1、電力系統分析電力系統分析南京理工大學自動化學院系電氣工程系2021-11-20南京理工大學2課程簡介 什么是電力系統？ 電力系統工程學科包括哪些內容？ 學習電力系統分析課程要能完成什么工作？ 三大計算：潮流 短路 穩定 2021-11-20南京理工大學3課程簡介 課程內容 教學進度 考查方式 聯系方法2021-11-20南京理工大學4課程內容 電力系統的基本概念 電網等值 電力系統潮流計算 電力系統運行方式的調整和控制 電力系統故障分析 電力系統穩定性分析2021-11-20南京理工大學5課程內容 先修課程電路原理電磁場電機學 2021-11-20南京理工大學6教學進度 總學時數：5664 課

2、堂教學：4852 實踐環節：812 學時分配 電力系統的基本概念：23 電網等值：810 電力系統潮流計算：1012 電力系統運行方式的調整和控制：10 電力系統故障分析：1012 電力系統穩定性分析：8102021-11-20南京理工大學7考查方式 教學部分 作業： 10% 考勤： 10% 閉卷考試： 60% 實踐部分：20%2021-11-20南京理工大學8聯系方法 授課教師：江寧強 辦公室：基礎實驗樓338 電話：84315147 Email:2021-11-20南京理工大學9目錄 第一章電力系統的基本概念 第二章電網等值 第三章電力系統潮流計算 第四章電力系統運行方式的調整和控制 第五

3、章電力系統故障分析 第六章電力系統穩定性分析2021-11-20南京理工大學10第一章 電力系統的基本概念 1.1電力系統概述 1.2我國的電力系統 小結2021-11-20南京理工大學111.1 電力系統概述 1.1.1電力系統的形成和發展 1.1.2電力系統的組成 1.1.3 電力系統的特點和運行的基本要求 1.1.4電力系統的基本參量和接線圖 1.1.5電力系統的接線方式和中性點接地方式2021-11-20南京理工大學121.1.1電力系統的形成和發展 電磁感應定律 法拉第，1831 世界上第一個完整的電力系統 1882，法國 三相變壓器和三相異步電動機1891 直流電力系統和交流電力系

4、統愛迪生和西屋2021-11-20南京理工大學131.1.2電力系統的組成 電力系統發電廠、輸電和配電網絡、用戶 電網、電力系統和動力系統 一次設備和二次設備2021-11-20南京理工大學141.1.3 電力系統的特點和運行的基本要求 電力系統的特點1 電能與國民經濟各部門、國防和日常生活之間的關系都很密切2 對電能質量的要求比較嚴格3 電能不能大量儲存4 電力系統中的暫態過程十分迅速 運行的基本要求1 可靠性 可以滿足用戶的用電需求：不斷電，頻率、電壓、波形 質量符合要求 負荷按供電可靠性要求分為三類2 安全性 保證系統本身設備的安全。 要求電源容量充足，電網結構合理3 經濟性%4 減小對

5、環境的不利影響2021-11-20南京理工大學151.1.4電力系統的基本參量、接線圖 衡量電力系統規模的基本參量總裝機容量額定有功功率之和年發電量最大負荷最高電壓等級 接線圖地理接線圖、電氣接線圖2021-11-20南京理工大學161.1.5電力系統的接線方式和中性點接地方式 接線方式 無備用接線 特點：簡單、經濟、運行方便靈活。 供電可靠性差，電能質量差 有備用接線 特點：供電可靠，電能質量高 運行操作和繼電保護復雜，經濟性差 中性點接地方式（小接地方式和大接地方式） 不接地 供電可靠性高，絕緣成本高。 110kv電網2021-11-20南京理工大學171.2我國的電力系統（1） 4個發展

6、階段195x：城市電網196x：省網19701990：區域電網1990：區域電網互聯 電力系統的規模2004 400GW2010 535GW2020 790GW2021-11-20南京理工大學181.2我國的電力系統（2） 電壓等級（KV） 發電機 3.15, 6.3, 10.5, 15.75, 23.0 用電設備 3,6,10,35,110,220,330,500,750(60,154已不再發展）3 企業內部 6、10配電電壓（6用于高壓電機負荷）110、220:高壓。110：區域網，中小電力系統主干線 220：大電力系統主干線330、500、750:超高壓 750:特高壓提高輸電電壓的利弊

7、：減小載流截面和線路電抗，利于提高線路功率極限和穩定性，增加絕緣成本2021-11-20南京理工大學191.2我國的電力系統（3） 電力系統的電壓與輸電容量和輸電距離線路電壓(kv)輸送容量(MV) 輸送距離(km) 6 0.10.241510 0.22.062035 2102050110105050150220100500100300330200800200600500100015002508502021-11-20南京理工大學201.2我國的電力系統（4） 額定電壓：發電機、變壓器、用電設備等正常運行時最經濟的電壓 在同一電壓等級中，電力系統的各個環節（發電機、變壓器、電力線路、用電設備）

8、的額定電壓各不相同。某一級的額定電壓是以用電設備為中心而定的。用電設備的額定電壓是其他元件的參考電壓。用電設備端壓允許在額定電壓UN的5%內波動輸電線路的額定電壓為線路的平均電壓 UN(1+5%)+UN(1-5%)/2=UN2021-11-20南京理工大學211.2我國的電力系統（5）發電機的額定電壓 UN(1+5%)變壓器的額定電壓為變壓器兩側的額定電壓，以變比表示為 k= U1N / U2Nv一次側直接與發電機相連： U1N = UN(1+5%)35kv 聯絡（相當于用電設備）： U1N = UNv二次側相當于發電機空載 U2N = UN(1+5%) 帶負載 U2N = UN(1+10%)

9、（內部壓降約5%）Us%7.5或直接連負載時U2N = UN(1+5%)2021-11-20南京理工大學22例題 確定圖中電力系統各元件的額定電壓GMT1T2T3T410kv110kv35kv10kv6kv380vXG:10.5kvT1:10.5/121kv T2:110/38.5/11kv T3:35/6.3kv T4:10kv/400vM: 6kv L:380v2021-11-20南京理工大學231.2我國的電力系統（6） 我國電力工業發展的指導思想 繼續續發展煤電廠，提高能源效率，減小環 境污染 加速水力資源的開發利用和水電廠的建設 發展核電技術并適度發展核電廠 開發風力和潮汐等可再生能

10、源 加速建設輸、配、變電工程，西電東送，促 進區域電網互聯，并最終形成全國電力系統2021-11-20南京理工大學24第一章小結 電力系統由發電機、電網和用戶組成，是動力系統的一部分。由于電能不能大量儲存、暫態過程迅速，為保證可靠性、安全性和經濟性要求，需要合理地對電力系統進行規劃、設計、運行調度和故障恢復。 在同一電壓等級中，電力系統的各個環節的額定電壓各不相同。某一級的額定電壓是以用電設備為中心而定的。 電力系統分析的任務是建立電力系統的等值模型，計算穩態潮流，并確定故障和擾動對系統的影響。2021-11-20南京理工大學25第二章電網等值 2.1 概述 2.2 輸電線路的等值電路 2.3

11、 變壓器和電抗器的等值電路 2.4 電力網的等值電路 2.5 標么制 小結2021-11-20南京理工大學262.1 概述 問題：怎樣將電力系統用一個電網絡來 表示？ 本章計算電力線路和變壓器的等值電路 假定系統的三相結構和三相負荷都完全對稱，即討論三相電流和電壓的正序分量。2021-11-20南京理工大學272.2 輸電線路的等值電路 2.2.1 輸電線路的種類架空線路由導線、避雷線、桿塔、絕緣子、金具組成電力電纜包括三部分：導體、絕緣層、保護層 2.2.2 架空線路的等值電路分布參數與集中參數單回線路分裂導線2021-11-20南京理工大學28單回線路的等值電路（1）有效電阻 交流電阻，一

12、般大于直流電阻。 原因：集膚效應和臨近效應電力網計算中常采用較大的電阻率。 原因：絞線長度比導線長度大23%， 實際截面小于額定截面， 交流電阻略大于直流電阻。0/rS0/rS0/ (/)rSkm 電阻（20 ）101(20)(/)rrtkm銅0.00382/鋁0.0036/ 2021-11-20南京理工大學29單回線路的等值電路（2） 電抗導線流過交流電流時，由于導線的內部和外部交變磁場的作用而產生電抗。循環換位的三相輸電線路每相導線單位長度的電抗為402(4.6lg0.5) 10 (/)eqrDxfkmr2021-11-20南京理工大學30單回線路的等值電路（3）vDeq 為三相導線間的互

13、幾何間距vr 為導線的計算半徑v r 為導線材料的相對導磁系數，有色金屬的相對導磁系數為1v第一項為外電抗，第二項為內電抗3123eqDD D D00.1445lg0.0157(/)eqrDxkmr2021-11-20南京理工大學31單回線路的等值電路（4）v導線電抗與r成對數關系。對不同截面的導線，當Deq為常數時，電抗變化不大，工程上常取x0=0.4 /km。00.1445lg(/)eqsDxkmDvDs為導線的自幾何均距非鐵磁材料單股線Ds=0.779r 非鐵磁材料多股線Ds=0.7240.771r 鋼芯鋁線Ds=0.770.9r,計算中常取0.81r2021-11-20南京理工大學32

14、單回線路的等值電路（5） 電納由導線間的電容和導線與大地間的電容決定。電容電納電纜線路的電納比架空線路大得多600.02410 (/)lg/eqcF kmDr607.5810 ( /)lg/eqbS kmDr2021-11-20南京理工大學33單回線路的等值電路（6） 電導反映由電暈現象和絕緣子泄露引起的有功功率損耗電暈：導線周圍的電場強度超過2.1kv/cm時，導線周圍會發生空氣電離現象，產生光環，發出放電聲。危害：消耗電能、干擾通信、表面腐蝕電暈產生的有功功率損耗稱為電暈損耗。110kv以上線路與電壓有關的有功功率損耗主要由電暈損耗引起。2021-11-20南京理工大學34單回線路的等值電

15、路（7） 架空線路產生電暈的臨界線電壓 ， m1 : 導線表面光滑系數。單股線=1，對絞線=0.830.87 m2：氣象系數。干燥晴朗=1，惡劣天氣=0.8 ： 空氣相對密度 b ： 大氣壓力（Pa）(一個大氣壓為101325帕) ： 空氣溫度（） 1249.3lgeqcrDUm mrr3.92 b=1333.22 (273+ )2021-11-20南京理工大學35單回線路的等值電路（8） 關于電暈損耗的測量和計算是高電壓技術討論的內容。 輸電線路電暈損耗（包括泄漏損耗）對應的電導為20( /)gPgS kmU2021-11-20南京理工大學36單回線路的等值電路（8） 線路方程及等值電路線路

16、每相的等值參數是沿線路均勻分布的。1U2UlxdxxIxU1z dx1y dxxxId IxxUdU111zrjx111ygjb2021-11-20南京理工大學37單回線路的等值電路（9） 距離線路末端x處，壓降和電流增量為11xxxxdIU ydxdUI zdx11/xxxxdI dx U ydU dx I z221 1221 1/xxxxd I dxzy Id U dxzyU2222sinhcoshcoshsinhxxcUIxIxZcUUxI Zx2021-11-20南京理工大學38單回線路的等值電路（10） 線路的傳播系數實部反映行波振幅的衰減特性，虛部反映行波相位的變化特性 線路的特征

17、阻抗（也稱波阻抗）11/( )cZzy11jz y2021-11-20南京理工大學39單回線路的等值電路（11） 無損線路的自然功率自然功率用來衡量線路的輸電能力，一般20kv以上線路的輸電能力大致接近自然功率 行波波長波長時（1500km），兩端相位差9022ecUPZ11112216000kmLCfLC2021-11-20南京理工大學40單回線路的等值電路（12） 線路的 型等值電路x=l 時，1U2U z1212coshsinh1sinhcoshclZlUUllIIZc2Y2Y1U2U2Y2Y2021-11-20南京理工大學41單回線路的等值電路（13） Z=Z1l， Y=Y1lsinh

18、tanh22lZZllYYl2021-11-20南京理工大學42單回線路的等值電路（14） 等值電路 短線路（35kv,100km的架空線路、短電纜線路） 中等長度線路（ 110330kv,100300km架空線路、330kv, 300km架空線路、100km電纜線路）1U2U1U2U2bBjKrxK RjK X2bBjK2112211111211131()6112rxblKx br blKx bxlKx b2021-11-20南京理工大學44分裂導線 采用分裂導線可增加導線的等值半徑 電阻減小 電抗減小 電導減小00/brrn00.01570.1445lg0.1445lg( /)eqeqre

19、qsbDDxkmrnD112131neqndd dd20( /)gPgS kmU1nnsbseqDD d2021-11-20南京理工大學45分裂導線 電納增大 電暈臨界電壓增大1249.3lgeqcrneqDUm mrfr12(1)sinnnfrndn607.5810 ( /)lg/eqeqbS kmDr1nneqeqrrd2021-11-20南京理工大學462.3 變壓器和電抗器的等值電路 雙繞組三相變壓器等值電路參數歸算到變壓器的一側，用哪一側的額定電壓，結果就歸算到哪一側2220022%1000100%1000100kNkNTTNNNTTNNPUUURXSSPISGBUU2021-11-

20、20南京理工大學472.3 變壓器和電抗器的等值電路 三繞組三相變壓器用等值的Y/Y接線來分析，并用一相等值電路來反映三相運行情況額定容量比有三類：100/100/100， 100/100/50， 100/50/100各繞組的容量比按電壓從高到低排列。三繞組變壓器的容量指容量最大的繞組的容量。其他繞組的容量是相對于該繞組的容量而言。2021-11-20南京理工大學482.3 變壓器和電抗器的等值電路 電阻額定容量比為100/100/100時1(1 2)(1 3)(2 3)2(1 2)(2 3)(1 2)3(1 3)(2 3)(1 2)()/2()/2()/2kkkkkkkkkkkkPPPPPP

21、PPPPPP222123123222,100010001000KNKNKNTTTNNNP UP UP URRRSSS2021-11-20南京理工大學492.3 變壓器和電抗器的等值電路v上述的Pk與額定容量相對應。額定容量比為100/100/50，100/50/100時，廠方給出的各繞組間銅耗指容量較小的繞組達到本身的額定電流時的損耗，需歸算到額定容量下。2021-11-20南京理工大學502.3 變壓器和電抗器的等值電路v額定容量比為 100/50/100 100/100/50(1 2)(1 2)22(2 3)(2 3)321(3 1)(3 1)3()()KKNKKNNKKNPPSPPSSP

22、PS21(1 2)(1 2)222(2 3)(2 3)3(3 1)(3 1)()()NKKNNKKNKKSPPSSPPSPP2021-11-20南京理工大學512.3 變壓器和電抗器的等值電路 電抗（廠方一般提供已折算數據）1(1 2)(1 3)(2 3)2(1 2)(2 3)(1 2)3(1 3)(2 3)(1 2)%(%)/2%(%)/2%(%)/2kkkkkkkkkkkkUUUUUUUUUUUU222123123%,100100100KNKNKNTTTNNNUUUUUUXXXSSS2021-11-20南京理工大學522.3 變壓器和電抗器的等值電路 勵磁支路導納0022%1000100N

23、TTNNPISGBUU2021-11-20南京理工大學532.3 變壓器和電抗器的等值電路 雙繞阻單相變壓器銘牌給出的容量、損耗 都是一相的數值，計算參數時，要乘以3，UN仍用線電壓。 三繞阻單相變壓器與雙繞阻單相變壓器一樣，SN ,PK，P0都乘以3，UN仍用線電壓。2021-11-20南京理工大學542.3 變壓器和電抗器的等值電路 自耦變壓器等值電路與三繞阻變壓器相同。第三繞阻容量較小，一般短路數據未經折算。(1 2)(1 2)2(2 3)(2 3)32(3 1)(3 1)3()()KKNKKNNKKNPPSPPSSPPS(1 2)(1 2)(2 3)(2 3)3(3 1)(3 1)3%

24、()%()%KKNKKNNKKNUUSUUSSUUS2021-11-20南京理工大學552.3 變壓器和電抗器的等值電路 電抗器3%100100%1003rNRrrrNrNrRrNIXXXUUXXI2021-11-20南京理工大學562.4 電力網的等值電路 基本級多電壓級網中各元件處于不同的電壓等級，元件參數在所處電壓等級求得，需歸算到同一個電壓等級稱為基本級K:向基本級一側的電壓/待歸算一側的電壓2212122212121212()()/()/()()/()RR K KXXK KGGK KBBK KUU K KIIK K2021-11-20南京理工大學572.5 標么制 有名制與標么制標么

25、值=有名值/基準值 基準值線電壓和三相功率相電壓和單相功率3333ppUZIUSUIS.333331/BBBB Bp B BpBB BpBBSU IUISUZ IUZY2021-11-20南京理工大學58第二章小結 電力線路電阻、電抗、電導、電納的物理意義和計算方法。 線路電暈臨界電暈電壓的計算方法 變壓器等值電路參數的計算方法。 多電壓級網絡參數和變量的歸算方法 標么值的定義和計算方法2021-11-20南京理工大學59第三章電力系統潮流計算 3.1電力網的電壓降落和功率損耗 3.2輸電線路的運行特性 3.3簡單網絡的潮流計算 3.4 電力系統潮流的計算機算法 小結2021-11-20南京理

26、工大學603.1電力網的電壓降落和功率損耗3.1.1 電壓降落元件兩端電壓的相量差。U1=U2+dU2 U2=U1-dU1222222222P RQ XP XQ RdUjUUUU 111111111PRQ XPXQ RdUjUUUU 縱分量和橫分量2021-11-20南京理工大學613.1電力網的電壓降落和功率損耗 電壓損耗 兩端電壓的數值差電壓偏移 實際電壓余額定電壓之差(百分比)電壓調整 線路末端空載電壓與負載電壓之差 功率損耗阻抗支路對地支路 線路 變壓器222222ZPQPQSRjXUU22111122YLSGUjBU22YTTTSG UjB U2021-11-20南京理工大學623.

27、2輸電線路的運行特性 空載運行特性忽略電阻和電導時線路末端電壓高于始端電壓 輸電線路的傳輸功率極限1222BXUUU2222222P RQ XP XQ RdUjUU2021-11-20南京理工大學633.2輸電線路的運行特性因為沒有有功功率損耗沒有有功功率損耗，所以線路輸送的有功功率無功功率（忽略第一式的橫分量）22122211cossinQ XP XUUjUUUjU1212sinU UPPX1222()UU UQX2021-11-20南京理工大學643.2輸電線路的運行特性 提高線路輸送能力的途徑提高線路的電壓等級v代價大減小線路的電抗v分裂導線v串聯電抗器2021-11-20南京理工大學6

28、53.3簡單網絡的潮流計算 輻射型網絡例 簡單環形網絡循環功率的計算例2021-11-20南京理工大學663.4電力系統潮流的計算機算法 3.4.1 網絡方程式節點電壓方程：方程個數少于回路個數節點類型： PQ,PV,平衡節點節點導納矩陣：n節點系統 nxn矩陣功率平衡方程：求有功、無功功率偏差牛頓-拉夫森法：在解附近二次收斂修正方程： 求節點電 壓修正量2021-11-20南京理工大學67第三章小結 本章的重點內容為 電壓降落、電壓損耗、電壓偏移、電壓調整、運算負荷功率、運算電源功率等概念 電力線路和變壓器中電壓降落和功率損耗的計算 輻射型網和簡單環網的潮流分布計算 牛頓-拉夫森法計算復雜電

29、力系統潮流2021-11-20南京理工大學68第四章 電力系統運行方式的調整和控制 4.1電力系統有功功率和頻率調整 4.2電力系統無功功率和電壓調整 小結2021-11-20南京理工大學694.1電力系統有功功率和頻率調整 有功功率和頻率調整的基本概念 電力系統的頻率特性 電力系統的頻率調整 各類發電廠的合理組合 電力系統有功功率的經濟分配2021-11-20南京理工大學704.1.1有功功率和頻率調整的基本概念 頻率變化對電力系統的影響 頻率與有功功率平衡 有功負荷的變化及其調整 備用容量2021-11-20南京理工大學714.1.2電力系統的頻率特性 負荷的P-f靜態特性 發電機組的P-

30、f靜態特性 電力系統的P-f靜態特性2021-11-20南京理工大學724.1.3電力系統的頻率調整 頻率的一次調整 頻率的二次調整 互聯系統的頻率調整2021-11-20南京理工大學734.1.4各類發電廠的合理組合 各類發電廠的特點 各類發電廠在日負荷曲線上的負荷分配2021-11-20南京理工大學744.1.5電力系統有功功率的經濟分配 發電機組的耗量特性 經濟分配的目標函數和約束條件 等微增量準則 多個發電廠間的負荷經濟分配 一個火電廠和一個水電廠間的有功負荷最優分配2021-11-20南京理工大學754.2電力系統無功功率和電壓調整 電壓調整的必要性 電力系統的無功功率平衡 電力系統

31、的電壓管理與調整 電力系統綜合調壓 電力系統無功功率的最優分配2021-11-20南京理工大學764.2.1電壓調整的必要性 額定電壓2021-11-20南京理工大學774.2.2電力系統的無功功率平衡 電壓水平取決于無功功率的平衡 無功功率負荷和無功功率損耗 無功功率電源 無功功率平衡 無功平衡與電壓水平2021-11-20南京理工大學784.2.3電力系統的電壓管理與調整 電力系統允許的電壓偏移 中樞點的電壓管理 電力系統的電壓調整2021-11-20南京理工大學794.2.3電力系統的電壓調整 改變發電機端電壓調壓 變壓器調壓固定變比變壓器有載調壓變壓器加壓調壓變壓器 無功功率補償調壓并

32、聯補償串聯補償2021-11-20南京理工大學804.2.4電力系統綜合調壓2021-11-20南京理工大學814.2.5電力系統無功功率的最優分配2021-11-20南京理工大學82第四章小結2021-11-20南京理工大學83第五章電力系統故障分析 故障類型：簡單故障/復合故障 短路故障/斷路故障 5.1電力系統短路的基本知識 5.2電力系統對稱故障分析 5.3電力系統不對稱故障分析 小結第五章電力系統故障分析2021-11-20南京理工大學845.1電力系統短路的基本知識 5.1.1短路短路的類型短路的主要原因短路的危害 5.1.2計算短路電流的目的選擇電器設備，繼電保護的設計和整定比較

33、和選擇系統主接線圖確定限制短路電流的措施2021-11-20南京理工大學855.2電力系統對稱故障分析 5.2.1恒定電勢源電路的三相短路暫態過程v三項短路時，只有周期分量是對稱的，各項短路電流的非周期分量不等。非周期分量為最大值或零值的情況只可能在一相出現。非非周期電流越大，短路電流最大瞬時值越周期電流越大，短路電流最大瞬時值越大大。v非周期電流有最大初值的條件：Im-Ipm在t=0時與t軸平行，且有最大可能值。2021-11-20南京理工大學865.2電力系統對稱故障分析短路沖擊電流：短路電流的最大可能瞬時值，用于檢驗電器設備的電動力穩定度。v短路后回路阻抗角一般約90度，因此非周期電流有最大初值的條件為：空載，合閘角為0。概念：沖擊系數v短路電流有效值和最大有效值用于檢驗電氣設備的斷流能力和耐力強度v短路容量：用于檢驗開關的切斷能力。常只用電流的周期分量來計算，是一個求解穩態正弦交流電路的問題。2021-11-20南京理工大學875.2電力系統對稱故障分析 5.2.2同步電機的三相短路同步電機的基本方程v理想發電機v電勢方程和磁鏈方程:派克方程無阻尼繞阻同步電機的三相短路v暫態電抗和暫態電勢有阻尼繞阻同步電機的三相短路v次暫態電抗和次暫態電勢2021-11-20南京理工大學885.2電力系統對稱故障分析 5.2