电力系统分析课程总结.docx

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电力系统分析课程总结

电力系统分析课程总结报告

学院（部）：

电气学院

专业班级：

电气工程

学生姓名：

**

指导教师：

****

2014年6月28日

1电力系统概述和基本概念1

1.1电力系统概述1

1.2电力系统中性点的接地

（需要断路器遮断单

相接地故障电流的）

（单相接地电弧能够瞬间熄灭的）

方式3

2电力系统元件参数和等值电路3

2.1电力线路参数和等值电路4

2.2变压器、电抗器的参数和等值电路4

2.3发电机和负荷的参数及等值电路5

2.4电力网络的等值电路5

3简单电力网络潮流的分析与计算6

3.1电力线路和变压器的功率损耗和电压降落6

3.2开式网络的潮流计算7

3.3环形网络的潮流分布7

4电力系统潮流的计算机算法7

4.1电力网络的数学模型8

4.2等值变压器模型及其应用8

4.3节点导纳矩阵的形成和修改8

4.4功率方程和变量及节点分类9

4.5高斯-塞德尔法潮流计算9

4.6牛顿-拉夫逊法潮流计算9

4.7P-Q分解法潮流计算9

5电力系统有功功率的平衡和频率调整10

5.1电力系统中有功功率的平衡10

5.2电力系统的频率调整11

6电力系统的无功功率平衡和电压调整11

6.1电力系统中无功功率的平衡12

6.2电力系统的电压管理12

6.3电力系统的几种调压方式13

6.4电力线路导线截面的选择13

7电力系统各元件的序参数和等值电路14

7.1对称分量法14

7.2同步发电机的负序电抗和零序电抗14

7.3异步电动机的参数和等值电路15

7.4变压器的零序参数和等值电路15

7.5电力系统的序网络15

8电力系统故障的分析与实用计算15

8.1由无限大容量电源供电的三相短路的分析与计算16

8.2电力系统三相短路的实用计算16

8.3电力系统不对称短路的分析与计算16

8.4电力系统非全相运行的分析17

9机组的机电特性17

9.1电力系统运行稳定性的基本概念17

9.2同步发电机组的运动方程式17

9.3发电机的功-角特性方程式18

9.4异步电动机的机电特性18

9.5自动调节励磁系统对功-角特性的影响18

10电力系统的静态稳定性19

10.1电力系统静态稳定性的基本概念19

10.2小扰动法的基本原理和分析在电力系统静态稳定性中的应用19

10.3电力系统电压、频率及负荷的稳定性20

10.4调节励磁对电力系统静态稳定性的影响20

10.5保证和提高电力系统静态稳定性的措施20

11电力系统的暂态稳定性21

11.1电力系统暂态稳定性概述21

11.2简单电力系统暂态稳定性的定性分析22

11.3简单电力系统暂态稳定性的定量分析22

11.4发电机转子运动方程的数值解法22

11.5提高电力系统暂态稳定性额措施23

致谢23

1电力系统概述和基本概念

通过本章的学习，对电力系统的各种概念和各种接线方式有了一定的了解，本章主要学习了：

电力系统是由实现电能生产、输送、分配和消费的各种设备组成的统一整体。

电能生产过程的最主要特点是，电能的生产、输送和消费在同一时刻实现。

对电力系统运行的基本要求是，安全、优质、经济地向用户供电。

电能生产还必须符合环境保护标准。

电力系统中各种电气设备的额定电压和额定频率必须同电力系统的额定电压和额定频率相适应。

要了解电源设备和用电设备的额定电压同电力网的额定电压等级的关系。

各种不同电压等级的电力线路都有其合理的供电容量和供电范围。

电力网的接线方式反映了电源和电源之间，电源盒负荷之间的联接关系。

不同功能的电力网对其接线方式有不同的要求。

发电厂把别种形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种电气设备转换成适合用户需要的别种能量。

这些生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起而组成的整体称为电力系统。

火电厂的汽轮机、锅炉、供热管道和热用户，水电厂的水轮机和水库等则属于与电能生产相关的动力部分。

电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网，它包括升降压变压器和各种电压等级的输电线路。

在交流电力系统中，发电机、变压器、输配电设备都是三相的，这些设备之间的连接状况，可以用电力系统接线图来表示。

为简单起见，电力系统接线图一般画成单线的。

主要知识点如下总结所示。

1.1电力系统概述

一、电力系统概述

1、电力系统的基本概念

（1）电力系统：

是指由生产、输送、分配电能的设备，使用电能的设备以及测量、继电保护、控制装置乃至能量管理系统所组成的统一整体。

（2）动力系统：

在电力系统的基础上又加上动力设备，统称为动力系统。

（3）电力网络：

电力系统中，各种电压等级的输配电力线路及升降压变压器所成为的部分称为电力网络。

2、电力系统的发展概况

（1）1882年，英国建成第一座发电厂，原始线路输送的是低压直流电。

（2）同年，法国人德普列茨提高了直流输电电压，被认为是世界上第一个电力系统。

（3）1891年，第一条三相交流输电线路在德国运行，三相交流输电使输送功率、输电电压、输电距离日益增大。

（4）目前，大电力系统不断涌现，甚至出现全国性和国际性电力系统。

（5）我国已建成华东、东北、华中、华北、西北、华南六个跨省电力系统，独立的省属电力系统还有山东、福建、海南、四川和台湾系统。

3、电力接线图

（1）地理接线图：

按比例显示电力系统中各发电厂和变电所相对地理位置，它反映电力线路的路径和相互间的联接，但不能完全显示各电力元件间的连接情况。

（2）电气接线图：

显示系统中各电力元件之间的电气联系，但不能反映发电厂和变电所的相对地理位置。

二、对电力系统运行的基本要求

根据电能生产、输送、消费的特殊性，对电力系统运行有如下三点要求。

1、保证可靠地持续供电

根据用户对用电可靠性的要求，将负荷分为三个等级：

第一级负荷第二级负荷第三级负荷

电力系统供电的可靠性，就是要保证一级负荷在任何情况下都不停电，二级负荷尽量不停电，三级负荷可以停电。

2、保证良好的电能质量

良好的电能质量有三个指标：

电压质量、频率质量和波形质量。

（1）电压偏移：

一般不超过用电设备额定电压的±5%。

（2）频率偏移：

一般不超过±0.2~0.5Hz。

（3）波形畸变率：

指各次谐波有效值平方和的方根与基波有效值的百分比。

3、提高系统运行的经济性

电力系统的经济指标一般是指火电厂的煤耗以及电厂的厂用电率和电力网的网损率等。

②中性点经消弧线圈接地方式

①中性点不接地方式

①中性点有效接地方式

②中性点全接地方式

③中性点经低电抗、中\低电阻接地方式

1.2电力系统中性点的接地

（需要断路器遮断单

相接地故障电流的）

（单相接地电弧能够瞬间熄灭的）

方式

1、大接地电流方式的电力系统

优点：

快速切除故障，安全性好；经济性好

缺点：

供电可靠性差

2、小接地电流方式的电力系统

优点：

供电可靠性高；安全性好

缺点：

经济性差；易出现谐振电压

2电力系统元件参数和等值电路

本章主要讲述了电力系统元件参数和等值电路，

三相交流电力系统常用星形等值电路来模拟，对称运行时，可用一相等值电路进行分析计算。

本章讲的是一相等值电路的参数。

架空线路的一相等值参数的计算公式是在三相对称运行状态下导出的。

在一相等值电感中考虑了相间互感的影响。

架空线路的换位可使各相的等值参数接近相等。

采用分裂导线相当于扩大了导线的等效半径，因而能减小电感，增大电容。

双绕组变压器等值电路中的电阻、电抗、电导和电纳，可根据变压器铭牌中给出的短路损耗、短路电压、空载损耗和空载电流这四个数据分别算出。

对于三绕组变压器，要了解三个绕组的容量比，对于绕组容量不等的变压器，如果给出的短路损耗和短路电压尚未折算为变压器额定容量下的值，先要进行折算，并将折算值分配给各个绕组，然后再按有关公式计算各绕组的电阻和电抗。

电力系统中习惯采用标幺制，一个物理量的标幺值是指该物理量的实际值与所选基准值的比值。

采用标幺制，首先必须选择基准值。

基准值的选择，原则上不应有什么限制。

实际上基准值的选择总是希望有利于简化计算和对计算结果的分析评价。

在多级电压的电力网中，基准功率是全网统一的，基准电压则按不同电压等级分别选定，一般选为各级的平均额定电压。

2.1电力线路参数和等值电路

一、电力线路结构简述

1、架空线路

（1）导线

（2）避雷线

（3）杆塔

（4）绝缘子

（5）金具

2、电缆线路

二、电力线路的参数

三、电力线路的等值电路

由于正常运行的电力系统三相是对称的，三相参数完全相同，三相电压、电流的有效值相同，所以可用单相等值电路代表三相。

因此，对电力线路只作单相等值电路即可。

严格地说，电力线路的参数是均匀分布的，但对于中等长度以下的电力线路可按集中参数来考虑。

这样，使其等值电路可大为简化，但对于长线路则要考虑分布参数的特性。

2.2变压器、电抗器的参数和等值电路

一、双绕组变压器的参数和等值电路

1、阻抗

（1）电阻。

变压器的短路损耗Pk可近似地等于额定电流通过变压器时，高低压绕组总电阻中的三相有功功率损耗Pr，即Pk=Pr。

而三相电阻中的有功功率损耗为

所以

（2）电抗。

在电力系统计算中，对于大容量的变压器其电抗数值近似等于其阻抗的模的数值，它的电阻可以忽略不计。

于是变压器短路电压的百分数为

所以

二、三绕组变压器的参数和等值电路

由书中介绍的方法求得电阻、电抗、导纳，可得三绕组变压器的等值电路。

三、自耦变压器的参数和等值电路

自耦变压器和普通变压器的端点条件相同，二者的短路试验、参数的求法和等值电路的确定也完全相同。

2.3发电机和负荷的参数及等值电路

此节讲了两部分内容，一是发电机的电抗和电动势，讲解了发电机电抗和电动势的求法，并可得出发电机的等值电路；第二部分讲了负荷的功率、阻抗和导纳，详细讲述了负荷的功率、阻抗和导纳的求法。

2.4电力网络的等值电路

为了调压的需要，双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组，除主分接头外，还有若干分接头可供使用。

例如，对于无载调压变压器容量一般为6300kVA以下者，有三个分接头，分别对应电压为1.05UN、UN、0.95UN，调压范围为±5%UN；

容量为8000kVA以上的变压器有五个分接头，分别从1.05UN、1.025UN、UN、0.975UN、0.95UN处引出，调压范围为±2×2.5%UN。

而变压器低压绕组没有分接头。

变压器的额定变比就是主分接头电压与低压绕组额定电压之比。

变压器实际变比是运行中变压器的高、中压绕组实际使用的分接头电压与低压绕组的额定电压之比。

在电力系统计算中，有时采用平均额定电压之比，此时变压器各绕组的额定电压被看作是其所连电力线路的平均额定电压。

因此变压器的变比将为变压器两侧电力线路平均额定电压之比。

此节讲了三部分主要内容，一是以有名制表示的等值网络，主要采用有单位的阻抗、导纳、电压、电流、功率等进行运算；二是以标幺制表示的等值网络，主要采用没有单位的阻抗、导纳、电压、电流、功率等进行运算；三是等值网络的使用和简化。

3简单电力网络潮流的分析与计算

潮流计算是电力系统分析中一种罪基本的计算，它的任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态，如各母线上的电压、网络中的功率分布及功率损耗等。

开式网络一般是指由一个电源点通过树状（辐射状）网络向若干个负荷节点供电的网络。

潮流计算的已知条件通常是电源点的电压和负荷点的功率，待求的是电源点以外的各节点电压和网络中的功率分布。

可以采用逐步逼近的方法，将每一轮的计算分两个步骤进行，第一步，从负荷点开始，逆着功率传送的方向，计算各支路的功率损耗和功率分布；第二步，从电源点开始，顺着功率传送的方向，计算各支路的电压降落。

支路计算顺序的确定和两个步骤的迭代计算都可以很方便的用计算机来完成。

不计网络损耗时，两端供电网络中每个电源点送出的功率都由两部分组成，第一部分是负荷功率，可按照类似于力学中的力矩平衡公式算出；第二部分是由两端电压不等而产生的循环功率。

利用节点功率平衡条件找出功率分点后，就可在该点将原网络拆开，形成两个开式网络。

实际电力系统的潮流计算主要采用牛顿-拉夫逊法。

按电压的不同表示方法，牛顿-拉夫逊法潮流计算分为直角坐标形式和极坐标形式两种。

牛顿-拉夫逊法有很好的收敛性，但要求有合适的初值。

P-Q分解法是极坐标形式的牛顿-拉夫逊法潮流计算的一种简化算法。

3.1电力线路和变压器的功率损耗和电压降落

本节主要讲了四部分主要内容。

一是电力线路的功率损耗和电压降落，详细介绍了各个损耗和电压降落的计算方法。

对于电力线路的功率损耗和电压降落的计算，可用标么制，也可以用有名制。

用有名制计算时，每相阻抗、导纳的单位分别为Ω、S；功率和电压的单位为MVA、MW、Mvar和kV,功率角为（o）。

而以标么制计算时，δ为rad，所以用rad表示的功率角已是标么值。

二是变压器的功率损耗和电压降落，变压器的功率损耗和电压降落的计算与电力线路的不同之处在于：

①变压器以

形等值电路表示，电力线路以

形等值电路表示；

②变压器的导纳支路为电感性，电力线路的导纳支路为电容性；

③近似计算中，取

，可将变压器的导纳用不变的负荷代替，即

三是电力网络的电能损耗，

四是运算负荷和运算功率。

3.2开式网络的潮流计算

一、简单开式网络的潮流计算，其计算的步骤和内容如下：

1、计算网络的元件参数2、潮流计算。

二、变电所较多的开式网络的潮流分布

当已知末端电压时，可以用已知末端电压及末端功率的方法逐段推算至始端，从而算出各支中功率及各点电压。

当已知始端电压时，就相当于已知始端电压和末端负荷的情况：

开始由末端向始端推算时，设全网电压都为网络的额定电压，仅计算各元件中的功率损耗而不用计算电压，从而求出全网的功率分布；

然后由始端电压及计算所得的始端功率向末端逐段推算出电压降落，从而求出各点电压。

此时不必重新计算功率损耗与功率分布。

3.3环形网络的潮流分布

本节主要讲解了环形网络的潮流分布、两端供电网络的潮流分布、环形网络的潮流计算、网络变换法、环形网络中的经济功率分布。

为了降低网络的功率损耗，可采用的调整控制潮流的手段主要有三种：

（1）串联电阻。

其作用是以其容抗抵偿线路的感抗。

将其串联在环式网络中阻抗相对过大的线段上，可起转移其他重载线段上流通功率的作用。

（2）串联电抗。

其作用与串联电容相反，主要是限流。

将其串联在重载线段上可避免该线段过载。

但由于其对电压质量和系统运行的稳定性有不良影响，这一手段未曾推广。

（3）附加串联加压器。

其作用在于不但可以调电压大小，还可调电压的相位角，使环网产生一环流功率，可使强制循环功率与自然分布功率的叠加达到理想值。

4电力系统潮流的计算机算法

第三章讨论简单电力网络的潮流分布计算，理解了与之相关的各种物理现象。

对于复杂电力网络的潮流计算，一般必须借助电子计算机进行。

运用电子计算机，一般要完成以下步骤：

1、建立电力网络的数学模型

2、确定解算方法

3、制定计算流程和编制计算程序

本章将着重讨论前两项，主要阐述在电力系统潮流的实际计算中常用的、基本的方法。

实际电力系统的潮流计算主要采用牛顿-拉夫逊法。

按电压的不同表示方法，牛顿-拉夫逊法潮流计算分为直角坐标形式和极坐标形式两种。

牛顿-拉夫逊法有很好的收敛性，但要求有合适的初值。

P-Q分解法是极坐标形式的牛顿-拉夫逊法潮流计算的一种简化算法。

4.1电力网络的数学模型

电力网络的数学模型指的是将网络有关参数及其相互关系归纳起来，组成可以反映网络性能的数学方程式组。

也就是对电力系统的运行状态、变量和网络参数之间相互关系的一种数学描述。

有：

1、节点电压方程

2、回路电流方程

3、割集电压方程等

节点电压方程又分为以节点导纳矩阵表示的节点电压方程和以节点阻抗矩阵表示的节点电压方程。

4.2等值变压器模型及其应用

一、变压器为非标准变比时的修正

无论采用有名制或标么制，凡涉及多电压级网络的计算，在精确计算时都必须将网络中所有参数和变量按市价变比归算到同一电压等级。

实际上，在电力系统计算中总是有些变压器的实际变比不等于变压器两侧所选电压基准值之比，也就是不等于标准变比，而且变压器的变比在运行中是可以改变的。

这将使每改变一次变比都要从新计算元件参数，很不方便。

下面将介绍另一种可等值地体现变压器电压变换功能的模型。

二、等值变压器模型

三、等值变压器模型的应用

4.3节点导纳矩阵的形成和修改

一、节点导纳矩阵的形成

节点导纳矩阵的计算归纳总结如下：

1、节点导纳矩阵的阶数等于电力网络中除参考点（一般为大地）以外的节点数。

2、节点导纳矩阵是稀疏矩阵，其各行非对角非零元素的个数等于对应节点所连的不接地支路数。

3、节点导纳矩阵的对角元素，即各节点的自导纳等于相应节点所连支路的导纳之和，即

4、节点导纳矩阵的非对角元素等于节点和间支路导纳的负值，即

5、节点导纳矩阵是对称方阵，因此一般只需要求取这个矩阵的上三角或下三角部分。

6、对网络中的变压器，采用计及非标准变比时以导纳表示的等值电路，并将之接入网络中。

然后按此等值电路用前述方法很方便地形成节点导纳矩阵。

在实际程序中，往往直接计算变压器支路对节点导纳矩阵的影响。

二、第二部分介绍节点导纳矩阵的修改。

4.4功率方程和变量及节点分类

该节主要介绍了功率方程、变量的分类和节点的分类。

实际计算时，对非线性节点方程要用迭代法解算。

本节将以最简单的网络列出系统的功率方程，进而对电力系统的变量和节点进行分类，为电力系统潮流的计算机算法打下基础。

4.5高斯-塞德尔法潮流计算

对具有数百个节点的大电力系统，求解潮流的方程通常是非线性代数方程。

利用电子计算机计算潮流已出现了很多解算方法，多是以迭代计算为基础，本节介绍高斯-塞德尔迭代法。

本节主要讲解了高斯-塞德尔迭代法迭代格式、对网络中PV节点的考虑、功率及功率损耗的计算。

4.6牛顿-拉夫逊法潮流计算

牛顿-拉夫逊法是目前广泛应用的解非线性方程式组的迭代方法，也是目前广泛采用的电力系统潮流的计算机算法，其收敛性好，但该法对初始值要求比较严格。

4.7P-Q分解法潮流计算

P-Q分解法是从简化以极坐标表示的牛顿-拉夫逊法潮流修正方程基础上派生出来的，是考虑到电力系统本身特点的。

5电力系统有功功率的平衡和频率调整

频率是衡量电能质量的重要指标。

实现电力系统在额定频率下的有功功率平衡，并留有必要的备用容量，是保证频率质量的基本前提。

要了解有功功率平衡的基本内容及各种备用容量的作用。

负荷变化将引起频率偏移，系统中凡装有调速器，又尚有可调容量的发电机组都自动参与频率调整，这就是频率的一次调整，只能做到有差调节。

频率的二次调整由主调频厂承担，调频机组通过调频器移动机组的功率频率静特性，改变机组的有功输出以承担系统的负荷变化，可以做到无差调节。

主调频厂应有足够的调整容量，具有能适应负荷变化的调整速度，调整功率时还应符合安全与经济原则。

利用负荷和机组的功率频率静特性可以分析频率的调整过程和调整结果。

全系统的频率是统一的，调频问题涉及整个系统，当线路有功功率不超出容许范围时，有功电源的分布不会妨碍频率的调整。

而无功功率平衡和调压问题则宜于接地区解决。

在进行各类电厂的负荷分配时，应根据各类电厂的技术经济特点，力求做到合理利用国家动力能源，尽量降低发电能耗和发电成本。

5.1电力系统中有功功率的平衡

一、频率变化对用户和发电厂及系统本身的影响

系统频率的变化将引起工业用户的电动机转速的变化，这将影响产品的质量。

当频率降低，使电动机有功功率降低，将影响所有的转动机械的出力。

频率的不稳定，将会影响电子设备的准确性。

系统频率的变化，对发电机及电力系统本身也十分有害。

发电厂的厂用机械多使用异步电动机带动，系统频率降低使电动机出力降低，若频率降低过多，将使电动机停止运转，会引起严重后果。

二、电力系统中有功功率的平衡和备用容量

1、频率的一次调整（或称为一次调频）指由发电机组的调速器进行的，是对一次负荷变动引起的频率偏移作调整。

2、频率的二次调整（或称为二次调频）指由发电机组的调频器进行的，是对二次负荷变动引起的频率偏移作调整。

3、频率的三次调整（或称为三次调频）是对三次负荷变动引起的频率偏移作调整。

将在有功功率平衡的基础上，按照最优化的原则在各发电厂之间进行分配。

三、各类发电厂的特点及合理组合

四、有功功率负荷的最优分配

5.2电力系统的频率调整

一、电力系统负荷的有功功率——频率静态特性

当频率变化时，电力系统中的有功功率负荷也将发生变化。

当电力系统处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的有功功率-频率静态特性。

二、频率的一次调整

由于负荷突增，发电机组功率不能及时变动而使机组减速，系统频率下降，同时，发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大，负荷功率因其本身的调节效应而减少，经过一个衰减的振荡过程，达到新的平衡。

三、频率的二次调整

当负荷变动幅度较大（0.5%~1.5%），周期较长（几分钟），仅靠一次调频作用不能使频率的变化保持在允许范围内，这时需要籍调速系统中的调频器动作，以使发电机组的功频特性平行移动，从而改变发电机的有功功率以保持系统频率不变或在允许范围内。

四、调频厂的选择

调频厂须满足的条件：

1、调整的容量应足够大；

2、调整的速度应足够快；

3、调整范围内的经济性能应该好；

4、注意系统内及互联系统的协调问题。

通过分析各种电厂的特点，调频厂的选择原则为：

1、系统中有水电厂时，选择水电厂做调频厂；

2、当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂。

6电力系统的无功功率平衡和电压调整

电力系统的运行电压水平同无功功率平衡密切相关。

为了确保系统的运行电压具有正常水平，系统拥有的无功功率电源必须满足正常电压水平下的无功需求，并留有必要的备用容量。

现代电力系统在不同的运行方式下可能分别出现无功不足和无功过剩的情况，都应有相应的解决措施。

从改善电压质量和减少网损考虑，必须尽量做到无功功率的就地平衡，尽量减少无功功率的长距离的和跨电压级的传送，这是实现有效的电压调整的基本条件。

要掌握各种调压手段的基本原理，具体的技术经济性能，适用条件，以及与别种措施的配合应用等问题。

电压质量问题可以分地区解决。

将中枢点电压控制在合理的范围内，在辅以各种分散安排的调压措施，就可以将各用户处的电压保持在容许的偏移范围内。

现代电力系统中的电压和无功功率控制应以实现电力系统的安全、优质和经济运行为目标。

本章主要是从保证电压质量方面讨论了无功功率平衡和电压调整的问题。

必须指出，随着电力系统规模的扩大，系统运行条件日趋复杂。

对电力系统的无功平衡和电压质量问题也要有新的认识。

在电力系统稳态工况下，不仅要做好供求关系紧张条件下的无功功率平衡，也要妥善解决无功功率供过于求时的平衡问题。

随着超高压输电线路的发展和城市电网中电缆线路的增多，无功功率过剩的问题将会日显突出。

在电力系统的暂态过程中，充分利用无功动态补偿提供电压支持，是改善电力系统稳定性的重要手段。

对新型无功补偿装置的合理控制还能阻尼系统的功率振荡。

在改善电压质量方面，无功补偿不能只限于减小系统的电压偏移，还能更全面的提高电压质量。

6.1