电力系统分析之有功功率平衡和频率调整

北交电气复试、北京交通大学电力系统分析慕课笔记。本课程是电气工程及其自动化专业专业本科必修课程，专业主干课程。本课程的目标是要求学生掌握电力系统稳态分析、电磁暂态分析及稳定性分析的基本概念、基本模型和基本计算方法，为后续的电力系统系列课程的学习和今后从事电力系统的相关工作打下坚实的基础。本课程通过课堂讲授、课外自学、作业及专题研究等各个环节，旨在激发学生学习电力系统的兴趣，培养学生提出问题、分析问题、解决问题、归纳总结和论文发表等多种能力。

电力系统的有功功率平衡和频率调整

• 学习要求
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• 需要回答的问题
  • 频率偏移对电力系统有何影响？
  • 电力系统的频率水平取决于什么？
  • 一次调频和二次调频的过程及原理？
  • 大电力系统的频率如何控制？
• 频率偏移的基本概念
  • 系统频率不等于50HZ
  • 频率偏移的影响
    • 对电机的转速和电子设备的环境都有影响
  • 频率偏移是不可避免的
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  • 频率偏移的允许范围
    • 目前我国国标规定：50±0.2Hz
• 频率水平取决于什么？
  • 系统频率取决于有功功率的平衡。而负荷是不断变化的，所以需要不断跟随调整发电机组，这种平衡是动态的。
  • 负荷的有功功率-频率静态特性
    • 负荷的频率调节效应
      • 当频率下降时，负荷吸取的有功功率随着下降；当频率升高时，负荷吸取的有功功率随着增高。这种负荷有功功率随频率变化的现象，称为负荷调节效应。
    • 负荷的频率调节效应系数KD
      • 表示当频率变化1%时，负荷吸收有功功率相应变化的量
  • 发电机组的有功功率-频率静态特性
    • 发电机组的单位调节系数KG
      • 表示频率变化1%时，发电机组输出有功功率的变化量
    • 发电机组的静态调差系数
      • 是单位调节系数的倒数
      • 对频率偏移的影响很大，调差系数越小，频率偏移小
  • 一次调频
    • 系统频率下降→发电机进气量增加→发电机输出功率增加
    • 无法实现无差控制
  • 二次调频
    • 当负载功率增加时，由于发电机组有功功率静态特性是有斜率的，这将会导致系统频率的降低，系统负荷的增加与实际功率的增加之间是有一个差值的，这个差值就是一次调频回调的部分造成的，要想实现无差控制，则要依靠二次调频。
    • 在二次调频中，发电机通过增加输出功率使频率增加至原来的频率。即发电机增加的输出功率的量就是去弥补频率偏差导致的负荷回调的那部分量。
• 功率平衡和电压调整
  • 回答问题
    • 电压偏移对电力系统有什么影响？
    • 电压水平取决于什么？
    • 电力系统中有哪些无功电源？
    • 主要的电压调整方式有哪些？
  • 概念
    • 电压偏移的影响
      • V低：电能损耗大，且危及系统稳定性
      • V高：破坏绝缘，超高压线路电晕损耗
    • 电压偏移可以避免吗？
      • 不能
        • 负荷随机变化
        • 电网结构经常变化
        • 大电网节点众多
    • 电压偏移的允许范围？
      • 35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%。
      • 10kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。
      • 220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%
  • 电压水平取决于什么？
    • 答：电压水平取决于无功功率平衡的水平。
    • 原因
      • 当负荷增加时，电压下降，要想使电压恢复额定电压水平，则必须增加发电机输出电压，增加发电机输出电压必须调大励磁电流，励磁电流是无功性质的，且无论励磁电流调多了还是调小了，系统中的无功功率始终都是平衡的。故电压水平取决于无功功率平衡的水平。
      • 实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件。要求：无功电源充足
  • 电力系统的无功平衡
    • 实际负荷的功率因数低，而发电机的功率因数高。而在系统中无功功率损耗远大于有功功率损耗。因此系统中要想达到无功功率平衡必须无功电源发出的无功功率等于两倍的无功负荷。
    • 电力系统中无功功率为什么不能远距离输送？
      • 无功功率在传输过程中损耗特别大。
      • 除了无功功率自身损耗大之外，还会带来附加有功功率损耗
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      • 会带来很多的电压损耗
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    • 无功平衡的要求
      • 全系统平衡
      • 局部地区基本平衡
        • （避免无功远距离输送）
    • 结论
      • 除发电机外，需就地设置其他无功电源以满足电压要求，称无功补偿。
  • 电力系统中的无功电源
    • 发电机
      • 发电机是唯一的有功电源、基本的无功电源
      • 有功备用足够时，可让负荷中心的发电机少发有功，多发无功，有利于无功的局部平衡
    • 同步调相机
      • 不发有功功率的同步发电机
      • 优点
        • 调节平滑
        • 升压降压均可
          • 在过励磁运行时，他向系统系统感性无功功率而起无功电源的作用，提高系统的电压
          • 在欠励磁运行时，他从系统系统中吸收感性无功功率而起无功负荷的作用，降低系统的电压
        • 强励：故障时也可调，有利于稳定性
      • 缺点
        • 投资大
    • 静电电容器
      • 只能向系统供应感性无功，其提供的感性无功与其端电压的平方成正比
      • 优点
        • 投资少
      • 缺点
        • 不稳定
    • 静止无功补偿器
      • 结构原理
        • 由静电电容器和电抗器并联而成。电容器可以发出无功功率，电抗器可以吸收无功功率，两者结合起来，在配以适当的调节装置可以实现平滑控制。
      • 优点
        • 调节能量强
        • 可分相补偿
        • 损耗小，维护简单
      • 缺点
        • 谐波污染
        • 低压时补偿小
  • 现代大电网的电压如何控制
    • 降维
    • 中枢点
      • 概念
        • 电压水平具有代表性的关键母线
        • 只要控制好中枢点电压，其他母线的电压就能满足要求
      • 选取原则
        • 中枢点到不同负荷点的电压电压损耗不能太大
    • 电压中枢点的控制方式（电压调整方式）
      • 逆调压
        • 如果中枢点到各负荷的电力线路较长，各负荷的变动较大，由于负荷变动越大，电压损失越大。则在最大负荷时要提高中枢点的电压以抵偿电力线路上因最大负荷而增大的电压损失。在最小负荷时，则要将中枢点电压降低一些以防止负荷点的电压过高。这种最大负荷时升高电压，最小负荷时降低电压的中枢点电压调整方式称为逆调压。
        • 逆调压时要求最大负荷时将中枢点电压升高电网额定电压的5%，最小负荷时将其下降为电网的额定电压VN。
      • 顺调压
        • 如果用于允许较大的电压偏移或者供电线路不长、负荷变动不大时，可采用“顺调压”的方式。即最大负荷时允许中枢点电压降低一些，但不得低于电力线路额定电压的102.5%，最小负荷时允许中枢点的电压高一些，但不得高于电力线路额定电压的107.5%。
      • 常调压
        • 介于上述两种情况之间的中枢点，可以采用“常调压”的方式。即在任何负载下都保持中枢点电压为一基本不变的值，一般比电力线路额定电压高（2~5）%
• 电力系统的调压方式
  • 电力系统的调压方式
    • 改变发电机的端电压调压
      • 调节励磁电压
        • 实质上是调节发电机无功出力
    • 改变变压器的分接头调压
      • 改变变压器分接头，改变变比
      • 只有当系统无功功率电源容量充足时这种方法才有效
    • 改变功率分布P+jQ，使电压损耗变化
      • 例如无功功率补偿
    • 改变网路参数R+jX，使电压损耗变化