第二章-电力系统各元件的特性和数学模型课件.ppt

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1、第一节 发电机组的运行特性和数学模型,一、发电机稳态运行时的相量图和功角特性,发电机稳态运行时的相量图和功角特性隐极式发电机的相量图和功角特性假设发电机以滞后功率因数运行，其端电压相量为、定子电流相量为、空载电势相量，正、交轴同步电抗相等，在不计发电机定子绕组电阻的条件下，则：,一、发电机稳态运行时的相量图和功角特性,凸极式发电机的相量图和功角特性（自学）,二、隐极式发电机组运行限额和数学模型,发电机组的运行限额,二、隐极式发电机组运行限额和数学模型（续）,二、隐极式发电机组运行限额和数学模型（续）,二、隐极式发电机组运行限额和数学模型（续）,二、隐极式发电机组运行限额和数学模型（续）,二、隐

2、极式发电机组运行限额和数学模型（续）,二、隐极式发电机组运行限额和数学模型（续）,发电机组的数学模型：在稳态条件下，发电机组一般用一对变量表示，即发出的有功功率和端电压或发出的有功功率和无功功率。采用第一种表示时，应给出无功功率限额，采用第二种表示时，应给出电压限额。,第二节 变压器的参数和数学模型,一、升压变压器和降压变压器,对于双绕组变压器，两者的结构并无区别。对于三绕组变压器而言，功率由低压侧向中、高压侧输送，希望低压侧和中、高压侧有紧密的联系，以减少电压降落，所以将低压侧绕组放在高、中压侧之间。降压变压器功率由高压侧流向中、低压侧，一般中压侧功率大，所以中低压侧对调，使高中压侧有较强的

3、磁耦合.,二、双绕组变压器的参数和数学模型,二、双绕组变压器的参数和数学模型,二、双绕组变压器的参数和数学模型,二、双绕组变压器的参数和数学模型,二、双绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,三、三绕组变压器的参数和数学模型,四、自耦变压器的参数和数学模型,自耦变压器与普

4、通变压器的主要差别在于：后者只有磁的耦合，没有电的直接联系，而前者既有磁的耦合，又有电的耦合。自耦变只能使用 接法,四、自耦变压器的参数和数学模型,四、自耦变压器的参数和数学模型,四、自耦变压器的参数和数学模型,自耦变压器的等值电路和参数计算公式与普通变压器相同，只是由于自耦变压器均采用星形自耦的接线方式，为了消除铁芯饱和引起的三次谐波，常加一个三角形联结的第三绕组作为低压绕组，给附近的负荷供电，或接调相机和电容器以调节系统的无功功率和电压。第三绕组在电气上独立，容量小，例如容量比为100/100/50或100/100/33.3。所以计算时需要对短路试验数据进行折算。如果短路电压百分值也未折算

5、，亦需按下式先折算：,四、自耦变压器的参数和数学模型,之所以只乘容量比而不是其平方是因为短路电压只与电流成正比。,四、自耦变压器的参数和数学模型,例题,例题,例题,例题,例题,第三节 电力线路的参数和数学模型,一、电力线路结构简述,电力线路分类 架空线 导线避雷线杆塔绝缘子金具电缆 导线 绝缘层 包护层,一、电力线路结构简述,一、电力线路结构简述,架空线的导线和避雷线 性能要求 机械强度高 抗腐蚀能力强 导电性好 构成材料（铝、钢、铜）导线和避雷线均采用裸线。导线的作用是传输电能，避雷线的作用是将雷电流引入大地保护电力线路免受雷击，因此它们都应有较好的导电性能。导线和避雷线架设在户外，除了要承

6、受导线自身重量、风压、冰雪及温度变化等产生的机械力作用外，还要受空气中有害气体的化学腐蚀作用。所以，导线和避雷线还应有较高的机械强度和抗化学腐蚀能力。导线常用的材料有铜、铅、铝合金和钢等。,一、电力线路结构简述,铜是电的良导体之一 抗拉强度较高能抵抗空气中大部分有害气体的腐蚀作用，易于焊接，是一种很理想的导线材料。但铜的用途很广、产量有限，因此，为了节约铜的消耗量，除特殊情况外架空线路一般不用铜导线。铝的导电性能虽比铜差，但亦属良好，是常用的导线材料。铝的机械强度低、允许应力小，因此，常采用铝合金来改善其机械强度。铝虽极易受碱性物质和盐酸的侵蚀，但能很好地抵抗空气中一般化学物质的腐蚀作用。钢的

7、导电性能又比铝差，且在空气中易生锈，但其机械强度高。为节约有色金属，钢导线经常用于负荷密度较小的地方，如用在农村或小城镇的电力线路中。避雷线一般采用钢导线,一、电力线路结构简述,一、电力线路结构简述,架空线的杆塔用于支持导线和避雷线。分类直线杆塔:它又称为中间杆塔，主要用来悬挂导线，是线路上用得最多的一种杆塔。耐张杆塔:它又称为承力杆塔，主要用来承担线路正常及故障（如断线）情况下导线的拉力，同时使线路分段，便于施工和检修，限制故障范围。在耐张用上，绝缘子不象直线搭上那样与地面垂直，而象是导线的延续。杆塔两边同一根导线是通过跳线来接通的。终端杆塔:它是最靠近变电所的一座杆塔，用来承受最后一个耐张

8、档区导线的单向拉力。如果没有终端杆塔，则拉力将由变电所建筑物承担，这将增加变电所的造价。转角杆塔:它用于线路拐弯处，承受侧向拉力。拐角较大时做成耐张塔的型式，拐角较小时也可做成直线塔的型式。特种杆塔:它是在特殊情况下使用的一种杆塔，如导线换位用的换位塔，跨越河流、山谷等跨距很大的跨越杆塔等。,一、电力线路结构简述,500kV 转角塔,500kV 直线塔,220kV 直线塔,220kV 海湾大跨越铁塔,220kV 单回路组合兀型电杆,110kV转角塔,110kV 直线塔,3.5kV输电电杆,一、电力线路结构简述,架空线的绝缘子 分类 针式 悬式 适用 针式绝缘子用于35kv及以下电压等级 悬式绝

9、缘子用于35kv及以上电压等级磁横担：既用于绝缘，又用于支撑。,一、电力线路结构简述,高压线路针式,低中压针式,盘形悬式,高压线路耐污盘形悬式,高压线路瓷横担,有机复合横担,一、电力线路结构简述,架空线路换位问题 消除三相参数的不平衡 整换位循环 按规定，中性点直接接地系统（可以流过零序电流），长度超过100km的架空线都应该换位，但电压等级越高，换位的困难越多，500kv线路可能不换位。但必须解决参数不平衡带来的负面影响。,一、电力线路结构简述,电缆线路优点 占地少供电可靠比较安全 缺点造价高检修困难,一、电力线路结构简述,二、电力线路的电磁效应与参数,线路通电流：发热，消耗有功功率R 交流

10、电流交变磁场感应电势(自感、互感)抵抗电流X 电流效应串联线路加电压：绝缘漏电(较小)，一定电压下发光、放电(电晕)R(G)电场线/线、线/大地电容交变电压产生电容电流X(B)电压效应并联,二、电力线路的电磁效应与参数,分别用单位长(每公里)参数r、x、g、b表示架空线受气候、地理、架设的影响，r、x、g、b要变。电缆线路参数不可解析计算，但尺寸标准化，受外界影响小，由厂家提供参数，一般不变（不予研究）。,三、电力线路的阻抗,有色金属导线架空线路的电阻 计算用电阻率大于直流电阻率的原因 计及集肤效应 绞线每股长度略长于导线长度 计算额定截面积略大于实际截面积 钢芯铝线的电阻只考虑铝线部分 电阻

11、的温度修正 有色金属导线单相架空线路的电抗 考察单根导线所产生的磁场，计算电感 运用迭加原理考察单相线路产生的磁场，计算电感,三、电力线路的阻抗,有色金属导线三相架空线路的电抗运用迭加原理考察三相线路产生的磁场 运用三相换位和三相电流平衡，简化磁场表达式，计算电感 互几何均距：几何平均半径：结论 线路电抗与导线半径成减函数关系 线路电抗与相间距成增函数关系 总的来说，由于对数的关系，使得线路电抗与导线半径、线路布置关系不大，架空线的电抗一般为,三、电力线路的阻抗,分裂导线三相架空线路的电抗 计算公式 等值半径：当二分裂时，当三分裂时，当四分裂时，分裂间距：结论 分裂导线电抗与分裂根数成减函数关

12、系 分裂导线电抗与分裂导线间的几何均距成减函数关系,三、电力线路的阻抗,钢导线三相架空线路阻抗：由于钢导线导磁，使得参数与导线所流过的电流有关，难于分析，只能实测。几点说明 同杆线路的阻抗：两回线路相互影响，存在互感，但如果三相电流对称，则可以忽略。不换位线路的阻抗：相与相之间存在互感，但如果三相电流对称，则可以忽略。电缆线路的电阻略大于相同截面积的架空线路，电抗则小得多，这是因为三相导体间的距离远小于同样电压等级的架空线。,四、电力线路的导纳,三相架空线路的电纳 电纳与导体周围电场有关，与导线是否导磁无关，因此，各类导线线路电纳计算方法相同。计算公式 结论 线路电纳与导线半径成增函数关系 线

13、路电纳与相间距成减函数关系总的来说，由于对数的关系，使得线路电纳与导线半径、线路布置关系不大，架空线的电纳一般为,四、电力线路的导纳,分裂导线三相架空线路的电纳 计算公式 结论 分裂导线电纳与分裂根数成增函数关系 分裂导线电纳与分裂导线间的几何均距成增函数关系,四、电力线路的导纳,架空线路的电导：线路电导取决于沿绝缘子串的泄漏和电晕，不能严格分析在计算时，一般选择电导为0架空线路的电晕临界电压：电晕临界电压就是能发生电晕的最低电压，与以下因素有关：材料表面光滑程度，天气，空气密度，材料半径，三相排列位置，分裂情况等。计算公式,四、电力线路的导纳,导线三相水平排列时，边相导线的电晕临界电压比中间

14、相高 线路结构方面，能够影响电晕临界电压的只有相间距和导线半径。增大相间距会大大增加线路投资因此可以采用分裂导线或扩径导线来提高电晕临界电压。,例题,例题,五、电力线路数学模型,一般线路的等值电路（中、短距离线路，架空线300km，电缆100km）短线路可以只考虑阻抗 中等长度线路要考虑导纳，形成型或T型等值电路 型或T型等值电路相互不等值，不能用Y变换 长线路的等值电路 要考虑线路的分布特性 分布特性的近似计算和精确计算。,五、电力线路数学模型,型等值电路与等值参数 令：(z：单位长度串联阻抗、y：单位长度并联导纳、L：线路总长),五、电力线路数学模型,L 750km：750L300km：,

15、五、电力线路数学模型,L300km：L100km，电压等级35kv,第四节 负荷的运行特性和数学模型,一、负荷和负荷曲线,电力系统负荷 负荷构成 负荷运行特性分类 负荷曲线 负荷静态特性 负荷曲线分类 用途 峰谷差 最大负荷 年最大负荷曲线,典型民用负荷曲线,典型三班负荷曲线,一、负荷和负荷曲线,最大负荷,最小负荷,峰谷差,二、负荷特性,负荷静态特性：电压或频率变化后进入稳态时负荷功率与电压或频率的关系。与电压的关系 在电压额定值附近，有功随电压的升高而增大 在电压额定值附近，无功随电压的升高而增大与频率的关系 在频率额定值附近，有功随频率的升高而增大 在频率额定值附近，无功随频率的升高而减小

16、 负荷动态特性：电压或频率急剧变化过程中负荷功率与电压或频率的关系。,三、负荷模型,恒定功率：恒定阻抗：,三、负荷模型,函数关系表示：线性表示：二次表示：,第四节 电力网络的数学模型,一、标幺值及其应用,有名制和标么制 标么制的优点：便于比较、分析元件特性与参数；各级电压标么值都接近于1；对称三相电路的计算与单相计算一致；多电压级网络，基准电压选择恰当可消除变压器。标么制的缺点：无量纲、物理概念不如有名值清楚。标么值、有名值和基准值之间的关系标么值=有名值/基准值注意：在三相系统中，线电压为相电压的 倍，三相功率为单相功率的3倍，如果取线电压的基准值为相电压基准值的 倍，三相功率的基准值为单相

17、功率基准值的3倍，则线电压和相电压的标么值相等，三相功率和单相功率的标么值相等。,一、标幺值及其应用,基准值的选取 基准值的单位和有名值相同 阻抗、导纳、电压、电流、功率的基准值之间符合电路的基本关系，如阻抗、导纳基准值为每相阻抗、导纳；电压、电流的基准值为线电压、线电流；功率的基准值为三相功率,一、标幺值及其应用,因此，五个基准值中只有两个可以任选，其余三个派生而得。通常，先选定，再求出其他基准值。功率的基准值全网一个，一般为100MVA或1000MVA，如果进行电压级归算，则电压的基准值取基本级的额定电压。有名值的电压级归算 基本级的选取：通常取网络中的最高电压级为基本级 归算公式：,注：

18、归算中各变压器的变比为靠近基本级一侧的空载电压与靠近需要归算一侧的空载电压之比。,一、标幺值及其应用,因为，所以功率归算后不变。归算中各变压器的变比为靠近基本级一侧的空载电压与靠近需要归算一侧的空载电压之比。以下图为例，设选择220kV级为基本级，则变压器T-1的变比为220121，T-2的变比为11037。,一、标幺值及其应用,标么值的电压级归算归算途径一，先用有名值向基本级归算，然后在基本级换算成标么值 归算途径二，选定基本级的基准值，通过实际变比，将基本级的基准值归算到各自电压级的基准值，再在各自的电压级换算成标么值,一、标幺值及其应用,例2-6 电力网络结线如图2-51所示，图中各元件

19、的技术数据见表2-4。试分别作以有名制和标么制表示的归算至220kV侧的该网络等值电路或数学模型。作等值电路时，变压器的电阻、导纳，线路l1、l2的电导，线路l3、l4的导纳都可略去。,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,平均额定（标称）电压不同电压等级的电网通过变压器的高（中）低压绕组之间的磁耦合（自耦变压器还有部分电耦合）进行电功率的交换，在用手工进行电力系统潮流计算时，一般根据变压器实际

20、分接头所在位置得到变压器实际变比，再根据实际变比将所有阻抗参数，归算到同一电压等级进行计算。但当存在下图所示的电网时，由于变压器的变比不同，无法将阻抗归算到同一电压等级。例如要求将线路的阻抗换算到同一电压等级，则按变压器的实际变比还是按变压器的额定变比进行归算呢？一个实用的方法是，不论变压器分接头的实际位置如何，统一认为其电压等于网络的平均额定电压，但是这样带来的计算误差也是不可避免的。在网络复杂度增加，变压器数量众多时，累积误差尤其不可忽略。,一、标幺值及其应用,一、标幺值及其应用,平均额定电压：某级电网两侧变压器额定电压平均值Uav,一、标幺值及其应用,规定：采用平均标称电压后，认为该级网络的所有元件的额定电压=平均标称电压，而不管其实际原有的额定电压值。因此是一近似方法，此时，变压器变比标么值都为1。几种常用元件的标么值(近似计算时)发电机、变压器：线路：是以额定值为基准，X为有名值电抗器：按平均额定电压计算的标么值返算有名值时，仍按各级相应的平均额定电压返算。,精品课件！,精品课件！,小结,发电机的功角特性发电机的运行极限图变压器参数的计算及其等值电路 线路参数的计算及其等值电路 负荷特性及其数学模型 有名制和标么制电力网络的数学模型对于变压器的参数计算，要分清楚以元件自身额定参数作为基准的标幺值和以电网计算所取基准值为基准的标幺值,