電氣工程基礎(chǔ) 課件 第4章 電力系統(tǒng)控制

第四章電力系統(tǒng)控制第一節(jié)電力系統(tǒng)的有功功率及頻率控制第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率及電壓控制第三節(jié)簡單電力系統(tǒng)的有功與無功功率分配

第一節(jié)

電力系統(tǒng)的有功功率及頻率控制

一、

頻率調(diào)整的基本概念

1.頻率調(diào)整的必要性電力系統(tǒng)中許多設(shè)備的運行狀況都與頻率密切相關(guān)，所以必須保持頻率在額定值50Hz上下，偏移不超過一定范圍。頻率波動對用戶、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身都會產(chǎn)生不良影響，具體如下：

用戶使用的電動機的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān)，頻率變化將引起電動機轉(zhuǎn)速的變化從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。例如，紡織工業(yè)、造紙工業(yè)等都將因頻率變化而出現(xiàn)殘次品。

近代工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)都已廣泛使用電子設(shè)備，系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定將會影響電子設(shè)備的工作。雷達(dá)、計算機等重要設(shè)施將因頻率過低而無法運行。

頻率變動對發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身也有影響：火力發(fā)電廠的主要廠用機械——風(fēng)機和泵，在頻率降低時，所能供應(yīng)的風(fēng)量和水量將迅速減少，影響鍋爐的正常運行。

低頻率運行時，汽輪機葉片所受的應(yīng)力將增加，會引起葉片的共振，縮短葉片的壽命，甚至使葉片斷裂。

低頻率運行時，發(fā)電機的通風(fēng)量將減少，而為了維持正常電壓，又要求增加勵磁電流，以致使發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子的溫升都將增加。為了不超越溫升限額，不得不降低發(fā)電機所發(fā)功率。

低頻率運行時，由于磁通密度的增大，變壓器的鐵芯損耗和勵磁電流都將增大。為了不超越溫升限額，不得不降低變壓器的負(fù)荷。

頻率降低時，系統(tǒng)中的無功功率負(fù)荷將增大。而無功功率負(fù)荷的增大又將促使系統(tǒng)電壓水平的下降。

總之，由于所有設(shè)備都是按系統(tǒng)額定頻率設(shè)計的，系統(tǒng)頻率質(zhì)量的下降將影響各行各業(yè)，而頻率過低時，甚至?xí)拐麄€系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。

2.有功功率負(fù)荷的變動和調(diào)整控制

電力系統(tǒng)作為一個動態(tài)平衡的網(wǎng)絡(luò)，額定工況下所有的發(fā)電機以額定轉(zhuǎn)速同步運行，一起產(chǎn)生有功功率，并在每一時刻被所有的負(fù)荷及網(wǎng)絡(luò)損耗所消耗。系統(tǒng)頻率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)原動機的輸入功率與發(fā)電機輸出的電磁功率相平衡時，能維持發(fā)電機一定的轉(zhuǎn)速和頻率。但由于電能傳輸速度快、存儲難度大，而電力系統(tǒng)的負(fù)荷是時刻變化的，功率平衡并不能隨時維持，系統(tǒng)負(fù)荷的任何變化都會影響發(fā)電機的電磁功率，從而影響轉(zhuǎn)速(頻率)。電力系統(tǒng)中的負(fù)荷無時無刻不在變動，它的實際變動規(guī)律曲線如圖4-1所示。圖4-1有功功率負(fù)荷的變動

深入分析這種不規(guī)則的負(fù)荷變動規(guī)律可見，它其實是幾種負(fù)荷變動規(guī)律的綜合。換句話說，可以將這種不規(guī)則的負(fù)荷變動規(guī)律分解為幾種有規(guī)律可循的負(fù)荷變動。如圖4-1

中，根據(jù)負(fù)荷變化的幅度大小及周期，可將其分解為以下三種：

第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負(fù)荷變動有很大的偶然性，如圖4-1中的P1，是變化周期在10s以內(nèi)的隨機負(fù)荷。

第二種變動幅度越大，周期也越長，主要有電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負(fù)荷變動。如圖4-1中的P2，是變化周期在10~180s、幅度較大的負(fù)荷。

第三種變動幅度最大，周期也最長，是由生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動。如圖4-1中的P3，產(chǎn)生的原因包括工廠的作息制度、人員生活習(xí)慣或氣象條件變化等。這種負(fù)荷變動基本上可以預(yù)計。

簡而言之，電力系統(tǒng)負(fù)荷變動的幅度越大，周期就越長。對應(yīng)負(fù)荷的變動規(guī)律，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分一次、二次、三次調(diào)整三種，如圖4-2所示。圖4-2調(diào)頻任務(wù)的分配

二、

電力系統(tǒng)的頻率特性

電力系統(tǒng)的頻率特性是電力系統(tǒng)中頻率調(diào)整的依據(jù)。這里所謂頻率特性，是指有功功率

頻率靜態(tài)特性，包括系統(tǒng)負(fù)荷的頻率特性與發(fā)電機組的頻率特性。

1.電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的有功功率

頻率靜態(tài)特性

描述電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率隨頻率變化的關(guān)系曲線，稱為電力系統(tǒng)負(fù)荷的有功功率靜態(tài)特性，簡稱為負(fù)荷的頻率特性。

電力系統(tǒng)負(fù)荷的功頻特性依賴于負(fù)荷的構(gòu)成，其中包括與頻率變化無關(guān)的負(fù)荷，如照明等電阻性負(fù)荷；與頻率變化成正比的負(fù)荷，如驅(qū)動磨粉機的固定力矩電機等；與頻率高次方成正比的負(fù)荷，如拖動鼓風(fēng)機、離心水泵的異步電動機等。負(fù)荷的頻率特性主要取決于異步電動機，整體上呈現(xiàn)非線性關(guān)系。但在實際系統(tǒng)中允許的頻率變化范圍很小，在額定頻率附近系統(tǒng)負(fù)荷與頻率近似呈線性關(guān)系，如圖4-3所示。圖4-3負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性

由圖4-3中的負(fù)荷頻率特性P2可知，當(dāng)頻率由fN升高到f1時，負(fù)荷有功功率就自動由PLDN增加到PLD1；反之，負(fù)荷有功功率就自動減少。負(fù)荷有功功率隨頻率變化的大小由圖4-3中直線的斜率確定，具體為

式中，ΔPL

為有功負(fù)荷變化量(MW)；Δf為頻率變化量(Hz)；kLD為有功負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)(MW/Hz)，表示負(fù)荷隨頻率的變化程度。

若將式(4-1)中的ΔPL

和Δf

分別以額定有功負(fù)荷和額定頻率為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值表示，則頻率靜態(tài)特性斜率的標(biāo)幺值為

式中，kLD*

為有功負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)的標(biāo)幺值。當(dāng)頻率下降時，負(fù)荷吸收的有功功率自動減小；當(dāng)頻率上升時，負(fù)荷吸收的有功功率自動增加，這種特性有利于系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

2.發(fā)電機組的有功功率

頻率靜態(tài)特性

電力系統(tǒng)的負(fù)荷功率是靠發(fā)電機組供給的，當(dāng)有功負(fù)荷發(fā)生變化時，發(fā)電機組輸出的有功功率應(yīng)隨之發(fā)生變化，以保證頻率偏移不超出允許范圍。發(fā)電機組輸出的有功功率與頻率之間的關(guān)系稱為發(fā)電機組有功功率

頻率靜態(tài)特性，簡稱發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性。

1)發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性取決于原動機的自動調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)電機組的速度調(diào)節(jié)主要組成部分是調(diào)速器和調(diào)頻器。原動機調(diào)速系統(tǒng)可分為機械液壓和電氣液壓兩大類。以下就以圖4-4所示離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)為例，介紹頻率調(diào)整。圖4-4-離心飛擺式調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2)發(fā)電機組的有功功率

頻率靜態(tài)特性

通過以上分析可以看出，當(dāng)負(fù)荷功率增加時，通過調(diào)速器調(diào)整原動機的輸出功率，使其輸出功率增加，可使頻率回升，但仍低于初始值；當(dāng)負(fù)荷功率減少時，通過調(diào)速器調(diào)整原動機的輸出功率，使其輸出功率減少，頻率就會下降，但仍高于初始值。發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性如圖4-5所示。圖4-5發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性

其輸出有功功率大小隨頻率變化的關(guān)系可由圖4-5中直線的斜率來確定，即

式中，kG

為發(fā)電機組的單位調(diào)節(jié)功率(MW/Hz或kW/Hz)；ΔPG

為發(fā)電機組輸出有功功率的變化量(MW或kW)；Δf為頻率變化量(Hz)；負(fù)號表示ΔPG

的變化與Δf

的變化相反。

以PGN(發(fā)電機組輸出的額定有功功率)和fN為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值表示，則有

或

式中，kG*

為發(fā)電機組單位調(diào)節(jié)功率的標(biāo)幺值，亦稱發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性系數(shù)。

這種依靠發(fā)電機組調(diào)速器自動調(diào)節(jié)發(fā)電機組有功功率輸出的過程稱為一次頻率調(diào)整。一次調(diào)頻只能實現(xiàn)有差調(diào)頻；負(fù)荷變動時，除了已經(jīng)滿載運行的機組外，系統(tǒng)中的每臺機組都將參與一次調(diào)頻。

3)發(fā)電機組的同步器

一次調(diào)頻后，若不能保證頻率偏移在允許范圍內(nèi)，通常就需要有“二次調(diào)整”，“二次調(diào)整”是借同步器(調(diào)頻器)完成的。

結(jié)構(gòu)如圖4-4的裝置5所示，同步器由伺服電動機、蝸輪、蝸桿等裝置組成。在人工操作或自動裝置控制下，伺服電動機既可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)，通過蝸輪、蝸桿將D點抬高或降低。

二次調(diào)頻的效果就是平行移動發(fā)電機組的功頻靜態(tài)特性，若將圖4-5中的功頻靜態(tài)特性由曲線1平行移到曲線2，就可使發(fā)電機在負(fù)荷增加ΔPG后仍能在額定頻率下運行。所以，通過二次調(diào)頻，可以實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)。二次調(diào)頻是在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，由一個或數(shù)個發(fā)電廠來承擔(dān)的。

三、

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整

1.頻率的一次調(diào)整

負(fù)荷變化引起頻率偏差時，系統(tǒng)中的負(fù)荷及裝有調(diào)速器且留有可調(diào)容量的發(fā)電機組會依據(jù)各自的功頻靜態(tài)特性自動參加頻率調(diào)整，這就是電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整。一次調(diào)整

只能做到有差調(diào)節(jié)。

以單機負(fù)荷為例，負(fù)荷和電源的有功功率靜態(tài)頻率特性已知，發(fā)電機組原動機的頻率特性和負(fù)荷頻率特性的交點就是系統(tǒng)的原始運行點，如圖4-6中的點Q。設(shè)在點Q

運行時負(fù)荷突然增加ΔPLQ，即負(fù)荷的頻率特性突然向上移動ΔPLQ，而發(fā)電機組功率不能及時隨之變動，機組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。在系統(tǒng)頻率下降的同時，發(fā)電機組的功率將因它的調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負(fù)荷的功率將因它本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少。前者沿原動機的頻率特性向上增加，后者沿負(fù)荷的頻率特性向下減少，經(jīng)過一個衰減的振蕩過程，抵達(dá)一新的平衡點，即圖4-6中點Q'。圖4-6頻率的一次調(diào)整

由于圖4-6中QA=QB+BA=B'Q'-B'A'，而

B'Q'=ΔPG=-kGΔf，B'A'=ΔPL=kLDΔf，QA=ΔPLQ，可得

或

式中，kS稱為系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率，也以MW/Hz或MW/(0.1Hz)為單位。系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率也可用標(biāo)幺值表示。以標(biāo)幺值表示時的基準(zhǔn)功率通常就取系統(tǒng)原始運行狀態(tài)下的總負(fù)荷。因此從這個系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率kS

可求取在允許的頻率偏移范圍內(nèi)系統(tǒng)能承受多大的負(fù)荷。

當(dāng)系統(tǒng)中有n

臺機組運行時，系統(tǒng)所有發(fā)電機組的等值單位調(diào)節(jié)功率為kG∑

。這種情況下，電力系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率kS

的計算式為

2.頻率的二次調(diào)整

如圖4-7中，若不進(jìn)行二次調(diào)整，則在負(fù)荷增大ΔPLQ

后，運行點將轉(zhuǎn)移到Q'，即頻率將下降為f'Q，功率將增加為P'Q

。在一次調(diào)整的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次調(diào)整就是在負(fù)荷變動引起的頻率下降Δf'越出允許范圍時，操作調(diào)頻器增加發(fā)電機組發(fā)出的功率，使頻率特性向上移動。設(shè)發(fā)電機組增發(fā)ΔPGQ，則運行點又將從點Q'轉(zhuǎn)移到點Q″。點Q″對應(yīng)的頻率為f″Q、功率為P″Q，即頻率下降。由于進(jìn)行了二次調(diào)整由僅有一次調(diào)整時的Δf'減少為Δf″，可以供應(yīng)負(fù)荷的功率則由僅有一次調(diào)整時的P'Q

增加為P″Q

。顯然，由于進(jìn)行了二次調(diào)整，系統(tǒng)的運行質(zhì)量有了改善。

由圖4-7可見，只進(jìn)行一次調(diào)整時，負(fù)荷的原始增量ΔPLQ

可分解為兩部分：一部分是因調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機組功率-kGΔf'(圖中B'Q')；另一部分是因負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率kLDΔf'(圖中

B'A')。進(jìn)行二次調(diào)整時，這個負(fù)荷增量ΔPLQ

可分解為三部分：一部分是由于進(jìn)行了二次調(diào)整，發(fā)電機組增發(fā)的功率ΔPGQ(圖中QC)；第二部分仍是由于調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機組功率-kGΔf″(圖中CB=B″C″)；第三部分仍是由于負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減少的負(fù)荷功率kLDΔf″(圖中AB=B″A″)。

于是，類比式(4-7)可得

若ΔPLQ=ΔPGQ，即發(fā)電機組如數(shù)增發(fā)了負(fù)荷功率的原始增量ΔPLQ，則Δf=0，即實現(xiàn)了所謂無差調(diào)節(jié)，無差調(diào)節(jié)如圖4-7中虛線所示。圖4-7頻率的二次調(diào)整

如上的結(jié)論可推廣運用于系統(tǒng)中有n

臺機組，且由第n臺機組擔(dān)負(fù)二次調(diào)整任務(wù)的情況。由于這種情況相當(dāng)于有一臺機組進(jìn)行二次調(diào)整、n

臺機組進(jìn)行一次調(diào)整，從而類似式

(4-9)可直接列出

3.互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整

為討論這個問題，將一個系統(tǒng)分成兩部分或看作是兩個系統(tǒng)的聯(lián)合，如圖4-8所示。圖中kA、kB

分別為聯(lián)合前

A、B兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。而為使討論的結(jié)論有更普遍的意義，設(shè)

A、B兩系統(tǒng)中都沒有進(jìn)行二次調(diào)整的電廠，它們的功率變量分別為ΔPGA、ΔPGB；A、B兩系統(tǒng)的負(fù)荷變量則分別為ΔPLA、ΔPLB；設(shè)聯(lián)絡(luò)線上的交換功率PAB由

A向B流動時為正值。圖4-8兩個系統(tǒng)的聯(lián)合

例4.1

兩系統(tǒng)由聯(lián)絡(luò)線連接為一聯(lián)合系統(tǒng)正常運行時，聯(lián)絡(luò)線上沒有交換功率流通。兩系統(tǒng)的容量分別為1500MW和1000MW；各自的單位調(diào)節(jié)功率(分別以兩系統(tǒng)容量為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值)如圖4-9所示。設(shè)A系統(tǒng)負(fù)荷增加100MW，試計算下列情況下的頻率變量和聯(lián)絡(luò)線上流過的交換功率：

(1)A、B兩系統(tǒng)機組都參加一次調(diào)頻；

(2)A、B兩系統(tǒng)機組都不參加一次調(diào)頻；

(3)B系統(tǒng)機組不參加一次調(diào)頻；

(4)A系統(tǒng)機組不參加一次調(diào)頻。圖4-9兩個系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)頻舉例

解：將以標(biāo)幺值表示的單位調(diào)節(jié)功率折算為有名值。

(1)A、B兩系統(tǒng)機組都參加一次調(diào)頻時：

這種情況正常，頻率下降不多，通過聯(lián)絡(luò)線由B向A輸送的功率也不大。

(2)A、B兩系統(tǒng)機組都不參加一次調(diào)頻時：

這種情況最嚴(yán)重，A、B兩系統(tǒng)的機組都已滿載，調(diào)速器受負(fù)荷限制器的限制已無法調(diào)整，只能依靠負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)。這時，系統(tǒng)頻率質(zhì)量無法保證。

(3)B系統(tǒng)機組不參加一次調(diào)頻時：

(4)A系統(tǒng)機組不參加一次調(diào)頻時：

4.主調(diào)頻廠的選擇

為了避免在頻率調(diào)整過程中發(fā)生過調(diào)或頻率長時間不能穩(wěn)定的現(xiàn)象，頻率的調(diào)整工作通常在各發(fā)電廠間進(jìn)行分工，實行分級調(diào)整，即將所有發(fā)電廠分為主調(diào)頻廠、輔助調(diào)頻廠和非調(diào)頻廠三類。

主調(diào)頻廠負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的頻率調(diào)整工作，一般由一個發(fā)電廠擔(dān)任。若主調(diào)頻廠不足以承擔(dān)系統(tǒng)的負(fù)荷變化，則輔助調(diào)頻廠參與頻率的調(diào)整，輔助調(diào)頻廠由1~2個發(fā)電廠承擔(dān)。非調(diào)頻廠一般不參與調(diào)頻，只按調(diào)度部門分配的負(fù)荷發(fā)電，因而又稱為基載廠(或固定功率發(fā)電廠)。

電力系統(tǒng)頻率主要靠主調(diào)頻廠負(fù)責(zé)調(diào)整，主調(diào)頻廠選擇的好壞直接關(guān)系到頻率的質(zhì)量。主調(diào)頻廠一般按下列條件選擇：

(1)具有足夠的調(diào)節(jié)容量和范圍；

(2)具有較快的調(diào)節(jié)速度；

(3)具有安全性與經(jīng)濟性。

除以上條件外，還應(yīng)考慮電源聯(lián)絡(luò)線上的交換功率是否會因調(diào)頻引起過負(fù)荷跳閘或失去穩(wěn)定運行，調(diào)頻引起的電壓波動是否在電壓允許偏移范圍之內(nèi)等。

當(dāng)正常運行的電力系統(tǒng)突然發(fā)生電源事故或系統(tǒng)解列事故，使頻率大幅度下降時，應(yīng)采取措施迅速使頻率恢復(fù)正常。通常應(yīng)在各級調(diào)度的統(tǒng)一指揮下，采用下列措施有步驟地進(jìn)行事故調(diào)頻；

(1)投入旋轉(zhuǎn)備用容量(或旋轉(zhuǎn)備用機組)，迅速啟動備用發(fā)電機組。

(2)切除部分負(fù)荷。

(3)選取合適地點，將系統(tǒng)解列運行。

(4)分離廠用電，以確保發(fā)電廠能迅速恢復(fù)正常，與系統(tǒng)并列運行。

四、

電力系統(tǒng)有功功率平衡及最優(yōu)分配

電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配有兩個主要內(nèi)容，即有功功率電源的最優(yōu)組合和有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配。

有功功率電源的最優(yōu)組合是指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠的合理組合，也就是通常所謂機組的合理開停。它大體上包括三個部分：機組的最優(yōu)組合順序、機組的最優(yōu)組合數(shù)量和機組的最優(yōu)開停時間。因此，簡言之，這一方面涉及的是電力系統(tǒng)中冷備用容量的合理組合問題。合理組合機組的方法主要有啟發(fā)式方法和優(yōu)化方法。最優(yōu)組合順序法是常用的一種啟發(fā)式方法。

1.有功功率平衡方程式及備用容量

為了保證頻率在額定值所允許的偏移范圍內(nèi)，電力系統(tǒng)運行中發(fā)電機組發(fā)出的有功功率必須和負(fù)荷消耗的有功功率平衡。通常有功功率平衡表示為

式中：∑PG

為所有發(fā)電機組有功功率之和：∑PLD

為所有負(fù)荷有功功率之和；∑ΔP

為網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗之和：∑PP

為所有發(fā)電廠廠用電有功功率之和。

為了保證供電的可靠性和良好的電能質(zhì)量，電力系統(tǒng)的有功功率平衡必須在額定參數(shù)下確定，而且還應(yīng)留有一定的備用容量，備用容量通常按用途或備用形式進(jìn)行分類。

1)按用途分類

(1)負(fù)荷備用，是指為了適應(yīng)實際負(fù)荷的經(jīng)常波動或一天內(nèi)計劃外的負(fù)荷增加而設(shè)置的各用容量。

(2)檢修備用，是指為了保證電力系統(tǒng)中的機組按計劃周期性地進(jìn)行檢修，又不影響此期間對用戶正常供電而設(shè)置的備用容量。

(3)事故備用，是指為了使電力系統(tǒng)在部分機組因系統(tǒng)或自身發(fā)生事故退出運行時，仍能維持系統(tǒng)正常供電所設(shè)置的備用容量。

(4)國民經(jīng)濟備用，是指計及負(fù)荷的超計劃增長而設(shè)置的備用容量。

2)按備用形式分類

(1)熱備用(或稱旋轉(zhuǎn)備用)。熱備用容量儲存于運行機組之中，能及時抵償系統(tǒng)的功率缺額。

(2)冷備用(或稱停機備用)。

2.各類發(fā)電廠的特點及其在負(fù)荷曲線中的位置

電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠主要有火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠和核電廠三類。

各類發(fā)電廠由于設(shè)備容量、機組型號、動力資源等方面的不同有著不同的技術(shù)、經(jīng)濟特性。為了提高系統(tǒng)運行的技術(shù)、經(jīng)濟特性，必須要注重各類發(fā)電廠的特點，合理地組織它們的運行方式，安排它們在電力系統(tǒng)日負(fù)荷曲線或年負(fù)荷曲線中的位置。

1)各類電廠運行特點

(1)火力發(fā)電廠的主要特點：

①

運行需支付燃料費用，占用國家的運輸能力，但運行不受自然條件的影響。

②

發(fā)電設(shè)備的效率受蒸汽參數(shù)的影響。高溫高壓設(shè)備的效率高，中溫中壓設(shè)備的效率次之，低溫低壓設(shè)備的效率低。

③

發(fā)電廠有功輸出功率受鍋爐和汽輪機的最小技術(shù)負(fù)荷的限制，調(diào)整范圍較小。機組的投入和退出運行需要時間長。

④

熱電廠除發(fā)電外還采用抽汽供熱，其總效率高于一般的凝汽式火電廠，但與熱負(fù)荷相應(yīng)的發(fā)電功率是不可調(diào)節(jié)的強迫功率。

(2)水利發(fā)電廠的主要特點：

①

不需要支付燃料費用，而且水能是可再生資源，但運行不同程度地受自然條件的影響。

②

功率調(diào)整范圍較寬，負(fù)荷增減速度快，機組的投入和退出運行費時少。

③

水利樞紐往往兼有發(fā)電、航運、防洪等多方面的效益，因而發(fā)電用水量通常要按水庫的綜合效益考慮，不一定能同電力負(fù)荷的需要相一致。

(3)核電廠的主要特點：

①

一次性投資大，運行費用小。

②

運行中不宜承擔(dān)急劇變動的負(fù)荷。

③

反應(yīng)堆和汽輪機組退出運行和再度投入花費時間長，且增加能量損耗。

2)各類發(fā)電廠的合理組合

根據(jù)各類發(fā)電廠的運行特點可見：

一般，火電廠以承擔(dān)基本不變的負(fù)荷為宜，這樣可避免頻繁開停設(shè)備或增減負(fù)荷。其中，高溫高壓電廠因效率最高，應(yīng)優(yōu)先投入；而且，由于它們可靈活調(diào)節(jié)的范圍較窄，在負(fù)荷曲線的更基底部分運行更恰當(dāng)。

根據(jù)各類發(fā)電廠的特點，結(jié)合夏季豐水期和冬季枯水期的具體情況，各類發(fā)電廠在日負(fù)荷曲線上的負(fù)荷分配如圖4-10所示?？蓪⒏黝惏l(fā)電廠承擔(dān)負(fù)荷的順序大致排列如下：圖4-10各類發(fā)電廠承擔(dān)負(fù)荷順序示意圖

枯水季節(jié)：

(1)無調(diào)節(jié)水電廠；

(2)有調(diào)節(jié)水電廠的強迫功率；

(3)熱電廠的強迫功率；

(4)核能電廠；

(5)燃燒當(dāng)?shù)亓淤|(zhì)燃料的火電廠；

(6)熱電廠的可調(diào)功率；

(7)高溫高壓火電廠；

(8)中溫中壓火電廠；

(9)低溫低壓火電廠(不一定投入)；

(10)有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率；

(11)抽水蓄能水電廠。

負(fù)荷曲線的最高部位往往是兼負(fù)調(diào)整系統(tǒng)頻率任務(wù)的發(fā)電廠的工作位置。系統(tǒng)中的負(fù)荷備用就設(shè)置在這種調(diào)頻廠內(nèi)?？菟竟?jié)往往就由系統(tǒng)中的大水電廠承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)；洪水季節(jié)該任務(wù)就轉(zhuǎn)移給中溫中壓火電廠。抽水蓄能電廠在其發(fā)電期間也可參加調(diào)頻，但低溫低壓火電廠則因容量不足、設(shè)備陳舊，不能擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)。

3.最優(yōu)分配負(fù)荷時的目標(biāo)函數(shù)和約束條件

1)耗量特性

電力系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷合理分配的目標(biāo)是在滿足一定約束條件的前提下，盡可能節(jié)約消耗的(一次)能源。因此，要分析這個問題，必須先明確發(fā)電設(shè)備單位時間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出有功功率的關(guān)系，即發(fā)電設(shè)備輸入與輸出的關(guān)系。該關(guān)系稱為耗量特性，如圖4-11所示。圖4-11耗量特性

通常比耗量和耗量微增率的單位相同，如t/(MW·h)，但兩者卻是兩個不同的概念，而且它們的數(shù)值一般也不相等，只有在耗量特性曲線上某一特殊點

m，它們才相等，如圖4-12所示。這一特殊點m

就是從原點作直線與耗量特性曲線相切時的切點。圖4-12比耗量和耗量微增率

比耗量和耗量微增率的變化如圖4-13所示。圖4-13比耗量和耗量微增率的變化

2)目標(biāo)函數(shù)和約束條件

明確了有功功率負(fù)荷的大小和耗量特性，在系統(tǒng)中有一定備用容量時，就可考慮這些負(fù)荷在已運行發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題。該問題實際上屬于非線性規(guī)劃范疇。因為在數(shù)學(xué)上，其性質(zhì)是在一定的約束條件下，使某目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu)，而這些約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是各種變量即狀態(tài)變量、控制變量、擾動變量的非線性函數(shù)。換言之，在數(shù)學(xué)上，該問題可表達(dá)為：在滿足等約束條件f(x、u、d)=0和不等約束條件g(x、u、d)≤0的前提下，使目標(biāo)函數(shù)C=C(x、u、d)為最優(yōu)。

式中的ΔPΣ

為網(wǎng)絡(luò)總損耗。當(dāng)不計網(wǎng)絡(luò)損耗時，上式可改寫為

這里的不等約束條件有三個，分別為各節(jié)點發(fā)電設(shè)備有功功率PGi、無功功率QGi和電壓大小不得逾越的限額，即

系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備消耗的能源可能受限制。例如，水電廠一晝夜間消耗的水量受約束于水庫調(diào)度。出現(xiàn)這種情況時，目標(biāo)函數(shù)就不應(yīng)再是單位時間內(nèi)消耗的能源，而應(yīng)是一段時間內(nèi)消耗的能源，即

而等約束條件除式(4-19)外，還應(yīng)增加

第二節(jié)

電力系統(tǒng)的無功功率及電壓控制一、

電壓調(diào)整的概念電壓偏移是衡量電能質(zhì)量的另一個重要指標(biāo)，因為用電設(shè)備通常都是按照電網(wǎng)額定電壓設(shè)計、運行的，當(dāng)運行電壓偏離額定值較大時，設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)就會惡化，直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞設(shè)備，甚至引起系統(tǒng)性的“電壓崩潰”，造成大面積停電。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時，各類負(fù)荷中占比重最大的異步電動機的轉(zhuǎn)差率增大，從而電動機各繞組中的電流將增大，溫升將增加，效率將降低，壽命將縮短，如圖4-14所示。圖4-14異步電動機的電壓特性

照明負(fù)荷，尤其是白熾燈，對電壓變化的反應(yīng)最靈敏。電壓過高，白熾燈的壽命將大為縮短；電壓過低，亮度和發(fā)光效率又要大幅度下降，如圖4-15(a)所示。日光燈的反應(yīng)較遲鈍，但電壓偏離其額定值時，也將縮短其壽命，如圖4-15(b)所示。圖4-15照明負(fù)荷的電壓特性

至于因系統(tǒng)中無功功率短缺，電壓水平低下，某些樞紐變電站母線電壓在微小擾動下頃刻之間的大幅度下降，即圖4-16所示的“電壓崩潰”現(xiàn)象，則更是一種將導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解的災(zāi)難性事故。不僅電壓偏移過大會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，電壓的微小波動也會造成不良后果。例如，由于電壓波動引起的燈光閃爍將使人疲勞。圖4-16“電壓崩潰”現(xiàn)象記錄

二、

電力系統(tǒng)的電壓特性

1.電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的無功功率

電壓靜態(tài)特性

電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷包括各種不同的用電設(shè)備，主要有以下幾類：

①

用戶與發(fā)電廠廠用電的無功負(fù)荷(主要是異步電動機)；

②

線路和變壓器的無功損耗；

③

并聯(lián)電抗器的無功損耗。所謂電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性，是指各種用電設(shè)備所消耗的有功功率和無功功率隨電壓變化的關(guān)系，簡稱負(fù)荷電壓特性。

1)異步電動機

如圖4-17所示為異步電動機的簡化等效電路。由異步電動機的等值電路可知，它所消耗的無功功率為

式中，QM

為異步電動機消耗的無功功率；Qm

為勵磁電抗Xm

中的勵磁功率；Qσ

為漏磁電抗Xσ中的無功功率損耗。圖4-17異步電動機的簡化等值電路

綜合Qm

和Qσ的變化特點，可得異步電動機無功功率

電壓靜態(tài)特性QM-U，亦即綜合無功負(fù)荷

電壓靜態(tài)特性QLD-U，如圖4-18所示。圖4-18異步電動機的QLDU關(guān)系

2)變壓器

變壓器中的無功功率損耗也由兩部分組成，即勵磁損耗與繞組漏抗損耗，后者與負(fù)載大小有關(guān)，表達(dá)式為

變壓器的無功損耗在系統(tǒng)中的無功需求中占有相當(dāng)大的比重，從發(fā)電廠到用戶，中間要經(jīng)過多級變壓，無功功率損耗可達(dá)用戶負(fù)荷的50%~70%。

3)并聯(lián)電抗器

并聯(lián)電抗器損耗的無功功率為

2.發(fā)電機的無功功率

電壓靜態(tài)特性

所謂發(fā)電機的無功功率

電壓靜態(tài)特性，是指發(fā)電機向系統(tǒng)輸出的無功功率與電壓變化關(guān)系的曲線，簡稱電壓靜態(tài)特性。

某簡單電力系統(tǒng)如圖4-19所示。圖4-19(a)中的發(fā)電機為隱極機，略去各元件電阻，用電抗

X

表示發(fā)電機電抗Xd與線路電抗

Xl之和，則得到的等效電路如圖4-19(b)所示。圖4-19簡單電力系統(tǒng)圖4-20發(fā)電機電壓靜態(tài)特性

3.無功功率平衡對電力系統(tǒng)電壓的影響

電力系統(tǒng)的電壓運行水平取決于發(fā)電機和其他無功電源輸送的無功功率QG

和綜合負(fù)荷無功功率QLD(含網(wǎng)絡(luò)無功功率損耗)的平衡，如圖4-21所示。圖4-21電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)特性

造成電力系統(tǒng)運行電壓下降的主要原因是系統(tǒng)的無功電源運行能力不足。為了提高運行電壓質(zhì)量，減小電壓偏移，必須使電力系統(tǒng)無功功率在額定電壓或其允許電壓偏移范圍內(nèi)保持平衡。

三、

電力系統(tǒng)的無功功率

1.無功負(fù)荷和無功損耗功率

電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷功率由負(fù)荷的功率因數(shù)決定，提高負(fù)荷的功率因數(shù)可以降低無功負(fù)荷功率，一般綜合負(fù)荷的功率因數(shù)為0.6~0.9。為了降低網(wǎng)損和便于調(diào)壓，我國《電力系統(tǒng)電壓和無功電力管理條例》規(guī)定：

①

高壓供電的工業(yè)企業(yè)及裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓設(shè)備的用戶，其功率因數(shù)應(yīng)不低于0.95；

②

其他電力用戶的功率因數(shù)不低于0.9；

③

躉售和農(nóng)業(yè)用戶功率因數(shù)為0.8以上。

電力系統(tǒng)中的無功功率損耗主要包括變壓器的無功功率損耗和線路的無功功率損耗。變壓器的無功功率損耗由勵磁損耗(ΔQ0)和繞組中的無功功率損耗(ΔQ)兩部分組成。

由于勵磁損耗占變壓器額定容量(STN)的百分值ΔQ0%和空載電流的百分值I0%近似相等，故有

ΔQ0為變壓器額定容量的1%~2%。

變壓器繞組中的無功功率損耗ΔQ0

為

或

2.無功功率的平衡方程

電力系統(tǒng)無功功率平衡是保證電壓水平的必要條件，對其基本要求是：系統(tǒng)中的無功電源功率要大于或等于負(fù)荷所需的無功功率與網(wǎng)絡(luò)中的無功功率損耗之和。為了保證系統(tǒng)

運行的可靠性和適應(yīng)無功負(fù)荷的增長需要，還應(yīng)留有一定的無功備用容量。

無功備用容量一般為無功負(fù)荷的7%~8%。系統(tǒng)無功功率平衡方程式為

式中，∑QG

為電力系統(tǒng)所有無功電源容量之和；∑QLD為電力系統(tǒng)無功負(fù)荷之和；∑QP為所有發(fā)電廠廠用無功負(fù)荷之和；∑ΔQG

為電力系統(tǒng)無功功率損耗之和；∑Qre為無功備用容量之和。

根據(jù)如上的平衡關(guān)系，定期做無功功率平衡計算的內(nèi)容大體包括：

(1)參考累積的運行資料確定未來的、有代表性的預(yù)想有功功率日負(fù)荷曲線。

(2)確定出現(xiàn)無功功率日最大負(fù)荷時系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷的分配。

(3)假設(shè)各無功功率電源的容量和配置情況以及某些樞紐點的電壓水平。

(4)計算系統(tǒng)中的潮流分布。

(5)根據(jù)潮流分布情況，統(tǒng)計出平衡關(guān)系式中的數(shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)無功功率能否平衡。

(6)若統(tǒng)計結(jié)果表明系統(tǒng)中無功功率有缺額，則應(yīng)改變上列假設(shè)條件，重做潮流分布計算；而若無功功率始終無法平衡，則應(yīng)考慮增設(shè)無功電源的方案。

應(yīng)該強調(diào)指出，進(jìn)行無功功率平衡計算的前提應(yīng)是系統(tǒng)的電壓水平正常，正如考慮有功功率平衡的前提是系統(tǒng)頻率正常一樣。如果在正常電壓水平下不能保證無功功率的平衡，則系統(tǒng)的電壓質(zhì)量也不能保證。這是因為系統(tǒng)中無功功率電源不足時的無功功率平衡是由于系統(tǒng)電壓水平下降，無功功率負(fù)荷(包括損耗)本身具有正值的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)使全系統(tǒng)的無功功率需求∑QLD

有所下降而達(dá)到的。

四、

電力系統(tǒng)的電壓管理

1.電壓中樞點的調(diào)壓方式

實現(xiàn)系統(tǒng)在額定電壓前提下的無功功率平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件，但不是充分條件。僅有全系統(tǒng)的無功功率平衡，并不能使各負(fù)荷點的電壓都滿足要求。要保證各負(fù)荷點的電壓都在允許電壓偏移范圍內(nèi)，還應(yīng)該分地區(qū)、分電壓等級合理分配無功負(fù)荷，進(jìn)行電壓調(diào)整。

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷點很多，如果對每個負(fù)荷點的電壓都進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整，不僅不經(jīng)濟而且也不可能。因此，對電力系統(tǒng)電壓的監(jiān)視、控制和調(diào)整一般只在某些選定的母線上實行，這些母線稱為電壓中樞點。一般選擇下列母線為電壓中樞點：

①

區(qū)域性發(fā)電廠和樞紐變電站的高壓母線；

②

樞紐變電站的二次母線；

③

有一定地方負(fù)荷的發(fā)電機電壓母線；

④

城市直降變電站的二次母線。這種通過對中樞點電壓的控制來調(diào)整電壓的方式稱為中樞點調(diào)壓。

應(yīng)該指出，對于地方電網(wǎng)，由于其負(fù)荷點多且分散，又緊接用電設(shè)備，各路出線的電壓損耗可以相差很大，使中樞點的電壓很難同時滿足各路出線的要求。因為電壓損耗大的用戶要求中樞點有較高的電壓，而電壓損耗小的用戶，要求降低中樞點的電壓。為了能合理選擇中樞點的電壓，需要根據(jù)電網(wǎng)設(shè)計和運行的經(jīng)驗，對地方電網(wǎng)的最大允許電壓損耗作出嚴(yán)格規(guī)定(見表4-1)；對區(qū)域電網(wǎng)的允許電壓損耗，則無嚴(yán)格規(guī)定，一般只要求在正常情況下為額定電壓的10%左右，在事故情況下允許升高到15%~20%。

根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)荷的性質(zhì)，中樞點電壓的調(diào)整原則上采用順調(diào)壓、逆調(diào)壓和恒調(diào)壓三種調(diào)壓方式。

(1)順調(diào)壓。電力系統(tǒng)運行時，網(wǎng)絡(luò)電壓損耗的大小與負(fù)荷大小有著密切的關(guān)系。負(fù)荷大，電壓損耗也就大，電網(wǎng)各點的電壓就偏低；負(fù)荷小，電壓損耗也就小，電網(wǎng)各點的電壓就偏高。所謂順調(diào)壓，就是大負(fù)荷時允許中樞點電壓低一些，但在最大負(fù)荷運行方式時，中樞點的電壓不應(yīng)低于線路額定電壓的102.5%；小負(fù)荷時允許中樞點電壓高一些，但在最小負(fù)荷運行方式時，中樞點的電壓不應(yīng)高于線路額定電壓的107.5%，順調(diào)壓是調(diào)壓要求最低的方式，一般不需裝設(shè)特殊的調(diào)壓設(shè)備就可滿足調(diào)壓要求，但只適用于供電距離較短、負(fù)荷被動不大的電壓中樞點。

(2)逆調(diào)壓。對線路較長、損耗大、負(fù)荷變動也大的電網(wǎng)中樞點來說，采用順調(diào)壓往往不能滿足負(fù)荷對電壓偏移的要求，因為在這種電網(wǎng)中，在最大負(fù)荷時，電壓損耗很大，如果中樞點的電壓隨之降低，則遠(yuǎn)端負(fù)荷的電壓就將過低；在最小負(fù)荷時，電壓損耗不大，如果中樞點的電壓還要抬高，則近端負(fù)荷的電壓就將過高。為此必須采取措施在大負(fù)荷時升高中樞點的電壓，小負(fù)荷時降低中樞點的電壓。這種中樞點電壓隨負(fù)荷增減而增減的調(diào)壓方式稱為逆調(diào)壓，具體要求是：最大負(fù)荷運行方式時，中樞點的電壓要高于線路額定電壓5%；最小負(fù)荷運行方式時，中樞點的電壓要等于線路額定電壓。逆調(diào)壓方式是一種要求較高的調(diào)壓方式。要實現(xiàn)中樞點的逆調(diào)壓，一般要求中樞點具有較為充足的無功電源，否則需在中樞點裝設(shè)調(diào)相機、有載調(diào)壓變壓器或靜止補償器等特殊的調(diào)壓設(shè)備。

(3)恒調(diào)壓(或常調(diào)壓)。恒調(diào)壓是指在最大和最小負(fù)荷運行方式時保持中樞點電壓等于線路額定電壓1.02~1.05倍的調(diào)壓方式。恒調(diào)壓方式通常用于向負(fù)荷波動甚小的用戶供電的電壓中樞點，如三班制工礦企業(yè)。在負(fù)荷變動大的電網(wǎng)中，要在中樞點實現(xiàn)恒調(diào)壓，也必須有特殊的調(diào)壓設(shè)備，但對調(diào)壓設(shè)備的要求可比逆調(diào)壓時低一些。

2.電壓調(diào)整的基本原理

電壓調(diào)整的基本原理通過圖4-22所示簡單電力系統(tǒng)可以進(jìn)行說明。圖中，若已知發(fā)電機

G

的運行電壓為UG，變壓器

T1、T2的變比分別為k1、k2，高壓線路的額定電壓為UN，折算到高壓側(cè)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為R+jX，負(fù)荷功率為P+jQ，當(dāng)忽略線路充電功率、變壓器的勵磁功率和網(wǎng)絡(luò)功率損耗時，則負(fù)載端的電壓U

應(yīng)按式(4-32)計算，即圖4-22電壓調(diào)整基本原理

分析式(4-32)可知，采用以下措施可達(dá)到調(diào)整負(fù)荷端電壓U的目的。

(1)改變發(fā)電機的端電壓UG；

(2)改變升、降壓變壓器的變比k1、k2；

(3)改變網(wǎng)絡(luò)無功功率Q的分布；

(4)改變網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)R、X。

五、

調(diào)壓的基本措施

1.改變發(fā)電機的端電壓

明確了對電壓調(diào)整的要求，就可進(jìn)一步研究為達(dá)到這些要求而采用的手段。在各種調(diào)壓手段中，首先應(yīng)考慮調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓，因此這是一種不需耗費投資且最直接的調(diào)壓手段。

現(xiàn)代的同步發(fā)電機可在額定電壓的95%~105%范圍內(nèi)保持以額定功率運行。在發(fā)電機不經(jīng)升壓直接用發(fā)電機電壓向用戶供電的簡單系統(tǒng)中，如供電線路不很長、線路上電壓損耗不很大，一般就借調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁，改變其母線電壓，使之實現(xiàn)逆調(diào)壓以滿足負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求。

以圖4-23(a)所示簡單系統(tǒng)為例，設(shè)各部分網(wǎng)絡(luò)最大、最小負(fù)荷時的電壓損耗分別如圖中所示，則最大負(fù)荷時，由發(fā)電機母線至最遠(yuǎn)負(fù)荷處的總電壓損耗為20%，最小負(fù)荷時為8.0%，即最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓變動范圍為12.0%。如發(fā)電機母線采用逆調(diào)壓，最大負(fù)荷時升高至105%UN，最小負(fù)荷時下降為UN；如變壓器的變比

1.10，即一次側(cè)電壓為線路額定電壓時，二次側(cè)的空載電壓較線路額定電壓高10%，則全網(wǎng)的電壓分布將如圖4-23(b)所示。由圖可見，這種情況下，最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓偏移最大負(fù)荷時為-5%，最小負(fù)荷時為+2%，即都在一般負(fù)荷要求的±5%范圍內(nèi)。圖4-23發(fā)電機母線逆調(diào)壓的效果

發(fā)電機經(jīng)多級變壓向負(fù)荷供電時，僅借發(fā)電機調(diào)壓往往不能滿足負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求。以圖4-24所示系統(tǒng)為例，最大、最小負(fù)荷時由發(fā)電機母線至最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓損耗分別為35%、14%，即最遠(yuǎn)負(fù)荷處的電壓變動范圍為21%。這時，即使因發(fā)電機母線采用逆調(diào)壓可將變動范圍縮小5%，即縮小為16%，但這樣大的變動已不能滿足一般負(fù)荷的要求，而再擴大發(fā)電機母線電壓的調(diào)整幅度又不可能，因發(fā)電機電壓母線上往往還連接有其他負(fù)荷，它們距發(fā)電廠一般不遠(yuǎn)，大幅度地改變發(fā)電機母線電壓又將使這部分負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求得不到滿足。因此，在多級電壓供電的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機調(diào)壓只能作為一種輔助調(diào)壓措施。圖4-24多電壓級系統(tǒng)中的電壓損耗

2.改變變壓器的變比

雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高、中壓繞組往往有若干分接頭可供選擇，例如，可有UN±5%或UN±2×2.5%，即可有三個或五個分接頭供選擇。其中，對應(yīng)于UN

的分接頭常稱主接頭或主抽頭，其余為附加分接頭。

合理選擇變壓器的分接頭也可調(diào)整電壓。下面以圖4-25為例介紹分接頭的選擇方法。圖4-25變壓器分接頭的選擇

設(shè)圖4-25中變電站i最大負(fù)荷時的高壓母線電壓為UImax，變壓器中的電壓損耗為ΔUimax，歸算到高壓側(cè)的低壓母線電壓為Uimax，低壓母線要求的實際電壓為U'imax，則應(yīng)選的分接頭由

可得

式中，kimax為變壓器i最大負(fù)荷時應(yīng)選擇的變比；UNi為變壓器i低壓繞組的額定電壓；UtImax為變壓器i最大負(fù)荷時應(yīng)選擇的高壓繞組分接頭電壓。

相似地，該變壓器最小負(fù)荷時應(yīng)選擇的高壓繞組分接頭電壓為

普通變壓器不能在有載情況下更改分接頭，即最大、最小負(fù)荷下只能選用同一個分接頭。為使這兩種情況下變電站低壓母線實際電壓偏離要求的U'imax、U'imin大體相等，變壓器高壓繞組的分接頭電壓應(yīng)取UtImax和UtImin的平均值：

發(fā)電廠升壓變壓器分接頭的選擇方法和上述降壓變壓器分接頭的選擇方法基本相同，差別僅在于由高壓母線電壓推算低壓母線電壓時，因功率是從低壓側(cè)流向高壓側(cè)的，故應(yīng)將變壓器中電壓損耗和高壓母線電壓相加，即這時的分接頭選擇應(yīng)按如下的計算公式進(jìn)行：

例4.2

三繞組變壓器的額定電壓為110/38.5/6.6kV，等值電路如圖4-26所示。各繞組最大負(fù)荷時流通的功率已示于圖中，最小負(fù)荷為最大負(fù)荷的1/2。設(shè)與該變壓器相連的高壓母線電壓最大、最小負(fù)荷時分別為112、115kV；中、低壓母線電壓在最大、最小負(fù)荷時分別允許為0、+7.5%，試選擇該變壓器高、中壓繞組的分接頭。圖4-26三繞組變壓器等值電路

解：按給定條件求得的各繞組中電壓損耗見表4-2，歸算至高壓側(cè)的各母線電壓見表4-3。

3.改變電網(wǎng)無功功率的分布

電網(wǎng)中的無功功率既可由發(fā)電機供給，也可由設(shè)在負(fù)荷點附近的無功補償裝置提供。改變電網(wǎng)無功功率的分布調(diào)壓是指采用無功補償裝置就近向負(fù)荷提供無功功率，這樣既能減小電壓損耗，保證電壓質(zhì)量，也能減小網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗和電能損耗。

改變電網(wǎng)無功功率分布的方法一般是在負(fù)荷端裝設(shè)無功補償裝置。如圖4-27所示，已知變壓器輸出的功率為P2+jQ2，折算到高壓側(cè)的電網(wǎng)的阻抗為R+jX，補償前變壓器低壓側(cè)折算到高壓側(cè)的電壓為U'2。如忽略電力線路上的電容功率及變壓器的空載損耗，不計電壓降落的橫分量，則補償前電源點A

的電壓UA

為圖4-27無功補償容量分析圖

1)電力電容器容量的選擇

電力電容器只能發(fā)出感性無功功率來提高節(jié)點電壓，而不能吸收無功功率來降低電壓，故在最小負(fù)荷運行方式時應(yīng)按無補償?shù)那闆r考慮。選用電力電容器的基本方法如下：

(1)最小負(fù)荷運行方式時按無補償情況選擇變壓器的分接頭。設(shè)最小負(fù)荷時低壓側(cè)歸算至高壓側(cè)的電壓為U'2min，低壓側(cè)按調(diào)壓要求的電壓為U2min，則高壓側(cè)的分接頭電壓應(yīng)為

(2)按最大負(fù)荷計算無補償時低壓側(cè)歸算至高壓側(cè)的電壓U'2max。若最大負(fù)荷時低壓側(cè)要求在補償后應(yīng)保持的電壓為U2Cmax，則應(yīng)裝設(shè)的無功補償容量為

2)同步調(diào)相機容量的選擇

同步調(diào)相機在最大負(fù)荷運行方式時可以過勵磁運行，作為無功電源發(fā)出額定容量的無功功率；在最小負(fù)荷運行方式時可以欠勵磁運行，作為無功負(fù)載從系統(tǒng)吸取50%~65%額定容量的無功功率。因此，同步調(diào)相機容量應(yīng)按下列步驟選擇：

(1)最大負(fù)荷過勵磁運行時的調(diào)相機容量為

2)最小負(fù)荷欠勵磁運行時的調(diào)相機容量為

(3)聯(lián)立求解式(4-43)和式(4-44)，確定變壓器的計算變比為

4)按計算變比k確定變壓器分接頭電壓U1t，即

選最接近U1t的標(biāo)準(zhǔn)分接頭為U1t0，得實際變比

(5)計算同步調(diào)相機容量。將k0代入式(4-43)可得

3)無功補償裝置與電網(wǎng)的連接

安裝電力電容器進(jìn)行無功功率補償時，可采取個別補償、分散補償或集中補償三種形式。

(1)個別補償是指對單臺用電設(shè)備所需無功功率就近補償。

(2)分散補償是指將電力電容器組安裝在車間配電室或變電站各分路的出線上進(jìn)行無功功率補償。

(3)集中補償是指把電力電容器組集中安裝在變電站的一次或二次側(cè)的母線上進(jìn)行無功功率補償。

4.改變網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)

改變電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的常用方法有：按允許電壓損耗選擇合適的地方網(wǎng)導(dǎo)線截面；在不降低供電可靠性的前提下改變電力系統(tǒng)的運行方式，如切除、投入雙回線路或并聯(lián)運行的變

壓器；在

X

遠(yuǎn)大于R

的高壓電網(wǎng)中串聯(lián)電力電容器補償?shù)取?/p>

串聯(lián)電力電容器是改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的最常用方法。下面以圖4-28所示線路來討論串聯(lián)電力電容器補償問題。圖4-28串聯(lián)電容補償原理

實際系統(tǒng)中的串聯(lián)電力電容器的容抗

XC是由若干個標(biāo)準(zhǔn)電力電容器串、并聯(lián)組成的。設(shè)每相電力電容器的串聯(lián)個數(shù)為n，并聯(lián)個數(shù)為m，如圖4-29所示。圖4-29串聯(lián)電容器組

串聯(lián)電力電容器的安裝地點與負(fù)荷、電源的分布有關(guān)，一般原則是應(yīng)使沿電力線路的電壓分布盡可能均勻，而且各負(fù)荷點的電壓都在允許范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷集中在線路末端時，電容應(yīng)串接在末端；當(dāng)沿線有多個負(fù)荷時，可將電容器串接在補償前產(chǎn)生二分之一線路電壓損耗處，如圖4-30所示。圖4-30串聯(lián)電容補償前后的沿線電壓分布

串聯(lián)電容補償所需的容抗值

XC與被補償電力線路的感抗值

XL之比，稱為串聯(lián)電容補償度，記為kC，即

第三節(jié)

簡單電力系統(tǒng)的有功與無功功率分配

一、有功功率分配的基本原理與方法

1.有功功率的調(diào)整與分配原理發(fā)電機輸出的有功功率是由原動機的機械功率轉(zhuǎn)化來的，因此改變并聯(lián)運行同步發(fā)電機有功功率的分配，是通過改變各臺機組的原動機油門大小，即改變單位時間內(nèi)進(jìn)入氣缸的燃油量來實現(xiàn)的，因此在柴油發(fā)電系統(tǒng)中，有功功率的分配與調(diào)整依賴于原動機的調(diào)速器調(diào)節(jié)。柴油機噴油量的大小，關(guān)系到柴油機在一定轉(zhuǎn)速下的輸出功率。

換句話說，單機運行時，發(fā)電機的某一轉(zhuǎn)速(頻率)對應(yīng)輸出某一有功功率；并聯(lián)運行時，發(fā)電機的某一頻率對應(yīng)著各發(fā)電機輸出的功率。所以，并聯(lián)機組有功功率分配與電力系統(tǒng)頻率調(diào)整密切相聯(lián)系。

2.調(diào)速器的調(diào)速特性

柴油機調(diào)速器可以根據(jù)轉(zhuǎn)速變化情況自動調(diào)節(jié)油門，以保持轉(zhuǎn)速不變或基本不變。經(jīng)過調(diào)速器的調(diào)節(jié)，柴油機轉(zhuǎn)速n(或發(fā)電機頻率f)隨其輸出機械功率P(即發(fā)電機輸出的有功功率)變化的關(guān)系曲線稱為柴油機的調(diào)速特性，如圖4-31所示。圖4-31柴油機的調(diào)速特性

柴油機穩(wěn)定運行時，其調(diào)速特性可近似看成是一條直線，根據(jù)調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律的不同，調(diào)速特性可分為無差特性和有差特性兩種。

有差特性的斜率用調(diào)差系數(shù)

Kn來表示：

式中，tanα

為調(diào)速特性的斜率。

3.不同調(diào)速特性對并聯(lián)運行機組的影響

柴油發(fā)電機組單機運行時，若發(fā)電機的負(fù)荷功率變化，則由于調(diào)速器的作用，能自動地調(diào)節(jié)油門的大小，從而維持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速(頻率)在一定范圍內(nèi)，但如果調(diào)速器特性為有差特性，發(fā)電機的頻率并不是恒定的。因此，單機運行時調(diào)速特性最好是無差特性，由圖4-31中曲線1可知，無差特性時，不管發(fā)電機的負(fù)荷功率如何變化，通過調(diào)速器的調(diào)節(jié)，都能保證柴油發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速恒定不變，從而保證發(fā)電機及電網(wǎng)的頻率不變。

當(dāng)發(fā)電機并聯(lián)運行時，由于電網(wǎng)的頻率只有一個，因此并聯(lián)運行的發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相同，否則就不能滿足并聯(lián)運行條件。要使兩臺發(fā)電機組具有相同的轉(zhuǎn)速，并穩(wěn)定并聯(lián)運行，它們的調(diào)速特性必須是有差的特性，這樣才能保證電網(wǎng)負(fù)荷不變時，并聯(lián)運行發(fā)電機組輸出的有功功率為恒定不變的確定值。理想的情況是：兩臺機的特性都為有差特性，都有較小的差，且特性的斜率一致，如圖4-32所示。圖4-32并聯(lián)運行時的調(diào)速特性

得到結(jié)論：

①

兩臺并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，理想調(diào)速特性是兩條特性都為有差特性，且特性的斜率一致；

②

斜率不同且具有有差特性的兩臺同步發(fā)電機可穩(wěn)定并聯(lián)運行，特性差小的發(fā)電機在電網(wǎng)負(fù)荷變化時，承擔(dān)有功功率變化量比特性差大的發(fā)電機承擔(dān)變化量大；

③

調(diào)速特性一臺有差、另一臺無差的兩臺并聯(lián)運行同步發(fā)電機也可穩(wěn)定并聯(lián)運行，負(fù)載有功功率變化時，有差特性發(fā)電機承擔(dān)的有功功率保持不變，所有負(fù)載有功功率的變化量都由無差特性的發(fā)電機承擔(dān)；

④

兩臺同步發(fā)電機都具有無差調(diào)速特性，將不能穩(wěn)定并聯(lián)運行。

4.調(diào)差系數(shù)與功率分配間的關(guān)系

并聯(lián)運行發(fā)電機組之間有功功率能否自動、穩(wěn)定地按容量比例合理分配，與并聯(lián)機組各調(diào)速器的調(diào)速特性(或發(fā)電機的頻率

功率特性)有關(guān)。要保證并聯(lián)運行的穩(wěn)定必須是功率分配穩(wěn)定。要使功率分配穩(wěn)定，兩并聯(lián)機組的調(diào)速特性必須是有差特性。要使并聯(lián)機組在任意負(fù)載下都能穩(wěn)定地按容量比例自動分配功率，則不僅是有差特性而且特性曲線的下降斜率(即調(diào)差系數(shù)kn)要一致。

各臺發(fā)電機組并聯(lián)運行時，各機組具有相同的頻率。有功功率的分配取決于各機組的調(diào)速特性。如圖4-33所示，假如兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行的頻率為f1，1號和2號發(fā)電機組分別承擔(dān)的功率為P1和P2，當(dāng)系統(tǒng)總功率增加ΔP

時，系統(tǒng)頻率下降至f2，1號和2號發(fā)電機組分別承擔(dān)的功率為P'1和P'2。圖4-33有差調(diào)速特性與并聯(lián)機組的功率分配關(guān)系

從三角形abc和efg中可以得到

式中，kn1、kn2分別為1號發(fā)電機組和2號發(fā)電機組調(diào)速特性的調(diào)差系數(shù)；Δf

為頻率的變化量。

由式(4-52)得1號、2號發(fā)電機組的功率增量為

將式(4-53)的左邊和右邊分別相加后得總功率增量為

或

將式(4-54)代入式(4-53)后得

所以

根據(jù)上述分析，可得出以下結(jié)論：發(fā)電機之間的有功負(fù)載分配與調(diào)速特性的斜率kn成反比關(guān)系。同時，原動機的轉(zhuǎn)速或發(fā)電機的頻率隨系統(tǒng)負(fù)載的變化而變化。

當(dāng)同型號、同容量、相同調(diào)速器的機組并聯(lián)運行時，各機組的調(diào)速特性斜率相同，即kn1=kn2=kn，則由式(4-55)可得

可見，同型號、同容量的機組并聯(lián)運行，在相同斜率的調(diào)速特性下，兩機組均分系統(tǒng)的負(fù)載增量。

從功率分配的角度來看，調(diào)速特性的斜率(調(diào)差系數(shù))kn越大，其分配的誤差越小，但當(dāng)負(fù)載波動時，頻率的波動越大；而從頻率穩(wěn)定的角度來看，要求調(diào)速特性的斜率kn越小越好，兩者存在著矛盾。

實際上，當(dāng)調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)不可調(diào)時，很難滿足kn完全一致。另外，由于調(diào)速器及其執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)中存在間隙，使調(diào)速器有失靈區(qū)，其調(diào)速特性并不是一條理想的直線，而是一條寬帶，此時功率分配仍可能不均勻。所以，兩臺具有相同調(diào)速特性的發(fā)電機組并聯(lián)運行時，功率分配存在一定的偏差，不可能做到完全均勻。例如，圖4-32(b)中調(diào)差率不同的并聯(lián)機組運行時，并聯(lián)轉(zhuǎn)移負(fù)載后兩