電力系統(tǒng)分析概述電力系統(tǒng)分析是研究電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律的學(xué)科結(jié)合理論與實(shí)際，解決電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行問題課程目標(biāo)和意義掌握基本理論理解電力系統(tǒng)的基本原理和數(shù)學(xué)模型培養(yǎng)計算能力能夠進(jìn)行電力系統(tǒng)分析的基本計算解決實(shí)際問題培養(yǎng)應(yīng)用所學(xué)知識解決工程問題的能力工程師基礎(chǔ)電力系統(tǒng)的基本概念定義由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)功能將一次能源轉(zhuǎn)換為電能并輸送給用戶的能量轉(zhuǎn)換與傳輸系統(tǒng)特點(diǎn)生產(chǎn)與消費(fèi)同時進(jìn)行，不可儲存，需實(shí)時平衡電力系統(tǒng)的組成部分發(fā)電環(huán)節(jié)各類發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)換為電能輸電環(huán)節(jié)通過高壓輸電線路遠(yuǎn)距離輸送電能變電環(huán)節(jié)通過變電站調(diào)整電壓等級和分配電能配電環(huán)節(jié)將電能配送至各類終端用戶電力系統(tǒng)的發(fā)展歷史1初期階段孤立的小型發(fā)電系統(tǒng)，直流供電為主2發(fā)展階段交流電系統(tǒng)發(fā)展，區(qū)域電網(wǎng)形成3成熟階段大型互聯(lián)電網(wǎng)建立，跨區(qū)域電力調(diào)度4智能電網(wǎng)融合信息技術(shù)，雙向互動，高度自動化電力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)同時性發(fā)電與用電同時進(jìn)行，不可大量儲存隨機(jī)性負(fù)荷需求和可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性整體性系統(tǒng)各部分緊密聯(lián)系，互相影響安全性必須保證安全穩(wěn)定運(yùn)行，不允許大面積停電電力系統(tǒng)的電壓等級1特高壓1000kV及以上交流，±800kV及以上直流2超高壓500kV、750kV交流，±500kV、±660kV直流3高壓110kV、220kV、330kV交流4中低壓35kV及以下交流電力系統(tǒng)的接線方式1放射狀接線從電源向各負(fù)荷單方向供電，結(jié)構(gòu)簡單2環(huán)形接線形成閉合回路，提高供電可靠性3網(wǎng)狀接線多電源多聯(lián)絡(luò)線路，可靠性高但控制復(fù)雜4混合接線結(jié)合上述基本形式，適應(yīng)不同需求電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式直接接地中性點(diǎn)直接與地相連經(jīng)阻抗接地中性點(diǎn)經(jīng)電阻或電抗器接地消弧線圈接地中性點(diǎn)經(jīng)可調(diào)電抗器接地不接地中性點(diǎn)不與地連接電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性時間負(fù)荷(MW)電力系統(tǒng)分析的主要內(nèi)容潮流計算確定電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時的電壓和功率分布故障分析研究系統(tǒng)發(fā)生短路故障時的暫態(tài)過程穩(wěn)定性分析研究系統(tǒng)受擾后維持同步運(yùn)行的能力經(jīng)濟(jì)運(yùn)行在滿足安全約束條件下最經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)各元件的特性和數(shù)學(xué)模型發(fā)電機(jī)模型采用等效電路和數(shù)學(xué)方程描述電氣特性包括暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)模型變壓器模型等值電路表示，考慮阻抗和變比三相變壓器的不同接線方式輸電線模型長、中、短線路的π型或T型等值電路分布參數(shù)和集中參數(shù)模型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型潮流計算模型恒定電勢E后接同步電抗Xd的等值電路暫態(tài)計算模型考慮暫態(tài)電抗X'd和次暫態(tài)電抗X"d動態(tài)模型采用Park變換的d-q坐標(biāo)系數(shù)學(xué)方程組機(jī)械特性轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程描述功角動態(tài)變化變壓器的參數(shù)和等值電路T型等值電路考慮漏抗、鐵損和勵磁電流π型等值電路便于并入節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形式簡化等值電路忽略勵磁支路的近似模型輸電線路的運(yùn)行特性電壓分布線路上電壓沿線呈非線性分布輸送功率受傳輸距離和穩(wěn)定性限制損耗包括電阻損耗、電暈損耗和漏電損耗阻抗電阻、電感和電容參數(shù)綜合效應(yīng)輸電線路的數(shù)學(xué)模型短線模型長度小于80km，僅考慮縱向阻抗中線模型長度80-240km，考慮電容的π型等值電路長線模型超過240km，采用分布參數(shù)模型波動方程描述電壓電流沿線傳播特性的偏微分方程負(fù)荷的特性和模型恒定阻抗模型功率與電壓平方成正比恒定電流模型功率與電壓成正比恒定功率模型功率不隨電壓變化綜合ZIP模型三種基本模型的加權(quán)組合電力系統(tǒng)等值電路劃分系統(tǒng)區(qū)域?qū)?fù)雜系統(tǒng)劃分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域外部網(wǎng)絡(luò)等值化將外部網(wǎng)絡(luò)簡化為邊界節(jié)點(diǎn)等值注入保留關(guān)鍵參數(shù)保證等值后的系統(tǒng)保持原有電氣特性驗(yàn)證等值效果通過比較原系統(tǒng)和等值系統(tǒng)的潮流結(jié)果標(biāo)么值計算1.0基準(zhǔn)值選取適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)功率和基準(zhǔn)電壓Z÷Zb阻抗換算實(shí)際阻抗除以基準(zhǔn)阻抗得到標(biāo)么值U÷Ub電壓換算實(shí)際電壓除以基準(zhǔn)電壓得到標(biāo)么值S÷Sb功率換算實(shí)際功率除以基準(zhǔn)功率得到標(biāo)么值簡單電力網(wǎng)絡(luò)的計算和分析網(wǎng)絡(luò)參數(shù)各元件的阻抗參數(shù)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形成潮流計算確定各節(jié)點(diǎn)電壓和線路功率迭代計算方法技巧應(yīng)用Y-Δ變換等值變換簡化網(wǎng)絡(luò)功率損耗和電壓降落計算線路長度(km)功率損耗(%)電壓降落(%)開式網(wǎng)絡(luò)的潮流分布電源點(diǎn)單一電源向負(fù)荷點(diǎn)供電單向流動功率從電源點(diǎn)向負(fù)荷點(diǎn)單向流動逐段累加負(fù)荷功率沿線路逐段累加計算電壓遞減電壓從電源點(diǎn)向負(fù)荷端遞減環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的潮流分布閉合環(huán)路網(wǎng)絡(luò)形成一個或多個閉合環(huán)路多路徑電力可通過多條路徑流動自然分流功率按阻抗反比自然分配可靠性高單點(diǎn)故障不會導(dǎo)致全網(wǎng)停電復(fù)雜電力系統(tǒng)潮流的計算機(jī)算法牛頓-拉夫遜法二階收斂速度快，適用于大型系統(tǒng)高斯-賽德爾法迭代簡單，內(nèi)存占用少快速解耦法利用P-θ和Q-V的弱耦合特性節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣定義描述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的數(shù)學(xué)模型自導(dǎo)納對角元素為所有連接該節(jié)點(diǎn)支路導(dǎo)納之和互導(dǎo)納非對角元素為連接兩節(jié)點(diǎn)支路導(dǎo)納的負(fù)值特性對稱矩陣，每列元素和為零功率方程Pi=|Vi|∑|Vj||Yij|cos(θij+δj-δi)Qi=|Vi|∑|Vj||Yij|sin(θij+δj-δi)其中:Pi,Qi-節(jié)點(diǎn)i的有功、無功功率Vi,Vj-節(jié)點(diǎn)i,j的電壓Yij-導(dǎo)納矩陣元素δi,δj-節(jié)點(diǎn)i,j的相角θij-導(dǎo)納Yij的相角牛頓-拉夫遜法建立方程功率不平衡方程ΔP和ΔQ形成雅可比矩陣求解功率方程對狀態(tài)變量的偏導(dǎo)數(shù)求解線性方程組計算狀態(tài)變量的修正量更新狀態(tài)變量直至收斂為止PQ分解法P方程有功功率方程與相角關(guān)系密切ΔP=B'ΔθQ方程無功功率方程與電壓幅值關(guān)系密切ΔQ=B"ΔV優(yōu)勢計算量小，收斂性好雅可比矩陣保持不變，只需分解一次直流潮流法假設(shè)條件節(jié)點(diǎn)電壓接近額定值線路電阻遠(yuǎn)小于電抗相鄰節(jié)點(diǎn)相角差較小簡化方程P=B·θ線性方程組，無需迭代應(yīng)用場景安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度輸電網(wǎng)規(guī)劃安全分析電力系統(tǒng)有功功率的平衡與頻率調(diào)整有功功率平衡的基本概念功率平衡發(fā)電功率=負(fù)荷功率+損耗功率頻率響應(yīng)功率不平衡導(dǎo)致頻率變化旋轉(zhuǎn)儲備系統(tǒng)備用容量應(yīng)對負(fù)荷變化調(diào)頻能力機(jī)組響應(yīng)頻率變化的調(diào)節(jié)能力頻率調(diào)整的原理和方法調(diào)速器監(jiān)測轉(zhuǎn)速變化并調(diào)整原動機(jī)輸入調(diào)差率描述負(fù)荷變化與頻率變化的關(guān)系頻率特性系統(tǒng)頻率對功率變化的敏感度負(fù)荷分配各機(jī)組按調(diào)差率分擔(dān)負(fù)荷變化一次調(diào)頻和二次調(diào)頻一次調(diào)頻調(diào)速器自動響應(yīng)頻率偏差響應(yīng)時間為幾秒到幾十秒分散控制，無需通信系統(tǒng)二次調(diào)頻AGC系統(tǒng)恢復(fù)額定頻率響應(yīng)時間為幾分鐘集中控制，需要通信系統(tǒng)消除區(qū)域間交換功率偏差電力系統(tǒng)無功功率的平衡與電壓調(diào)整發(fā)電機(jī)勵磁并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置變壓器調(diào)壓其他方式無功功率平衡的基本概念概念無功功率不消耗能量，在電感和電容間往復(fù)震蕩傳輸特性無功功率不宜遠(yuǎn)距離傳輸，應(yīng)就地平衡影響因素負(fù)荷特性、線路參數(shù)、電壓水平平衡意義維持電壓穩(wěn)定，減少網(wǎng)損，提高輸電能力電壓調(diào)整的原理和方法發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)通過調(diào)整勵磁電流控制發(fā)電機(jī)輸出無功功率變壓器分接頭調(diào)整改變變壓器變比調(diào)節(jié)電壓無功補(bǔ)償設(shè)備并聯(lián)電容器、電抗器、SVG等提供或吸收無功功率統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制多種設(shè)備協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電壓控制無功補(bǔ)償設(shè)備靜止無功補(bǔ)償器(SVC)利用晶閘管控制的電抗器和電容器組合靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)基于電壓源變換器的新型無功補(bǔ)償裝置并聯(lián)電容器組最傳統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)的無功補(bǔ)償設(shè)備電力系統(tǒng)故障分析1故障類型識別確定故障性質(zhì)和類型故障電流計算計算最大短路電流供保護(hù)整定保護(hù)設(shè)備配置根據(jù)故障特性設(shè)計保護(hù)系統(tǒng)故障影響評估分析故障對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響故障類型和特點(diǎn)三相短路三相同時短路，對稱故障，電流最大1兩相短路兩相互相短路，不對稱故障2兩相接地兩相同時接地，不對稱故障3單相接地一相接地，最常見的不對稱故障4對稱分量法理論基礎(chǔ)任何三相不平衡量可分解為三組對稱分量正序、負(fù)序和零序分量數(shù)學(xué)表達(dá)利用對稱變換矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換a=e^(j2π/3)為旋轉(zhuǎn)算子應(yīng)用簡化不對稱故障分析保護(hù)裝置原理基礎(chǔ)序網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)電機(jī)的序參數(shù)正序阻抗Z?=Ra+jXd負(fù)序阻抗Z?=Ra+j(Xd"+Xq")/2零序阻抗Z?=Ra+jX?相對大小通常X?>X?>X?變壓器的序參數(shù)正序阻抗等于短路阻抗Z?=Zk負(fù)序阻抗通常等于正序阻抗Z?=Z?零序阻抗與繞組接線方式密切相關(guān)零序通路Y-Y接線時通過中性點(diǎn)接地提供輸電線路的序參數(shù)Z?正序阻抗與線路幾何結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線特性有關(guān)Z?負(fù)序阻抗與正序阻抗近似相等Z?零序阻抗受大地回路影響，通常為正序的2-3.5倍3-5倍零序電抗遠(yuǎn)大于正序電抗三相短路故障分析對稱故障三相同時短路，系統(tǒng)保持三相對稱計算方法只需使用正序網(wǎng)絡(luò)故障電流Ik=E/Z?應(yīng)用斷路器選擇，保護(hù)裝置整定不對稱短路故障分析單相接地故障三種序網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，Ia=3E/(Z?+Z?+Z?)兩相短路故障正負(fù)序網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，Ib=-Ic=E/(Z?+Z?)兩相接地故障三種序網(wǎng)絡(luò)特定連接，計算復(fù)雜電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析角度穩(wěn)定性同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行的能力頻率穩(wěn)定性系統(tǒng)維持頻率在允許范圍內(nèi)的能力電壓穩(wěn)定性在擾動后維持電壓在正常范圍的能力大小信號穩(wěn)定性根據(jù)擾動大小分類穩(wěn)定性的基本概念定義電力系統(tǒng)在擾動后恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力包括角度、電壓和頻率穩(wěn)定性影響因素初始運(yùn)行狀態(tài)擾動性質(zhì)和大小系統(tǒng)參數(shù)和控制系統(tǒng)研究意義確保電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行提高輸電能力和經(jīng)濟(jì)性小干擾穩(wěn)定性分析線性化在工作點(diǎn)附近對系統(tǒng)方程進(jìn)行線性化特征值系統(tǒng)狀態(tài)矩陣特征值決定穩(wěn)定性模態(tài)分析分析系統(tǒng)振蕩模式的頻率和阻尼特性控制器設(shè)計基于分析結(jié)果設(shè)計PSS等穩(wěn)定控制器暫態(tài)穩(wěn)定性分析故障發(fā)生嚴(yán)重擾動破壞原有平衡故障清除保護(hù)裝置動作切除故障暫態(tài)過程系統(tǒng)在新拓?fù)湎聦で笮缕胶夥€(wěn)定判斷功角是否有界確定系統(tǒng)是否穩(wěn)定等面積法原理基于能量守恒原理加速面積與減速面積相等時臨界穩(wěn)定適用范圍單機(jī)無窮大系統(tǒng)經(jīng)典發(fā)電機(jī)模型基本故障情況優(yōu)勢計算簡單直觀可直接確定臨界切除時間時間域仿真法電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最小成本在滿足系統(tǒng)約束條件下最小化總發(fā)電成本2等增率原則最優(yōu)調(diào)度時各機(jī)組增量成本相等網(wǎng)絡(luò)約束考慮傳輸能力和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響安全約束保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的各種限制條件發(fā)電機(jī)組的特性曲線發(fā)電功率(MW)燃料消耗率(t/h)增量成本(元/MWh)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基本原理模型建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)等增率條件λ=dF?/dP?=dF?/dP?=...=dF?/dP?求解方法拉格朗日乘數(shù)法、梯度法、動態(tài)規(guī)劃等約束處理處理發(fā)電機(jī)出力上下限、爬坡率等約束考慮網(wǎng)絡(luò)損耗的經(jīng)濟(jì)調(diào)度損耗計算B系數(shù)法近似表示網(wǎng)絡(luò)損耗PL=∑∑P?B??P?修正增量成本考慮損耗懲罰因子λ=dF?/dP?·(1+?PL/?P?)求解方法迭代求解非線性方程組考慮系統(tǒng)功率平衡約束電力系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測預(yù)測未來