第五章电力系统的有功功率和频率调整第六章 电力系统的无功功率和电压调整

1、Power System Analysis 1主讲：高志刚自动化学院第五章 电力系统的有功功率和频率调整第六章 电力系统的无功功率和电压调整Power System Analysis 2电力系统中，衡量运行电力系统中，衡量运行经济性经济性的主要指标为：的主要指标为：比耗量（煤比耗量（煤耗率，每消耗一度电消耗的标准煤重）耗率，每消耗一度电消耗的标准煤重）和和线损率线损率(电力网电力网络消耗的电能与向电力网络供应电能的百分比络消耗的电能与向电力网络供应电能的百分比)衡量衡量电能质量电能质量的指标包括：的指标包括：频率质量频率质量、电压质量电压质量和和波形质波形质量量，分别以频率偏移、电压偏移和波形

2、畸变率表示。，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。电力系统中，系统的电力系统中，系统的有功功率必须平衡有功功率必须平衡，即发电机发出的，即发电机发出的有功功率，应等于系统消耗的有功功率。否则由于发电机有功功率，应等于系统消耗的有功功率。否则由于发电机的动力力矩和阻力力矩不同，发电机转速将持续发生改变。的动力力矩和阻力力矩不同，发电机转速将持续发生改变。Power System Analysis P1（幅度小，周期短，一次调频）（幅度小，周期短，一次调频）P2（幅度较大，周期较长，冲击性（幅度较大，周期较长，冲击性负荷，二次调频）负荷，二次调频）P3（幅度最大，周期最长，由生活、（幅度最大

3、，周期最长，由生活、气象等引起，三次调频）气象等引起，三次调频）Pt5.15.1电力电力系统中有功功率的平衡系统中有功功率的平衡电力系统实际有功功电力系统实际有功功率负荷曲线率负荷曲线Power System Analysis 不同的周期的负荷有不同的变化规律：不同的周期的负荷有不同的变化规律：1.第一种第一种变动幅度很小变动幅度很小，周期又很短周期又很短，这种负荷变，这种负荷变动有很大的偶然性；动有很大的偶然性；2.第二种第二种变动幅度较大变动幅度较大，周期也较长周期也较长，属于这种负荷的主，属于这种负荷的主要有：电炉要有：电炉、电气、电气机车等带有冲击性的负荷变动；机车等带有冲击性的负荷变

4、动；3.第三种变动基本上可以预计，其第三种变动基本上可以预计，其变动幅度最大变动幅度最大，周期也周期也最长最长，是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。，是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。例如，夏季由于空调制冷，普遍出现用电负荷较高的现象。Power System Analysis 5根据负荷变化，电力系统的有功功率和频率调整根据负荷变化，电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分为：大体上也可分为：1.一次调频：由发电机一次调频：由发电机调速器调速器进行；进行；2.二次调频：由发电机二次调频：由发电机调频器调频器进行；进行；3.三次调频：优化准则，即由调度部门根据负荷曲三次调频：

5、优化准则，即由调度部门根据负荷曲线进行最优分配，责成各发电厂按事先给定的负线进行最优分配，责成各发电厂按事先给定的负荷发电。除平衡节点（调频）外均属此类。（有荷发电。除平衡节点（调频）外均属此类。（有功功率日负荷曲线）功功率日负荷曲线）前两种是前两种是事后事后的，第三种是的，第三种是事前事前的。的。 Power System Analysis 有功功率有功功率电源备用容量电源备用容量n有功功率电源有功功率电源：可投入发电设备的可发功率之和，不：可投入发电设备的可发功率之和，不应小于包括网损和厂用电在内的系统（总）发电负荷。应小于包括网损和厂用电在内的系统（总）发电负荷。n系统的备用容量系统的备

6、用容量：系统：系统电源容量电源容量大于大于发电负荷发电负荷的部分。的部分。可分为热备用和冷备用或负荷备用、事故备用、检修可分为热备用和冷备用或负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。备用和国民经济备用等。负荷备用：负荷备用：调整负荷波动或超计划负荷增加，调整负荷波动或超计划负荷增加，2 25 5P Pmaxmax事故事故备用：备用：发电设备发生偶然事故时，使电力用户不受严发电设备发生偶然事故时，使电力用户不受严重影响，维持系统正常供电所需的备用，重影响，维持系统正常供电所需的备用，5 51010P Pmaxmax检修备用：检修备用：使系统中发电设备能定期检修而设置。使系统中发电设备能定期

7、检修而设置。国民经济备用：国民经济备用：着眼未来着眼未来Power System Analysis 7电力系统中电力系统中有功功率有功功率的的最优分配最优分配5.2 5.2 电力电力系统中系统中有功功率最优分配有功功率最优分配有功功率电源的最优组合有功功率电源的最优组合有功功率负荷的最优分配有功功率负荷的最优分配机组的最优组合顺序机组的最优组合数量机组的最优开停时间系统中发电设备或发电厂的合理组合，系统中发电设备或发电厂的合理组合，即机组的合理开停。即机组的合理开停。冷备用冷备用容量的合理分布问题热备用热备用容量的合理分布问题n有功功率负荷的最优分配：有功功率负荷的最优分配：是指系统的是指系统

8、的有功功率负荷有功功率负荷在各个在各个正正在运行的发电设备或发电厂在运行的发电设备或发电厂之间的之间的合理分配合理分配。Power System Analysis 8n电力系统最优运行电力系统最优运行是电力系统分析的一个重要分支，是电力系统分析的一个重要分支，它所研究的问题主要是在保证用户用电需求（负荷）它所研究的问题主要是在保证用户用电需求（负荷）的前提下，如何优化地调度系统中各发电机组或发电的前提下，如何优化地调度系统中各发电机组或发电厂的运行工况，从而使系统发电所需的厂的运行工况，从而使系统发电所需的总费用总费用或所消或所消耗的耗的总燃料耗量总燃料耗量达到达到最小最小这样决策问题。这样决

9、策问题。 Power System Analysis 一、必要性一、必要性频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行。负荷要求频率的偏差一般应控响着负荷的正常运行。负荷要求频率的偏差一般应控制在（制在（0.2 0.2 0. 50. 5）HzHz的范围内。的范围内。电网频率变化会导致很多电气设备无法正常运行，影电网频率变化会导致很多电气设备无法正常运行，影响工业生产和生活。响工业生产和生活。要维持频率在正常的范围内，系统必须具有充裕的可要维持频率在正常的范围内，系统必须具有充裕的可调有功电源。调有功电源。5.3 5.3 电力电力

10、系统系统中的频率调整中的频率调整负载变化 导致导致 发电机频率变化，怎么办？Power System Analysis 自动调速系统及其特性自动调速系统及其特性自动调速系统：自动调速系统：关键关键在于利用杠杆的作用在于利用杠杆的作用调整汽轮机或水轮机调整汽轮机或水轮机的导向叶片，使其开的导向叶片，使其开度增大，增加进汽量度增大，增加进汽量或进水量。或进水量。当重新稳定后，当重新稳定后，E E归于原位。归于原位。液体流动B点上升B上升带动C上升Power System Analysis 经过调速器调节后，系统达到稳定，此时的频率将低于原有频率当机组转速升高时候，有类似的分析过程，并且可以知道，经

11、过调速器调节后的频率将高于原频率自动调速系统及其特性自动调速系统及其特性“一次调整”，借助于调速器完成Power System Analysis 可以升高可以升高D点的位置点的位置E位置下移，位置下移，导致液体流动导致液体流动B点上点上升升B上升带动C上升重新稳定后，重新稳定后，E E仍归于仍归于原位。但原位。但B,D,CB,D,C较原来较原来有所升高，有所升高，A A也升高也升高最终频率可以与原频率相等，“二次调整”，借助于调频器完成Power System Analysis 电力系统中的有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机；无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机和静止补偿器等，分散

12、在各变电所。供应有功功率和电能；必须消耗能源，但无功功率电源一旦设置后，就可随时使用而不再有其它经常性耗费。系统中无功功率损耗远大于有功功率损耗。正常稳态运行时，全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只有调整原动机功率一种。电压水平则全系统各点不同，而且电压调整可分散进行，调压手段也多种多样。因此，电力系统的无功功率和电压调整与有功功率和频率调整有很大不同。6.1 电力系统的无功功率与电压调整电力系统的无功功率与电压调整Power System Analysis 无功功率负荷电动机等滞后功率因数的负载变压器电力线路无功功率电源发电机电容器和调相机静止补偿器和静止调相机Power Sys

13、tem Analysis 并联电容器并联电容器只能向系统供应感性无功功率。它所供应的感只能向系统供应感性无功功率。它所供应的感性无功功率与其端电压约平方成正比。性无功功率与其端电压约平方成正比。调相机调相机实质上是只能发无功功率的发电机。它在过激运行实质上是只能发无功功率的发电机。它在过激运行时向系统供应感性无功功率，欠激运行时从系统吸取感性时向系统供应感性无功功率，欠激运行时从系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为过激运行时容量的无功功率。欠激运行时的容量约为过激运行时容量的50%。这些也就是作为无功功率电源的调相机的运行极限。这些也就是作为无功功率电源的调相机的运行极限。静止补偿器静止

14、补偿器和和静止调相机静止调相机是分别与电容器和调相机相对应是分别与电容器和调相机相对应而又同属而又同属“灵活交流输电系统灵活交流输电系统”范畴的两种无功功率电源。范畴的两种无功功率电源。Power System Analysis 静止补偿器静止补偿器的全称为静止无功功率补偿器的全称为静止无功功率补偿器(SVC)，有各种，有各种不同型式。目前常用的有晶闸管控制电抗器型不同型式。目前常用的有晶闸管控制电抗器型(TCR型型)、晶闸管开关电容器型晶闸管开关电容器型(TSC型型)和饱和电抗器型和饱和电抗器型(SR型型)三种三种TCRTSCSRPower System Analysis 静止调相机静止调相

15、机电网变压器基于基于GTOGTO等全控器件的电压源等全控器件的电压源可以吸收或发出感性无功功率，运行方式灵活。Power System Analysis 6.2 电压调整的必要性电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压偏移电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压偏移过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备，过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起系统性的甚至引起系统性的“电压崩溃电压崩溃”，造成大面积停电。，造成大面积停电。在保证系统中无功功率平衡的基础上，如同调整控制频率调整控制频率一样调整控制电压调整控制电压，使其偏移和波动保持在允许范围内，是

16、系统运行的一个重要问题。Power System Analysis 电压波动电压波动和电压管理和电压管理1.1.电压波动电压波动当负荷发生波动时，使得线路上传送的无功功率当负荷发生波动时，使得线路上传送的无功功率发生波动，相应的各节点电压也随之波动。发生波动，相应的各节点电压也随之波动。对于生活、生产、气象等变化引起的周期长、波对于生活、生产、气象等变化引起的周期长、波及面大的电压波动需进行调整。及面大的电压波动需进行调整。对于冲击性负荷引起的电压波动需进行限制。对于冲击性负荷引起的电压波动需进行限制。Power System Analysis 设置串联电容器，抵偿线路感抗，限制电压波动幅度设

17、置调相机和电抗器设置静止补偿器Power System Analysis 2.2.电压管理电压管理电压中枢点电压中枢点就是那些反映系统电压水平的主要发电厂就是那些反映系统电压水平的主要发电厂的高压母线、枢纽变电所低压母线或有大量地方负荷的的高压母线、枢纽变电所低压母线或有大量地方负荷的发电机母线。发电机母线。（1）中枢点的电压偏移）中枢点的电压偏移根据负荷对电压的要求，任何时刻应满足根据负荷对电压的要求，任何时刻应满足 ：NBAUUU)05. 195. 0( ABiPower System Analysis 2.2.电压管理电压管理（1）中枢点的电压偏移）中枢点的电压偏移需综合考虑需综合考虑A

18、、B对电压中枢点对电压中枢点i点的要求。要同时满足两点的要求。要同时满足两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变动个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变动范围减小范围减小。在实际电力系统中，由同一中枢点供电的负荷可能很多，在实际电力系统中，由同一中枢点供电的负荷可能很多，且中枢点到负荷处线路上的电压损耗的大小和变化规律的差且中枢点到负荷处线路上的电压损耗的大小和变化规律的差别可能很大，完全可能出现在某些时段内，中枢点电压取任别可能很大，完全可能出现在某些时段内，中枢点电压取任何值何值均不能均不能满足要求，这时须采取其他措施（如在负荷处进满足要求，这时须采取其他措施（如在负荷处进行无功补

19、偿，改变变压器变比等）。行无功补偿，改变变压器变比等）。Power System Analysis 2.2.电压管理电压管理（2）中枢点电压的调整方式）中枢点电压的调整方式逆调压逆调压：对于供电线路较长，负荷波动较大的网络，考虑：对于供电线路较长，负荷波动较大的网络，考虑在在最大负荷最大负荷时线路上的电压损耗增加，这时适当时线路上的电压损耗增加，这时适当提高中枢点提高中枢点电压电压以补偿增大的电压损耗，比以补偿增大的电压损耗，比线路线路UN高高5（即（即1.05UN）；最小负荷最小负荷时线路上电压损耗减小，时线路上电压损耗减小，降低中枢点电压为降低中枢点电压为UN。顺调压顺调压：负荷变动小，供

20、电线路不长，在允许电压偏移范围：负荷变动小，供电线路不长，在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内，内某个值或较小的范围内，最大负荷最大负荷时电压可以时电压可以低低一些，但一些，但1.025UN，小负荷小负荷时电压可以时电压可以高高一些，但一些，但1.075UN。Power System Analysis 2.2.电压管理电压管理（2）中枢点电压的调整方式）中枢点电压的调整方式常调压常调压（恒调压恒调压）：负荷变动小，供电线路电压损耗）：负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电压维持在允许电压偏移范围内压维持在

21、允许电压偏移范围内某个值某个值或较小的范围内或较小的范围内（如（如1.025UN1.05UN），就可保证各负荷点的电压质量。），就可保证各负荷点的电压质量。这种这种在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变的调在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变的调压方式压方式。Power System Analysis 6.3 6.3 借借改变发电机端电压调整改变发电机端电压调整通过自动励磁调节装置通过自动励磁调节装置IfEqUG，不需另增设备，不需另增设备，简便可行且经济。简便可行且经济。由发电机不经升压直接供电的地方负荷，实行逆调压。由发电机不经升压直接供电的地方负荷，实行逆调压。励磁电流空载电势端电

22、压Power System Analysis 6.3 6.3 借借改变发电机端电压调整改变发电机端电压调整G%10max U%4min U%4max U%6max U%6 . 1min U%4 . 2min U+5%-5%-9%+1%-5%-4%-5.6%+4.4%+2%发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满足负荷对电压质量的足负荷对电压质量的要求，这时要求，这时需借助其他措施。需借助其他措施。变压器二次侧空载电压较线路额定电压高10%若最大负荷时，调为105%UN若最小负荷时，调为UN已满足了5%要求Power Syste

23、m Analysis 6.4 6.4 借借改变变压器变比调压改变变压器变比调压GgUGUIUiUJUjUgU iU jU igj双绕组变压器的高压绕组和三绕组的高、中压绕组有若干分接双绕组变压器的高压绕组和三绕组的高、中压绕组有若干分接头可供选择，如有头可供选择，如有UN5、 UN22.5 。其中对应于其中对应于UN的的分接头常称主接头或主抽头。分接头常称主接头或主抽头。合理选择变压器的分接头也可调压。合理选择变压器的分接头也可调压。Power System Analysis 6.4 6.4 借借改变变压器变比调压改变变压器变比调压（1）对于双绕组）对于双绕组降压变压器降压变压器IUiUiU

24、1:ikIUiU i iUS。，未归算，选择，低压侧期望电压给定归算到高压侧tImintImaxminmaxminIminmaxImax,UUUUSUSUii NitIiiiIiUUkkUUU iNiiItIUUUUU maximaxImaxtImaxmaxiNiUUUUUS时，minminImintIminminiNiiUUUUUS时，所选择的高压侧抽头电压低压侧电压已归算到高压侧Power System Analysis 6.4 6.4 借借改变变压器变比调压改变变压器变比调压（1）对于双绕组降压变压器）对于双绕组降压变压器i普通变压器在运行中不能倒换接头，只有停运时才能调整，因普通变压器

25、在运行中不能倒换接头，只有停运时才能调整，因此，必须在投运前选择好合适的接头以满足各种负荷要求。此，必须在投运前选择好合适的接头以满足各种负荷要求。为使最大、最小负荷两种情况下变电所低压母线实际电压偏离为使最大、最小负荷两种情况下变电所低压母线实际电压偏离要求的要求的Uimax，Uimin大体相等，分接头电压应取大体相等，分接头电压应取UtImax，UtImin的的平均值。平均值。2tImintImaxUUUtI根据根据UtI选择一最接近的分接头，再按选定的分接头校验低压选择一最接近的分接头，再按选定的分接头校验低压母线上的实际电压能否满足要求。母线上的实际电压能否满足要求。Power System Analysis 6.4 6.4 借借改变变压器变比调压改变变压器变比调压（2）对于双绕组）对于双绕组升压变压器升压变压器gUGUgU gk:1。，未归算，选择，低压侧期望电压给定min