第9章-现代电力系统的运行.ppt

1、第 九 章 现代电力系统的运行,电力工程基础,华南热带农业大学电气工程系,华南热带农业大学,2,2020/8/3,第九章 现代电力系统的运行,9.1 电力系统有功功率与频率的调整 9.2 电力系统无功功率和电压的调整 9.3 电力网运行的经济性 9.4 电力系统运行的稳定性,华南热带农业大学,3,2020/8/3,第一节 电力系统有功功率与频率的调整,一、电力系统有功功率,1. 有功功率负荷：,实际负荷时时刻刻在变化,负荷的变化将引起频率的变化;,在电力系统运行中,必须调节电源的功率保持系统的功率平衡,使系统的频率运行在允许的范围内。,原因是负荷的经常性变化,随时都将打破电源有功出力与负荷消耗

2、的有功功率之间的平衡;,华南热带农业大学,4,2020/8/3,一、电力系统有功功率,2. 有功功率电源和备用容量：,(1)有功功率平衡:电力系统稳定运行情况下, 电源发出的有功功率应满足负荷消耗的有功功率和传输电功率时在网络中损耗的有功功率之和。,（3）有功电源容量：系统中可投入发电设备的总容量之和。,（2）系统的总装机容量：各类发电厂的发电机组成了电力系统的有功功率电源，所有发电机的额定容量之和为系统的总装机容量。,华南热带农业大学,5,2020/8/3,一、电力系统有功功率,2. 有功功率电源和备用容量：,(4)系统的备用容量:系统的电源容量大于发电负荷的部分。,有功功率的最优分配：有功

3、电源的最优组合、有功负荷在运行机组间的最优分配。,二、电力系统有功功率的分配,各类发电厂承担负荷的顺序,华南热带农业大学,6,2020/8/3,各类发电厂承担负荷的顺序,图9-1各类发电厂组合顺序示意图 （a）枯水季节 （b）丰水季节,华南热带农业大学,7,2020/8/3,三、电力系统的频率调整,1. 频率调整的必要性,2.电力系统的频率特性,（1）电源有功功率静态频率特性：发电机的原动机机械功率与角速度或频率的关系。,发电机配置自动调速,华南热带农业大学,8,2020/8/3,2.电力系统的频率特性,（2）电力系统负荷的静态频率特性：仅考虑有功负荷随频率的变化特性。,频率增加，负荷取用功率

4、增加；频率减小，负荷取用功率减小。（负荷的调节效应）,电力系统频率变化范围很小，在较小的频率范围内，该曲线接近直线。,华南热带农业大学,9,2020/8/3,3.电力系统的频率调整,（1）一次调整：针对第一种负荷变动进行的调整。利用发电机组上装设调速器系统。,系统中一台发电机和一综合负荷，静态频率特性曲线如图：,负荷与发电机的共同调节，使系统频率在 f0点达到平衡。,华南热带农业大学,10,2020/8/3,3.电力系统的频率调整,（2）二次调整：针对第二种负荷变动进行的调整。利用发电机组上装设调频系统来完成。（调频厂）,（3）三次调整：是通过负荷预计得到负荷曲线，按最优化原则分配负荷，从而在

5、各发电厂或发电机组间实现有功负荷的经济分配（经济调度）,第二节 电力系统无功功率与电压的调整,电气设备在额定电压下运行最有利；,网络存在电压损耗，当负荷或系统运行方式变化，网络中的电压损耗也变化，即网络中的电压发生变化；,随网络范围增大，网络的电压损耗也增大，要使系统中各处电压在允许的范围内，需要多种调压措施。,华南热带农业大学,11,2020/8/3,第二节 电力系统无功功率与电压的调整,综合负荷的电压静态特性：电压与负荷取用的有功功率和无功功率的关系：,在额定电压附近，电压与无功功率的关系比较密切，表现为无功功率对电压具有较大的变化率。,分析系统运行的电压水平应从系统的无功功率入手。,一、

6、电力系统的无功功率平衡,1、无功电源：发电机、同步调相机、静电电容器、静止补偿器等。,华南热带农业大学,12,2020/8/3,1、无功电源,（1）发电机：不仅是电力系统唯一的有功电源，也是电力系统的主要无功电源。,额定状态：在此状态运行发出的无功功率；,非额定状态：在此状态运行时可能发出的无功功率；,C点为发电机的额定点,华南热带农业大学,13,2020/8/3,（1）发电机：非额定状态运行时可能发出的无功功率分析。,当发电机运行于HC段时，发电机发出的无功功率低于额定运行情况下的无功输出；,当发电机运行于BC段时，发电机可在降低功率因数、减少有功输出的情况下多发无功功率；,只有在额定电压、

7、额定电流和额定功率（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；,华南热带农业大学,14,2020/8/3,（1）发电机：非额定状态运行时可能发出的无功功率分析。,当系统中有功功率备用容量较充裕时，可使靠近负荷中心的发电机降低有功功率出力的条件下运行，从而发电机多发出无功功率，改善系统的电压。,分析相量图，得出发电机的无功输出与电压的关系：,华南热带农业大学,15,2020/8/3,（1）发电机：,发电机的无功输出与电压的关系：,华南热带农业大学,16,2020/8/3,（1）发电机：,发电机的无功输出与电压的关系：,由此可知，当电势E一定时，Q与U的关系，是一条开口

8、向下的抛物线。,（2）同步调相机：是专门设计的无功功率发电机。工作原理相当于空载运行的同步电动机。,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。,通过调节调相机的激磁可以平滑地改变其输出的无功功率的大小和方向。（安装接近负荷）,华南热带农业大学,17,2020/8/3,（3）电力电容器：,并接于电网，它供给的无功功率与其端电压的平方成正比。,优点：电力电容器是静止元件，有功损耗小，适合于分散安装。,缺点：电力电容器只能成组地投入、切除；它所供应的无功功率随端电压的下降而减少。,（2）同步调相机：,同步调相机具有正的调节效应，即它所供应的无功功率随端电压的下降而增加，对调压

9、有利。,华南热带农业大学,18,2020/8/3,2、无功负荷和无功损耗,（1）无功负荷：主要是异步电动机。其无功消耗为,综合两部分无功的特点，得到曲线2。,（4）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。,华南热带农业大学,19,2020/8/3,2、无功负荷和无功损耗,（2）无功损耗：包括变压器和输电线的无功损耗,用来产生主磁通即产生励磁电流的无功功率损耗 ：只与电网的电压有关，与负荷大小无关，可用 来表征。,所以,变压器的无功功率损耗：,华南热带农业大学,20,2020/8/3,变压器的无功功率损耗：,消耗在一、二次

10、线圈电抗上的无功功率损耗 ：与负荷电流（或功率）的平方成正比，可用 来表征。,所以 额定负载下的损耗,任意负载下的损耗为：,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。,华南热带农业大学,21,2020/8/3,输电线路的无功功率损耗：,并联电纳中发出的无功功率：与电网的电压成正比。,串联电抗上的无功功率损耗 ：与通过线路的功率或负荷电流的平方成正比。,输电线路可消耗无功，亦或无功电源。,3. 无功功率的平衡与运行电压水平,在电力系统的任何时刻，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。,华南热带农业大学,22,2020/8/3,3. 无功功率的平衡与运行电压水平

11、,曲线1：系统等值无功电源的无功电压静态特性 。,曲线2：系统等值负荷的无功电压静态特性 。,曲线交点a为无功功率平衡点，对应运行电压Ua 。,无功功率平衡的过程及对应运行电压水平 。,系统无功电源充足时，可以维持系统在较高的电压水平上运行。,华南热带农业大学,23,2020/8/3,二、中枢点的电压管理,中枢点：是指那些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，确定中枢点的电压允许范围。,例如 假定一简单电力系统，中枢点O向负荷A和B供电。,图9-11简单电力系统电压损耗 （a）网络接线 （b）日负荷曲线 （c）电压损耗曲线,华南热

12、带农业大学,24,2020/8/3,二、中枢点的电压管理,负荷点A和B供电电压的允许变化范围均为 （0.951.05）UN。,图9-11简单电力系统电压损耗 （b）日负荷曲线 （c）电压损耗曲线,为满足负荷A的调压要求，中枢点O电压应控制的变化范围为：,为满足负荷B的调压要求，中枢点O电压应控制的变化范围为： （0.951.05）UN。,08h U（A） = （0.991.09）UN,824h U（A） = （1.051.15）UN,华南热带农业大学,25,2020/8/3,二、中枢点的电压管理,图9-11简单电力系统电压损耗 （b）日负荷曲线 （c）电压损耗曲线,为满足负荷B的调压要求，中枢

13、点O电压应控制的变化范围为：,016h U（B） = （0.961.06）UN,综合考虑负荷A和B，供电电压的允许变化范围如图,1624h U（B） = （0.981.08）UN,华南热带农业大学,26,2020/8/3,二、中枢点的电压管理,分析得到中枢点0的电压允许变化范围：,图9-12中枢点电压允许变化范围,由图可知，尽管A和B两点的允许电压偏移量都是+5%，但由于两个负荷的变化规律不同，从而在某些时间段，中枢点的电压允许变化范围很小。因此仅靠控制中枢点的电压不能保证负荷对电压的要求，必须采取其它措施。,华南热带农业大学,27,2020/8/3,二、中枢点的电压管理,中枢点调压方式：,逆

14、调压：在最大负荷时，升高中枢点电压，在最小负荷时，降低中枢点电压。,常调压：不管中枢点的负荷怎样变动，都要保持中枢点的电压偏差为恒定值。（线路额定电压的102%105%之间）,顺调压：（发电机端电压一定）在最大负荷时，降低中枢点电压，在最小负荷时，升高中枢点电压。（线路额定电压的102.5%107.5%之间）,华南热带农业大学,28,2020/8/3,三、电力系统的调压措施,改变发电机端电压；,以图示电力系统说明调压措施依据的基本原理：,由此式可知，可采取的调压措施：,b点电压：,改变变压器的变比；,增设无功补偿装置，以减少网络传输的无功功率；,改变输电线路的参数。,华南热带农业大学,29,2

15、020/8/3,1.利用发电机调压,产生电压偏差的主要原因是正常的负荷电流或故障电流在系统各元件上流过时所产生的电压损失所引起的。,实际电压偏高或偏低，对运行中的电气设备会造成不良影响。,电网负荷增加时，电力网电压损耗增加，用户端电压降低，此时增加发电机励磁电流，提高发电机的端电压。,电网负荷减少时，电力网电压损耗减少，用户端电压升高，此时减少发电机励磁电流，降低发电机的端电压。,华南热带农业大学,30,2020/8/3,调压的基本方法：,2.改变变压器变比调压,改变变压器的变比可以升高或降低变压器次级绕组的电压。,进入变压器功率、高压侧母线电压、变压器阻抗已知。,变压器的高、中压绕组设有若干

16、分接头以实现调压。,分接头有多个对应变压器额定电压的分接头为主接头或主抽头。,以双绕组降压变压器分接头选择为例,华南热带农业大学,31,2020/8/3,2.改变变压器变比调压,归算到高压侧的变压器电压损失：,将变比公式代入得到高压侧分接头电压：,变压器二次侧电压：,变压器应满足通过任何功率时，使用一个分接头。即按通过最大负荷和最小负荷情况下的调压要求确定分接头电压。,华南热带农业大学,32,2020/8/3,2.改变变压器变比调压,高压侧分接头电压：,变压器通过最大负荷分接头电压：,变压器通过最小负荷分接头电压：,变压器通过最小、最大负荷用一个分接头，则,华南热带农业大学,33,2020/8

17、/3,3.利用无功功率补偿调压,改变变压器分接头并不能增加无功功率，当系统由于无功不足引起电压下降时，要从根本上解决问题，必须增设新的无功电源。,图示电力网，未装补偿装置，电力网首端电压：,装设无功补偿装置后电压：,华南热带农业大学,34,2020/8/3,3.利用无功功率补偿调压,首端电压保持不变：,无功补偿容量：,简化形式：,华南热带农业大学,35,2020/8/3,3.利用无功功率补偿调压,首端电压保持不变：,无功补偿容量：,简化形式：,华南热带农业大学,36,2020/8/3,3.利用无功功率补偿调压,（1）静止电容器容量的选择：,电容器作无功补偿时原则：最小负荷时将电容器全部切除，在

18、最大负荷时全部投入的运行方式。,按最大负荷时的调压要求计算无功补偿容量：,按最小负荷时确定变压器分接头：,华南热带农业大学,37,2020/8/3,4.改变输电线路的参数调压（配电线路）,从电压损耗的计算公式可知，改变网络元件的电阻和电抗都可以改变电压损耗，从而达到调压的目的。,10KV及以下线路：可考虑增大导线截面以减小线路的电阻。,图示线路未装设串联电容时，线路的电压损耗：,10KV及以上线路：采用串联电容的方法减小电抗。,华南热带农业大学,38,2020/8/3,4.改变输电线路的参数调压,从电压损耗的计算公式可知，改变网络元件的电阻和电抗都可以改变电压损耗，从而达到调压的目的。,10K

19、V及以下线路：可考虑增大导线截面以减小线路的电阻。,图示线路未装设串联电容时，线路的电压损耗：,10KV及以上线路：采用串联电容的方法减小电抗。,华南热带农业大学,39,2020/8/3,电力系统调压：,发电机调压适用于地方性电网，区域性电网作为辅助调压措施；,当系统无功功率充足时，应考虑采用改变变压器变比调压；当系统无功功率不足时，不宜采用改变变压器变比调压；,串联电容用于配电网的调压。,当系统无功功率不足时，须增设无功补偿容量；,华南热带农业大学,40,2020/8/3,一、电力网的电能损耗,1电能损耗产生原因,电力网在运行时，由于电流或功率通过输电线和变压器要产生电能损耗。,第三节 电力

20、网运行的经济性,电力系统运行的经济性主要反映在发电成本和网络的电能损耗上。本节分析电力网电能损耗的计算和降低电能损耗的措施。,变压器的等值电路,华南热带农业大学,41,2020/8/3,1电能损耗产生原因,固定损耗：在导线和变压器的等值电路中并联电导中的有功损耗（与施加于元件的电压相关，而与通过功率无关），如输电线的电晕损耗、变压器的铁心损耗。由于元件电压不允许偏离额定值太大，因此这部分损耗基本不变。,从元件等值电路的角度分析，电能损耗由两部分组成：,可变损耗：在导线和变压器电阻上的损耗（与电流或输送功率密切相关）；,华南热带农业大学,42,2020/8/3,（1）线路的电能损耗（电晕损耗可不

21、计）,（）变压器的电能损耗（有功功率损耗）,铁心中的有功功率损耗，即铁损 :当外加电压和频率不变时， 是固定不变的，与负荷大小无关不变损耗。,变压器的空载损耗 可认为就是铁耗，即,2 电能损耗计算,消耗在一、二次线圈电阻上的有功功率损耗，即铜耗 :,华南热带农业大学,43,2020/8/3,（）变压器的电能损耗（有功功率损耗）,消耗在一、二次线圈电阻上的有功功率损耗，即铜耗 :,与负荷电流（或功率）的平方成正比。可变损耗,变压器的电能损耗：,（3）最大负荷损耗时间法计算电能损耗,最大负荷损耗时间的含义：如果网络输送的功率始终保持为最大负荷功率，经过时间后，网络中产生的电能损耗与按实际负荷曲线运

22、行在全年内所产生的电能损耗恰好相等。,华南热带农业大学,44,2020/8/3,（3）最大负荷损耗时间法计算电能损耗,输电线路全年的电能损耗 ：,若运行电压接近于维持恒定，则,因此，最大负荷损耗时间可用最大负荷利用小时数反映出来。,华南热带农业大学,45,2020/8/3,（3）最大负荷损耗时间法计算电能损耗,最大负荷损耗时间,图9-17 与Tmax关系曲线,根据Tmax和用户的功率因数由图表查出最大负荷损耗时间即可计算输电线电能损耗。,华南热带农业大学,46,2020/8/3,（3）最大负荷损耗时间法计算电能损耗,变压器全年的电能损耗 ：,若多台变压器并联运行则电能损耗：,最大负荷损耗时间与

23、最大负荷利用小时数的区别。,华南热带农业大学,47,2020/8/3,二、降低电能损耗的技术措施,1.对电网进行技术改造，需要投资。,提高电力网负荷的功率因数：,2.合理组织电网运行方式（不增加或少增加投资）,功率因数低的不良影响,a使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大。,因为功率因数越低，在保证输送同样的有功功率时，系统中输送的总电流越大，从而使输电线路上的功率损耗和电能损耗增加。,b使供电网络的电压损失增大，影响负荷端的电压质量。,华南热带农业大学,48,2020/8/3,c使供电网络的电压损失增大，影响负荷端的电压质量。,d使供配电设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。,4使发电机

24、的出力下降，发电设备效率降低，发电成本提高。,由于发电机、变压器都有一定的额定电压和额定电流，在正常情况下不允许超过额定值，根据 ，功率因数越低，输出的有功功率越小，使设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。,当有功功率保持不变时，功率因数越低，无功电流越大，对发电机转子的去磁效应越大，端电压越低，发电机就达不到预定的出力。,由于 ，当P、R、X 一定时，功率因数越低，Q越大，则 越大。,功率因数低的不良影响,华南热带农业大学,49,2020/8/3,无功功率补偿,功率因数的计算,瞬时功率因数：,可由功率因数表（相位表）直接读出，或由电压表、电流表和功率表在同一时刻的读数按下式求出：,指某

25、一规定时间内，功率因数的平均值。其计算公式为：,均权功率因数：,瞬时功率因数值代表某一瞬间状态的无功功率的变化情况,式中， Wp为某一时间内消耗的有功电能（kWh）；Wq为同一时间内消耗的无功电能（kvarh）。,华南热带农业大学,50,2020/8/3,我国供电部门每月向工业用户收取电费，就是按月均权功率因数的高低来调整的。并规定：高压供电的用户，其功率因数不应低于0.9，其他电力用户的功率因数不应低于0.85。若达不到以上要求，应进行人工补偿，否则要加收电费。,如何提高功率因数：,合理选择异步电动机的容量和运行方式；,实行无功的就地补偿。,华南热带农业大学,51,2020/8/3,采用移相

26、电容器（即静电电容器）,采用同步电动机,采用同步调相机,静电电容器具有重量轻、安装方便、投资小、故障范围小、有功功率损耗小、易于维护等优点，是目前工业企业中应用最广泛的无功补偿装置。,调节同步电动机的励磁电流，使其在超前功率因数下运行，就能向电网输送无功功率，因而能提高企业的功率因数。,同步调相机实质上是空载运行的同步电动机，专门向电网输送无功功率，大容量的同步调相机主要装设在电力系统的区域性变电所，作为该地区的无功补偿电源，用于提高该地区的功率因数和电压质量。,实行无功的就地补偿,华南热带农业大学,52,2020/8/3,电容器并联补偿的工作原理,在工业企业中，绝大部分电气设备的等值电路可视为电阻R和电感L的串联电路，其功率因数可表示为：,当在R、L电路中并联接入电容器C后，如图所示，回路电流为：,图 电容器无功补偿原理图,华南热带农业大学,53,2020/8/3,可见，并联电容器后 与 之间的夹角变小了，因此，供电回路的功率因数提高了。,欠补偿 ：补偿后电流 落后电压 ，如图所示。,过补偿 ：补偿后电流 超前电压 ，如图所示。,电容器的接线方式与装设位置,一般都不采用过补偿，因为这将引起变压器二次侧电压的升高，会增大电容器本身的损耗，使温升增大，电容器寿命降低，同时还会使线路上的电能损耗增加。,1电容器的接线方式,低压电容器一般接成三角形。高压电容器组宜接成星