电力网络的稳态分析.ppt

第6章电力网络的稳态分析,6.1输电线路的参数计算与等值电路6.2变压器的参数计算与等值电路6.3电力网络元件的电压和功率分布计算6.4电力网络的无功功率和电压调整6.5潮流计算6.6直流输电简介,6.1输电线路的参数计算与等值电路,一、电阻R,二、电抗X,四、电纳B,五、架空输电线路的等值电路,三、电导G,电阻：反映线路通过电流时产生的有功功率损耗；,电抗（电感）：反映载流导体周围产生的磁场效应；,电导：反映线路带电时绝缘介质中的泄漏电流及导线附近空气游离的电晕现象而产生的有功功率损耗；,电纳（电容）：反映载流导线周围产生的电场效应。,一、电阻,单位长度直流电阻的计算公式,实际交流导线电阻比直流电阻略大的原因：交流效应、实际长度、截面积。,考虑温度之后的电阻计算公式,集肤效应、邻近效应,电阻的温度系数,单位电阻率,二、电抗,三相对称排列或虽不对称排列但经完全换位后，每相导线的单位长度的电抗为,三相导线间的几何均距,计算半径,导体的相对磁导率（对于铝绞线等金属为1）,单相导线的电抗值一般都在0.4欧姆/千米左右。,对于超高压输电线路，为减少线路电抗、降低导线表面电场强度以达到减少电晕损耗和抑制电晕干扰的目的，往往采用分裂导线。,分裂导线的等值半径,三相导体排列不对称时，要进行换位，以使三相电抗参数对称。,架空输电线路的电导是用来反映泄漏电流和空气游离所引起的有功功率损耗的参数。一般线路绝缘良好，泄漏电流很小，可忽略不计，所以主要只考虑电晕现象引起的功率损耗。所谓电晕，就是架空线路在带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导体附近的空气游离而产生的局部放电现象。这种放电现象与导线表面的光滑程度、导线周围的空气密度及气象状况都有关。电晕不但要消耗电能和产生臭氧，而且所产生的脉冲电磁波对无线电和高频通信产生干扰。因此，应尽量避免。,三、电导,电晕的产生主要取决于线路电压，线路开始出现电晕时的电压称为临界电压，计算公式为：,当运行电压超过临界电压而产生电晕现象时，与电晕相对应的每相等值电导为,导线表明的光滑系数,气象状况系数,计算半径,空气相对密度,三相导线间的几何均距,注意：当架空线路的导线水平排列时，各相导线的电晕临界电压不完全相同。,线路的电纳是由导线与导线之间，导线与大地之间的电容所决定的。电容的大小与相间距离、导线截面、杆塔结构尺寸等因素有关。三相输电线对称排列，或虽不对称但经完全换位后，每相导线单位长度的等值电容为：,四、电纳,与线路电抗的计算相似，架空线路的电纳值对不同的导线半径和几何均距的变化也不敏感，单位长度的一相等值电纳值一般在2.810-6S/km左右。线路的电纳值也可根据导线型号及线间几何均距由附录II附表II-2查得。采用分裂导线时的一相等值电纳的计算，只需将导线的半径r用分裂导线的等值半径rD代替，即：,显然，分裂导线的采用，将增大线路的电纳值。当每相分裂根数分别为2、3、4根时，每公里电纳值约分别为3.410-6,3.810-6和4.110-6S。,输电线路的参数实际上是沿线路均匀分布的，可用链形电路表示。图中，r0、x0、g0、b0为穷小段线路的阻抗和导纳。,五、输电线的正序等值电路,分布参数：等值电路计算很不方便；当架空线路长度在300km以下时，可用集中参数表示的等值电路来近似代替分布参数等值电路。,短距离线路的简化等值电路,当架空线路长度不超过100km，电压等级在35kV及以下时，由于电压低、线路短，线路电纳亦可不计，等值电路可进一步简化。,当架空线路长度超过300km时，可将线路分段，使每段线路长度不超过300km，从而可用若干个型等值电路来表示输电线路。,例6-1：有一条长100km，额定电压为110kV的输电线路，采用LGJ-185型钢芯铝绞线，导线水平排列，线间距离为4m，导线表面系数m1=0.85，气象状况系数m2=1，空气相对密度=1。求线路参数。,查表得LGJ-185型导线的计算直径为19.02mm，则,解：,电晕临界电压：,所以g00Rr0l0.1710017Xx0l0.40910040.9Bb0l2.7810-61002.7810-4S,6.2变压器的参数计算与等值电路,一、双绕组变压器,二、三绕组变压器,三、自耦变压器,四、分裂绕组变压器,在电力系统中，变压器等值电路都用星形接法表示，且由于三相对称而只用一相表示。在电机学中，双绕组变压器通常用T型等值电路。当原副方参数用同一电压级的值表示时，代表变压器两侧绕组空载线电压之比的变压器变比可以不出现。为了减少网络节点数，将激磁支路移至T型等值电路的电源侧。这种电路称为型等值电路。当变压器实际运行电压与变压器额定电压接近时，变压器等值电路中的激磁支路也可用其对应的功率损耗表示。,一、双绕组变压器,这种等值电路在电力系统应用比较广泛,(a)T型电路(b)型电路(c)激磁支路用功率表示的电路,变压器的常用参数：电阻RT、电抗XT、电导GT、电纳BT、变比KT,制造厂家给出变压器电气特性的四个参数：短路损耗、短路电压百分值、空载损耗和空载电流百分值。,短路试验,空载试验,变压器作短路试验时，由于外加电压较小，相应激磁支路的损耗(铁损)很小。可以认为这时的短路损耗即等于变压器通过额定电流时原、副方绕组电阻中的总损耗(铜损)，即,式中，IN变压器的额定电流(A)；UN变压器与IN对应侧绕组的额定电压(kV)；SN变压器的额定容量(kVA)；RT变压器与UN对应侧的每相电阻()。变压器的电阻,1电阻RT,对于大型电力变压器，其绕组电阻值远小于绕组电抗值，故可近似认为XTZT，所以：,变压器短路电压百分值就是指变压器作短路试验通过额定电流时，在变压器阻抗上的电压降与变压器额定电压之比乘以100值，习惯上用符号Uk(%)表示，即：,2电抗XT,3电导GT,变压器的电导用以表示铁心的有功损耗。由于空载电流比额定电流小得多，这样，在做空载试验时，绕组电阻中的损耗也很小，所以可近似认为变压器的空载损耗就是变压器的激磁损耗(铁损)，即P0PFC，于是式中，P0变压器空载损耗(kW)。,变压器的电纳代表变压器的激磁无功功率。变压器空载电流虽包含有功分量和无功分量，但其有功分量通常很小，无功分量Ib和空载电流I0在数值上几乎相等，因此有：厂家给定的变压器空载电流百分值是指空载电流与额定电流之比乘以100的值，习惯上，用符号I0(%)表示，即：,4电纳BT,由两式得,5变比KT,在电力网计算中，变压器的变化KT定义为变压器两侧绕组的空载线电压之比，它与电机学中讨论的变压器的原、副方绕组匝数比是有区别的。对于Y,y及D,d接法的变压器，KT=U1N/U2N=W1/W2，即变比与原、副方绕组的匝数比相等。对于Y,d接法的变压器，原、副方绕组的匝数比只能反映变压器的相电压之比，有KT=U1N/U2N=W1/W2,二、三绕组变压器,三绕相变压器的等值电路也用一相表示。将同相的三个绕组的阻抗归算到一个基准电压下接成星形，激磁导纳仍接在电源侧，如图所示。,三绕组变压器的激磁导纳的计算方法与双绕组变压器的相同，根据变压器空载试验数据进行计算。下面主要讨论三绕组变压器各绕组电阻、电抗的计算方法。,三绕组变压器的三个绕组在星形等值电路中是各自独立的。因此，首先要求出各绕组的短路损耗。因为Pk(1-2)=Pk1+Pk2;Pk(2-3)=Pk2+Pk3;Pk(1-3)=Pk1+Pk3。上述三式联立，可解得：,1电阻,求出各绕组的短路损耗后，即可按双绕组变压器计算电阻的同样方法计算三绕组变压器各绕组的电阻：,实际运行中，变压器的三个绕组不可能同时都满载运行。因此，为了减小体积、节省材料，根据电力系统运行的实际需要，三个绕组额定容量可以制造为不相等。,短路试验时，受变压器较小容量绕组额定电流的限制，短路损耗是通过较小容量绕组额定电流(非变压器额定电流)时所产生的损耗。因此，在应用公式计算时，必须把按绕组容量测得的短路损耗值折算成按变压器额定容量的损耗值。,例如，若制造厂提供的试验数据为、，变压器容量比为100/100/50，则：,式中，SN变压器的额定容量；S3N变压器第三绕组(这里指低压绕组)的额定容量。,三绕组变压器绕组电抗的计算与电阻的计算方法相似，首先根据三次短路试验所测得的两两绕组间的短路电压百分值Uk(1-2)(%)、Uk(1-3)(%)、Uk(2-3)(%)，分别求出各绕组的短路电压百分值：,2电抗,再计算归算到同一电压侧的各绕组电抗值：,注意：对于普通三绕组变压器，不论变压器各绕组容量比如何，手册和制造厂提供的短路电压值都是已折算为变压器额定容量下的值。因此，电抗计算不存在容量比不同的折算问题。,降压变多半是从高压侧向中压、低压侧传递功率，把中压绕组安排在高、低压绕组中间，低压绕组靠近铁心，称为降压结构（从绕组绝缘考虑不宜将高压绕组放在中低压绕组中间）。,3、绕组排列方式,升压变多半是从低压侧向中高压侧传递功率，把低压绕组安排在高、中压绕组中间，中压绕组靠近铁心，称为升压结构。使高压、中压绕组间的漏磁通道较长，阻抗电压大。,例6-2：有一台SFSL1-8000/110型三相三绕组变压器，其铭牌数据为：容量比100/50/100,电压比110kV/38.5kV/11kV，P0=14.2kW，I0(%)=1.26，Uk(1-2)(%)=14.2，Uk(1-3)(%)=17.5，Uk(2-3)(%)=10.5，试计算以变压器高压侧电压为基准的变压器参数值。,各绕组的电阻：由于各绕组容量比不同，先将短路损耗折算至额定容量下的值：,解:变压器的导纳：,各绕组的电抗：,在中性点直接接地的高压和超高压电力系统中，自耦变压器得到广泛应用。自耦变压器的原、副方共用一个线圈，原方和副方之间不仅存在磁的耦合，而且有电气上的联系。,三、自耦变压器,在计算三绕组自耦变压器电抗时，也要先对短路电压值进行折算。与短路损耗折算不同的是，短路电压按容量比，而不是按容量比的平方折算，即：,式中，SN变压器额定容量(kVA)；S3N容量较小的第三绕组的额定容量(kVA)。自耦变压器的等值电路及其导纳和阻抗的计算与普通变压器相同。,分裂变压器，能在正常工作和低压侧短路时，使变压器呈现不同的电抗值，从而起到限制短路电流的作用，故广泛应用于大型电厂作为联系两台发电机组的主变压器，或用作启动变压器和高压厂用变压器。,四、分裂绕组变压器,设X1为高压绕组电抗，X2、X2分别为高压绕组开路时，两个低压分裂绕组的电抗，X12为高低压绕组正常工作时的等值电抗。分裂绕组变压器的等值电路如下图所示。,即低压分裂绕组正常运行时的电抗值，只相当于两分裂绕组短路电抗的1/4，当一个分裂绕组出线发生短路时，来自另一低压分裂绕组的短路电流将遇到X22(即2X2)的限制，此电抗值较大，能达到限制短路电流的作用。,正常运行时X12X1X2/2高压侧开路，低压侧一台发电机出口处短路时X222X2因此,6.3电力网络元件的电压和功率分布计算,一、输电线路的电压和功率分布计算,二、变压器的电压和功率分布计算,电力静态潮流：电力系统的运行状态是稳态的，即在一个时间断面上，计算过程中所有状态变量是不随时间而变化的常量。,电压和功率分布计算,电力系统的潮流计算：计算电力系统在各种运行方式下各节点的电压和通过网络各元件的功率。,静态潮流、动态潮流,各节点的有功负荷、无功负荷，发电机发出的有功功率及发电机节点电压有效值。,电力系统潮流计算的基础是电路计算，但不同的是：在电路计算中，给定的量是电压和电流，而潮流计算中，给定的量是电压和功率，而不是电流。,在电力系统规划、设计中用于选择系统接线方式，选择电气设备及导线截面；,在电力系统运行中，用于确定运行方式，制定电力系统经济运行计划，确定调压措施，研究电力系统的稳定性；,提供继电保护、自动装置的设计与整定要求的数据。,一、输电线路的电压和功率分布计算,除特殊说明外，通常采用三相功率、线电压、线电流和单相等值电路进行电力系统的分析和计算。,1、给定同一节点运行参数,首端电压怎么求？,首端电压怎么求？,假定,电压降落的横分量,电压降落的纵分量,首端电压怎么求？,假定,电压降落的横分量,电压降落的纵分量,线路,电容,输电线路：采用型等值电路，两端具有等值电纳。,若以电压相量U1作参考轴（求U2）,有效值：,V1、V2间的相位角,注意：,功率是电流和电压的综合量，计算某点功率时，要取同一点电压。,2、给定不同节点运行参数,前面介绍的是已知一端的参数，求线路或变压器另一端的参数。但是在实际电力系统中，许多情况是已知线路（或变压器）首端电压和末端输出的功率，要求确定首端输入的功率和末端的电压。,采用前后迭代算法进行计算。,反复迭代循环计算直到误差满足要求。,工程上的近似计算方法,（1）令末端电压为额定电压，由末端向首端推算，计算出首端功率；,（2）利用首端已知电压和计算得到的始端功率，由首端向末端推算电压降落，从而确定末端电压。,假设末端电压为线路额定电压UN,已知末端功率、始端电压,电压降落：指网络元件首、末端电压的相量差（包括纵分量和横分量）。,3、工程上常用的几个计算量,电压损耗：指网络元件首、末端电压的数值差（常用百分值表示）。,直接反映了供电电压质量,电压偏移：指网络中某点的实际电压值与网络额定电压的数值差（常用百分值表示）。,衡量电压质量的重要指标,输电效率：指线路末端输出的有功功率与线路首端输入的有功功率的比值（常用百分值表示）。,电压调整：指线路末端空载与负载时电压的数值差（常用百分值表示）。,线路与变压器的功率、电压计算有何异同？,计算原理相同；计算公式相似；电纳损耗不同；一负一正相反。,(空载损耗),二、变压器的电压和功率分布计算,根据变压器的实验数据进行简化计算。包括励磁支路损耗、阻抗支路损耗。,简化公式的条件和过程是什么？,6.4电力网络的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,四、各种调压措施的合理应用,电压是衡量电能质量的重要指标。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。,在额定电压附近，无功功率对电压具有较大的变化率，所以分析系统电压水平应从系统的无功功率入手。,1、无功电源,一、电力系统的无功功率平衡,发电机是电力系统基本的有功电源，也是重要的无功电源。,包括发电机、同步调相机、电力电容器和静止补偿器等。,定子电流限制,转子电流限制,有功出力限制,发电机曲线,电动机曲线,同步调相机实质上就是无功功率发电机，相当于空载运行的同步发电机,过励磁运行：向系统输送无功功率；,欠励磁运行：从系统吸收无功功率；,欠励磁运行时的容量仅设计为过励磁运行时容量的50%60%。,电力电容器并联接于电网，只能向系统供给容性无功功率,它供给的无功功率与其端口电压的平方成正比，其容量可大可小，可集中可分散，但只能分组投切，不可平滑调节。,静止无功补偿器既可发出无功功率，也可吸收无功功率,它是由晶闸管控制的可调电抗器与电容器并联组成，利用控制回路可平滑调节无功功率的大小。,2、无功负荷和无功损耗,异步电动机的励磁功率，它与施加在电动机上的电压成正比,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。,异步电动机漏抗中的无功损耗，它与负荷电流平方成正比,电网中的无功损耗包括：传输线路的无功损耗、变压器上的无功损耗。,串联电抗会产生无功损耗，与传输电流的平方成正比；并联电纳为感性无功电源。,分为励磁支路损耗和绕组支路漏抗损耗两部分。,电抗损耗,充电功率,励磁损耗,漏抗损耗,3、无功功率的平衡与运行电压水平,无功备用容量一般为无功负荷的7%15%。在无功电源不足时，应增设无功补偿装置，并应尽可能装在负荷中心，做到无功功率的就地平衡，以减少无功功率在网络中的传输引起的网络功率损耗和电压损耗。,无功电源、无功负荷与运行电压之间的关系,当系统无功电源充足时，可以维持系统在较高的电压水平下运行。,为了满足负荷点A、B的调压要求，中枢点电压应控制的变化范围是：,电力系统调压的目的是使用户的电压偏移保持在规定的范围内，因此应根据负荷对电压的要求，确定中枢点的电压允许调整范围。,反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电站的母线,二、中枢点的电压管理,08h，U（A）=（0.951.05）UN+0.04UN=（0.991.09）UN824h，U（A）=（0.951.05）UN+0.10UN=（1.051.15）UN,016h，U（B）=（0.951.05）UN+0.01UN=（0.961.06）UN1624h，U（B）=（0.951.05）UN+0.03UN=（0.981.08）UN,t（）,t（）,A,B,O,0.01UN,0.04UN,0.03UN,0.1UN,8,16,24,8,16,24,S,U,为了满足负荷点A、B的调压要求，中枢点电压应控制的变化范围是：,08h，U（A）=（0.951.05）UN+0.04UN=（0.991.09）UN824h，U（A）=（0.951.05）UN+0.10UN=（1.051.15）UN,016h，U（B）=（0.951.05）UN+0.01UN=（0.961.06）UN1624h，U（B）=（0.951.05）UN+0.03UN=（0.981.08）UN,当由同一中枢点供电的各用户负荷的变化规律差别较大时，可能在某些时段内，中枢点的电压不能同时满足所有用户的要求，必须采取其他调压措施。,逆调压：高峰负荷时升高电压（1.05UN），低谷负荷时降低电压（UN）的中枢点电压调整方式。适用于中枢点供电线路长，负荷变化范围较大的场合。需要装设调压设备。,顺调压：高峰负荷时允许中枢点电压略低（1.025UN），低谷负荷时允许中枢点电压略高（1.075UN）的中枢点电压调整方式。适合用户对电压要求不太高或供电线路不长、负荷变动不大的中枢点。一般不需装设特殊的调压设备。,常调压：在任何负荷下都能保持中枢点电压为基本不变的数值，取（1.021.05UN）。一般不需装设特殊的调压设备。通过合理地选择变压器的分接头和并联电容器就能满足要求。,三、电力系统的调压措施,改变发电机端电压；,改变变压器的变比；,增设无功补偿装置，减少网络传输的无功功率；,改变输电线路的参数。,通过改变电压水平达到所需要的电压,通过改变电压损耗来调压,R+jX,1、利用发电机调压,按规定，发电机运行电压的变化范围在发电机额定电压的+5%以内，在直接以发电机电压向用户供电的系统中，如果供电线路不长、电压损耗不大，用发电机调压就可以满足调压要求。,通过改变发电机励磁电流的办法来调整发电机的端电压，这是一种经济、简单的调压措施。可对发电机实行“逆调压”以满足用户的电压要求。,2、改变变压器的变比调压,双绕组变压器的高压绕组，三绕组变压器的高、中压绕组都设有若干分接头以供选择。对应变压器额定电压的分接头称为主接头或主抽头。考虑到低压侧电流大，变压器低压侧不设分接头。,普通双绕组变压器的分接头只能在停电的情况下改变，在正常运行时无论负荷怎么变化，只能有一个固定的分接头。,分别求出最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压，然后求出它们的平均值，最后选择一个与平均值最接近的分接头。,最后还需要对所选分接头分别用最大负荷和最小负荷校验低压母线实际电压是否满足要求。,普通双绕组变压器的分接头只能在停电的情况下改变，在正常运行时无论负荷怎么变化，只能有一个固定的分接头。,升压变压器分接头的选择方法与降压变压器的选择方法基本相同。但在通常的运行方式下，其功率方向与降压变压器相反，是从低压侧流向高压侧的。,有载调压变压器可以在带负荷条件下切换变压器分接头，而且调节范围大，一般在15%以上。目前我国规定：110kV的有载调压变压器有7个分接头，即UN+3*2.5%；220kV的有载调压变压器有9个分接头，即UN+4*2%。有载调压变压器价格较贵，且有载调压要注意安全。,3、利用无功功率补偿调压,无功功率补偿调压就是通过在负荷侧安装同步调相机、并联电容器或静止补偿器，以减少通过网络传输的无功功率，降低网络的电压损耗，从而达到调压的目的。,注意：并非所有的场合都能利用无功补偿来调压，关键看R与X的大小。,R+jX,4、改变输电线路的参数调压,串联电容补偿的调压效果与负荷的无功功率Q1成正比，因而与负荷的功率因数有关。在负荷功率因数较低时，线路上串联电容器的调压效果较显著。至于超高压输电线路中的串联电容补偿，其作用是提高输送容量和电力系统运行的稳定性。,6.5潮流计算,一、同电压等级开式电力网络,二、多电压等级开式电力网络,三、两端供电电力网络功率分布,四、考虑损耗时两端供电电力网络功率和电压分布,意义电力系统分析计算中最基本的一种：规划、扩建、运行方式安排,定义根据给定的运行条件求取给定运行条件下的节点电压和