电力完整系统稳态分析课程教案.docx
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电力完整系统稳态分析课程教案
《电力系统稳态分析》课程教案
第一章电力系统的基本概念
一.基本概念
二.电力系统的结线方式
三.电压等级及适用范围
四.电力系统中性点的运行方式
五.各类发电厂的运行特点
一.基本概念
⏹电力系统——是由发电厂、输电线、配电系统及负荷组成的。
是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。
⏹电力网络——是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。
⏹总装机容量——指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和,以千瓦(KW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)为单位计。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
⏹年发电量——指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和,以千瓦时(KWh)、兆瓦时(MWh)、吉瓦时(GWh)为单位计。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
⏹最大负荷——指规定时间内,电力系统总有功功率负荷的最大值,以千瓦(KW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)为单位计。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
⏹额定频率——按国家标准规定,我国所有交流电力系统的额定功率为50Hz。
⏹最高电压等级——是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。
按对供电可靠性的要求将负荷分为三级
⏹一级负荷:
对这一级负荷中断供电,将造成人身事故,经济严重损失,人民生活发生混乱。
⏹二级负荷:
对这一级负荷中断供电,将造成大量减产,人民生活受影响。
⏹三级负荷:
所有不属于一、二级的负荷。
二.电力系统的结线方式
包括单回路放射式、干线式和链式网络
优点:
简单、经济、运行方便
无备用结线缺点:
供电可靠性差
适用范围:
二级负荷
包括双回路放射式、干线式和链式网络
优点:
供电可靠性和电压质量高
有备用结线缺点:
不经济
适用范围:
电压等级较高或重要的负荷
三.电压等级及适用范围
⏹说明:
⏹用电设备的容许电压偏移一般为±5%;
⏹沿线路的电压降落一般为10%;
⏹在额定负荷下,变压器内部的电压降落约为5%。
⏹电力网络中电压分布采取的措施:
⏹取用电设备的额定电压为线路额定电压,使所有设备能在接近它们的额定电压下运行;
⏹取线路始端电压为额定电压的105%;
⏹取发电机的额定电压为线路额定电压的105%;
⏹变压器分升压变和降压变考虑一次侧接电源,取一次侧额定电压等于用电设备额定电压;二次侧接负荷,取二次侧额定电压等于线路额定电压。
酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
变压器的电压等级
⏹升压变压器(例如35/121,10.5/242)
•一次侧(低压侧)接电源,相当于用电设备,一次侧额定电压等于用电设备的额定电压;
•直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压等于发电机的额定电压;
•二次侧(高压侧)接线路始端,向负荷供电,相当于发电机,应比线路的额定电压高5%,加上变压器内耗5%,所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。
彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
⏹降压变压器(110/38.5,220/38.5)
•一次侧(高压侧)接线路末端,相当于用电设备,一次侧额定电压等于用电设备的额定电压;
•二次侧(低压侧)向负荷供电,相当于发电机,应比线路的额定电压高5%,加上变压器内耗5%,所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。
謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
四.电力系统中性点的运行方式
特点:
供电可靠性低,比较经济;
直接接地故障时:
如发生接地故障,则构成短路回路,接地相
电流很大;
适用范围:
110KV以上系统。
特点:
供电可靠性高,绝缘费用高;
故障时:
如发生接地故障,不必切
不接地除接地相,但非接地相对地电压为
相电压
适用范围:
60KV以下系统
1.中性点经消弧线圈接地(电抗线圈)
中性点不接地方式
2.中性点经非线性电阻接地
过补偿(总电流为感性)欠补偿(总电流为容性)
五.各类发电厂的分类和运行特点
⏹火电厂的分类
▪高温高压火电厂
▪中温中压火电厂
▪低温低压火电厂
▪供热式火电厂
⏹火电厂的运行特点
▪锅炉(25%-70%)和汽轮机(10%-15%)都有一个技术最小负荷;
▪锅炉和汽轮机退出和投入都耗时耗能;
▪负荷变动剧烈变动也耗时耗能。
⏹水电厂分类(根据水库自然来水量和水库库容)
▪固定水头水电厂
▪变水头水电厂
▪梯级水电厂
▪径流式水电厂
▪抽水蓄能式水电厂
⏹水电厂的运行特点
▪为了综合利用水能,必须向下游释放一定的水量
▪水轮机退出运行和再度投入不需要耗费很多能量和时间,且操作简单
▪要受水电厂水头影响
⏹原子能发电厂的特点:
▪反应堆的负荷基本上没有限制
▪反应堆和汽轮机退出和投入都耗时耗能
▪原子能发电厂的一次投资大,运行费用小
第二章电力系统各元件的特性和数学模型
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
二.电力网络的数学模型
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,容性无功厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
第一节发电机组的运行特性和数学模型
一.隐极发电机稳态运行时的相量图和功角特性
隐极式发电机功率特性方程:
二.隐极发电机组的运行限额和数学模型
⏹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O’B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。
⏹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。
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
⏹三绕组变压器的参数和数学模型
⏹自耦变压器的参数和数学模型
一.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:
•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:
⏹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:
⏹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:
二.三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
•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
⏹对于100/50/100或100/100/50
首先,将含有不同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。
⏹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:
2.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
三.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。
茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
v对于旧标准:
v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。
第二章电力系统各元件的特性和数学模型
一.电力线路的参数和数学模型
二.负荷的参数和数学模型
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
1.架空线路的导线和避雷线
v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:
LGJ—400/50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。
v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。
2.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。
3.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
•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
铜的电阻率为18.8
考虑温度的影响则:
2.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:
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
•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:
4.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。
5.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。
鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
•电力线路的导纳
•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
•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。
籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
确定由于电晕产生的电导,其步骤如下:
1.确定导线表面的电场强度
2.电晕起始电场强度
3.,得电晕起始电压或临界电压
4.每相电晕损耗功率
5.求线路的电导
6.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
四.电力线路的数学模型
电力线路的数学模型是以电阻、电抗、电纳和电导来表示线路的等值电路。
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地集中起来的电路表示。
2)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。
v精确型
根据双端口网络理论可得:
v简化型
Ø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。
•自然功率:
当负荷阻抗为波阻抗时,该负荷所消耗的功率。
二.负荷的参数和数学模型
⏹负荷用有功功率P和无功功率Q来表示。
第二章电力系统各元件的特性和数学模型
一.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
•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
4)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。
⏹标幺制的优点:
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:
v基准值的单位应与有名值的单位相同
v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=参数和变量归算的额定电压
2.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
v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。
預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
v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。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
3.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:
⏹电力网络中应用等值变压器模型的计算步骤:
v有名制、线路参数都未经归算,变压器参数则归在低压侧。
v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。
v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。
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。
•标准变比
•有名制:
归算参数时所取的变比
•标幺制:
归算参数时所取各基准电压之比
•非标准变比k*
k*=UIINUI/UIIUIN
4.电力网络的数学模型
⏹制定电力网络等值电路模型的方法分两大类:
–有名制
–标幺制
⏹对于多电压级网络,因采用变压器模型不同分两大类:
1)应用等值电路模型时,所有参数和变量都要作电压级归算
2)应用等值变压器模型时,所有参数和变量可不进行归算
第三章简单电力网络的计算和分析
•电力线路和变压器的运行状况的计算和分析
•简单电力网络的潮流分布和控制
电力网络特性计算所需的原始数据:
⏹用户变电所的负荷功率及其容量
⏹电源的供电电压和枢纽变电所的母线电压
⏹绘制等值电路所需的各元件参数和相互之间的关联、关系等等
第一节电力线路和变压器运行状况的计算和分析
一.电力线路运行状况的计算和分析
•电力线路功率的计算
已知条件为:
末端电压U2,末端功率S2=P2+jQ2,以及线路参数。
求解的是线路中的功率损耗和始端电压和功率。
铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
解过程:
从末端向始端推导。
1)
•阻抗支路末端功率
•阻抗支路中损耗的功率
•阻抗支路始端功率
•始端导纳支路的功率
•始端功率
•电力线路电压的计算
同样的问题
其幅值为:
相角为:
简化为:
•从始端向末端推导
已知条件为:
始端电压U1,始端功率S1=P1+jQ1,以及线路参数。
求解的是线路中的功率损耗和末端电压和功率。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
功率的求取与上相同
电压的求取应注意符号
•电压质量指标
•电压降落:
指线路始末两端电压的相量差。
为相量。
•电压损耗:
指线路始末两端电压的数值差。
为数值。
标量以百分值表示:
•电压偏移:
指线路始端或末端电压与线路额定电压的数值差。
为数值。
标量以百分值表示:
•电压调整:
指线路末端空载与负载时电压的数值差。
为数值。
标量以百分值表示:
•电力线路上的电能损耗
•最大负荷利用小时数Tmax:
指一年中负荷消费的电能W除以一年中的最大负荷Pmax,即:
•年负荷率:
一年中负荷消费的电能W除以一年中的最大负荷Pmax与8760h的乘积,即:
•年负荷损耗率:
全年电能损耗除以最大负荷时的功率损耗与8760h的乘积,即:
•最大负荷损耗时间:
全年电能损耗除以功率损耗,即:
求取线路全年电能损耗的方法有以下两个:
⏹根据最大负荷损耗率计算:
⏹根据最大负荷损耗时间计算:
•电能经济指标
•输电效率:
指线路末端输出有功功率与线路始端输入有功功率的比值,以百分数表示:
•线损率或网损率:
线路上损耗的电能与线路始端输入的电能的比值
•电力线路运行状况的分析
•空载:
末端电压可能高于始端,即产生电压过高现象。
•有载:
与发电机极限图相类似。
二.变压器运行状况的计算和分析
•变压器中的电压降落、功率损耗和电能损耗
用变压器的型电路
•功率
•变压器阻抗支路中损耗
的功率
•变压器励磁支路损耗的功率
•变压器始端功率
•电压降落(为变压器阻抗中电压降落的纵、横分量)
注意:
变压器励磁支路的无功功率与线路导纳支路的无功功率符号相反
•电能损耗
•与线路中的电能损耗相同(电阻中的损耗,即铜耗部分)
•电导中的损耗,即铁耗部分,近似取变压器空载损耗P0与变压器运行小时数的乘积,变压器运行小时数等于8760h减去因检修等而退出运行的小时数。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
•根据制造厂提供的试验数据计算其功率损耗
进一步简化:
要注意单位间的换算。
第二节辐射形网络中的潮流计算
•功率的计算
电力网络的功率损耗由各元件等值电路中不接地支路阻抗损耗和接地支路导纳损耗构成。
•阻抗损耗
•导纳损耗
▪输电线
▪变压器
•电压的计算
当功率通过元件阻抗(Z=R+jX)时,产生电压降落
注意:
要分清楚从受电端计算还是从送电端计算
•潮流的计算
已知条件往往是送电端电压U1和受电端负荷功率S2以及元件参数。
求解各节点电压、各元件流过的电流或功率。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
计算步骤:
•根据网络接线图以及各元件参数计算等值电路,并将等值电路简化。
•根据已知的负荷功率和网络额定电压,从受电端推算到送电端,逐一近似计算各元件的功率损耗,求出各节点的注入和流出的功率,从而得到电力网络的功率分布。
蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
注意:
第二步只计算功率分布,第三步只计算电压分布,因此,这是一种近似计算方法,若要计算结果达到精度要求,可反复上列步骤,形成一种迭代算法,直到精度满足要求为止,只是在迭代计算中,第二步不再用额定电压,而用在上次计算中得到的各点电压近似值进行计算。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
第三章简单电力网络的计算和分析
•电力线路和变压器的运行状况的计算和分析
•简单电力网络的潮流分布和控制
第三节环形网络中的潮流计算
•介绍的是最简单的单一环网,主要由一个电源供电
第一步:
将单一环网等值电路简化为只有线路阻抗的简化等值电路。
v根据网络接线图以及各元件参数计算等值电路;
v以发电机端点为始端,并将发电厂变压器的励磁支路移至负荷侧;
v将同一节点下的对地支路合并,并将等值电路图重新编号;
v在全网电压为额定电压的假设下,计算各变电所的运算负荷和发电厂的运算功率,并将它们接在相应节点。
第二步:
用简化的回路电流法解该简化等值电路
通过近似方法,从功率中求取相应的电流,电压近似认为是额定电压:
第三步:
用相同的方法求解
第四步:
计算整个网络的功率分布
由此,扩展到相应的多节点网络的计算当中:
重要概念
⏹功率分点:
网络中某些节点的功率是由两侧向其流动的。
分为有功分点和无功分点。
⏹在环网潮流求解过程中,在功率分点处将环网解列。
⏹当有功分点和无功分点不一致时,将在哪一个分点解列?
在无功分点处解列,因为电网应在电压最低处解列,而电压的损耗主要为由无功功率流动引起的,无功分点的电压往往低于有功分点的电压。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
2.两端供电网络中的功率分布
回路电压为0的单一环网等值于两端电压大小相等、相位相同的两端供电网络。
同时,两端电压大小不相等、相位不相同的两端供电网络,也可等值于回路电压不为0的单一环网。
驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
以回路电压不为0的单一环网为例,其求解过程为:
•设节点1、4的电压差为:
•用简化的回路电流法解简化等值电路
•通过近似方法,从功率中求取相应的电流,电压近似认为是额定电压:
⏹流经阻抗Z12功率为:
⏹流经阻抗Z43功率为:
•计算各线段的电压降落和功率损耗,过程为:
求得网络功率分布后,确定其功率分点以及流向功率分点的功率,在功率分点即网络最低电压点将环网解开,将环形网络看成两个辐射形网络,由功率分点开始,分别从其两侧逐段向电源端推算电压降落和功率损耗。
猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
第四节
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