1、電力系統分析第第5章章 電力系統功率平衡與控制電力系統功率平衡與控制 電力系統運行的基本任務是將電能在電力系統運行的基本任務是將電能在電壓、頻率合格的前提下安全、可靠、電壓、頻率合格的前提下安全、可靠、經濟地分配給各用電設備。經濟地分配給各用電設備。 本章討論對穩態運行的電力系統如何本章討論對穩態運行的電力系統如何進行優化和調整以保證電能質量。進行優化和調整以保證電能質量。 5.1 電力系統中有功功率平衡電力系統中有功功率平衡與頻率變化與頻率變化 電力系統理論上應時刻保持有功功率的平衡，即每一時刻發電機發的有功功率之和應等于電力系統消耗的有功功率之和。 電力系統PPGLGPPPP電力網廠用電或

2、5.1 電力系統中有功功率平衡電力系統中有功功率平衡與頻率變化與頻率變化 實際上電力系統負荷消耗的有功功率在不斷變化，當電力系統發出的有功功率之和大于電力系統消耗的有功功率之和時，電力系統的頻率會上升，反之，電力系統的頻率會下降。 電力系統頻率不穩定的影響電力系統頻率不穩定的影響 電力系統的頻率變化對用電設備、發電機組以及電力系統的運行狀況都有很大的影響 ： 1）對用戶的影響 2）對發電廠的影響 3）對電力系統的影響 我國規定允許的頻率范圍為 500.2Hz 5.2有功功率的電源與負荷有功功率的電源與負荷 5.2.1.有功功率負荷及其變化實際負荷第三種負荷第二種負荷第一種負荷5.2.2.有功功

3、率電源的備用 電力系統中的產生有功功率的唯一電源是發電廠（未來其他清潔電源并網后也可以看成是發出有功功率的電源）。 電力系統的總發電容量必須大于其最大負荷時需消耗的容量，這多出來的部分就是備用容量。 5.2.2.有功功率電源的備用系統的備用容量一般可分為1. 負荷備用，2. 事故備用，3. 檢修備用，4. 國民經濟備用。 5.2.2.有功功率電源的備用 備用容量按其存在的形式又可以分為熱備用和冷備用 熱備用是指運轉中的發電設備可能發的最大功率與系統發電負荷之差，也叫運轉備用或旋轉備用。 冷備用是指未運轉的發電設備可能發的最大功率，它不包括檢修中的發電設備。它作為檢修備用、國民經濟備用和部分事故

4、備用。 5.2.3.各類發電廠的合理組合 1）火力發電廠在運行中需要消耗燃料，并受運輸條件限制，但火力發電不受自然條件的影響 。 2）水力發電的首要原則是要充分利用水資源，盡量避免棄水 。 3）核電廠一次投資大，運行成本低，但啟停成本很高。 5.2.3.各類發電廠的合理組合抽水蓄能電廠抽水蓄能電廠發出功率發出功率抽水蓄能電廠抽水蓄能電廠吸收功率吸收功率(a)枯水季節枯水季節 (b)豐水季節豐水季節 5.3 電力系統的有功功率平衡電力系統的有功功率平衡 1. 負荷有功功率負荷有功功率-頻率靜態特性頻率靜態特性 實驗測得當電力系統頻率略有下降時，同一負荷實際吸收的有功功率下降 ：fKPLLKL-負

5、荷的單位調節功率 LnnLnLnL*LPfKf/f/PPK5.3 電力系統的有功功率平衡電力系統的有功功率平衡 2. 發電機的有功功率發電機的有功功率-頻率靜態特性頻率靜態特性 發電機組有功功率-頻率靜態特性曲線 f-KPGG斜率KG稱為發電機組的單位調節功率，又稱發電機組的有功功率-頻率靜態系數， GnnGnGnG*GPfKf/f/PP-K2. 發電機的有功功率-頻率靜態特性 也有把KG的倒數定義為發電機組的靜態調差系數： 汽輪發電機組：KG*=16.725， =0.060.04 水輪發電機組：KG*=50250。 =0.040.02GPf-nGnGnGn*fP/PPf/f-*3. 電力系統

6、的有功功率電力系統的有功功率-頻率靜態特性頻率靜態特性 其中KS=KG+KL，稱為系統的單位調節功率或系統的有功功率-頻率靜態特性系數。式中負號表示頻率減小時系統發出的有功功率增加。 對一個具體系統，負荷的KL并不可調，因此KS主要由KG決定。 KS主要由KG決定。 f-KfK-f-KP-PPSLGLGS5.3.2 電力系統的頻率調整 1.電力系統頻率的一次調整電力系統頻率的一次調整 前面討論的由發電機組調速系統隨電力系統頻率變化而自動控制發電機進行輸出有功功率的調整，通常稱為電力系統頻率的一次調整。 對多發電機組和多負荷組成的電力系統， KS=KL+KG1+ KG2+KG3+ 例例5-1 設

7、電力系統中各發電機組的容量和它們的單位調節功率標幺值為： 水輪機組：100MW/臺5臺， KG*=25 汽輪機組：300MW/臺2臺，KG*=16 負荷的單位調節功率KL*=1.5，系統總負荷為1000MW，試計算：1）全部機組都參加調頻時2)汽輪機組已滿載，僅水輪機組參加調頻時的電力系統的單位調節功率和頻率下降0.2Hz系統能夠承擔的負荷增量。例例5-1 解：1) 全部機組都參加調頻時 水輪機組: 汽輪機組: 負荷： 電力系統: 25050100255fPK5KnGnG*G19250300162fPK2KnGnG*G305010001.5fPKKnLn*LL21.52300510050472

8、Pf30192250PfKKSnnSnnS*S（MW/Hz） （MW/Hz） （MW） 94.4(-0.2)-(472)f-KPSS （MW）例例5-1 解：2）僅水輪機組參加調頻時 電力系統: 頻率的一次調整的作用是有限的，它只能適應變化幅度小，變化周期較短的變化負荷，且一般情況下，一次調整不能維持頻率不變。 （MW） （MW）12.72300510050280Pf30250KSnn*S56(-0.2)-(280)f-KPSS2.電力系統頻率的二次調整電力系統頻率的二次調整 二次調頻是人為設定，根據電網頻率高低來調整機組負荷，是指當電力系統負荷或發電出力發生較大變化時，一次調頻不能使頻率恢復

9、到規定范圍時采用的調頻方式。 二次調頻由發電機組的調頻控制器（同步器）來實現， 2.電力系統頻率的二次調整電力系統頻率的二次調整 在發電機組的有功功率-頻率靜態特性曲線上頻率的二次調整體現為曲線的平移。 二次調頻只是增加了發電機組的出力 3. 互聯電力系統頻率的調整互聯電力系統頻率的調整 把整個電力系統看作是由若干個子系統通過聯絡輸電線路連接而成的互聯系統，在頻率調整時，為了減少線路傳輸損耗，提高電力系統運行的經濟性，還要注意聯絡線路交換功率的控制問題。 3. 互聯電力系統頻率的調整互聯電力系統頻率的調整 對B系統PAB是一個電源，功率平衡方程： f-KP-PPAGAABLA 對A系統PAB是

10、一個負荷，功率平衡方程： f-KP-P-PBGBABLBBAGBGALBLAKKP-P-PP-ffK-P-PPALAGAAB書上這里印錯，是加號例例5-2 如圖5-7所示的兩個子電力系統通過聯絡線互聯，正常運行時PAB=0，各子系統的額定容量和以額定容量為基準的一次調頻單位調節功率標幺值如下： A系統：額定容量1500MW，KGA*=20，KLA*=1.5 B系統：額定容量2000MW，KGB*=16，KLB*=1.5例例5-2 設A子系統的負荷增加了100MW，試計算下列情況下頻率變化量和聯絡線上傳輸的有功功率。 1）A、B兩子系統都只有一次調頻。 2）A子系統都增發60MW（二次調頻），且

11、A、B都有一次調頻。 3）B子系統增發100MW（二次調頻），且A、B都有一次調頻。例例5-2解解 1）A、B兩子系統都只有一次調頻。PGA=0，PGB=0，PLB=0，PLA=100MW。 -0.074700645100-KKP-P-PP-fBAGBGALBLA-52700645100700-KKP-PK-P-PKPBAGALABGBLBAAB (Hz) (MW)負號表示有功功率的實際傳輸方向與假設方向相反，是從B流向A。 -20.8270064560-100700-KKP-PK-P-PKPBAGALABGBLBAAB例例5-2解解 2）A子系統增發（二次調頻）60MW，且A、B都有一次調頻

12、。 PGA=60MW，PGB=0，PLB=0，PLA=100MW。 (Hz) (MW)這種情況比較理想，頻率偏移較小且線路傳輸功率較小從而損耗也較小。 0.0370064560-100KKP-P-PP-fBAGBGALBLA100700645100700-100-645KKP-PK-P-PKPBAGALABGBLBAAB例例5-2解解 3）B子系統增發100MW（二次調頻），且A、B都有一次調頻PGB=100MW， PGA=0， PLB=0，PLA=100MW。 (Hz) (MW)這時通過聯絡線傳輸的功率很大，會增加線路損耗，雖可維持頻率不變，但不是最佳方案。 0KKP-P-PP-fBAGBG

13、ALBLA5.4 電力系統中無功功率的平衡 電力系統各節點的電壓值是不相等的，是在其額定值附近波動，根據我國對電能質量的要求，電力系統各節點的電壓偏移必須控制在（15%）Un的范圍內，如果電壓偏移過大，會對用電設備和電力系統都造成不利的影響。 5.4.1 無功功率負荷和無功功率損耗無功功率負荷和無功功率損耗 1.無功功率負荷無功功率負荷 QL0_感性負荷，如異步電動機等。感性負荷，如異步電動機等。 2.變壓器的無功功率損耗變壓器的無功功率損耗 3. 電力線路的無功功率電力線路的無功功率2nn2knoT2T2LTUUSS100%US100%IXUSBUQ）（）（此式書上有錯2221XBXUU2B

14、-QQQQ電力線路是作為無功功率負荷還是無功功率電源要視具體情況而定 。5.4.2 無功功率電源無功功率電源 與有功功率只能由發電機供給不同，產生無功功率的電源卻有多種，除了發電機，還有同期調相機、電容器、靜止補償器等多種無功補償裝置。 5.4.2 無功功率電源無功功率電源 1.發電機發電機 發電機在正常運行時，其定子電流和發電機在正常運行時，其定子電流和轉子電流都不能超過額定值，在額定轉子電流都不能超過額定值，在額定運行狀態下，發電機發出的無功功率運行狀態下，發電機發出的無功功率為：為：tanPsinSQGnGnGn5.4.2 無功功率電源無功功率電源 2.同期調相機同期調相機 旋轉機械，運

15、行維護比較復雜，并需要消耗有功功率。一般適用于大容量集中使用。20世紀70年代以來同期調相機已逐步被靜止補償器取代。 5.4.2 無功功率電源無功功率電源 3.并聯電容器并聯電容器 并聯電容器可按三角形或星形接法連接到變電所母線上，只能發出無功功率。 5.4.2 無功功率電源無功功率電源 4.靜止（無功）靜止（無功）補償器補償器 靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）是一種沒有旋轉部件，快速、平滑可控的動態無功功率補償裝置。 5.4.2 無功功率電源無功功率電源 5.靜止同步無功補償器靜止同步無功補償器 靜止同步無功補償器又稱靜止無功發生器（static Var

16、 Generator，SVG），是目前技術最為先進的無功補償裝置。 與靜止無功補償器相比，其主要優點是響應速度更快，運行范圍更寬，諧波電流含量更少，尤其是所在處電壓較低時仍可向系統注入較大的無功功率，它的儲能元件的容量遠小于它所能提供的無功容量。 5.4.3 無功功率與電壓的關系無功功率與電壓的關系 電力系統在穩態運行時必須保持無功功率的平衡，即電力系統發出的無功功率之和必須等于無功功率負荷和電力網中無功功率損耗之和。 1.電力系統供給的無功功率不足會導致節點電壓下降 2.負荷節點電壓偏低使電力線路、變壓器的無功功率損耗增加 3.節點電壓大小對無功功率分布起決定性的作用 5.4.3 無功功率與

17、電壓的關系無功功率與電壓的關系 電力系統無功功率平衡的基本要求是： 1.無功功率電源容量必須大于無功功率負荷的容量，即除了無功功率時刻保持平衡外，系統還留有一定的無功功率備用容量。5.4.3 無功功率與電壓的關系無功功率與電壓的關系 2.無功功率就地補償 我國規定：以35kV及以上電壓等級直接供電的工業負荷，功率因數要達到0.90以上，對其他負荷，功率因數不能低于0.85。 3.電力系統在無功負荷較小的運行階段，可能會無功功率過剩的現象，導致電壓過高，所以在采取無功補償措施時要適當考慮選用能雙向補償的無功補償設備。 5.5 電力系統的電壓控制電力系統的電壓控制 5.5.1中樞點的電壓管理中樞點

18、的電壓管理 選擇一些具有代表性的節點對電力系統的電壓加以監控，這些節點被稱為電壓監控中樞點，簡稱電壓中樞點。電壓中樞點一般選擇： 區域性發電廠的高壓母線， 有大量地方性負荷的發電廠母線， 樞紐變電所的二次母線 城市直降變電所的二次母線。 5.5.1中樞點的電壓管理中樞點的電壓管理 中樞點的調壓方式 1）逆調壓方式 在負荷高峰時升高中樞點電壓，負荷低谷時降低中樞點電壓的調壓方式稱為逆調壓。 2）順調壓方式 在負荷高峰時允許中樞點電壓低一些，在負荷低谷時允許中樞點電壓高一些。 3）常調壓（恒調壓）方式 無論是負荷高峰或負荷低谷，中樞點電壓基本保持不變 5.5.2 電壓調整的基本原理電壓調整的基本原

19、理 2G11G21Gb/kUkQXPR-kU/kU-kUU若要調整用戶端的電壓Ub可以采取以下措施：1）調節勵磁電流以改變發電機端電壓UG；2）適當選擇變壓器的變比（k1和k2）；3）改變線路的參數X；4）改變無功功率Q的分布5.5.3 電壓調整措施電壓調整措施 1. 改變發電機端電壓改變發電機端電壓UG調壓調壓 由孤立發電廠不經升壓直接供電的小型電力網，這是最經濟合理的調壓方式。 在大型電力系統中發電機調壓只能作為一種輔助性的調壓措施。 5.5.3 電壓調整措施電壓調整措施 2.改變變壓器的變比調壓改變變壓器的變比調壓 1）降壓變壓器分接頭的選擇 2N2maxTmax1max1tmaxUUU

20、-UU2N2minTmin1min1tminUUU-UU負荷高峰時 負荷低谷時 取它們的算術平均值 /2UUU1min1max1av根據U1av選擇一個最接近的分接頭，然后還要作校驗。 例例5-3 解：5.711040142.4428UXQRPU1maxTmaxTmaxTmax2.341134062.4410UXQRPU1minTminTminTmin（kV）（kV）109.46.06.35.7-100UUU-UU2N2maxTmax1max1tmax105.66.66.32.34-100UUU-UU2N2minTmin1min1tmin（kV）（kV）107.5/2105.6109.4U1t

21、av選分接頭：U1t=107.25 (kV) 例例5-3 校驗，改變變壓器變比后，變壓器的低壓母線的實際電壓值 負荷高峰時 負荷低谷時 6.136.3107.255.7-113/kU-UUT1max26.56.3107.252.34-113/kU-UUT1min2（kV） 6.0（kV） （kV）6.6（kV） 可見所選的分接頭（-2.5%）符合調壓要求。 5.5.3 電壓調整措施電壓調整措施 2.改變變壓器的變比調壓改變變壓器的變比調壓 2）升壓變壓器分接頭的選擇 2N2maxTmax1max1tmaxUUUUU2N2minTmin1min1tminUUUUU負荷高峰時 負荷低谷時 取它們的

22、算術平均值 /2UUU1min1max1av根據U1av選擇一個最接近的分接頭，然后還要作校驗。 例例5-4 解：（kV）（kV）（kV）（kV）選主分接頭：U1t=121(kV) 5.371204014328UXQRPU1maxTmaxTmaxTmax3.771144010310UXQRPU1minTminTminTmin119.671110.55.37120UUUUU2N2maxTmax1max1tmax122.161010.52.34114UUUUU2N2minTmin1min1tmin120.91/2122.16119.6U1tav（kV）例例5-4 校驗，改變變壓器變比后，變壓器的低

23、壓母線的實際電壓值 負荷高峰時 負荷低谷時 可見所選的主分接頭符合調壓要求。 88.1010.51215.37120/kUUUT1max210.0910.51212.34114/kUUUT1min2（kV）10（kV）2、改變變壓器的變比調壓 三繞組變壓器的分接頭選擇公式與雙繞組降壓變壓器相同，因為三繞組變壓器的高、中壓繞組都有分接頭，需要對高壓和中壓繞組的分接頭經過兩次計算來逐個選擇，至于先選擇哪一側的分接頭，要根據功率的流向來決定，例如三繞組降壓變壓器（功率從高壓側流向低、中壓側）要先按低壓母線的調壓要求選擇高壓側的分接頭（把高低壓繞組相當于一個雙繞組變壓器），然后按中壓母線的調壓要求選擇

24、中壓側的分接頭（此時把高中壓繞組相當于一個雙繞組變壓器）。 3.改變無功功率改變無功功率分布調壓分布調壓 當電力系統無功功率不足時，就不能單靠改變變壓器的變比來進行調壓，必須在適當的地點進行無功功率補償。 沒并聯電容 221UQXPRUU并聯C后 2CC2C1UXQ-QPRUU如果要補償前后供電點的電壓U1保持不變 22C22C2CCUQXPR-UQXPRU-UXUQ討論討論 在確定補償容量QC之前，要先選擇適當的變壓器的分接頭，選擇原則是： 在滿足調壓要求條件下，使無功功率補償容量最小。 3.改變無功功率分布調壓改變無功功率分布調壓 （1）選用并聯電容器 在最大負荷時全部接入，最小負荷時全部

25、切除 11minmin112minUXQRP-UU最大負荷時2N2min2mintUUUU確定變壓器的變比k=Ut / U2N 變壓器高壓端最小負荷時11max1max12maxUXQRP-UU若要求補償后使變壓器低壓側的電壓提高到2CmaxU，需補償的容量為 2max2Cmax2CmaxCU-kUXkUQ需補償的QC3.改變無功功率分布調壓改變無功功率分布調壓（2）若補償設備為同期調相機（或靜止補償器） 其特點是在最大負荷時能發出無功功率，在最小負荷時能吸收無功率，進行雙向補償。 3.改變無功功率分布調壓改變無功功率分布調壓最大負荷時2max2Cmax2CmaxCU-kUXkUQ最小負荷時2min2Cmin2CminCU-kUXkUQ-吸收的無功功率解得變壓器的變比 22Cmin22Cmax2min2Cmin2max2CmaxUUUUUUk選擇最接近的分接頭，確定實際變比kt 并代入，求出需補償的無功功率設備的容量QC。 例例5-5 簡單電力系統及