华中科技大学-电气工程基础课件(熊银信)-第9章-现代电力系统的运行

HUST_CEEE第一节电力系统有功功率与频率的调整第二节电力系统无功功率与电压的调整第三节电力网运行的经济性第四节电力系统运行的稳定性第九章现代电力系统的运行HUST_CEEE第一节电力系统有功功率与频率的调整一、电力系统的有功功率平衡二、电力系统有功功率的分配三、电力系统的频率调整HUST_CEEE有功功率的平衡：11nnGiLiiiPPP2、有功功率电源和备用容量总装机容量：所有发电机的额定容量之和有功电源容量：系统中可投入发电设备的总容量之和备用容量：系统的电源容量大于发电负荷的部分为保证供电可靠性和电能质量、以及有功功率的经济分配，发电厂必须有足够的备用容量。一般要求备用容量达最大发电负荷的15%~30%1．有功功率负荷：负荷变动幅度小，周期又很短(如P1)，这种负荷的变动具有很大的偶然性；负荷变动幅度较大，周期也较长（如P2）工业中大电机、电炉、延压机、电气机车等用户的开停，它们具有一定的冲击性；负荷变动幅度最大，周期也最长，且变化较缓慢（如P3）人们生产、生活及气象条件的变化等引起的，这种负荷变化基本上可以预计。一、电力系统的有功功率平衡HUST_CEEE二、电力系统有功功率的分配1、有功电源的最优组合指系统中发电设备或发电厂的合理组合，包括机组的最优组合顺序，机组的最优组合数量和机组的最优开停时间。2、有功负荷在运行机组间的最优分配指系统的有功负荷在各运行的发电机组或发电厂间的合理分配。3、分配原则：充分合理利用水利资源，尽量避免弃水；最大限度地降低火电厂煤耗，并充分发挥高效机组的作用；降低火力发电的成本，执行国家的有关燃料政策，减少烧油，增加燃用劣质煤、当地煤。HUST_CEEE三、电力系统的频率调整1、频率调整的必要性频率是衡量电能质量的指标之一，频率质量下降的危害：异步电动机的转速与输出功率；各种电气设备均按额定频率设计；频率降低，无功损耗增加，无功平衡和电压调整变得困难。2、电力系统的频率特性电源有功功率的静态频率特性电源有功功率静态频率特性：发电机组的原动机机械功率与角速度或频率的关系无调速系统时：Pm=C1ω－C2ω2=C1f－C2f2有调速系统时：原动机的静态频特性成为一族曲线。此时发电机输出功率与频率关系的曲线近似地用直线表示，称为发电机组的功率一频率静态特性。HUST_CEEE电力系统负荷的静态频率特性负荷模型中，负荷与频率的关系可用多项式表示：nNLDNnNLDNNLDNLDNLDffPaffPaffPaPaP22103、电力系统的频率调整频率的一次调整调节过程△PLD=KL△f△PG=-KG△f△PLD0+KL△f=-KG△f△PLD0=-(KG+KL)△f=-KS△f定义KS=KG+KL为系统的单位调节功率KS=KG+KL=-△PLD0/△f系统中有n台机组，只有m台机组参与一次调整单位调节功率为：miLGiSKKK1HUST_CEEE频率的二次调整选定系统中的一个或几个电厂担负二次调频任务，担负二次调频任务的电厂称为调频厂。调频厂的条件：①具有足够的容量；②具有较快的调整速度；③调整范围内的经济性要好。火电厂受锅炉技术最小负荷的限制，可调容量仅为其额定容量的30%~75%水电厂的调整容量大于火电厂，水电厂的调整速度较快，且适宜承担急剧变动的负荷。一般应选择系统中容量较大的水电厂作为调频厂。若水电厂调节容量不足或无水电厂时，可选中温中压火电厂作为调频厂。HUST_CEEE第二节电力系统无功功率与电压的调整一、电力系统的无功功率平衡二、中枢点的电压管理三、电力系统的调压措施无功功率与电压的关系HUST_CEEE一、电力系统的无功平衡1.无功电源：包括发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器等。发电机：额定状态下发出的无功功率：QGN=SGNsinφN=PGNtgφN非额定功率因素有功与无功的关系：OA代表发电机额定电压；AC代表在发电机电抗Xd上引起的电压降，正比于定子额定电流，所以亦正比于发电机的额定视在功率SGN；AC在纵坐标和横坐标上的投影分别正比于发电机的额定有功功率PGN和额定无功功率QGN。C点表示发电机的额定运行点；OC发电机电势，它正比于发电机的额定激磁电流。发电机变功率因数运行的限制：转子电流不能超过额定值—BC定子电流不能超过额定值—ECD汽轮机出力的限制—HC故实际运行轨迹：HCBHUST_CEEE分析：当运行于HC，发电机发出的无功功率低于额定运行情况下的无功输出。运行于BC段时，在降低功率因数、减少有功输出的情况下，可多发无功功率。只有在额定电压、额定电流和额定功率因数(即C点)下运行时，发电机的视在功率才能达到额定值，其容量也利用得最充分。发电机无功输出与电压的关系：XUPXEUQXUXEUUIQIXUEXEUUIPXIE2222cossinsincossincoscossinHUST_CEEE同步调相机：相当于空载运行的同步电动机，在过励磁运行时，同步调相机向系统输送无功功率，欠励磁运行时，它从系统吸收无功功率，无功功率与电压静特性与发电机相似。调相机与电容器的比较：调相机：能平滑调节，具有正的调节效应，维护复杂，响应慢，损耗大电容器：成组地投入切除,具有负的调节效应，维护简单，响应快，损耗小电容器：无功功率与电压静特性关系：CCXUQ2静止无功补偿器：由晶闸管控制的可调电抗器与电容器并联组成，既可发出无功功率，又可吸收无功功率，且调节平滑，安全，经济，维护方便。HUST_CEEE无功负荷：电力系统的无功负荷与电压的静态特性主要由异步电动机决定。异步电动机的无功消耗：Qm—异步电动机的激磁功率，它与施加于异步电动机的电压平方成正比。Qσ—异步电动机漏抗Xσ中的无功损耗，它与负荷电流平方成正比。XIXUQQQmmM222.无功负荷和无功损耗HUST_CEEE无功损耗：网络中的无功损耗包括变压器和输电线路的损耗。变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当的比重：△Q0—变压器空载无功损耗，它与所施的电压平方成正比；△QT—变压器绕组漏抗中的无功损耗，与通过变压器的电流平方成正比。22200(%)(%)100100kTTTTNNIUSQQQUBIXSS输电线路无功损耗：QL＝△QX＋△QB当线路传输功率较大，电抗中消耗的无功功率大于电容中发出的无功功率时，线路等值为消耗无功；当传输功率较小、线路运行电压水平较高，电容中产生的无功功率大于电抗中消耗的无功功率时，线路等值为无功电源。HUST_CEEE无功平衡在电力系统运行的任何时刻，电源发出的无功功率总是等于同时刻系统负荷和网络的无功损耗之和：QGC(t)＝QLD(t)＋△Q∑(t)3.无功功率的平衡与运行电压水平无功功率与运行电压水平为保证系统电压质量，在进行规划设计和运行时，需制订无功功率的供需平衡关系，并保证系统有一定的备用容量。无功备用容量一般为无功负荷的7%~8%无功功率的就地平衡无功电源不足时，应增设无功补偿装置。无功补偿装置应尽可能装在负荷中心，以做到无功功率的就地平衡，减少无功功率在网络中传输而引起的网络功率损耗和电压损耗HUST_CEEE二、中枢点的电压管理中枢点指反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电站的母线，系统中大部分负荷由这些节点供电。根据负荷对电压的要求及电压损耗的实际情况，确定中枢点的电压允许调整范围（负荷点电压UA和UB的允许变化范围均为(0.95~1.05)UN）。满足负荷节点A的调压要求：0～8时：U(A)=UA+△UA=(0.95~1.05)UN+0.04UN=(0.99~1.09)UN8～24时：U(A)=UA+△UA=(0.95~1.05)UN+0.1UN=(1.05~1.15)UN满足负荷节点B的调压要求0～16时：U(B)=UB+△UB=(0.96~1.06)UN16～24时：U(B)=UB+△UB=(0.98~1.08)UN综合考虑，中枢点O的调压要求：0～8时：UO=(0.99～1.06)UN8～16时：UO=(1.05～1.06)UN16～24时：UO=(1.05～1.08)UNHUST_CEEE调压方式逆调压：大负荷时，电压损耗大，将中枢点的电压适当升高些(比线路额定电压高5%)，小负荷时将中枢点电压适当降低(取线路的额定电压)。适合于供电线路较长，负荷变动较大的中枢点。顺调压：在大负荷时允许中枢点电压不低于线路额定电压的102.5%，小负荷时不高于线路额定电压107.5%。适合于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点。常调压：即在任何负荷下都保持中枢点电压为线路额定电压的102%~105%HUST_CEEE三、电力系统的调压措施2121//)(KUQXPRKUKUKUUGGb调压的原理发电机通过升压变压器、线路和降压变压器向用户供电，要求调整负荷节点b的电压Ub。略去线路的电容充电功率和变压器的激磁功率，忽略串联支路的功率损耗，变压器的参数均已归算到高压侧。b点的电压：调压的措施改变发电机端电压UG改变变压器变比K增设无功补偿装置改变输电线路的参数调压措施1：发电机调压在负荷增大时，损耗增加，用户端电压降低，这时增加发电机励磁电流，提高发电机的端电压；在负荷减小时，损耗减少，用户端电压升高，这时减少发电机励磁电流，降低发电机的端电压。发电机运行电压的变化范围在发电机额定电压的+5%以内。HUST_CEEE调压措施2：改变变压器变比调压归算到高压侧的变压器电压损耗：若低压侧要求的电压为U2，则：式中，变压器变比KT=U1t/U2N确定分接头电压：1UQXPRUTTTTTKUUU12NTtUUUUU2211按两种极端情况(变压器通过最大负荷和最小负荷的情况)下的调压要求计算。通过Smax时要求的分接头电压：U1tmax=(U1max－△Umax)U2N/U2max通过Smin时要求的分接头电压：U1tmin=(U1min－△Umin)U2N/U2min考虑到在最大和最小负荷时变压器要用同一分接头，故取U1max和U1tmin的算术平均值：再根据U1tav值选择一个与它最接近的变压器标准分接头电压校验所选的分接头在最大负荷和最小负荷时变压器低压母线上的实际电压是否符合调压要求。)(21min1max11tttavUUUU1P＋jQU2RT＋jXTHUST_CEEE例9-1：其降压变电所有一台变比KT=(110+2×2.5%)/11的变压器，归算到高压侧的变压器阻抗为ZT=(2.44+j40)Ω，最大负荷时进入变压器的功率为Smax=(28+j14)MVA，最小负荷时为Smin=(10+j6)MVA。最大负荷时，高压侧母线电压为113kV，最小负荷时为115kV，低压侧母线电压允许变化范围为10~11kV，试选择变压器分接头。kVkVUXQRPUkVkVUXQRPUTTTT3.211540644.21056.5113401444.228min1minminminmax1maxmaxmaxkVkVUUUUUkVkVUUUUUNtNt7.11211113.21152.11811106.51132min2minmin1min12max2maxmax1max1解：1.最大负荷及最小负荷时变压器的电压损耗为：2.按最大和最小负荷情况选变压器的分接头电压：5.按所选分接头校验低压母线的实际电压：kVkVkVUkVkVkVU1173.10115.1153.21151023.10115.1156.5113min2max2未超出允许电压范围10~11kV，所选分接头能满足调压要求。升压变压器的分接头选择：与上述降压变压器的选择方法基本