2025年电力系统分析习题库及参考答案

2025年电力系统分析习题库及参考答案一、选择题（每题2分，共20分）1.电力系统标幺值计算中，若选取基准容量为100MVA，基准电压为110kV，则基准电流为（）。A.0.525kAB.1.05kAC.1.575kAD.2.1kA答案：A（计算式：I_B=S_B/(√3U_B)=100/(√3×110)≈0.525kA）2.变压器的短路损耗主要由（）产生。A.铁芯涡流损耗B.绕组电阻损耗C.漏磁通引起的附加损耗D.励磁电流损耗答案：B（短路损耗近似等于额定电流下绕组的电阻损耗）3.潮流计算中，PQ节点的给定变量是（）。A.有功功率P和无功功率QB.有功功率P和电压幅值UC.电压幅值U和相角δD.无功功率Q和电压相角δ答案：A（PQ节点通常为负荷节点，给定P、Q，待求U、δ）4.三相短路时，短路电流的非周期分量衰减取决于（）。A.发电机电抗B.系统电阻与电感的比值C.变压器变比D.线路长度答案：B（非周期分量衰减时间常数T_a=X/ωR，由R、L决定）5.静态稳定储备系数K_p的定义为（）。A.(P_max-P_0)/P_0×100%B.(P_0-P_max)/P_max×100%C.(P_max+P_0)/P_0×100%D.(P_0-P_max)/P_0×100%答案：A（静态稳定储备系数反映系统接近稳定极限的程度）6.下列设备中，属于无功电源的是（）。A.同步发电机B.输电线路电抗C.变压器漏抗D.异步电动机答案：A（同步发电机可调节励磁提供或吸收无功）7.派克变换的作用是（）。A.将三相变量转换为dq0坐标，简化交流电机方程B.计算电力系统潮流分布C.分析短路电流的周期分量D.评估电力系统暂态稳定性答案：A（派克变换通过坐标变换将时变电感矩阵转换为常数矩阵）8.新能源高渗透率下，电力系统频率调节的关键挑战是（）。A.转动惯量降低B.短路容量增大C.潮流分布固定D.电压波动减小答案：A（新能源机组多通过逆变器并网，缺乏传统同步机的惯性响应）9.电力系统中性点不接地方式下，发生单相接地故障时，非故障相电压（）。A.升高为线电压B.降低为相电压C.保持不变D.升高为√2倍相电压答案：A（中性点不接地系统单相接地时，非故障相电压升至线电压）10.电力系统经济调度的目标是（）。A.最小化发电成本B.最大化系统稳定性C.最小化网络损耗D.最大化可再生能源占比答案：A（经济调度在满足约束下优化发电成本，兼顾网损时需综合考虑）二、简答题（每题5分，共40分）1.简述电力系统潮流计算的主要步骤。答：潮流计算主要步骤包括：①建立电力网络数学模型（节点导纳矩阵）；②确定节点类型（PQ、PV、平衡节点）；③选择计算方法（如牛顿-拉夫逊法、PQ分解法）；④迭代求解节点电压幅值和相角；⑤根据电压计算各支路功率分布及网损；⑥验证计算结果是否满足精度要求。2.说明变压器π型等值电路中励磁支路的处理方式及其原因。答：变压器励磁支路通常用并联导纳（Gm-jBm）表示，其中Gm对应铁芯损耗，Bm对应励磁电抗。实际计算中，由于变压器空载电流较小（约为额定电流的1%-3%），为简化计算，常将励磁支路省略或仅在计算精度要求较高时保留。对于多电压等级网络，需将励磁支路参数归算至同一电压等级。3.比较三相短路与单相接地短路的特点。答：三相短路为对称短路，三相电流、电压对称，短路电流最大；单相接地短路为不对称短路，仅一相接地，非故障相电压升高，短路电流大小与系统中性点接地方式相关（中性点直接接地时短路电流大，不接地时电流小但非故障相电压升高）。4.静态稳定和暂态稳定的区别是什么？答：静态稳定指系统在小干扰（如负荷轻微波动）下保持同步运行的能力，分析方法为小扰动线性化；暂态稳定指系统在大干扰（如短路故障、切机）下经过暂态过程后恢复同步的能力，需通过非线性微分方程求解动态过程。5.新能源接入对电力系统无功平衡的影响有哪些？答：①新能源机组（如光伏、风电）多通过逆变器并网，自身无功调节能力有限，需依赖逆变器或额外无功补偿装置；②高比例新能源可能导致局部无功不足，引起电压波动；③新能源出力的间歇性导致无功需求动态变化，增加无功调度难度；④传统同步机退出可能减少系统固有无功支撑能力。6.简述电力系统频率调整的分层控制策略。答：频率调整分为三层：①一次调频（由发电机调速器自动响应，针对秒级扰动，调整速度快但调整量有限）；②二次调频（由AGC系统控制，针对分钟级扰动，恢复频率至额定值并实现经济调度）；③三次调频（根据负荷预测和机组特性，预先安排发电计划，优化长期功率平衡）。7.什么是电力系统的“N-1”准则？其工程意义是什么？答：“N-1”准则指系统中任意单一元件（如线路、变压器）故障退出后，剩余系统应能保持稳定运行且不超过设备容量限制。工程意义在于确保系统具有基本的冗余性，避免单一故障引发连锁跳闸，提高供电可靠性。8.说明短路电流计算中次暂态电抗X''d的物理意义。答：X''d是发电机在短路瞬间（约0-0.01s）的电抗，对应定子绕组与转子阻尼绕组、励磁绕组间的电磁耦合最紧的状态，数值最小。次暂态电抗用于计算短路电流的初始值（冲击电流），是短路电流计算的关键参数。三、计算题（每题10分，共40分）1.某110kV单电源辐射网络如图1所示（注：图中参数为：电源S=100MVA，X_S=0.15标幺值；线路L1：r1=0.2Ω/km，x1=0.4Ω/km，长度50km；负荷P=40MW，cosφ=0.85，U=10kV）。试计算归算至110kV侧的负荷阻抗标幺值（基准S_B=100MVA，U_B=110kV）。解：①负荷有功P=40MW，无功Q=P×tanφ=40×tan(arccos0.85)=40×0.6197≈24.79Mvar；②负荷阻抗Z_L=U_N²/(P²+Q²)^0.5=10²/(40²+24.79²)^0.5=100/(47.01)≈2.127Ω（注：此处U_N为负荷侧额定电压10kV）；③归算至110kV侧的阻抗Z_L'=Z_L×(110/10)²=2.127×121≈257.37Ω；④基准阻抗Z_B=U_B²/S_B=110²/100=121Ω；⑤标幺值Z_L=Z_L'/Z_B=257.37/121≈2.127。2.某简单电力系统接线如图2所示（注：参数为：发电机G：S_N=300MVA，X''d=0.2；变压器T：S_N=300MVA，Uk%=10；线路L：x=0.4Ω/km，长度100km，U_N=220kV；基准S_B=100MVA，U_B=220kV）。试计算f点三相短路时的次暂态短路电流标幺值及有名值。解：①发电机电抗标幺值X_G=X''d×(S_B/S_N)=0.2×(100/300)=0.0667；②变压器电抗标幺值X_T=Uk%×S_B/(100×S_N)=10×100/(100×300)=0.0333；③线路电抗有名值X_L=0.4×100=40Ω，标幺值X_L=X_L×S_B/U_B²=40×100/220²≈0.0826；④总电抗X_total=0.0667+0.0333+0.0826≈0.1826；⑤次暂态短路电流标幺值I''=1/X_total≈5.476；⑥基准电流I_B=S_B/(√3U_B)=100/(√3×220)≈0.262kA；⑦有名值I''=I''×I_B≈5.476×0.262≈1.435kA。3.两机系统中，发电机1的功角特性为P1=1.2sinδ，发电机2的功角特性为P2=1.5sin(180°-δ)，系统总负荷P_L=1.8。试求静态稳定极限及储备系数K_p（δ为两机功角差）。解：①系统总功率平衡：P1+P2=P_L，即1.2sinδ+1.5sin(180°-δ)=1.8；②因sin(180°-δ)=sinδ，故方程化简为(1.2+1.5)sinδ=1.8→2.7sinδ=1.8→sinδ=2/3→δ≈41.81°；③静态稳定极限为功角特性的最大值，即P1_max=1.2，P2_max=1.5，系统总稳定极限P_max=P1_max+P2_max=2.7；④储备系数K_p=(P_max-P_L)/P_L×100%=(2.7-1.8)/1.8×100%=50%。4.某10kV母线接有两台并联运行的电容器组，单组容量Q_C=1000kvar，电抗率k=5%（抑制5次谐波）。系统背景谐波中5次谐波电压含有率为3%，试计算电容器组对5次谐波的等效电抗，并判断是否会发生谐波放大。解：①电容器基波容抗X_C=U_N²/Q_C=10²/1=100Ω（Q_C=1000kvar=1Mvar）；②5次谐波时，容抗X_C5=X_C/5=100/5=20Ω；③电抗器5次谐波电抗X_L5=k×X_C×5=0.05×100×5=25Ω（注：电抗率k=X_L/X_C基波，故X_L=kX_C，5次谐波时X_L5=5X_L=5kX_C）；④并联等效电抗X_eq5=(X_L5×(-X_C5))/(X_L5-X_C5)=(25×(-20))/(25-20)=-100Ω（负号表示容性）；⑤系统5次谐波阻抗Z_s5=U_s5/(I_s5)，假设系统阻抗呈感性，若X_eq5的容性与系统感性阻抗谐振，则可能放大谐波。本题中X_eq5=-100Ω（容性），若系统5次谐波阻抗为感性且接近100Ω，则发生并联谐振，导致谐波放大。因此需校核系统阻抗，若系统5次谐波电抗X_s5≈100Ω，则会放大；否则不会。四、综合分析题（20分）新能源高渗透率下，电力系统面临的主要稳定问题及应对措施。答：新能源高渗透率下，电力系统稳定问题主要体现在以下方面：1.频率稳定：新能源机组（如光伏、风电）通过逆变器并网，缺乏传统同步机的转动惯量，系统总惯量下降，频率波动加剧。小扰动下频率变化率（ROCOF）增大，大扰动下可能因频率偏差超出保护阈值导致大规模脱网。2.电压稳定：新能源出力的间歇性（如光伏受光照、风电受风速影响）导致无功需求动态变化，局部地区可能出现电压越限；逆变器的无功调节能力有限，且高比例电力电子设备可能引发宽频振荡（如次/超同步振荡）。3.功角稳定：传统同步机占比降低，系统阻尼特性改变，可能导致弱阻尼振荡模式，甚至失去同步。应对措施包括：①提升新能源机组的虚拟惯量控制：通过逆变器控制策略模拟同步机的惯性响应（如虚拟同步机技术VSG），增加系统等效惯量；②配置储