本书包括电力系统稳态分析(第1~5章)、电力系统暂态分析(第6~8章)和电力系统稳定与控制(第9~11章)共三部分内容。主要讲述: 电力系统各元件的参数和等值电路、潮流计算、有功功率平衡和频率调整、无功功率平衡及电压调整、短路的基本概念及计算方法、对称分量法、各序网络的制定、简单不对称短路计算、电力系统静态稳定性及动态稳定性的基本概念及其分析方法。 本书可作为高等学校电气工程及其自动化等相关专业的教学用书,亦可供电力系统相关专业的技术人员参考。

第5章电力系统无功功率
平衡及电压调整

内容提要: 主要介绍电力系统无功功率负荷、无功功率损耗和无功功率电源的基本特性,电力系统无功功率平衡的基本概念,电力系统**点电压的调整方式及为此所采取的调压措施。
基本概念: 电力系统无功功率平衡,电压**点,调压方式,调压措施。
**: 电力系统的无功功率平衡,**点电压的调整方式及调整措施。
难点: 电压调整的分析计算。

5.1概述
电压是衡量电能质量的一个重要指标,质量合格的电压应该在供电电压偏移、电压波动和闪变、三相电压不对称度和谐波含量等方面都满足有关**标准的规定。本章的主要内容是介绍电压偏移对用电设备及电力系统的影响,电力系统主要元件的无功功率电压特性,电力系统无功功率平衡的基本概念; 无功功率平衡和电压水平的关系; 电压调整的基本概念; 电压调整的措施及调压措施的应用。
5.1.1电压偏移对用电设备及电力系统的影响
一切用电设备都是按照在它的额定电压条件下运行而设计、制造的,当其端电压偏离额定电压时,用电设备的性能就要受到影响。例如,照明灯的发光效率、光通量和使用寿命均与电压有关。如图51所示的白炽灯的电压特性曲线所示,当端电压低于额定电压5%时,光通量减少约15%,发光效率降低约10%; 而当端电压高于额定电压5%时,发光效率增加约10%,而使用寿命则减少一半,这将增加照明灯损坏的机会。
电力系统中占比重*大的异步电动机,其转矩与端电压的平方成正比。若以额定电压下的*大转矩为****,则当端电压下降为额定电压的90%时,异步电动机的*大转矩将下降为额定电压下*大转矩的81%。因此,当电压降低过多时,带额定负载的电动机可能停止运转,带有重载的电动机可能无法启动。另外,当电动机拖动机械负载时,从如图52所示的异步电动机电压特性曲线可以看到,外加电压过低将导致电动机绕组电流显著增大,使绕组温度升高,加速绝缘层老化,严重时甚至烧毁电动机。若电动机端电压过高,会导致电动机励磁电流增大,使铁芯过热,对电动机的绝缘也是不利的。
电压偏移过大,除了影响用电设备的正常工作外,对电力系统本身也有不利影响。电压降低,会使电力网络中的功率损耗和能量损耗加大,电压过低还可能危及电力系统运行的稳定性,*终导致电力系统崩溃,造成大面积停电。而电压过高,各种电力设备的绝缘可能受到损害,在超高压网络中还将增加电晕损耗等。



图51白炽灯电压特性曲线




图52异步电动机电压特性曲线



5.1.2允许的电压偏移
在电力系统的正常运行中,随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变,网络中的电压损耗也将发生变化。所以,要严格保证所有用户在任何时刻都获得额定电压是不可能的。因此,系统运行中各节点出现电压偏移是不可避免的。实际上,大多数用电设备在稍许偏离额定值的电压下运行,仍有良好的技术性能。从技术上和经济上综合考虑,合理地规定供电电压的允许偏移是完全必要的。
目前,我国规定的在正常运行情况下供电电压的允许偏移如下: 35kV及以上供电电压正、负偏移的**值之和不超过额定电压的10%; 10kV及以下三相供电电压允许偏移为额定电压的±7%; 220V单相供电电压允许的正、负偏移为额定电压的 7%和-10%。
5.2电力系统的无功功率平衡
保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。电力系统的运行电压水平取决于系统的无功功率平衡,即系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求,否则电压就会偏离额定值。下面就对无功负荷、网络无功损耗和各种无功电源的特性进行介绍。
5.2.1负荷的电压静态特性
当系统频率一定时,负荷的功率随电压而变化的关系,称为负荷的电压静态特性,如式(51)所示


V=f(P,Q)(51)


有功功率的电压静态特性取决于负荷性质及各类负荷所占的比重,总的来说,异步电动机在电力系统负荷中占很大比重,系统负荷的电压静态特性主要由异步电动机决定,而异步电动机的有功功率基本与电压无关,所以异步电动机的无功功率与端电压关系曲线基本上决定了电力系统负荷的电压静态特性。异步电动机的简化等值电路如图53所示,它所消耗的无功功率QM为


QM=Qm Qσ=V2xm I2x(52)


式中,Qm为励磁功率,同电压的平方成正比,实际上,当电压较高时,由于饱和影响,励磁电抗xm的数值还有所下降,因此,励磁功率Qm随电压变化的曲线稍高于二次曲线; Qσ为绕组漏抗xσ中的无功损耗,如果负载功率不变,当电压降低时,转差将要增大,定子电流随之增大,相应地,漏抗中的无功损耗Qσ也要增大。综合这两部分无功功率的变化特点,可得如图54所示的异步电动机的无功功率电压静态特性曲线,其中β为电动机的受载系数,是电动机的实际负荷同它的额定负荷之比。由图可见,在额定电压附近,电动机的无功功率随电压的升降而增减。当电压明显地低于额定值时,无功功率主要由漏抗中的无功损耗决定,因此,随电压下降反而具有上升的趋势。



图53异步电动机的简化等值电路




图54异步电动机的无功功率电压静态特性曲线

目录 第1章电力系统的基本概念 1.1电力系统的组成和特点 1.1.1电力系统的组成 1.1.2电力系统的运行特点及基本要求 1.2电气设备的额定参数 1.3电力系统的接线图与接线方式 1.4电力系统分析课程的主要内容 本章小结 习题 第2章电力系统各元件的参数和等值电路 2.1同步发电机的等值电路与参数 2.1.1同步发电机的基本方程和坐标转换 2.1.2同步发电机稳态运行方程、相量图和等值电路 2.1.3基本方程的拉氏运算形式和运算电抗 2.2变压器的参数和等值电路 2.2.1双绕组变压器的参数和等值电路 2.2.2三绕组变压器的参数和等值电路 2.2.3自耦变压器的参数和等值电路 2.3电力线路的参数和等值电路 2.3.1电力线路的参数 2.3.2架空电力线路的等值电路 2.4负荷的参数和等值电路 2.5高压直流输电系统 2.5.1高压直流输电系统的结构 2.5.2高压直流输电系统的工作原理和运行特性 2.6标幺制 2.6.1关于标幺制 2.6.2基准值的选择 2.6.3多电压等级电力系统中基准电压的选择 本章小结 习题 第3章电力系统的潮流计算 3.1开式电力网的潮流计算 3.1.1网络元件的电压降落和功率损耗 3.1.2已知末端电压和末端功率的开式网潮流计算 3.1.3已知首端电压和首端功率的开式网潮流计算 3.1.4已知首端电压和末端功率的开式网潮流计算 3.2简单闭式电力网的潮流计算 3.2.1两端供电网络的潮流计算 3.2.2简单环形网络的潮流计算 3.3复杂电力系统潮流分布的计算机算法 3.3.1节点电压方程和节点导纳矩阵 3.3.2统一潮流方程 3.3.3牛顿拉夫逊法潮流计算 3.3.4PQ分解法潮流计算 3.3.5潮流计算在实际电力系统中的应用 本章小结 习题 第4章电力系统有功功率平衡和频率调整 4.1频率调整的必要性 4.2电力系统的有功功率平衡 4.2.1有功功率平衡及其与频率的关系 4.2.2有功负荷的变化规律和频率调整的方法 4.2.3有功功率平衡和备用容量 4.2.4负荷在各类发电厂间的合理分配 4.2.5火电机组的*优负荷分配 4.3电力系统的频率调整 4.3.1负荷的有功功率频率静态特性 4.3.2发电机组的有功功率频率静态特性 4.3.3电力系统的有功功率频率静态特性及频率的调整 4.3.4调频厂的选择 本章小结 习题 第5章电力系统无功功率平衡及电压调整 5.1概述 5.1.1电压偏移对用电设备及电力系统的影响 5.1.2允许的电压偏移 5.2电力系统的无功功率平衡 5.2.1负荷的电压静态特性 5.2.2电力网络的无功损耗 5.2.3无功功率电源 5.2.4无功功率平衡 5.3电力系统的电压管理 5.3.1**点的电压管理 5.3.2电压调整的基本原理 5.4电力系统的电压措施 5.4.1改变发电机端电压调压 5.4.2选择变压器变比调压 5.4.3改变网络中无功功率分布调压 5.4.4改变输电线路参数进行调压 5.5各种调压措施的合理应用 本章小结 习题 第6章电力系统短路的基本概念及三相短路的实用计算方法 6.1短路的一般概念 6.1.1短路的原因、类型及后果 6.1.2短路计算的目的 6.1.3短路计算的简化假设条件 6.2网络的变换与化简 6.2.1网络的等值变换 6.2.2利用网络的对称性化简 6.2.3转移电抗 6.3无限大容量电源的三相短路 6.3.1无限大容量电源的概念 6.3.2无限大容量电源供电的三相短路暂态过程分析 6.3.3短路冲击电流、短路电流的*大有效值和短路功率 6.4电力系统三相短路实用计算 6.4.1起始次暂态电流I″的计算 6.4.2应用计算曲线求任意时刻短路点的短路电流 本章小结 习题 第7章对称分量法及电力系统元件各序参数和等值电路 7.1对称分量法 7.1.1对称分量法的概念 7.1.2电力系统序阻抗 7.1.3对称分量法在不对称短路计算中的应用 7.2电力系统元件各序参数和等值电路 7.2.1同步发电机各序参数和等值电路 7.2.2变压器各序参数和等值电路 7.2.3架空输电线路各序参数和等值电路 7.2.4综合负荷各序参数和等值电路 7.3电力系统各序网络的制定 7.3.1正序网络 7.3.2负序网络 7.3.3零序网络 本章小结 习题 第8章电力系统不对称故障的分析和计算 8.1简单不对称短路的分析和计算 8.1.1单相(a相)接地短路 8.1.2两相(b相和c相)短路 8.1.3两相(b相和c相)短路接地 8.1.4正序等效定则 8.2简单不对称短路时非故障处的电压和电流计算 8.2.1计算各序网中任意处的各序电流和各序电压 8.2.2对称分量经变压器后的相位变换 8.2.3不对称短路时非故障处的电压和电流计算 8.3非全相运行的分析和计算 本章小结 习题 第9章电力系统运行稳定性的基本概念 9.1电力系统运行稳定性的定义及分类 9.1.1功角稳定性 9.1.2电压稳定性 9.1.3频率稳定性 9.2同步发电机转子运动方程 9.2.1发电机转子运动方程 9.2.2用标幺值表示的转子运动方程 9.2.3惯性时间常数的物理意义 9.3简单电力系统的功率特性 9.3.1隐极式发电机的功率特性 9.3.2凸极式发电机的功率特性 9.4复杂电力系统的功率特性 本章小结 习题 第10章电力系统的静态稳定性 10.1简单电力系统的静态稳定 10.1.1静态稳定性分析 10.1.2电力系统静态稳定的实用判据 10.2小干扰法分析电力系统的静态稳定性 10.2.1小干扰法 10.2.2用小干扰法分析简单电力系统的静态稳定 10.2.3计及发电机组的阻尼作用时静态稳定 10.3自动调节励磁对静态稳定的影响 10.3.1按电压偏差调节的比例式调节器 10.3.2比例式调节器对静态稳定的影响 10.4提高电力系统静态稳定性的措施 10.4.1采用自动调节励磁装置 10.4.2减小元件的电抗 10.4.3采用串联电容器 10.4.4改善系统结构和采用中间补偿设备 本章小结 习题 第11章电力系统的暂态稳定性 11.1电力系统暂态稳定概述 11.2简单电力系统暂态稳定分析 11.2.1简单电力系统在各种运行情况下的功角特性 11.2.2简单电力系统大干扰后发电机转子的相对运动 11.2.3等面积定则 11.2.4极限切除角 11.3发电机转子运动方程的求解方法 11.3.1分段计算法 11.3.2改进欧拉法 11.4自动调节系统对暂态稳定的影响 11.5复杂电力系统暂态稳定分析 11.5.1大干扰后各发电机转子运动的特点 11.5.2复杂电力系统暂态稳定的近似计算 11.5.3复杂电力系统暂态稳定的判断 11.6提高电力系统暂态稳定性的措施 11.6.1快速切除故障和自动重合闸 11.6.2提高发电机输出的电磁功率 11.6.3减小原动机输出的机械功率 11.6.4防止系统失去稳定的措施 本章小结 习题 附录A部分习题参考答案 附录B短路电流周期分量计算曲线数字表 参考文献