2005电力系统稳态分析第二章

1、1,第二章 电力系统各元件的特性和数学模型,问题一电力系统中生产、变换、输送、消费 电能的四大部分的特性和数学模型 1.发电机组 2.变压器 3.电力线路 4.负荷 问题二电力网络的数学模型,2,复功率的符号说明：,取 滞后功率因数 为正，感性无功 负荷 运行时，所吸取的无功功率 超前功率因数 为负，容性无功 滞后功率因数 为正，感性无功 发电机 运行时，所发出的无功功率 超前功率因数 为负，容性无功,3,第一节 发电机组的运行特性和数学模型,发电机稳态运行时的相量图和功角特性 隐极发电机的相量图和功角特性,4,隐极式发电机功率特性方程：,5,凸极式发电机的相量图和功角特性,图2-3凸极式机发

2、电机的相量图,图2-4凸极式机发电机的功角特性曲线,6,凸极式发电机的相量图和功角特性,虚构电势：,7,隐极发电机组的运行限额和数学模型,8,决定隐极式发电机组运行极限的因素： 定子绕组温升约束。取决于发电机的视在功率。以O点为圆心，以OB为半径的圆弧S。 励磁绕组温升约束。取决于发电机的空载电势。以O点为圆心，以OB为半径的圆弧F。 原动机功率约束。即发电机的额定功率。直线BC。 其他约束。当发电机以超前功率因数运行的场合。综合为圆弧T。,9,发电机组的数学模型： 发电机组在约束的上、下限运行。 通常以两个变量表示，即发出的有功功率P和端电压U的大小 或发出的有功功率P和无功功率Q的大小。而

3、以第一种方式表示时，往往还需给出相应的无功功率限额（Qmax 、Qmin）。,10,凸极发电机组的运行限额和数学模型,图2-7凸极式发电机的运行极限,11,12,第二节 变压器的参数和数学模型,双绕组变压器的参数和数学模型,图2-8双绕组变压器等值电路,13,双绕组变压器的参数和数学模型,阻抗 电阻:变压器的电阻是通过变压器的短路损耗，其近似等于额定总铜耗。 我们通过如下公式来求解变压器电阻：,14,电抗 :在电力系统计算中认为，大容量变压器的电抗和阻抗在数值上接近相等，可近似如下求解：,15,导纳 电导:变压器电导对应的是变压器的铁耗，近似等于变压器的空载损耗，因此变压器的电导可如下求解：

4、电纳:在变压器中，流经电纳的电流和空载电流在数值上接近相等，其求解如下：,16,三绕组变压器的参数和数学模型,按三个绕组容量比的不同有三种不同的类型： 100/100/100、100/50/100、100/100/50 按三个绕组排列方式的不同有两种不同的结构： 升压结构：中压内，低压中，高压外 降压结构：低压内，中压中，高压外,17,三绕组变压器的参数和数学模型,图2-10三绕组变压器等值电路,18,电阻,由于容量的不同，对所提供的短路损耗要做些处理 对于100/100/100 然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻,19,对于100/50/100或100/100/50 首先，将含有不同

5、容量绕组的短路损耗数据归算为额 定电流下的值。 例如：对于100/50/100 然后，按照100/100/100计算电阻的公式计算各绕组电阻。,20,按最大短路损耗求解（与变压器容量比无关） 指两个100%容量绕组中流过额定电流，另一个100%或50%容量绕组空载时的损耗。 根据“按同一电流密度选择各绕组导线截面积”的变压器的设计原则：,21,电抗,根据变压器排列不同，对所提供的短路电压做些处理： 然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻 一般来说，所提供的短路电压百分比都是经过归算的,22,自耦变压器的参数和数学模型,就端点条件而言，自耦变压器可完全等值于普通变压器，但由于三绕组自耦变压器

6、第三绕组的容量总小于变压器的额定容量，因此需要进行归算。 对于旧标准： 对于新标准，也是按最大短路损耗和经过归算的短路电压百分比值进行计算。,23,第三节 电力线路的参数和数学模型,电力线路结构简述 电力线路按结构可分为 架空线：导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具等 电 缆：导线、绝缘层、保护层等 架空线路的导线和避雷线 导 线：主要由铝、钢、铜等材料制成 避雷线：一般用钢线,24,架空线路的导线和避雷线,认识架空线路的标号 / 钢线部分额定截面积 主要载流部分额定截面积 J 表示加强型，Q表示轻型 J 表示多股线 表示材料，其中：L表示铝、 G表示钢、T表示铜、HL表示 铝合金 例如：LGJ4

7、00/50表示载流额定截面积为400、钢线额定截面积为50的普通钢芯铝线。,25,ACSR(Aluminum Conductor steel Reinforced),架空地线(OPGW)的截面图(260mm2) Composite fiber-Optic Ground Wire,分裂导线 双分裂;三分裂;四分裂,26,为增加架空线路的性能而采取的措施 目的：减少电晕损耗或线路电抗。 多股线 其安排的规律为：中心一股芯线，由内到外，第一层为6股，第二层为12股，第三层为18股，以此类推 扩径导线 人为扩大导线直径，但不增加载流部分截面积。不同之处在于支撑层仅有6股，起支撑作用。 分裂导线 又称复

8、导线，其将每相导线分成若干根，相互间保持一定的距离。但会增加线路电容。,27,架空线路的绝缘子 架空线路使用的绝缘子分为 针式：35KV以下线路 悬式：35KV及以上线路 通常可根据绝缘子串上绝缘子的片数来判断线路电压 等级，一般一个绝缘子承担1万V左右的电压。 架空线路的换位问题 目的在于减少三相参数不平衡 整换位循环：指一定长度内有两次换位而三相导线 都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。 滚式换位 换位方式 换位杆塔换位,28,电力线路的阻抗,有色金属导线架空线路的电阻 有色金属导线指铝线、钢芯铝线和铜线 每相单位长度的电阻： 其中：铝的电阻率为31.5 mm2/km 铜的电阻率为

9、18.8 mm2/km 考虑温度的影响则： 电阻的温度系数（1/），对于铜导线,Cu=0.00382/,对于铝导线,Al=0.0036/。,29,有色金属导线三相架空线路的电抗 最常用的电抗计算公式： 其中：,30,线路的电抗,图2-24单根导线外部和内部磁场,图2-25单相线路的磁场,图2-26三相线路的磁场,31,进一步可得到： 还可以进一步改写为： 在近似计算中，可以取架空线路的电抗为,32,分裂导线三相架空线路的电抗 分裂导线采用了改变导线周围的磁场分布，等效地增加了导线半径，从而减少了导线电抗。 可以证明：,33,钢导线三相架空线路的电抗 钢导线与铝、铜导线的主要差别在于钢导线导磁。

10、 电缆线路的阻抗 电缆线路的结构和尺寸都已经系列化，这些参数可事先测得并由制造厂家提供。一般，电缆线路的电阻略大于相同截面积的架空线路，而电抗则小得多。,34,三相架空线路的电纳 其电容值为： 最常用的电纳计算公式： 架空线路的电纳变化不大，一般为,电力线路的导纳,35,分裂导线线路的电纳 架空线路的电导 线路的电导取决于沿绝缘子串的泄漏和电晕 绝缘子串的泄漏：通常很小 电晕：强电场作用下导线周围空气的电离现象 导线周围空气电离的原因：是由于导线表面的电场强度超过了某一临界值，以致空气中原有的离子具备了足够的动能，使其他不带电分子离子化，导致空气部分导电。,36,确定由于电晕产生的电导，其步骤

11、如下： 确定导线表面的电场强度 电晕起始电场强度,37,，得电晕起始电压或临界电压 每相电晕损耗功率 求线路的电导,38,对于分裂导线在第一步时做些改变 实际上，在设计线路时，已检验了所选导线的半径是否能满足晴朗天气不发生电晕的要求，一般情况下可设: g=0,39,电力线路的数学模型,输电线路的参数实际上是沿线路均匀分布的可用下图所示的链形电路表示。图中，r0、x0、g0、b0为无穷小段线路的阻抗和导纳。,电力线路的单相等值电路,40,分两种情况讨论： 一般线路的等值电路 一般线路：中等及中等以下长度线路，对架空线为300km；对电缆为100km。 不考虑线路的分布参数特性，只用将线路参数简单

12、地集中起来的电路表示。 一般G=0（正常天气不考虑电晕，及不考虑绝缘子泄漏）,电力线路的数学模型,41,一般线路的等值电路,一般线路中，又有短线路和中等长度线路之分。 短线路：是指长度不超过100km的架空线路。线路电压不高时，这种线路电纳B的影响一般不大，可略去。从而，这种线路的等值电路员简单，只有一串联的总电抗ZR十jX。 显然，如电缆线路不长，电纳的影响不大时，也可采用这种等值电路。,短线路的等值电路,42,一般线路的等值电路,中等长度线路:是指长度在100300km之间的架空线路和不超过100km的电缆线路。这种线路的电纳B一般不能略去。这种线路的等值电路有二形等值电路和T形等值电路。

13、其中，常用的是形等值电路。 （不能用-Y公式相互变换）,中等长度线路的等值电路,43,长线路的等值电路 长线路：长度超过300km的架空线和超过100km的电缆。,44,精确型: 根据双端口网络理论可得：,45,简化型,46,两个基本概念 在超高压线路中，略去电阻和电导，即相当于线路上没有有功功率损耗时 波阻抗：特性阻抗 是一个纯电阻。 这时传播系数仅有虚部 ,称为相位系数。 自然功率：当负荷阻抗为波阻抗时，该负荷所消耗的功率。,47,将工业、农业、邮电、交通、市政、商业以及城乡居民所消耗的功率相加。就可得所谓电力系统的综合用电负荷。综合用电负荷加网络中损耗的功率就是系统中各发电厂应供应的功率

14、，因而称电力系统的供电负荷。供电负荷再加各发电厂本身消耗的功率 厂用电，就是系统中各发电机应发的功率，称电力系统的发电负荷。 电力系统负荷的运行特性广义地可分两大类： 负荷曲线：负荷随时间而变化的规律 负荷特性：负荷随电压或频率而变化的规律,第四节 负荷的运行特性和数学模型,48,负荷曲线,电力系统的有功功率日负荷曲线：为拿握电力系统的运行，这种负荷曲线很有用，它是制订各发电厂发电负荷计划的依据。 电力系统的有功功率年负荷曲线：一般指年最大负荷曲线，即表示一年内每月最大有功功率负荷变化的曲线。常用于制订发电设备的检修计划。,49,负荷特性,有功功率、无功功率 静态、动态 电压、频率 三种特征相

15、结合 如无功功率静态电压无功特性 稳态时负荷的数学模型用给定的有功功率P和无功功率Q来表示。只有在对计算精度要求较高时，才要计及负荷的静态特性。,50,第五节 电力网络的数学模型,标幺值的折算 电压等级的归算 等值变压器模型 电力网络的数学模型,51,标幺值,基本概念 有名制：在电力系统计算时，采用有单位的阻抗、导纳、电压、电流和功率等进行计算。 标幺制：在电力系统计算时，采用没有单位的阻抗、导纳、电压、电流和功率等进行计算。 基准值：对于相对值的相对基准。 三者之间的关系： 标幺制=有名制/基准值 基本级：将参数和变量归算至同一个电压级。一般取网络中最高电压级为基本级。,52,标幺制的优点：

16、线电压和相电压的标幺值数值相等，三相功率和单相功率的标幺值数值相等。 选择基准值的条件： 基准值的单位应与有名值的单位相同 阻抗、导纳、电压、电流、功率的基准值之间也应符合电路的基本关系 功率的基准值=100MVA 电压的基准值=参数和变量归算的该级额定电压,53,电压级的归算,有名值的电压级归算 对于多电压级网络，都需将参数或变量归算至同一电压级基本级。 标幺值的电压级归算 将网络各元件阻抗、导纳以及网络中各点电压、电流的有名值都归算到基本级，然后除以与基本级相对应的阻抗、导纳、电压和电流的基准值。 将未经归算的各元件阻抗、导纳以及网络中各点电压、电流的有名值除以由基本级归算到这些量所在电压级的阻抗、导纳、电压和电流的基准值。,54,等值变压器模型,优点：这种模型可以体现电压变换，在多电压等级网络计算中，可以不必进行参数和变量的归算 等值变压器模型推导：,55,电力网络中应用等值变压器模型的计算步骤： 有名制、线路参数都未经归算，变压器参数则归在低压侧。 有名制、线路参数和变压器参数都已按选定的变比归算到高压侧。 标幺制、线路和变压器参数都已按选定的基准电压折算为标幺值。,平均额定电压：105%UN 230、115、37、10.5、6.3kV,56,一些常用概念,实际变比 k k=UI/UII UI、UII :分别为与变压器高、低压绕组实际匝 数相对应的电压。