華中科技大學(xué)-電氣工程基礎(chǔ)課件(熊銀信)-第9章-現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行

1、第一節(jié) 電力系統(tǒng)有功功率與頻率的調(diào)整 第二節(jié) 電力系統(tǒng)無(wú)功功率與電壓的調(diào)整 第三節(jié) 電力網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 第四節(jié) 電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,第九章 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行,第一節(jié) 電力系統(tǒng)有功功率與頻率的調(diào)整,一、電力系統(tǒng)的有功功率平衡 二、電力系統(tǒng)有功功率的分配 三、電力系統(tǒng) 的頻率調(diào)整,總裝機(jī)容量：所有發(fā)電機(jī)的額定容量之和 有功電源容量：系統(tǒng)中可投入發(fā)電設(shè)備的總?cè)萘恐?備用容量：系統(tǒng)的電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分 為保證供電可靠性和電能質(zhì)量、以及有功功率的經(jīng)濟(jì)分配，發(fā)電廠必須有足夠的備用容量。一般要求備用容量達(dá)最大發(fā)電負(fù)荷的15%30%,1有功功率負(fù)荷 ： 負(fù)荷變動(dòng)幅度小，周期又很短(如P1)，這種

2、負(fù)荷的變動(dòng)具有很大的偶然性； 負(fù)荷變動(dòng)幅度較大，周期也較長(zhǎng)（如P2）工業(yè)中大電機(jī)、電爐、延壓機(jī)、電氣機(jī)車等用戶的開(kāi)停，它們具有一定的沖擊性； 負(fù)荷變動(dòng)幅度最大，周期也最長(zhǎng)，且變化較緩慢（如P3）人們生產(chǎn)、生活及氣象條件的變化等引起的，這種負(fù)荷變化基本上可以預(yù)計(jì)。,一、電力系統(tǒng)的有功功率平衡,二、電力系統(tǒng)有功功率的分配,1、有功電源的最優(yōu)組合 指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā) 電廠的合理組合，包括機(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。 2、有功負(fù)荷在運(yùn)行機(jī)組 間的最優(yōu)分配 指系統(tǒng)的有功負(fù)荷在各運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組或發(fā)電廠間的合理分配。,3、分配原則： 充分合理利用水利資源，盡量避免棄水；最大

3、限度地降低火電廠煤耗，并充分發(fā)揮高效機(jī)組的作用；降低火力發(fā)電的成本，執(zhí)行國(guó)家的有關(guān)燃料政策，減少燒油，增加燃用劣質(zhì)煤、當(dāng)?shù)孛骸?三、電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整,1、頻率調(diào)整的必要性 頻率是衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)之一，頻率質(zhì)量下降的危害： 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率； 各種電氣設(shè)備均按額定頻率設(shè)計(jì)； 頻率降低，無(wú)功損耗增加，無(wú)功平衡和電壓調(diào)整變得困難。 2、電力系統(tǒng)的頻率特性 電源有功功率的靜態(tài)頻率特性,電源有功功率靜態(tài)頻率特性：發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率與角速度或頻率的關(guān)系 無(wú)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)：Pm=C1C22=C1fC2f 2 有調(diào)速系統(tǒng)時(shí)：原動(dòng)機(jī)的靜態(tài)頻特性成為一族曲線。此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率與頻率關(guān)系的曲線近似

4、地用直線表示，稱為發(fā)電機(jī)組的功率一頻率靜態(tài)特性。,電力系統(tǒng)負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性 負(fù)荷模型中，負(fù)荷與頻率的關(guān)系可用多項(xiàng)式表示：,頻率的二次調(diào)整 選定系統(tǒng)中的一個(gè)或幾個(gè)電廠擔(dān)負(fù)二次調(diào)頻任務(wù)，擔(dān)負(fù)二次調(diào)頻任務(wù)的電廠稱為調(diào)頻廠。 調(diào)頻廠的條件： 具有足夠的容量； 具有較快的調(diào)整速度； 調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性要好。 火電廠受鍋爐技術(shù)最小負(fù)荷的限制，可調(diào)容量?jī)H為其額定容量的30%75% 水電廠的調(diào)整容量大于火電廠，水電廠的調(diào)整速度較快，且適宜承擔(dān)急劇變動(dòng)的負(fù)荷。 一般應(yīng)選擇系統(tǒng)中容量較大的水電廠作為調(diào)頻廠。若水電廠調(diào)節(jié)容量不足或無(wú)水電廠時(shí)，可選中溫中壓火電廠作為調(diào)頻廠。,第二節(jié) 電力系統(tǒng)無(wú)功功率與電壓的調(diào)整,一

5、、電力系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡 二、中樞點(diǎn)的電壓管理 三、電力系統(tǒng)的調(diào)壓措施,無(wú)功功率與電壓的關(guān)系,一、電力系統(tǒng)的無(wú)功平衡 1. 無(wú)功電源： 包括發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、靜電電容器及靜止補(bǔ)償器等。 發(fā)電機(jī)： 額定狀態(tài)下發(fā)出的無(wú)功功率： QGN=SGNsinN=PGNtgN,非額定功率因素有功與無(wú)功的關(guān)系： OA代表發(fā)電機(jī)額定電壓 ；AC代表在發(fā)電機(jī)電抗Xd上引起的電壓降，正比于定子額定電流，所以亦正比于發(fā)電機(jī)的額定視在功率SGN；AC在縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)上的投影分別正比于發(fā)電機(jī)的額定有功功率PGN和額定無(wú)功功率QGN 。C點(diǎn)表示發(fā)電機(jī)的額定運(yùn)行點(diǎn) ；OC發(fā)電機(jī)電勢(shì)，它正比于發(fā)電機(jī)的額定激磁電流。,發(fā)電機(jī)變功

6、率因數(shù)運(yùn)行的限制： 轉(zhuǎn)子電流不能超過(guò)額定值 BC 定子電流不能超過(guò)額定值 ECD 汽輪機(jī)出力的限制 HC 故實(shí)際運(yùn)行軌跡：HCB,分析： 當(dāng)運(yùn)行于HC，發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率低于額定運(yùn)行情況下的無(wú)功輸出。 運(yùn)行于BC段時(shí)，在降低功率因數(shù)、減少有功輸出的情況下，可多發(fā)無(wú)功功率。 只有在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)(即C點(diǎn))下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的視在功率才能達(dá)到額定值，其容量也利用得最充分。 發(fā)電機(jī)無(wú)功輸出與電壓的關(guān)系：,同步調(diào)相機(jī)： 相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，在過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，同步調(diào)相機(jī)向系統(tǒng)輸送無(wú)功功率，欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，它從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率，無(wú)功功率與電壓靜特性與發(fā)電機(jī)相似。,調(diào)相機(jī)與電容器的比較

7、： 調(diào)相機(jī)：能平滑調(diào)節(jié)，具有正的調(diào)節(jié)效應(yīng) ，維護(hù)復(fù)雜，響應(yīng)慢，損耗大 電容器：成組地投入切除,具有負(fù)的調(diào)節(jié)效應(yīng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，損耗小,電容器： 無(wú)功功率與電壓靜特性關(guān)系：,靜止無(wú)功補(bǔ)償器： 由晶閘管控制的可調(diào)電抗器與電容器并聯(lián)組成，既可發(fā)出無(wú)功功率，又可吸收無(wú)功功率，且調(diào)節(jié)平滑，安全，經(jīng)濟(jì)，維護(hù)方便。,無(wú)功負(fù)荷：電力系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷與電壓的靜態(tài)特性主要由異步電動(dòng)機(jī)決定。 異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗 ： Qm 異步電動(dòng)機(jī)的激磁功率，它與施加于異步電動(dòng)機(jī)的電壓平方成正比。 Q 異步電動(dòng)機(jī)漏抗X中的無(wú)功損耗，它與負(fù)荷電流平方成正比。,2 . 無(wú)功負(fù)荷和無(wú)功損耗,無(wú)功損耗： 網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功損耗包括變壓器和輸

8、電線路的損耗。 變壓器的無(wú)功功率損耗在系統(tǒng)的無(wú)功需求中占有相當(dāng)?shù)谋戎兀?Q0變壓器空載無(wú)功損耗，它與所施的電壓平方成正比； QT變壓器繞組漏抗中的無(wú)功損耗，與通過(guò)變壓器的電流平方成正比。,輸電線路無(wú)功損耗：QLQXQB 當(dāng)線路傳輸功率較大，電抗中消耗的無(wú)功功率大于電容中發(fā)出的無(wú)功功率時(shí)，線路等值為消耗無(wú)功；當(dāng)傳輸功率較小、線路運(yùn)行電壓水平較高，電容中產(chǎn)生的無(wú)功功率大于電抗中消耗的無(wú)功功率時(shí)，線路等值為無(wú)功電源。,無(wú)功平衡 在電力系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻，電源發(fā)出的無(wú)功功率總是等于同時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功損耗之和： QGC(t)QLD(t)Q(t),3.無(wú)功功率的平衡與運(yùn)行電壓水平,無(wú)功功率與運(yùn)行電

9、壓水平 為保證系統(tǒng)電壓質(zhì)量，在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，需制訂無(wú)功功率的供需平衡關(guān)系，并保證系統(tǒng)有一定的備用容量。 無(wú)功備用容量一般為無(wú)功負(fù)荷的7%8% 無(wú)功功率的就地平衡 無(wú)功電源不足時(shí)，應(yīng)增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)盡可能裝在負(fù)荷中心，以做到無(wú)功功率的就地平衡，減少無(wú)功功率在網(wǎng)絡(luò)中傳輸而引起的網(wǎng)絡(luò)功率損耗和電壓損耗,二、中樞點(diǎn)的電壓管理,中樞點(diǎn)指反映系統(tǒng)電壓水平的主要發(fā)電廠或樞紐變電站的母線，系統(tǒng)中大部分負(fù)荷由這些節(jié)點(diǎn)供電。根據(jù)負(fù)荷對(duì)電壓的要求及電壓損耗的實(shí)際情況，確定中樞點(diǎn)的電壓允許調(diào)整范圍（負(fù)荷點(diǎn)電壓UA和UB的允許變化范圍均為(0.951.05)UN ）。,滿足負(fù)荷節(jié)點(diǎn)A的調(diào)壓要求：

10、 08時(shí)：U(A)=UA+UA=(0.951.05)UN+0.04UN=(0.991.09)UN 824時(shí)：U(A)=UA+UA=(0.951.05)UN+0.1UN=(1.051.15)UN 滿足負(fù)荷節(jié)點(diǎn)B的調(diào)壓要求 016時(shí)：U(B)=UB+UB=(0.961.06)UN 1624時(shí)：U(B)=UB+UB=(0.981.08)UN 綜合考慮，中樞點(diǎn)O的調(diào)壓要求： 08 時(shí)：UO = (0.991.06)UN 816時(shí)： UO = (1.051.06)UN 1624時(shí)： UO = (1.051.08)UN,調(diào)壓方式 逆調(diào)壓： 大負(fù)荷時(shí)，電壓損耗大，將中樞點(diǎn)的電壓適當(dāng)升高些(比線路額定電壓高5

11、%)，小負(fù)荷時(shí)將中樞點(diǎn)電壓適當(dāng)降低(取線路的額定電壓)。 適合于供電線路較長(zhǎng)，負(fù)荷變動(dòng)較大的中樞點(diǎn)。 順調(diào)壓： 在大負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓不低于線路額定電壓的102.5%，小負(fù)荷時(shí)不高于線路額定電壓107.5%。 適合于供電線路不長(zhǎng)，負(fù)荷變動(dòng)不大的中樞點(diǎn)。 常調(diào)壓： 即在任何負(fù)荷下都保持中樞點(diǎn)電壓為線路額定電壓的102%105%,三、電力系統(tǒng)的調(diào)壓措施,調(diào)壓的原理 發(fā)電機(jī)通過(guò)升壓變壓器、線路和降壓變壓器向用戶供電，要求調(diào)整負(fù)荷節(jié)點(diǎn)b的電壓Ub。略去線路的電容充電功率和變壓器的激磁功率，忽略串聯(lián)支路的功率損耗，變壓器的參數(shù)均已歸算到高壓側(cè)。 b點(diǎn)的電壓 ：,調(diào)壓的措施 改變發(fā)電機(jī)端電壓UG 改變變

12、壓器變比K 增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置 改變輸電線路的參數(shù),調(diào)壓措施1：發(fā)電機(jī)調(diào)壓 在負(fù)荷增大時(shí)，損耗增加，用戶端電壓降低，這時(shí)增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，提高發(fā)電機(jī)的端電壓；在負(fù)荷減小時(shí)，損耗減少，用戶端電壓升高，這時(shí)減少發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，降低發(fā)電機(jī)的端電壓。 發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓的變化范圍在發(fā)電機(jī)額定電壓的+5%以內(nèi)。,調(diào)壓措施2： 改變變壓器變比調(diào)壓,歸算到高壓側(cè)的變壓器電壓損耗： 若低壓側(cè)要求的電壓為U2，則： 式中，變壓器變比KT =U1t /U2N 確定分接頭電壓：,按兩種極端情況(變壓器通過(guò)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷的情況)下的調(diào)壓要求計(jì)算。 通過(guò)Smax時(shí)要求的分接頭電壓： U1tmax=(U1maxUmax)

13、U2N/U2max 通過(guò)Smin時(shí)要求的分接頭電壓： U1tmin=(U1minUmin)U2N/U2min 考慮到在最大和最小負(fù)荷時(shí)變壓器要用同一分接頭，故取U1max和U1tmin的算術(shù)平均值： 再根據(jù)U1t av值選擇一個(gè)與它最接近的變壓器標(biāo)準(zhǔn)分接頭電壓校驗(yàn)所選的分接頭在最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時(shí)變壓器低壓母線上的實(shí)際電壓是否符合調(diào)壓要求。,例9-1： 其降壓變電所有一臺(tái)變比KT=(110+22.5%)/11的變壓器，歸算到高壓側(cè)的變壓器阻抗為ZT=(2.44+j40)，最大負(fù)荷時(shí)進(jìn)入變壓器的功率為Smax=(28+j14)MVA，最小負(fù)荷時(shí)為Smin=(10+j6)MVA。最大負(fù)荷時(shí)，高壓側(cè)

14、母線電壓為113kV，最小負(fù)荷時(shí)為115kV，低壓側(cè)母線電壓允許變化范圍為1011kV，試選擇變壓器分接頭。,解：1. 最大負(fù)荷及最小負(fù)荷時(shí)變壓器的電壓損耗為 ： 2. 按最大和最小負(fù)荷情況選變壓器的分接頭電壓 ：,通過(guò)在負(fù)荷側(cè)安裝同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器或靜止補(bǔ)償器，以減少通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒o(wú)功功率，降低網(wǎng)絡(luò)的電壓損耗。,調(diào)壓措施3: 利用無(wú)功功率補(bǔ)償調(diào)壓,在未裝補(bǔ)償裝置時(shí)，電力網(wǎng)首端電壓： 在負(fù)荷側(cè)裝設(shè)容量為QC的無(wú)功補(bǔ)償裝置后，電力網(wǎng)的首端電壓： 若首端電壓U1保持不變，則：,補(bǔ)償容量為： 簡(jiǎn)化： 如變壓器變比為KT，則： 式中，U2C變壓器低壓側(cè)實(shí)際要求的電壓值。,1. 電力電容器容量的選擇

15、 在最小負(fù)荷時(shí)將電容器全部切除 在最大負(fù)荷時(shí)全部投入運(yùn)行方式 同時(shí)配合變壓器變比的選擇 按在最小負(fù)荷時(shí)不補(bǔ)償(即電容器不投入)來(lái)確定變壓器分接頭 式中，U2min、U2min最小負(fù)荷時(shí)變壓器低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓和低壓母線要求的電壓值。 按最大負(fù)荷時(shí)的調(diào)壓要求計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量 式中，U2max、U2Cmax最大負(fù)荷時(shí)變壓器低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓值和低壓母線要求的電壓值。,2. 同步調(diào)相機(jī)容量的選擇 考慮在最大負(fù)荷時(shí)同步調(diào)相機(jī)滿發(fā)無(wú)功： 在最小負(fù)荷時(shí)同步調(diào)相機(jī)吸收無(wú)功功率，考慮到同步調(diào)相機(jī)通常設(shè)計(jì)在只能吸收(0.50.6)QCN的無(wú)功功率 兩式相除可解出變比KT，選擇與KT值最接近的變壓

16、器高壓繞組分接頭電壓，即確定了變壓器實(shí)際變比。 再將實(shí)際變比代入以上兩式中任一式即可求出為滿足調(diào)壓要求所需的調(diào)相機(jī)容量QCN。,例9-2：電力網(wǎng)如圖9-16所示，歸算到高壓側(cè)的線路和變壓器阻抗為Z=(6+j120)。供電點(diǎn)提供的最大負(fù)荷Smax=(20+j15)MVA，最小負(fù)荷Smax=(10+j8) MVA，降壓變低壓側(cè)母線電壓要求保持為10.5kV。若U1保持為110kV不變，試配合變壓器分接頭選擇，確定用電容器無(wú)功補(bǔ)償容量。,解： 1. 計(jì)算未補(bǔ)償時(shí)最大及最小負(fù)荷時(shí)變電所低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓 2. 最小負(fù)荷時(shí)，將電容器全部切除，選擇分接頭電壓 3. 選最接近的分接頭104.5kV，

17、即 1105%的分接頭，則,4. 按最大負(fù)荷時(shí)的調(diào)壓要求，確定電容器的容量 取補(bǔ)償容量為6Mvar。 5. 驗(yàn)算低壓母線實(shí)際電壓值 基本滿足調(diào)壓要求。,調(diào)壓措施4：改變輸電線路參數(shù)調(diào)壓,對(duì)于10kV及以下電壓等級(jí)的電力網(wǎng)中電阻比較大的線路，考慮增大導(dǎo)線截面以減小線路電阻； 對(duì)于35kV及以上電壓等級(jí)的電力線路，XR，可以考慮采用串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)姆椒p小線路電抗。,在未裝設(shè)串聯(lián)電容時(shí)，線路的電壓損耗為： 裝設(shè)串聯(lián)電容C(其容抗為XC)后，線路的電壓損耗為：,電壓提高的數(shù)值應(yīng)是補(bǔ)償前后的電壓損耗之差： 故,串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)恼{(diào)壓效果與負(fù)荷的無(wú)功功率Q1成正比，從而與負(fù)荷的功率因數(shù)有關(guān)。因此，串聯(lián)電容補(bǔ)償

18、一般適用負(fù)荷波動(dòng)大且功率因數(shù)低的配電線路。,電壓調(diào)整小結(jié),發(fā)電機(jī)調(diào)壓：主要適用于地方性供電網(wǎng)，對(duì)于區(qū)域性電力網(wǎng)僅作為輔助調(diào)壓措施。 在系統(tǒng)無(wú)功功率充裕時(shí)，首先應(yīng)考慮采用改變變壓器變比調(diào)壓：對(duì)于無(wú)載調(diào)壓變壓器，一般只適用于季節(jié)性負(fù)荷變化的情況。 當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功電源不足時(shí)，必須增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償容量調(diào)壓：無(wú)功功率的就地補(bǔ)償雖需增加投資，但這樣不僅能提高運(yùn)行電壓水平，還能通過(guò)減少無(wú)功功率在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸而降低網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗。 串聯(lián)電容補(bǔ)償：可用于配電網(wǎng)的調(diào)壓。 近年來(lái)，串聯(lián)電容補(bǔ)償用于超高壓輸電線帶來(lái)的對(duì)潮流控制、系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高等方面的綜合效益已日益引起人們的關(guān)注。,第三節(jié) 電力網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,一、電力網(wǎng)

19、的電能損耗 二、降低電能損耗的技術(shù)措施,由于電力系統(tǒng)所需的能源占整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總能源消耗的比例舉足輕重，因此，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性主要反映在總的燃料消耗(或發(fā)電成本)和網(wǎng)絡(luò)的電能損耗上。,一、電力網(wǎng)的電能損耗,電能損耗由兩部分組成： 導(dǎo)線和變壓器繞組電阻上的有功損耗與通過(guò)元件的電流或功率有關(guān)，稱為可變損耗； 輸電線和變壓器中并聯(lián)電導(dǎo)中的有功損耗，如輸電線的電暈損耗，變壓器的鐵芯損耗等同施加于元件的電壓有關(guān)，而與通過(guò)元件的功率幾乎無(wú)關(guān)，稱為固定損耗。,輸電線：電暈損耗可以不計(jì)。對(duì)于給定的運(yùn)行時(shí)間T，考慮到負(fù)荷隨時(shí)間變化，輸電線的電能損耗為： 變壓器的

20、電能損耗為： 式中，P0為變壓器的空載有功損耗，對(duì)應(yīng)于固定損耗。 各量單位：功率kVA，電壓kV，電流A，電阻，時(shí)間h。,由于負(fù)荷功率是隨時(shí)間變化的，所以式中可變損耗可變損耗的計(jì)算困難。工程計(jì)算中常用的簡(jiǎn)化近似算法，即最大負(fù)荷損耗時(shí)間法。 最大負(fù)荷損耗時(shí)間： 如果網(wǎng)絡(luò)輸送的功率始終保持為最大負(fù)荷功率Smax，經(jīng)小時(shí)后，網(wǎng)絡(luò)中損耗的電能恰等于網(wǎng)絡(luò)按實(shí)際負(fù)荷曲線運(yùn)行時(shí)全年實(shí)際消耗的電能，則稱為最大負(fù)荷損耗時(shí)間。,變壓器全年的電能損耗： n臺(tái)相同容量變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：,二、降低電能損耗的技術(shù)措施,1提高電力網(wǎng)負(fù)荷的功率因數(shù) (1) 合理選擇異步電動(dòng)機(jī)的容量及 運(yùn)行方式 (2) 實(shí)行無(wú)功功率就地補(bǔ)償

21、2合理組織電力網(wǎng)的運(yùn)行方式 (1) 適當(dāng)提高電力網(wǎng)的運(yùn)行電壓水平 (2) 合理組織并聯(lián)變壓器的運(yùn)行,第四節(jié) 電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,一、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念 二、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程 三、發(fā)電機(jī)的功率特性 四、電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定特性 五、電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性,一、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念,電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，就是指在受到外界干擾的情況下發(fā)電機(jī)組間維持同步運(yùn)行的能力。研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題歸結(jié)為研究當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而判斷系統(tǒng)是否可能失去穩(wěn)定及研究提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，是一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程和電磁暫態(tài)過(guò)程交織在一起的復(fù)雜問(wèn)題，屬于電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)過(guò)程的范疇。根據(jù)擾動(dòng)量的

22、大小，可將電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分為靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性兩大類型：,電力系統(tǒng)在運(yùn)行中時(shí)刻受到小的擾動(dòng)，例如負(fù)荷的隨機(jī)變化、汽輪機(jī)蒸汽壓力的波動(dòng)、發(fā)電機(jī)端電壓發(fā)生小的偏移等等。在小擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)將會(huì)偏離運(yùn)行平衡點(diǎn)，如果這種偏離很小，小擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)又重新恢復(fù)平衡，則稱系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的。如果偏離不斷擴(kuò)大，不能重新恢復(fù)原來(lái)的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)不能保持靜態(tài)穩(wěn)定。 電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)還會(huì)受到大的擾動(dòng)，例如，電氣元件的投入或切除、輸電線路發(fā)生短路故障等等。在大擾動(dòng)作用下，如果系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的偏離是有限的，且在大擾動(dòng)結(jié)束后又達(dá)到了新的平衡，則稱系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。如果偏離不斷擴(kuò)大，不能重新恢復(fù)平衡，則稱系統(tǒng)失去了暫態(tài)穩(wěn)

23、定。,二、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心問(wèn)題是研究同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受干擾的響應(yīng)。 根據(jù)力學(xué)定律，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J的轉(zhuǎn)體，如果以角加速度a旋轉(zhuǎn)，作用于該轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)矩總和為M，則應(yīng)滿足下列關(guān)系：,取一參考軸，如此參考軸在空間不動(dòng)，則轉(zhuǎn)子軸線與此參考軸之間的夾角就是轉(zhuǎn)子的絕對(duì)角位移；如取在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)的軸為參考軸，則轉(zhuǎn)子軸線與此參考軸之間的夾角就是轉(zhuǎn)子相對(duì)同步旋轉(zhuǎn)軸的相對(duì)角位移，記作,以電角度表示的同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式：,三、發(fā)電機(jī)的功率特性,簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)如圖9-20所示，發(fā)電機(jī)通過(guò)升壓變壓器、輸電線路、降壓變壓器與受端系統(tǒng)的母線相連接。,這種簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)稱為“單機(jī)-無(wú)限

24、大”系統(tǒng)。當(dāng)不計(jì)各元件的電阻及對(duì)地導(dǎo)納支路時(shí)，系統(tǒng)的總電抗為Xd，則有：,當(dāng)發(fā)電機(jī)的電勢(shì)Eq和受端電壓U均為恒定時(shí)，傳輸功率PEq是角度的正弦函數(shù)。因?yàn)閭鬏敼β实拇笮∨c相位角密切相關(guān)。因此，又稱為“功角”或“功率角”。傳輸功率與功角的關(guān)系PEq=f()，稱為“功角特性”或“功率特性”。隱極機(jī)的功角特性如圖9-22所示。,1、隱極機(jī)的功率特性 隱極發(fā)電機(jī)的縱軸與橫軸的同步電抗相等，即Xd=Xq。此時(shí)“單機(jī)-無(wú)限大”系統(tǒng)的相量圖如圖9-21所示。分析此相量圖得：,2、凸極機(jī)的功率特性 如發(fā)電機(jī)為凸極機(jī)，則其縱軸和橫軸同步電抗不相等，即XdXq，令Xq=Xq+XTL，凸極機(jī)的系統(tǒng)相量圖如圖9-23所

25、示，分析此相量圖可得：,式中，Ud=Usin；Uq=Ucos； Id=Isin(+)；Iq=Icos(+),凸極機(jī)縱橫軸磁阻不對(duì)稱，功角特性多了一項(xiàng)與發(fā)電機(jī)電勢(shì)Eq(即與勵(lì)磁)無(wú)關(guān)的二次諧波項(xiàng)，稱為磁阻功率，磁阻功率的出現(xiàn)，使功率與功角成非正弦關(guān)系，圖9-24給出了凸極機(jī)的功角特性。,由于Eq不易直接求出。為此，工程計(jì)算上引入了一個(gè)虛構(gòu)電勢(shì)。在q軸方向上，從圖9-23可見(jiàn)，它可直接根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況按下式計(jì)算：,在計(jì)算凸極機(jī)的功率特性時(shí)，首先根據(jù)給定的受端系統(tǒng)電壓U0和功率P0和Q0，按上式計(jì)算EQ、0。同時(shí)，由圖9-23可知 ： 又 從上兩式中消去Id，經(jīng)整理后，可得Eq和EQ間的關(guān)系，即 :

26、,3、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)功率特性的影響,為維持系統(tǒng)電壓，一般發(fā)電機(jī)都裝有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。 當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率增加、端電壓下降時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)作以增大勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)電勢(shì)Eq增大，直到端電壓恢復(fù)或接近恢復(fù)到整定值UG0為止。這時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將使Eq隨功角增大而增大。 用不同的Eq值，作出一組正弦功率特性曲線族，其幅值與Eq成正比，如圖9-25所示。,一般的比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器并不能完全保持發(fā)電機(jī)端電壓不變。在近似計(jì)算中，可以認(rèn)為它能保持發(fā)電機(jī)q軸暫態(tài)電勢(shì)Eq不變?？梢缘贸觯?對(duì)圖9-20所示簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)，如發(fā)電機(jī)為隱極機(jī)，無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)，其功率特性曲線如圖9-26所示。,四、電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性 1、簡(jiǎn)單

27、電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定實(shí)用判據(jù),判斷簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)具有靜態(tài)穩(wěn)定性的實(shí)用判據(jù)：,2、功率極限與靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù) 發(fā)電機(jī)功率特性曲線的最大值稱為功率極限。功率極限可通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)功率特性求極值，即令dP/d=0求得。 對(duì)無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的隱極發(fā)電機(jī)，規(guī)律極限為： 對(duì)有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的凸極發(fā)電機(jī)，其功率極限為：,從電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求出發(fā)，不允許電力系統(tǒng)運(yùn)行在功率極限附近，否則，運(yùn)行情況稍有變動(dòng)，系統(tǒng)便會(huì)失去穩(wěn)定。為此，一般要求電力系統(tǒng)有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度。穩(wěn)定裕度的大小，通常用穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)表示，以百分值表示的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)為： 為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在正常運(yùn)行時(shí)，要求KP15%20%，事故后運(yùn)行方式下，

28、要求KP10%。,例9-4 ：簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)如圖9-27所示，發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變壓器和雙回輸電線路向無(wú)限大功率系統(tǒng)送電。輸送功率和電壓的標(biāo)幺值為Po=1.0，Qo=0.2，Uo=1.0，試計(jì)算下列情況下發(fā)電機(jī)的功率特性、功率極限及靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)。 發(fā)電機(jī)無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，維持Eq=C； 發(fā)電機(jī)裝有比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，能維持Eq=C； 發(fā)電機(jī)裝有比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，且近似認(rèn)為能維持E =C。,3、提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的措施 從靜態(tài)穩(wěn)定的分析可以看出，提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，應(yīng)著力于提高電力系統(tǒng)的功率極限。從電力系統(tǒng)功率極限的簡(jiǎn)單表達(dá)式 ： 可以看出，提高電力系統(tǒng)的功率極限應(yīng)從提高發(fā)電機(jī)的電勢(shì)E，減小系統(tǒng)電

29、抗X、提高和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓U等方面著手。 提高發(fā)電機(jī)電勢(shì)E 減少系統(tǒng)的總電抗X 提高和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,五、電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性,電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)在受到大擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)組能否繼續(xù)保持同步運(yùn)行的問(wèn)題。 精確地確定所有電磁參數(shù)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)在暫態(tài)過(guò)程中的變化是困難的，通常在暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中采用一些近似簡(jiǎn)化條件：,忽略發(fā)電機(jī)定子電流的非周期分量和與它相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流的周期分量，這就意味著發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組的電流、系統(tǒng)的電壓及發(fā)電機(jī)的電磁功率在大擾動(dòng)的瞬間均可以突變。 在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，不計(jì)零序和負(fù)序電流對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的影響，從而在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)可以應(yīng)用正序等效定則和復(fù)合序網(wǎng)。故障時(shí)確定正序分量的等值電路與正常運(yùn)行時(shí)的等值電路的不同之處，僅在于在故障處接入由故障類型確定的附加阻抗Z。 在近似計(jì)算中，近似考慮發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)過(guò)程和自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，認(rèn)為發(fā)電機(jī)可保持暫態(tài)電勢(shì)E =C（常數(shù)）。 不考慮原動(dòng)機(jī)調(diào)速器的作用，假定原動(dòng)機(jī)輸入功率保持恒定。,1、分析電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)的等值電路和功率特性,一般情況下， XI PIImPIIIm 發(fā)電機(jī)的功率特性曲線見(jiàn)右圖。,由e、d、f、g圍成的面積稱為“減速面積”，它既代表轉(zhuǎn)子在減速過(guò)程中所消耗的動(dòng)能，又等