，如圖4-21所示。圖4-21電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)特性

造成電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓下降的主要原因是系統(tǒng)的無(wú)功電源運(yùn)行能力不足。為了提高運(yùn)行電壓質(zhì)量，減小電壓偏移，必須使電力系統(tǒng)無(wú)功功率在額定電壓或其允許電壓偏移范圍內(nèi)保持平衡。

三、

電力系統(tǒng)的無(wú)功功率

1.無(wú)功負(fù)荷和無(wú)功損耗功率

電力系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷功率由負(fù)荷的功率因數(shù)決定，提高負(fù)荷的功率因數(shù)可以降低無(wú)功負(fù)荷功率，一般綜合負(fù)荷的功率因數(shù)為0.6~0.9。為了降低網(wǎng)損和便于調(diào)壓，我國(guó)《電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力管理?xiàng)l例》規(guī)定：

①

高壓供電的工業(yè)企業(yè)及裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓設(shè)備的用戶，其功率因數(shù)應(yīng)不低于0.95；

②

其他電力用戶的功率因數(shù)不低于0.9；

③

躉售和農(nóng)業(yè)用戶功率因數(shù)為0.8以上。

電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率損耗主要包括變壓器的無(wú)功功率損耗和線路的無(wú)功功率損耗。變壓器的無(wú)功功率損耗由勵(lì)磁損耗(ΔQ0)和繞組中的無(wú)功功率損耗(ΔQ)兩部分組成。

由于勵(lì)磁損耗占變壓器額定容量(STN)的百分值ΔQ0%和空載電流的百分值I0%近似相等，故有

ΔQ0為變壓器額定容量的1%~2%。

變壓器繞組中的無(wú)功功率損耗ΔQ0

為

或

2.無(wú)功功率的平衡方程

電力系統(tǒng)無(wú)功功率平衡是保證電壓水平的必要條件，對(duì)其基本要求是：系統(tǒng)中的無(wú)功電源功率要大于或等于負(fù)荷所需的無(wú)功功率與網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功功率損耗之和。為了保證系統(tǒng)

運(yùn)行的可靠性和適應(yīng)無(wú)功負(fù)荷的增長(zhǎng)需要，還應(yīng)留有一定的無(wú)功備用容量。

無(wú)功備用容量一般為無(wú)功負(fù)荷的7%~8%。系統(tǒng)無(wú)功功率平衡方程式為

式中，∑QG

為電力系統(tǒng)所有無(wú)功電源容量之和；∑QLD為電力系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷之和；∑QP為所有發(fā)電廠廠用無(wú)功負(fù)荷之和；∑ΔQG

為電力系統(tǒng)無(wú)功功率損耗之和；∑Qre為無(wú)功備用容量之和。

根據(jù)如上的平衡關(guān)系，定期做無(wú)功功率平衡計(jì)算的內(nèi)容大體包括：

(1)參考累積的運(yùn)行資料確定未來(lái)的、有代表性的預(yù)想有功功率日負(fù)荷曲線。

(2)確定出現(xiàn)無(wú)功功率日最大負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷的分配。

(3)假設(shè)各無(wú)功功率電源的容量和配置情況以及某些樞紐點(diǎn)的電壓水平。

(4)計(jì)算系統(tǒng)中的潮流分布。

(5)根據(jù)潮流分布情況，統(tǒng)計(jì)出平衡關(guān)系式中的數(shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)無(wú)功功率能否平衡。

(6)若統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明系統(tǒng)中無(wú)功功率有缺額，則應(yīng)改變上列假設(shè)條件，重做潮流分布計(jì)算；而若無(wú)功功率始終無(wú)法平衡，則應(yīng)考慮增設(shè)無(wú)功電源的方案。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，進(jìn)行無(wú)功功率平衡計(jì)算的前提應(yīng)是系統(tǒng)的電壓水平正常，正如考慮有功功率平衡的前提是系統(tǒng)頻率正常一樣。如果在正常電壓水平下不能保證無(wú)功功率的平衡，則系統(tǒng)的電壓質(zhì)量也不能保證。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中無(wú)功功率電源不足時(shí)的無(wú)功功率平衡是由于系統(tǒng)電壓水平下降，無(wú)功功率負(fù)荷(包括損耗)本身具有正值的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)使全系統(tǒng)的無(wú)功功率需求∑QLD

有所下降而達(dá)到的。

四、

電力系統(tǒng)的電壓管理

1.電壓中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在額定電壓前提下的無(wú)功功率平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件，但不是充分條件。僅有全系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡，并不能使各負(fù)荷點(diǎn)的電壓都滿足要求。要保證各負(fù)荷點(diǎn)的電壓都在允許電壓偏移范圍內(nèi)，還應(yīng)該分地區(qū)、分電壓等級(jí)合理分配無(wú)功負(fù)荷，進(jìn)行電壓調(diào)整。

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷點(diǎn)很多，如果對(duì)每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的電壓都進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整，不僅不經(jīng)濟(jì)而且也不可能。因此，對(duì)電力系統(tǒng)電壓的監(jiān)視、控制和調(diào)整一般只在某些選定的母線上實(shí)行，這些母線稱為電壓中樞點(diǎn)。一般選擇下列母線為電壓中樞點(diǎn)：

①

區(qū)域性發(fā)電廠和樞紐變電站的高壓母線；

②

樞紐變電站的二次母線；

③

有一定地方負(fù)荷的發(fā)電機(jī)電壓母線；

④

城市直降變電站的二次母線。這種通過(guò)對(duì)中樞點(diǎn)電壓的控制來(lái)調(diào)整電壓的方式稱為中樞點(diǎn)調(diào)壓。

應(yīng)該指出，對(duì)于地方電網(wǎng)，由于其負(fù)荷點(diǎn)多且分散，又緊接用電設(shè)備，各路出線的電壓損耗可以相差很大，使中樞點(diǎn)的電壓很難同時(shí)滿足各路出線的要求。因?yàn)殡妷簱p耗大的用戶要求中樞點(diǎn)有較高的電壓，而電壓損耗小的用戶，要求降低中樞點(diǎn)的電壓。為了能合理選擇中樞點(diǎn)的電壓，需要根據(jù)電網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地方電網(wǎng)的最大允許電壓損耗作出嚴(yán)格規(guī)定(見(jiàn)表4-1)；對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的允許電壓損耗，則無(wú)嚴(yán)格規(guī)定，一般只要求在正常情況下為額定電壓的10%左右，在事故情況下允許升高到15%~20%。

根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)荷的性質(zhì)，中樞點(diǎn)電壓的調(diào)整原則上采用順調(diào)壓、逆調(diào)壓和恒調(diào)壓三種調(diào)壓方式。

(1)順調(diào)壓。電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)絡(luò)電壓損耗的大小與負(fù)荷大小有著密切的關(guān)系。負(fù)荷大，電壓損耗也就大，電網(wǎng)各點(diǎn)的電壓就偏低；負(fù)荷小，電壓損耗也就小，電網(wǎng)各點(diǎn)的電壓就偏高。所謂順調(diào)壓，就是大負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓低一些，但在最大負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)，中樞點(diǎn)的電壓不應(yīng)低于線路額定電壓的102.5%；小負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓高一些，但在最小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)，中樞點(diǎn)的電壓不應(yīng)高于線路額定電壓的107.5%，順調(diào)壓是調(diào)壓要求最低的方式，一般不需裝設(shè)特殊的調(diào)壓設(shè)備就可滿足調(diào)壓要求，但只適用于供電距離較短、負(fù)荷被動(dòng)不大的電壓中樞點(diǎn)。

(2)逆調(diào)壓。對(duì)線路較長(zhǎng)、損耗大、負(fù)荷變動(dòng)也大的電網(wǎng)中樞點(diǎn)來(lái)說(shuō)，采用順調(diào)壓往往不能滿足負(fù)荷對(duì)電壓偏移的要求，因?yàn)樵谶@種電網(wǎng)中，在最大負(fù)荷時(shí)，電壓損耗很大，如果中樞點(diǎn)的電壓隨之降低，則遠(yuǎn)端負(fù)荷的電壓就將過(guò)低；在最小負(fù)荷時(shí)，電壓損耗不大，如果中樞點(diǎn)的電壓還要抬高，則近端負(fù)荷的電壓就將過(guò)高。為此必須采取措施在大負(fù)荷時(shí)升高中樞點(diǎn)的電壓，小負(fù)荷時(shí)降低中樞點(diǎn)的電壓。這種中樞點(diǎn)電壓隨負(fù)荷增減而增減的調(diào)壓方式稱為逆調(diào)壓，具體要求是：最大負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)，中樞點(diǎn)的電壓要高于線路額定電壓5%；最小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)，中樞點(diǎn)的電壓要等于線路額定電壓。逆調(diào)壓方式是一種要求較高的調(diào)壓方式。要實(shí)現(xiàn)中樞點(diǎn)的逆調(diào)壓，一般要求中樞點(diǎn)具有較為充足的無(wú)功電源，否則需在中樞點(diǎn)裝設(shè)調(diào)相機(jī)、有載調(diào)壓變壓器或靜止補(bǔ)償器等特殊的調(diào)壓設(shè)備。

(3)恒調(diào)壓(或常調(diào)壓)。恒調(diào)壓是指在最大和最小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)保持中樞點(diǎn)電壓等于線路額定電壓1.02~1.05倍的調(diào)壓方式。恒調(diào)壓方式通常用于向負(fù)荷波動(dòng)甚小的用戶供電的電壓中樞點(diǎn)，如三班制工礦企業(yè)。在負(fù)荷變動(dòng)大的電網(wǎng)中，要在中樞點(diǎn)實(shí)現(xiàn)恒調(diào)壓，也必須有特殊的調(diào)壓設(shè)備，但對(duì)調(diào)壓設(shè)備的要求可比逆調(diào)壓時(shí)低一些。

2.電壓調(diào)整的基本原理

電壓調(diào)整的基本原理通過(guò)圖4-22所示簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)可以進(jìn)行說(shuō)明。圖中，若已知發(fā)電機(jī)

G

的運(yùn)行電壓為UG，變壓器

T1、T2的變比分別為k1、k2，高壓線路的額定電壓為UN，折算到高壓側(cè)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為R+jX，負(fù)荷功率為P+jQ，當(dāng)忽略線路充電功率、變壓器的勵(lì)磁功率和網(wǎng)絡(luò)功率損耗時(shí)，則負(fù)載端的電壓U

應(yīng)按式(4-32)計(jì)算，即圖4-22電壓調(diào)整基本原理

分析式(4-32)可知，采用以下措施可達(dá)到調(diào)整負(fù)荷端電壓U的目的。

(1)改變發(fā)電機(jī)的端電壓UG；

(2)改變升、降壓變壓器的變比k1、k2；

(3)改變網(wǎng)絡(luò)無(wú)功功率Q的分布；

(4)改變網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)R、X。

五、

調(diào)壓的基本措施

1.改變發(fā)電機(jī)的端電壓

明確了對(duì)電壓調(diào)整的要求，就可進(jìn)一步研究為達(dá)到這些要求而采用的手段。在各種調(diào)壓手段中，首先應(yīng)考慮調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓，因此這是一種不需耗費(fèi)投資且最直接的調(diào)壓手段。

現(xiàn)代的同步發(fā)電機(jī)可在額定電壓的95%~105%范圍內(nèi)保持以額定功率運(yùn)行。在發(fā)電機(jī)不經(jīng)升壓直接用發(fā)電機(jī)電壓向用戶供電的簡(jiǎn)單系統(tǒng)中，如供電線路不很長(zhǎng)、線路上電壓損耗不很大，一般就借調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，改變其母線電壓，使之實(shí)現(xiàn)逆調(diào)壓以滿足負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量的要求。

以圖4-23(a)所示簡(jiǎn)單系統(tǒng)為例，設(shè)各部分網(wǎng)絡(luò)最大、最小負(fù)荷時(shí)的電壓損耗分別如圖中所示，則最大負(fù)荷時(shí)，由發(fā)電機(jī)母線至最遠(yuǎn)負(fù)荷處的總電壓損耗為20%，最小負(fù)荷時(shí)為8.0%，即最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓變動(dòng)范圍為12.0%。如發(fā)電機(jī)母線采用逆調(diào)壓，最大負(fù)荷時(shí)升高至105%UN，最小負(fù)荷時(shí)下降為UN；如變壓器的變比

1.10，即一次側(cè)電壓為線路額定電壓時(shí)，二次側(cè)的空載電壓較線路額定電壓高10%，則全網(wǎng)的電壓分布將如圖4-23(b)所示。由圖可見(jiàn)，這種情況下，最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓偏移最大負(fù)荷時(shí)為-5%，最小負(fù)荷時(shí)為+2%，即都在一般負(fù)荷要求的±5%范圍內(nèi)。圖4-23發(fā)電機(jī)母線逆調(diào)壓的效果

發(fā)電機(jī)經(jīng)多級(jí)變壓向負(fù)荷供電時(shí)，僅借發(fā)電機(jī)調(diào)壓往往不能滿足負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量的要求。以圖4-24所示系統(tǒng)為例，最大、最小負(fù)荷時(shí)由發(fā)電機(jī)母線至最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓損耗分別為35%、14%，即最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓變動(dòng)范圍為21%。這時(shí)，即使因發(fā)電機(jī)母線采用逆調(diào)壓可將變動(dòng)范圍縮小5%，即縮小為16%，但這樣大的變動(dòng)已不能滿足一般負(fù)荷的要求，而再擴(kuò)大發(fā)電機(jī)母線電壓的調(diào)整幅度又不可能，因發(fā)電機(jī)電壓母線上往往還連接有其他負(fù)荷，它們距發(fā)電廠一般不遠(yuǎn)，大幅度地改變發(fā)電機(jī)母線電壓又將使這部分負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量的要求得不到滿足。因此，在多級(jí)電壓供電的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)調(diào)壓只能作為一種輔助調(diào)壓措施。圖4-24多電壓級(jí)系統(tǒng)中的電壓損耗

2.改變變壓器的變比

雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高、中壓繞組往往有若干分接頭可供選擇，例如，可有UN±5%或UN±2×2.5%，即可有三個(gè)或五個(gè)分接頭供選擇。其中，對(duì)應(yīng)于UN

的分接頭常稱主接頭或主抽頭，其余為附加分接頭。

合理選擇變壓器的分接頭也可調(diào)整電壓。下面以圖4-25為例介紹分接頭的選擇方法。圖4-25變壓器分接頭的選擇

設(shè)圖4-25中變電站i最大負(fù)荷時(shí)的高壓母線電壓為UImax，變壓器中的電壓損耗為ΔUimax，歸算到高壓側(cè)的低壓母線電壓為Uimax，低壓母線要求的實(shí)際電壓為U'imax，則應(yīng)選的分接頭由

可得

式中，kimax為變壓器i最大負(fù)荷時(shí)應(yīng)選擇的變比；UNi為變壓器i低壓繞組的額定電壓；UtImax為變壓器i最大負(fù)荷時(shí)應(yīng)選擇的高壓繞組分接頭電壓。

相似地，該變壓器最小負(fù)荷時(shí)應(yīng)選擇的高壓繞組分接頭電壓為

普通變壓器不能在有載情況下更改分接頭，即最大、最小負(fù)荷下只能選用同一個(gè)分接頭。為使這兩種情況下變電站低壓母線實(shí)際電壓偏離要求的U'imax、U'imin大體相等，變壓器高壓繞組的分接頭電壓應(yīng)取UtImax和UtImin的平均值：

發(fā)電廠升壓變壓器分接頭的選擇方法和上述降壓變壓器分接頭的選擇方法基本相同，差別僅在于由高壓母線電壓推算低壓母線電壓時(shí)，因功率是從低壓側(cè)流向高壓側(cè)的，故應(yīng)將變壓器中電壓損耗和高壓母線電壓相加，即這時(shí)的分接頭選擇應(yīng)按如下的計(jì)算公式進(jìn)行：

例4.2

三繞組變壓器的額定電壓為110/38.5/6.6kV，等值電路如圖4-26所示。各繞組最大負(fù)荷時(shí)流通的功率已示于圖中，最小負(fù)荷為最大負(fù)荷的1/2。設(shè)與該變壓器相連的高壓母線電壓最大、最小負(fù)荷時(shí)分別為112、115kV；中、低壓母線電壓在最大、最小負(fù)荷時(shí)分別允許為0、+7.5%，試選擇該變壓器高、中壓繞組的分接頭。圖4-26三繞組變壓器等值電路

解：按給定條件求得的各繞組中電壓損耗見(jiàn)表4-2，歸算至高壓側(cè)的各母線電壓見(jiàn)表4-3。

3.改變電網(wǎng)無(wú)功功率的分布

電網(wǎng)中的無(wú)功功率既可由發(fā)電機(jī)供給，也可由設(shè)在負(fù)荷點(diǎn)附近的無(wú)功補(bǔ)償裝置提供。改變電網(wǎng)無(wú)功功率的分布調(diào)壓是指采用無(wú)功補(bǔ)償裝置就近向負(fù)荷提供無(wú)功功率，這樣既能減小電壓損耗，保證電壓質(zhì)量，也能減小網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗和電能損耗。

改變電網(wǎng)無(wú)功功率分布的方法一般是在負(fù)荷端裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。如圖4-27所示，已知變壓器輸出的功率為P2+jQ2，折算到高壓側(cè)的電網(wǎng)的阻抗為R+jX，補(bǔ)償前變壓器低壓側(cè)折算到高壓側(cè)的電壓為U'2。如忽略電力線路上的電容功率及變壓器的空載損耗，不計(jì)電壓降落的橫分量，則補(bǔ)償前電源點(diǎn)A

的電壓UA

為圖4-27無(wú)功補(bǔ)償容量分析圖

1)電力電容器容量的選擇

電力電容器只能發(fā)出感性無(wú)功功率來(lái)提高節(jié)點(diǎn)電壓，而不能吸收無(wú)功功率來(lái)降低電壓，故在最小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)應(yīng)按無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r考慮。選用電力電容器的基本方法如下：

(1)最小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)按無(wú)補(bǔ)償情況選擇變壓器的分接頭。設(shè)最小負(fù)荷時(shí)低壓側(cè)歸算至高壓側(cè)的電壓為U'2min，低壓側(cè)按調(diào)壓要求的電壓為U2min，則高壓側(cè)的分接頭電壓應(yīng)為

(2)按最大負(fù)荷計(jì)算無(wú)補(bǔ)償時(shí)低壓側(cè)歸算至高壓側(cè)的電壓U'2max。若最大負(fù)荷時(shí)低壓側(cè)要求在補(bǔ)償后應(yīng)保持的電壓為U2Cmax，則應(yīng)裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償容量為

2)同步調(diào)相機(jī)容量的選擇

同步調(diào)相機(jī)在最大負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)可以過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行，作為無(wú)功電源發(fā)出額定容量的無(wú)功功率；在最小負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)可以欠勵(lì)磁運(yùn)行，作為無(wú)功負(fù)載從系統(tǒng)吸取50%~65%額定容量的無(wú)功功率。因此，同步調(diào)相機(jī)容量應(yīng)按下列步驟選擇：

(1)最大負(fù)荷過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)的調(diào)相機(jī)容量為

2)最小負(fù)荷欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)的調(diào)相機(jī)容量為

(3)聯(lián)立求解式(4-43)和式(4-44)，確定變壓器的計(jì)算變比為

4)按計(jì)算變比k確定變壓器分接頭電壓U1t，即

選最接近U1t的標(biāo)準(zhǔn)分接頭為U1t0，得實(shí)際變比

(5)計(jì)算同步調(diào)相機(jī)容量。將k0代入式(4-43)可得

3)無(wú)功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)的連接

安裝電力電容器進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)，可采取個(gè)別補(bǔ)償、分散補(bǔ)償或集中補(bǔ)償三種形式。

(1)個(gè)別補(bǔ)償是指對(duì)單臺(tái)用電設(shè)備所需無(wú)功功率就近補(bǔ)償。

(2)分散補(bǔ)償是指將電力電容器組安裝在車間配電室或變電站各分路的出線上進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

(3)集中補(bǔ)償是指把電力電容器組集中安裝在變電站的一次或二次側(cè)的母線上進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

4.改變網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)

改變電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的常用方法有：按允許電壓損耗選擇合適的地方網(wǎng)導(dǎo)線截面；在不降低供電可靠性的前提下改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，如切除、投入雙回線路或并聯(lián)運(yùn)行的變

壓器；在

X

遠(yuǎn)大于R

的高壓電網(wǎng)中串聯(lián)電力電容器補(bǔ)償?shù)取?/p>

串聯(lián)電力電容器是改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的最常用方法。下面以圖4-28所示線路來(lái)討論串聯(lián)電力電容器補(bǔ)償問(wèn)題。圖4-28串聯(lián)電容補(bǔ)償原理

實(shí)際系統(tǒng)中的串聯(lián)電力電容器的容抗

XC是由若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電力電容器串、并聯(lián)組成的。設(shè)每相電力電容器的串聯(lián)個(gè)數(shù)為n，并聯(lián)個(gè)數(shù)為m，如圖4-29所示。圖4-29串聯(lián)電容器組

串聯(lián)電力電容器的安裝地點(diǎn)與負(fù)荷、電源的分布有關(guān)，一般原則是應(yīng)使沿電力線路的電壓分布盡可能均勻，而且各負(fù)荷點(diǎn)的電壓都在允許范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷集中在線路末端時(shí)，電容應(yīng)串接在末端；當(dāng)沿線有多個(gè)負(fù)荷時(shí)，可將電容器串接在補(bǔ)償前產(chǎn)生二分之一線路電壓損耗處，如圖4-30所示。圖4-30串聯(lián)電容補(bǔ)償前后的沿線電壓分布

串聯(lián)電容補(bǔ)償所需的容抗值

XC與被補(bǔ)償電力線路的感抗值

XL之比，稱為串聯(lián)電容補(bǔ)償度，記為kC，即

第三節(jié)

簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的有功與無(wú)功功率分配

一、有功功率分配的基本原理與方法

1.有功功率的調(diào)整與分配原理發(fā)電機(jī)輸出的有功功率是由原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化來(lái)的，因此改變并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)有功功率的分配，是通過(guò)改變各臺(tái)機(jī)組的原動(dòng)機(jī)油門大小，即改變單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入氣缸的燃油量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此在柴油發(fā)電系統(tǒng)中，有功功率的分配與調(diào)整依賴于原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器調(diào)節(jié)。柴油機(jī)噴油量的大小，關(guān)系到柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的輸出功率。

換句話說(shuō)，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的某一轉(zhuǎn)速(頻率)對(duì)應(yīng)輸出某一有功功率；并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的某一頻率對(duì)應(yīng)著各發(fā)電機(jī)輸出的功率。所以，并聯(lián)機(jī)組有功功率分配與電力系統(tǒng)頻率調(diào)整密切相聯(lián)系。

2.調(diào)速器的調(diào)速特性

柴油機(jī)調(diào)速器可以根據(jù)轉(zhuǎn)速變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)油門，以保持轉(zhuǎn)速不變或基本不變。經(jīng)過(guò)調(diào)速器的調(diào)節(jié)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n(或發(fā)電機(jī)頻率f)隨其輸出機(jī)械功率P(即發(fā)電機(jī)輸出的有功功率)變化的關(guān)系曲線稱為柴油機(jī)的調(diào)速特性，如圖4-31所示。圖4-31柴油機(jī)的調(diào)速特性

柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其調(diào)速特性可近似看成是一條直線，根據(jù)調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律的不同，調(diào)速特性可分為無(wú)差特性和有差特性兩種。

有差特性的斜率用調(diào)差系數(shù)

Kn來(lái)表示：

式中，tanα

為調(diào)速特性的斜率。

3.不同調(diào)速特性對(duì)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的影響

柴油發(fā)電機(jī)組單機(jī)運(yùn)行時(shí)，若發(fā)電機(jī)的負(fù)荷功率變化，則由于調(diào)速器的作用，能自動(dòng)地調(diào)節(jié)油門的大小，從而維持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(頻率)在一定范圍內(nèi)，但如果調(diào)速器特性為有差特性，發(fā)電機(jī)的頻率并不是恒定的。因此，單機(jī)運(yùn)行時(shí)調(diào)速特性最好是無(wú)差特性，由圖4-31中曲線1可知，無(wú)差特性時(shí)，不管發(fā)電機(jī)的負(fù)荷功率如何變化，通過(guò)調(diào)速器的調(diào)節(jié)，都能保證柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速恒定不變，從而保證發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的頻率不變。

當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)的頻率只有一個(gè)，因此并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相同，否則就不能滿足并聯(lián)運(yùn)行條件。要使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組具有相同的轉(zhuǎn)速，并穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，它們的調(diào)速特性必須是有差的特性，這樣才能保證電網(wǎng)負(fù)荷不變時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率為恒定不變的確定值。理想的情況是：兩臺(tái)機(jī)的特性都為有差特性，都有較小的差，且特性的斜率一致，如圖4-32所示。圖4-32并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的調(diào)速特性

得到結(jié)論：

①

兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，理想調(diào)速特性是兩條特性都為有差特性，且特性的斜率一致；

②

斜率不同且具有有差特性的兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)可穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，特性差小的發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)，承擔(dān)有功功率變化量比特性差大的發(fā)電機(jī)承擔(dān)變化量大；

③

調(diào)速特性一臺(tái)有差、另一臺(tái)無(wú)差的兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)也可穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，負(fù)載有功功率變化時(shí)，有差特性發(fā)電機(jī)承擔(dān)的有功功率保持不變，所有負(fù)載有功功率的變化量都由無(wú)差特性的發(fā)電機(jī)承擔(dān)；

④

兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)都具有無(wú)差調(diào)速特性，將不能穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行。

4.調(diào)差系數(shù)與功率分配間的關(guān)系

并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組之間有功功率能否自動(dòng)、穩(wěn)定地按容量比例合理分配，與并聯(lián)機(jī)組各調(diào)速器的調(diào)速特性(或發(fā)電機(jī)的頻率

功率特性)有關(guān)。要保證并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定必須是功率分配穩(wěn)定。要使功率分配穩(wěn)定，兩并聯(lián)機(jī)組的調(diào)速特性必須是有差特性。要使并聯(lián)機(jī)組在任意負(fù)載下都能穩(wěn)定地按容量比例自動(dòng)分配功率，則不僅是有差特性而且特性曲線的下降斜率(即調(diào)差系數(shù)kn)要一致。

各臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各機(jī)組具有相同的頻率。有功功率的分配取決于各機(jī)組的調(diào)速特性。如圖4-33所示，假如兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的頻率為f1，1號(hào)和2號(hào)發(fā)電機(jī)組分別承擔(dān)的功率為P1和P2，當(dāng)系統(tǒng)總功率增加ΔP

時(shí)，系統(tǒng)頻率下降至f2，1號(hào)和2號(hào)發(fā)電機(jī)組分別承擔(dān)的功率為P'1和P'2。圖4-33有差調(diào)速特性與并聯(lián)機(jī)組的功率分配關(guān)系

從三角形abc和efg中可以得到

式中，kn1、kn2分別為1號(hào)發(fā)電機(jī)組和2號(hào)發(fā)電機(jī)組調(diào)速特性的調(diào)差系數(shù)；Δf

為頻率的變化量。

由式(4-52)得1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)組的功率增量為

將式(4-53)的左邊和右邊分別相加后得總功率增量為

或

將式(4-54)代入式(4-53)后得

所以

根據(jù)上述分析，可得出以下結(jié)論：發(fā)電機(jī)之間的有功負(fù)載分配與調(diào)速特性的斜率kn成反比關(guān)系。同時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或發(fā)電機(jī)的頻率隨系統(tǒng)負(fù)載的變化而變化。

當(dāng)同型號(hào)、同容量、相同調(diào)速器的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各機(jī)組的調(diào)速特性斜率相同，即kn1=kn2=kn，則由式(4-55)可得

可見(jiàn)，同型號(hào)、同容量的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，在相同斜率的調(diào)速特性下，兩機(jī)組均分系統(tǒng)的負(fù)載增量。

從功率分配的角度來(lái)看，調(diào)速特性的斜率(調(diào)差系數(shù))kn越大，其分配的誤差越小，但當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，頻率的波動(dòng)越大；而從頻率穩(wěn)定的角度來(lái)看，要求調(diào)速特性的斜率kn越小越好，兩者存在著矛盾。

實(shí)際上，當(dāng)調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)不可調(diào)時(shí)，很難滿足kn完全一致。另外，由于調(diào)速器及其執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)中存在間隙，使調(diào)速器有失靈區(qū)，其調(diào)速特性并不是一條理想的直線，而是一條寬帶，此時(shí)功率分配仍可能不均勻。所以，兩臺(tái)具有相同調(diào)速特性的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，功率分配存在一定的偏差，不可能做到完全均勻。例如，圖4-32(b)中調(diào)差率不同的并聯(lián)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)轉(zhuǎn)移負(fù)載后兩機(jī)組的功率分配相等，P1=P2，頻率為額定f1。但當(dāng)電網(wǎng)功率增加后，電網(wǎng)頻率下降為f2，這時(shí)兩機(jī)組的功率分配不再相等。由頻率f2與兩特性曲線的交點(diǎn)可以看出，特性曲線斜率小的比斜率大的增加的功率多，即ΔP1>ΔP2。如果是電網(wǎng)功率減少，頻率上升，則是斜率小的比斜率大的減少的功率更多。如果兩曲線的斜率都稍大些，這種偏差就小一些。

從功率分配的角度來(lái)看，調(diào)速特性的斜率(調(diào)差系數(shù))kn越大，其分配的誤差越小，但當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，頻率的波動(dòng)越大；而從頻率穩(wěn)定的角度來(lái)看，要求調(diào)速特性的斜率kn越小越好，兩者存在著矛盾。

二、

無(wú)功功率分配的基本原理與方法

1.無(wú)功功率的分配原理

并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)組無(wú)功電流的分配與各發(fā)電機(jī)的電勢(shì)及同步電抗的數(shù)值有關(guān)也與有功功率的分配有關(guān)。這里假設(shè)兩機(jī)組的容量、型號(hào)相同，總的輸出電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率和無(wú)功功率在調(diào)整前后均不發(fā)生變化。兩機(jī)組的有功功率已均勻分分配，機(jī)組的同步電抗相同，其等值電路如圖4-34(a)所示。圖4-34并聯(lián)機(jī)組無(wú)功功率分配原理圖

2.無(wú)功功率的分配

無(wú)功功率的分配情況通常可用同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性來(lái)說(shuō)明，如圖4-35所示，它有兩種形式：有差調(diào)節(jié)特性(曲線1、2)及無(wú)差調(diào)節(jié)特性(曲線3)。當(dāng)發(fā)電機(jī)無(wú)功電流IQ增加時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓U

隨無(wú)功電流的增加而降低，發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性曲線1是一條向下傾斜的直線。圖4-35發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性

通常用調(diào)差系數(shù)kC定量地表示電壓調(diào)節(jié)特性曲線的斜率，并且習(xí)慣上規(guī)定向下傾斜的特性曲線的調(diào)差系數(shù)為正，調(diào)差系數(shù)的計(jì)算以發(fā)電機(jī)額定電壓Ue

為準(zhǔn)，即

式中，ΔI/Ie

為負(fù)載電流變化值與額定值之比，即電流變化的相對(duì)值；ΔU/Ue

為被調(diào)電壓的差值與額定電壓之比，即電壓變化的相對(duì)值。

圖4-35中，曲線1向下傾斜，kC為正；曲線2向上傾斜，kC為負(fù)；曲線3的調(diào)差系數(shù)kC為零(即無(wú)差特性)。

幾臺(tái)具有無(wú)差特性的機(jī)組是不能并聯(lián)運(yùn)行的，因?yàn)樗鼈冎g的無(wú)功功率分配不穩(wěn)定。一臺(tái)具有無(wú)差特性的機(jī)組與幾臺(tái)具有有差特性的機(jī)組，雖然可以并聯(lián)運(yùn)行并有確定的無(wú)功

分配，但是電網(wǎng)的無(wú)功變量?jī)H由這臺(tái)具有無(wú)差特性的機(jī)組承擔(dān)，這是不符合“無(wú)功功率均衡”規(guī)定的。在實(shí)際中采用的是幾臺(tái)具有有差特性的機(jī)組并聯(lián)，如圖4-36所示。圖4-36有差調(diào)節(jié)特性的無(wú)功負(fù)載分配

3.調(diào)差裝置

發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器將根據(jù)發(fā)電機(jī)端電壓與給定電壓的偏差信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，從而使發(fā)電機(jī)端電壓保持不變，這種勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置實(shí)際上使發(fā)電機(jī)的外

特性接近于無(wú)差特性。但從并聯(lián)發(fā)電機(jī)組的無(wú)功負(fù)載分配可知，為了并聯(lián)，要求發(fā)電機(jī)的外特性應(yīng)為有差的，即負(fù)載電流升高時(shí)，端電壓會(huì)有所下降。實(shí)現(xiàn)這種有差特性的調(diào)節(jié)裝置稱為調(diào)差裝置，其原理電路如圖4-37所示。圖4-37調(diào)差裝置

4.無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償?shù)墓β首跃夥峙溲b置

按電壓偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的勵(lì)磁系統(tǒng)，當(dāng)控制回路具有足夠的放大系數(shù)時(shí)，則可以達(dá)到很高的調(diào)節(jié)精度，可以近似認(rèn)為是無(wú)差特性。從發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行角度來(lái)看，這種調(diào)壓精度是十分理想的；但是，從并聯(lián)運(yùn)行的角度來(lái)看卻是不理想的。如前所述，為了獲得穩(wěn)定的并聯(lián)運(yùn)行，必須采用調(diào)差電路，以使發(fā)電機(jī)外特性為有差的。因此，在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，降低了該系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定度，即空載電壓與額定電壓的差值增加。可見(jiàn)，提高電壓的穩(wěn)定度和并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性是矛盾的。為了滿足并機(jī)后電壓穩(wěn)定度高的要求，可采用無(wú)功電流環(huán)流補(bǔ)償調(diào)差電路，如圖4-38所示。圖4-38無(wú)功電流環(huán)流補(bǔ)償調(diào)差線路圖

當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，繼電器KM1

和KM2

的常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，使電流互感器CT1

和CT2的次級(jí)繞組串聯(lián)連接。電流互感器CT1和CT2分別檢測(cè)出各發(fā)電機(jī)的輸出電流，即兩電流源的電流與各發(fā)電機(jī)的同一相電流成正比，相位也與發(fā)電機(jī)電流相位相同。為便于分析，設(shè)CT1和CT2的變比以及繞組匝數(shù)均相同，并忽略了互感器的磁化電流、漏抗及繞組電阻等因素的影響，可等效得到如圖4-39所示的電路。圖4-39并聯(lián)運(yùn)行無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償?shù)戎惦娐?/p>

應(yīng)用疊加原理，可以得到

式中，i1

為CT1的次級(jí)電流；i2

為CT2的次級(jí)電流；iR1為流過(guò)R1(G1環(huán)流補(bǔ)償電阻)的差值電流；iR2為流過(guò)R2(G2環(huán)流補(bǔ)償電阻)的差值電流。

該線路按電壓偏差和無(wú)功功率偏差兩個(gè)信號(hào)同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，既提高了并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的調(diào)壓精度(可接近無(wú)差特性)，又提高了并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性，達(dá)到了無(wú)功功率自動(dòng)分配的目的。此時(shí)發(fā)電機(jī)外特性如圖4-40所示。采用無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓下降程度降低，此時(shí)再通過(guò)并聯(lián)控制電路對(duì)勵(lì)磁電流的二次調(diào)整，即可滿足發(fā)電機(jī)的負(fù)載電壓與空載整定電壓相同。圖4-40發(fā)電機(jī)外特性的比較第五章電力系統(tǒng)對(duì)稱故障分析第一節(jié)電力系統(tǒng)故障的基本概念第二節(jié)無(wú)限大容量電源的三相短路第三節(jié)同步發(fā)電機(jī)的三相短路第四節(jié)電力系統(tǒng)三相短路的實(shí)用計(jì)算

第一節(jié)

電力系統(tǒng)故障的基本概念一、

短路類型簡(jiǎn)單的短路故障共有四種類型，即三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路，見(jiàn)表5-1。

二、

短路發(fā)生的原因

電力系統(tǒng)短路故障發(fā)生的原因很多，既有客觀的，也有主觀的，而且由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)和安裝地點(diǎn)的不同，致使引發(fā)短路故障的原因也不相同。但是，根本原因是電氣設(shè)備載流部分相與相之間或相與地之間的絕緣遭到破壞。例如，架空線路的絕緣子可能由于受到雷電過(guò)電壓而發(fā)生閃絡(luò)，或者由于絕緣子表面的污穢而在正常工作電壓下放電；再如發(fā)電機(jī)、變壓器、電纜等設(shè)備中載流部分的絕緣材料在運(yùn)行中損壞。

三、

短路故障的危害

短路對(duì)電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行都有很大的危害。

(1)在發(fā)生短路后，由于電源供電回路阻抗的減小以及短路產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程，使短路回路中的電流急劇增加，其數(shù)值可能超過(guò)該回路額定電流的許多倍。短路點(diǎn)距發(fā)電機(jī)的電氣距離越近，短路電流越大。例如，在發(fā)電機(jī)端發(fā)生短路時(shí)，流過(guò)定子繞組的短路電流最大瞬時(shí)值可能達(dá)到發(fā)電機(jī)額定電流的10~15倍。在大容量的電力系統(tǒng)中，短路電流可達(dá)幾萬(wàn)安甚至幾十萬(wàn)安。

(2)在短路點(diǎn)處產(chǎn)生的電弧可能會(huì)燒壞設(shè)備，而且短路電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，所產(chǎn)生的熱量可能會(huì)引起導(dǎo)體或絕緣損壞。另外，導(dǎo)體可能會(huì)受到很大的電動(dòng)力沖擊，致使其變形甚至損壞。

(3)短路將引起電網(wǎng)中的電壓降低，特別是靠近短路點(diǎn)處的電壓下降最多，使部分用戶的供電受到影響。例如，負(fù)荷中的異步電動(dòng)機(jī)，由于其電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，當(dāng)電壓降低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩將顯著減小，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢或甚至完全停轉(zhuǎn)，從而造成廢品及設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。

(4)短路故障可能引起系統(tǒng)失去穩(wěn)定，最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰。

(5)不對(duì)稱接地短路所引起的不平衡電流將在線路周圍產(chǎn)生不平衡磁通，結(jié)果在臨近的通信線路中可能感應(yīng)出相當(dāng)大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，造成對(duì)通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及通信設(shè)備和人身安全。

四、

短路故障分析的內(nèi)容和目的

短路分析的主要內(nèi)容包括故障后電流的計(jì)算、短路容量(短路電流與故障前電壓的乘積)的計(jì)算、故障后系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓的計(jì)算以及其他的一些分析和計(jì)算，如故障時(shí)線路電流與電壓之間的相位關(guān)系等。短路電流計(jì)算與分析的主要目的在于應(yīng)用這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定值計(jì)算，開(kāi)關(guān)電器、串聯(lián)電抗器、母線、絕緣子等電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)，限制短路電流措施的制訂和穩(wěn)定性分析等。

五、

限制短路故障危害的措施

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，都要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)降低發(fā)生短路故障的概率，例如采用合理的防雷設(shè)施、降低過(guò)電壓水平、使用結(jié)構(gòu)完善的配電裝置和加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理等。同

時(shí)，還要采取減少短路危害的措施，其中，最主要的是迅速將發(fā)生短路的元件從系統(tǒng)中切除，使無(wú)故障部分的電網(wǎng)繼續(xù)正常運(yùn)行。

第二節(jié)

無(wú)限大容量電源的三相短路

無(wú)限大容量電源是指在故障過(guò)程中電源的電壓幅值和頻率仍能保持恒定的電力系統(tǒng)。如圖5-1所示，電源為無(wú)限大容量電源，在f點(diǎn)突然發(fā)生三相短路。圖5-1無(wú)限大容量電源的三相電路突然短路

一、

暫態(tài)過(guò)程分析

為了分析圖5-1中發(fā)生三相短路后的短路電流，首先分析短路前的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況。設(shè)三相短路發(fā)生在t=0的時(shí)刻，這時(shí)無(wú)限大容量電源a

相電動(dòng)勢(shì)的相位為α。為了表示清楚起見(jiàn)，用下標(biāo)[0]表示短路以前各有關(guān)電氣量的取值。由圖5-1可知，在短路前a

相的電流為

其中：

由于短路后的電路仍然是三相對(duì)稱的，因此只需分析其中一相的暫態(tài)過(guò)程。例如，A相電流的變化將取決于微分方程：

這是一個(gè)一階常系數(shù)非齊次的線性常微分方程，它的解就是短路的全電流，可分為特解和通解兩部分。

特解為

稱為穩(wěn)態(tài)短路電流或短路電流的穩(wěn)態(tài)分量，

其中，

通解為

式中，Ta

為時(shí)間常數(shù)，Ta=L/R；C為積分常數(shù)。

由于三相電路對(duì)稱，用α-2π/3和α+2π/3代替式(5-8)中的α，便可分別得出b

相和c相的短路電流為

由此可以作出當(dāng)電壓初相位為某一給定值α?xí)r，三相短路電流的波形圖，如圖5-2所示。

由短路電流波形圖和三相短路電流表達(dá)式可見(jiàn)，無(wú)限大容量電源供電的三相短路電流有以下特性：

(1)三相短路電流中含有一個(gè)穩(wěn)態(tài)分量ipa、ipb、ipc，它們組成一組對(duì)稱的正序電流，其幅值恒定不變，因此，有時(shí)被稱為短路電流中的交流分量或周期性分量。顯然，它們大于短路前的穩(wěn)態(tài)電流。

(2)三相短路電流中都含有一個(gè)自由分量電流i0a、i0b、i0c，它們的存在是為了使短路電流在短路瞬間的數(shù)值保持不變，以后按時(shí)間常數(shù)Ta

衰減，直至衰減到零。這一分量有時(shí)

被稱為短路電流中的(衰減)直流分量，或非周期性分量電流。顯然，在t=0時(shí)刻各相直流分量電流的初始值不等。

(3)各相短路電流的波形分別對(duì)稱于其直流分量的曲線而不是對(duì)稱于時(shí)間軸。利用這一特性，可以從計(jì)算或?qū)崪y(cè)得出的短路電流曲線中將周期性分量與直流分量進(jìn)行分離，方

法是作出短路電流曲線的上、下兩根包絡(luò)線，然后對(duì)它們進(jìn)行垂直等分，便可以得出直流分量，如圖5-2中的c相電流所示。

(4)直流分量起始值越大，短路電流的最大瞬時(shí)值越大。在電源電壓幅值和短路阻抗給定的情況下，由式(5-6)可見(jiàn)，直流分量的起始值與短路瞬間電源電壓的相位α

以及短路瞬間的電流值有關(guān)。圖5-2三相短路電流波形圖圖5-2三相短路電流波形圖

二、

短路沖擊電流和最大有效值電流

1.短路沖擊電流

所謂沖擊電流，是指短路電流的最大瞬時(shí)值，而實(shí)際上關(guān)心的是最大可能的瞬時(shí)值。沖擊電流主要用于檢驗(yàn)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體在短路電流下的受力是否超過(guò)容許值，即所謂的動(dòng)穩(wěn)定度。由上述特性(4)可知，直流分量的起始值越大，該相短路電流的最大瞬時(shí)值越大。因此，最大短路電流瞬時(shí)值的產(chǎn)生條件是短路電流的直流分量最大。

圖5-3A相初始狀態(tài)電流相量圖圖5-4直流分量最大時(shí)的短路電流波形

2.短路電流的最大有效值

短路電流的最大有效值主要用于檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)電器等設(shè)備切斷短路電流的能力。各個(gè)時(shí)刻短路電流有效值定義為：以計(jì)算時(shí)刻t為中心的一個(gè)周期內(nèi)短路電流的均方根值，即

在假定一個(gè)周期內(nèi)直流分量保持為計(jì)算時(shí)刻t取值Iat的情況下，有

3.短路容量

短路容量又稱短路功率，它等于短路電流有效值與短路處的正常工作電壓(在近似計(jì)算中取平均額定電壓)的乘積。于是，t時(shí)刻的短路容量為

短路容量主要用于校驗(yàn)斷路器的切斷能力。把短路容量定義為短路電流和工作電壓的乘積是因?yàn)橐环矫骈_(kāi)關(guān)要能切斷這樣大的電流；另一方面，在開(kāi)關(guān)斷流時(shí)其觸頭應(yīng)能經(jīng)受工作電壓的作用。

在實(shí)用計(jì)算中取UB=Uav，用標(biāo)幺值表示短路容量時(shí)為

換算成有名值為

例5.1

在圖5-5(a)所示的電力網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)降壓變電所10.5kV母線