第五章電力系統運行分析第一節電力系統有功功率的平衡和頻率的調整一、頻率變化對用戶和發電廠及系統本身的影響頻率變化的原因：由有功負荷變化引起的我國頻率范圍：500.2Hz發達國家（如澳大利亞）：500.1Hz華東電網已達到：500.1Hz

頻率變化電動機轉速的變化產品質量電動機停轉電廠的給水泵停運，鍋爐停爐等等電力系統頻率變化所造成的影響對用戶的影響（1）異步電機轉速：紡織工業、造紙工業（2）異步電機功率下降（3）電子設備的準確度對發電廠和電力系統的影響（1）對發電廠廠用機械設備運行的影響（2）對汽輪機葉片的影響（3）對異步電機及變壓器勵磁的影響，增加無功消耗。功率平衡和轉矩平衡異步電動機的功率和損耗有：一、功率平衡輸入功率定子鐵損電磁功率機械功率輸出功率定子銅損轉子銅損有功功率和頻率調整頻率與有功平衡的關系轉矩平衡與功率平衡轉矩不平衡時,轉子轉速變化,引起頻率變化保持頻率恒定不變是十分困難的

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二、電力系統中有功功率的平衡電力系統的有功負荷的變化是由不同變化規律的負荷組成的一、變化幅度很小、變化周期較短，負荷變動有很大的偶然性。二、變化幅度較大、變化周期較長，如電爐、電氣機床。三、變化緩慢的持續變動負荷，如由生產、生活、氣象變化引起的負荷變動。根據負荷變化，電力系統的有功功率和頻率調整大體上也可分為：一次調頻：由發電機調速器進行；二次調頻：由發電機調頻器進行；三次調頻：由調度部門根據負荷曲線進行最優分配。前兩種是事后的，第三種是事前的。一次調頻是所有運行中的發電機組都可參加的，取決于發電機組是否已經滿負荷發電。這類發電廠稱為負荷監視廠。二次調頻是由平衡節點來承擔。

系統負荷可以看作由以下三種具有不同變化規律的變動負荷組成：（3）變動周期最大，變化幅度最大：氣象、生產、生活規律（2）變動周期在（10s，180s），變化幅度較大：大電機、電爐啟停。調速器頻率的一次調整調頻器頻率的二次調整根據預測負荷，在各機組間進行最優負荷分配電力系統的經濟運行調度（發電計劃）（1）變動周期小于10s，變化幅度小:小操作、線路搖擺等負荷的有功功率與頻率的關系－頻率靜態特性電力系統的頻率特性發電機的有功功率－頻率靜態特性調速器的工作原理1、為轉速測量元件—離心飛擺及其附件；2、為放大元件—錯油門(或稱配壓閥)；3、為執行機構—油動機(或稱接力器)；4、為轉速控制機構或稱同步器(調頻器)當系統的有功率遭到破壞時，會引起系統頻率的變化，為了減小或者消除這種不利的變化，采取以下措施進行調整。調頻器的工作原理發電機組的有功功率－頻率靜態特性（1）靜態調差系數:某臺機組負荷改變時相應的頻率偏移若2為額定運行點，1為空載運行點：單位調節功率:調差系數的倒數，表示頻率變化時發電機組輸出功率的變化量。小結：調差系數越小，單位調節功率越大，頻率偏移越小。調差系數是可以整定的。3電力系統的有功功率－頻率靜態特性PfP1f1ACBP2f2負荷功率的實際增量：它同發電機功率增量平衡：系統的單位調節功率：計及發電機和負荷的調節效應時，引起頻率單位變化時的負荷變化量。PfP1f1ACBP2f2標幺值表示系統的單位調節功率kr=PGN/PDN為備用系數

等式兩端同除以PDN/fN小結：系統中有功功率電源的出力不僅應滿足在額定頻率下系統對有功功率的需求，而且應有一定的備用。頻率的二次調整：通過操作調頻器，使發電機組的頻率特性平行的移動，從而使負荷變化引起的頻率偏移在允許的波動范圍內。1.主調頻廠的選擇調頻廠：負有二次調頻任務的電廠，分為主調頻廠和輔助調頻廠。調頻廠應滿足的條件：1）足夠的調整容量2）較快的調整速度3）調整范圍內的經濟性較好頻率的二次調整2.頻率二次調整的過程pf0f1ABf2CEF頻率的二次調整結論：（1）由于二次調頻增加了發電機的出力，在同樣的頻率偏移下，系統能承受的負荷變化量增加了。（2）可以做到無差調節。AEEFFC頻率調整和電壓調整的相同和不同之處調頻頻率唯一集中調整只能調原動機功率調壓電壓水平各點不同調整分散手段多樣（有多種無功電源）第二節電力系統無功功率平衡和電壓的調整一、電壓偏移對用電設備的影響電力系統的負荷：電動機、照明設備、電熱器具、家用電器、沖擊性負荷（電弧爐、軋鋼機等）。除相對很小的白熾燈只消耗有功功率，為數不多的同步電動機可發出一部分無功功率外，大多數都要消耗無功功率。

所有的用電設備都是以額定電壓為條件制造的，最理想的工作電壓是額定電壓。實際運行電壓高于或低于它的額定電壓，運行性能和效率將有所下降，并可能影響到使用壽命甚至使設備損壞。對用電設備的影響

a、白織燈

b.異步電動機

c.電熱器具

d.精密儀器加工業

對電力系統本身而言電壓降低，使網絡中功率損耗和電能損耗加大，可能危及電力系統穩定性；電壓過高，電氣設備絕緣易受損。

電壓偏移過大的危害電壓偏低對系統和用戶的影響電動機輸出轉矩降低或定子電流增大，失速甚至停轉；電熱設備生產效率降低照明光線不足，影響人的視力網絡功率和能量損耗增加降低系統運行的穩定性電壓偏高對系統和用戶的影響電氣設備絕緣受損，壽命縮短超高壓網絡電暈損耗允許電壓偏移35kV及以上供電電壓：正、負偏移的絕對值之和不超過10%VN；上下偏移同號時，按較大偏移絕對值衡量10kV及以下三相供電電壓：±7%VN220V單相供電電壓：+7%~-10%VN正常情況允許偏移?。?/p>

35Kv及以上

10Kv及以下和380V電力用戶低壓照明和220V用戶+5％～－10％農網（正常情況）+7.5％～－10％（事故情況）+10％～－15％事故情況下，電壓偏移允許值比正常值多5%，但電壓的正偏移不大于10％。

各電壓等級用戶的允許電壓偏移

二、系統綜合負荷電壓靜態特性取決于負荷性質及各類負荷所占的比重。

1.電動機

同步電動機的有功功率與電壓無關。

異步電動機的有功功率基本上與電壓無關。

2.白熾燈

其電阻值隨溫度而變化，P＝KtU1.6

3.阻抗不隨電壓變化的負荷

如電熱、電爐、整流負荷，P＝

由電動機、變壓器、電抗器、電熱器和白熾燈等多種負荷組成的系統，稱為綜合負荷系統。系統綜合負荷電壓的靜態特性無功負荷三、電力系統無功功率平衡要使各用戶和各母線的電壓在允許的電壓偏移范圍內，首先必須滿足系統的無功功率平衡，在此基礎上，再采取適當的電壓調整措施。Qres>0表示系統中無功功率可以平衡且有適量的備用；Qres<0表示系統中無功功率不足，應考慮加設無功補償裝置。電力系統無功功率平衡的基本要求：系統中的無功電源可以發出的無功功率應該大于或至少等于負荷所需的無功功率和網絡中的無功損耗。四、電力系統的無功電源在電力系統中，同步發電機、同步電動機和高壓輸電線路都是重要的無功功率的電源，它們所發出的無功功率可以很方便的進行調整。1、同步發電機2、同步調相機同步調相機其本質上是一臺空載運行的同步電動機。它的主要作用是：(1)、在激磁狀態下，從系統中吸取無功功率，減低系統電壓(2)、當系統發生故障以后，可以迅速及時地調整系統的電壓，有利于系統的穩定性；(3)、同步調相機安裝在樞紐變電站中，減少無功功率的損耗，平滑的調節電壓，提高系統的穩定性。3、并聯電容器與靜電補償器并聯電容器安裝在變電所或者用戶變電所中。它的主要作用是：(1)、消耗無功功率，有效調節系統電壓(2)、根據系統負荷的變化，對電壓進行階梯式調整；靜電補償器是一種動態無功功率補償設備，由電容器和可調電抗器組成，即可補償無功功率，又可以消耗無功功率，這樣就可以補償電壓的偏移，又可以調節電壓的波動。這樣有利于提供系統穩定性，提高電能質量。五、電力系統電壓管理1)中樞點：電力系統中重要的供電點（電壓支撐點）。電力系統中負荷點數目眾多又很分散，有必要選擇一些有代表性的節點，這些點的電壓質量符合要求，其它各點的電壓質量也能基本滿足要求。如： ①區域性水、火電廠高壓母線 ②有大量地方負荷的發電機電壓母線 ③樞紐變電所的二次母線2.中樞點電壓管理2)中樞點電壓允許變化范圍確定中樞點向兩個負荷點供電中樞點向多個負荷點供電如果中樞點是發電機母線在任何時候，各個負荷點所要求的中樞點允許變化范圍應有公共部分中樞點向兩個負荷點供電SBmaxt/h

SSBminSAmax

SAmint/h

△Vt/h

VSABASBO電力系統調壓的目的是保證系統各負荷的電壓在允許的電壓偏移范圍之內。六、電力系統的調壓措施利用發電機勵磁調壓利用變壓器的分接頭調壓利用有載變壓器調壓利用改變電力系統無功功率分布調壓利用改變線路參數調壓在系統中，改變系統的阻抗值，可以達到調壓的目的。有一下措施（1）改變電力系統的導線截面；改變電力系統的接線方式；(3)串聯電容器進行電壓補償。改變變壓器變比調壓降壓變壓器分接頭選擇V1RT+jXTP+jQV2升壓變壓器分接頭選擇k:1V2RT+jXTP+jQV11:kG根據計算得到的分接頭電壓選擇最接近的變壓器分接頭額定電壓；六、電力系統的調壓措施電壓調整的原理和措施改變變壓器變比調壓采用固定分接頭的變壓器調壓，電壓損耗不會改變，負荷變化時次級電壓變化幅度也不會改變；如果電壓損耗超過分接頭可調整范圍（±5%），或者調壓要求與實際的相反（如逆調壓），采用普通變壓器的分接頭調整將無法滿足調壓要求；采用有載調壓方式，可根據負荷狀態確定合適分接頭，從而縮小次級電壓變化幅度，甚至改變電壓變化趨勢；可用于有載調壓的有：載調壓變壓器和加壓調壓變壓器；有載調壓變壓器：可帶負載調節分接頭，分接頭調節范圍比較大；加壓調壓器：與主變壓器配合使用，相當于有載調壓變壓器；電壓調整的原理和措施利用無功補償調壓V1V2R+jXP+jQjQCV1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC補償容量與調壓要求和變壓器變比選擇均有關變比k選取原則：滿足調壓要求的前提下，使得無功補償容量最小低壓配電線路和電纜線路，R>X，PR/V占電壓損耗較大，無功補償調壓效果一般；電壓調整的原理和措施各種調壓措施的簡要述評多機系統中，調節任一臺發電機勵磁電流，會引起發電機間無功功率重新分配，應根據發電機與系統連接方式和承擔有功功率情況，合理確定調壓整定值；系統無功電源充足時，可通過改變變壓器變比進行調壓，電壓變化幅度較大或要求逆調壓時，宜采用變壓器有載調壓方式；系統無功不足時，不宜采用改變變壓器變比的方式調壓；并聯電容器和串聯電容器補償的作用在于減少電壓損耗的QX/V分量；只有該分量占比重較大時，調壓效果才明顯；并聯電容補償和串聯電容補償需要增加設備費用，并聯補償可以減小網損；七、電壓調整與頻率調整的關系電力系統的有功功率和無功功率即和電壓有關，也和頻率有關。頻率和電壓的變化都將通過系統的負荷特性的變化而影響到有功功率和無功功率的變化。系統頻率下降時，無功功率減少；電力系統的電壓提高，有功功率增加，對應的無功功率將有所減少；電力系統的電壓降低時，系統的有功功率較少；當電壓水平提高時，會導致系統的頻率的升高電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率負荷異步電動機等值電路因為異步電動機在電力系統負荷（特別是無功負荷）中占比重很大，系統無功負荷的電壓特性主要由異步電動機決定異步電動機的無功功率和有功功率異步電動機的無功電壓特性受載系數負載不變電壓降低無功損耗反而升高受飽和影響，勵磁功率稍高于二次曲線電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率負荷變壓器的無功損耗變壓器的無功損耗變壓器等值電路輸電線路的無功損耗輸電線路的無功消耗輸電線路等值電路35kV線路充電功率很??；110kV及以上線路輕載時為無功電源，重載時消耗無功功率。電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電力系統無功電源發電機—P-Q極限受額定勵磁電流限制，發電機電抗壓降限值，以O點為圓心，OC為半徑進相運行的穩定約束和定子繞組端部溫升受定子額定電流限制，發電機電抗壓降限值，以A點為圓心，AC為半徑OC—空載電勢OA—機端電壓AC—發電機電抗壓降，正比于視在功率；AD—正比于機端有功功率AB—正比于機端無功功率DC—原動機輸入功率（額定有功功率）約束電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源旋轉元件，運行維護復雜；有功損耗較大，滿負荷時約為額定容量的1.5%~5%，容量越小，比例越大；小容量機組投資費用高（每kVA），僅利于集中大容量使用；響應速度較慢，難以適應動態無功控制的要求20世紀70年代后，逐漸為靜止無功補償器取代；同步調相機過勵磁運行，向電網輸出感性無功功率；欠勵磁運行，從電網吸收感性無功功率；欠勵磁最大容量為過勵磁容量的50%~65%；可實現無功電壓連續調節；具有強勵功能，有利于提高穩定性電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜止無功補償器—飽和電抗器型靜止補償器電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜止無功補償器—晶閘管控制電抗器型靜止補償器TCR支路正負半周內部分導通等值電感可連續調節有諧波電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜止無功補償器—晶閘管投切電容器型靜止補償器TSC：整周波投切，不產生諧波分級調節快速響應第三節電力系統的靜態穩定性靜態穩定是指電力系統在某一正常運行狀態下受到小干擾后，不發生自發振蕩或非周期性失步，自動恢復到原始運行狀態的能力。靜態穩定問題實際上就是確定小擾動下系統的某個運行穩態點能否保持的特性。0自發振蕩，靜態失穩非周期性失步，靜態失穩靜態穩定常見的小干擾有以下三種：(a)、架空線纜因風吹擺動引起的導線距離的變化引起線路阻抗的變化；(b)、個別小的負荷的接入或者切除；(c)、發電機組轉速的不均勻；一、發電機并列運行的穩定性與實用判據簡單系統的分析：不考慮發電機的勵磁調節器作用——空載電勢Eq恒定不考慮原動機調速器的作用——發電機的機械功率PT恒定無限大系統隱極機～GTL——小擾動下運行點變化的物理過程分析a點：小擾動后能自行恢復到原先的平衡狀態，靜態穩定運行點。b點：小擾動后，轉移到a點或失去同步，靜態不穩定運行點。周期衰減振蕩a點是靜態穩定運行點非周期失穩轉移到a點b點是靜態不穩定運行點小擾動后功角變化曲線靜態穩定儲備系數靜態穩定儲備系數正常運行方式的靜態穩定儲備要求事故后運行方式的靜態穩定儲備要求根據我國現行的《電力系統安全穩定導則》：穩定極限點對應的功率某一運行情況下的輸送功率簡單系統的靜態穩定判據a點穩定，處于功角特性的上升沿，該點的斜率大于0；b點不穩定，處于功角特性的下降沿，該點的斜率小于0。簡單系統的穩定判據：運行點處功角特性的斜率（導數）大于0，即：整步功率系數整步功率系數大小可以說明系統靜態穩定的程度。整步功率系數值越小，靜態穩定的程度越低。整步功率系數等于0，則是穩定與不穩定的分界點，即靜態穩定極限點。在簡單系統中靜態穩定極限點所對應的功角就是功角特性的最大功率所對應的功角。簡單系統中發電機為凸極式時的靜態穩定分析b點：靜態不穩定運行點a點：靜態穩定運行點穩定判據：(6-25)整步功率系數二、提高系統靜態穩定性的措施1、采用自動勵磁裝置發電機的無功功率與系統的電壓和電抗值有關系。而發電機裝設有自動勵磁裝置時，可以明顯減小發電機的阻抗值，必然使得它的無功功率靜態特性曲線變化的緩慢。2、減小系統電抗系統的電抗值直接影響的系統的功率變化，可以通過減小電抗值來提高系統的靜態穩定性?？梢圆扇∫幌麓胧篈、采用分裂導線B、采用“串聯電容補償”設備C、提高線路的額定電壓等級3、提高電力系統的運行電壓電力系統暫態穩定是指電力系統受到大干擾后，各同步發電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩態運行狀態的能力。暫態穩定研究的是電力系統在某一運行狀態下受到較大干擾時的穩定性問題。大干擾：短路故障，突然斷開線路、變壓器或發電機，大量負荷的切除或投入等。系統的暫態穩定性不僅與系統在擾動前的運行狀態有關，而且與擾動的類型、地點及持續時間均有關。第四節電力系統暫態穩定性1)起始階段：故障后約1s內考慮保護動作：切除故障線路、重合閘、切機

2)中間階段：起始階段后5s

3)后期：中間階段以后的時間大干擾后，不同的時間里電力系統各部分的反應不同，分3個不同階段來分析大擾動后的暫態穩定性：調速器、自動切負荷裝置動作暫態過程的幾個階段：暫態穩定分析的基本假設——采用正序穩態網絡計算功率特性

3）不計發電機定子繞組及電網中的電磁暫態過程。只計及發電機定子電流中的正序基頻交流分量產生的電磁功率。理由：a、定子及電網的電磁暫態過程很快，百分之幾秒。

b、非周期分量在轉子上產生的功率平均值接近于零，又由于轉子轉動慣量大，因此對轉子運動影響很小。

c、不計零序和負序電流的影響，只考慮基波正序分量。零序電流所產生的磁場對轉子運動沒有影響。負序電流在轉子上產生的功率平均值接近于零，因此對轉子運動影響很小。2）假設機組轉速接近同步轉速

1）略去發電機定子繞組電阻

——暫態穩定分析的簡化模型2)不計調速器的作用：1)發電機模型3)負荷為恒定阻抗進一步假定恒定。發電機的等值模型：安裝AER：正常運行狀態的系統結構與功率特性正常運行

(a)正常運行方式及其等值電路故障時的系統結構