《电力系统分析教案》课件

电力系统分析概述电力系统分析是研究电网运行规律的学科结合理论与实际，解决电网安全稳定运行问题课程目标和意义掌握基本理论理解电力系统的基本原理和数学模型培养计算能力能够进行电力系统分析的基本计算解决实际问题培养应用所学知识解决工程问题的能力工程师基础电力系统的基本概念定义功能由发电、输电、变电、配电和用将一次能源转换为电能并输送给电等环节组成的复杂能量转换系用户的能量转换与传输系统统特点生产与消费同时进行，不可储存，需实时平衡电力系统的组成部分发电环节输电环节各类发电厂将一次能源转换为电能通过高压输电线路远距离输送电能配电环节变电环节将电能配送至各类终端用户通过变电站调整电压等级和分配电能电力系统的发展历史初期阶段1孤立的小型发电系统，直流供电为主发展阶段2交流电系统发展，区域电网形成成熟阶段3大型互联电网建立，跨区域电力调度智能电网4融合信息技术，双向互动，高度自动化电力系统的主要特点同时性随机性整体性发电与用电同时进负荷需求和可再生系统各部分紧密联行，不可大量储存能源发电具有随机系，互相影响性安全性必须保证安全稳定运行，不允许大面积停电电力系统的电压等级特高压11000kV及以上交流，±800kV及以上直流超高压2500kV、750kV交流，±500kV、±660kV直流高压3110kV、220kV、330kV交流中低压435kV及以下交流电力系统的接线方式1放射状接线从电源向各负荷单方向供电，结构简单2环形接线形成闭合回路，提高供电可靠性3网状接线多电源多联络线路，可靠性高但控制复杂4混合接线结合上述基本形式，适应不同需求电力系统中性点的运行方式直接接地中性点直接与地相连经阻抗接地中性点经电阻或电抗器接地消弧线圈接地中性点经可调电抗器接地不接地中性点不与地连接电力系统的负荷特性电力系统分析的主要内容潮流计算确定电力系统正常运行时的电压和功率分布故障分析研究系统发生短路故障时的暂态过程稳定性分析研究系统受扰后维持同步运行的能力经济运行在满足安全约束条件下最经济地运行电力系统电力系统各元件的特性和数学模型发电机模型变压器模型输电线模型采用等效电路和数学方程描述电气特性等值电路表示，考虑阻抗和变比长、中、短线路的π型或T型等值电路包括暂态和稳态模型三相变压器的不同接线方式分布参数和集中参数模型发电机的运行特性发电机的数学模型潮流计算模型恒定电势E后接同步电抗Xd的等值电路暂态计算模型考虑暂态电抗Xd和次暂态电抗Xd动态模型采用Park变换的d-q坐标系数学方程组机械特性转子运动方程描述功角动态变化变压器的参数和等值电路型等值电路型等值电路简化等值电路Tπ考虑漏抗、铁损和励磁电流便于并入节点导纳矩阵的形式忽略励磁支路的近似模型输电线路的运行特性电压分布输送功率线路上电压沿线呈非线性分布受传输距离和稳定性限制损耗阻抗包括电阻损耗、电晕损耗和漏电损耗电阻、电感和电容参数综合效应输电线路的数学模型短线模型中线模型长度小于80km，仅考虑纵向阻抗长度80-240km，考虑电容的π型等值电路长线模型波动方程超过240km，采用分布参数模型描述电压电流沿线传播特性的偏微分方程负荷的特性和模型恒定电流模型恒定功率模型功率与电压成正比功率不随电压变化恒定阻抗模型综合模型ZIP功率与电压平方成正比三种基本模型的加权组合电力系统等值电路划分系统区域将复杂系统划分为内部区域和外部区域外部网络等值化将外部网络简化为边界节点等值注入保留关键参数保证等值后的系统保持原有电气特性验证等值效果通过比较原系统和等值系统的潮流结果标么值计算

1.0基准值选取适当的基准功率和基准电压Z÷Zb阻抗换算实际阻抗除以基准阻抗得到标么值U÷Ub电压换算实际电压除以基准电压得到标么值S÷Sb功率换算实际功率除以基准功率得到标么值简单电力网络的计算和分析网络参数潮流计算技巧应用各元件的阻抗参数确定各节点电压和线路功率Y-Δ变换节点导纳矩阵的形成迭代计算方法等值变换简化网络功率损耗和电压降落计算开式网络的潮流分布电源点单一电源向负荷点供电单向流动功率从电源点向负荷点单向流动逐段累加负荷功率沿线路逐段累加计算电压递减电压从电源点向负荷端递减环形网络的潮流分布闭合环路多路径网络形成一个或多个闭合环路电力可通过多条路径流动可靠性高自然分流单点故障不会导致全网停电功率按阻抗反比自然分配复杂电力系统潮流的计算机算法牛顿拉夫逊法高斯赛德尔法快速解耦法--二阶收敛速度快，适用于大型系统迭代简单，内存占用少利用P-θ和Q-V的弱耦合特性节点导纳矩阵定义描述网络结构和参数的数学模型自导纳对角元素为所有连接该节点支路导纳之和互导纳非对角元素为连接两节点支路导纳的负值特性对称矩阵，每列元素和为零功率方程Pi=|Vi|∑|Vj||Yij|cosθij+δj-δiQi=|Vi|∑|Vj||Yij|sinθij+δj-δi其中:Pi,Qi-节点i的有功、无功功率Vi,Vj-节点i,j的电压Yij-导纳矩阵元素δi,δj-节点i,j的相角θij-导纳Yij的相角牛顿拉夫逊法-建立方程功率不平衡方程ΔP和ΔQ形成雅可比矩阵求解功率方程对状态变量的偏导数求解线性方程组计算状态变量的修正量更新状态变量直至收敛为止分解法PQ方程方程优势P Q有功功率方程与相角关系密切无功功率方程与电压幅值关系密切计算量小，收敛性好ΔP=BΔθΔQ=BΔV雅可比矩阵保持不变，只需分解一次直流潮流法假设条件简化方程节点电压接近额定值P=B·θ线路电阻远小于电抗线性方程组，无需迭代相邻节点相角差较小应用场景安全约束经济调度输电网规划安全分析电力系统有功功率的平衡与频率调整有功功率平衡的基本概念功率平衡发电功率=负荷功率+损耗功率频率响应功率不平衡导致频率变化旋转储备系统备用容量应对负荷变化调频能力机组响应频率变化的调节能力频率调整的原理和方法调速器调差率频率特性监测转速变化并调整原描述负荷变化与频率变系统频率对功率变化的动机输入化的关系敏感度负荷分配各机组按调差率分担负荷变化一次调频和二次调频一次调频二次调频调速器自动响应频率偏差AGC系统恢复额定频率响应时间为几秒到几十秒响应时间为几分钟分散控制，无需通信系统集中控制，需要通信系统消除区域间交换功率偏差电力系统无功功率的平衡与电压调整无功功率平衡的基本概念概念无功功率不消耗能量，在电感和电容间往复震荡传输特性无功功率不宜远距离传输，应就地平衡影响因素负荷特性、线路参数、电压水平平衡意义维持电压稳定，减少网损，提高输电能力电压调整的原理和方法发电机励磁调节通过调整励磁电流控制发电机输出无功功率变压器分接头调整改变变压器变比调节电压无功补偿设备并联电容器、电抗器、SVG等提供或吸收无功功率统一协调控制多种设备协调配合实现最优电压控制无功补偿设备静止无功补偿器静止同步补偿器并联电容器组SVC STATCOM利用晶闸管控制的电抗器和电容器组合基于电压源变换器的新型无功补偿装置最传统和经济的无功补偿设备电力系统故障分析故障类型识别1确定故障性质和类型故障电流计算计算最大短路电流供保护整定保护设备配置根据故障特性设计保护系统故障影响评估分析故障对系统稳定性的影响故障类型和特点三相短路两相短路1三相同时短路，对称故障，电流最大两相互相短路，不对称故障2单相接地两相接地43一相接地，最常见的不对称故障两相同时接地，不对称故障对称分量法理论基础数学表达应用任何三相不平衡量可分解为三组对称分利用对称变换矩阵进行转换简化不对称故障分析量a=e^j2π/3为旋转算子保护装置原理基础正序、负序和零序分量序网络同步发电机的序参数正序阻抗Z₁=Ra+jXd负序阻抗Z₂=Ra+jXd+Xq/2零序阻抗Z₀=Ra+jX₀相对大小通常X₁X₂X₀变压器的序参数正序阻抗负序阻抗等于短路阻抗Z₁=Zk通常等于正序阻抗Z₂=Z₁零序通路零序阻抗Y-Y接线时通过中性点接地提供与绕组接线方式密切相关输电线路的序参数Z₁Z₂正序阻抗负序阻抗与线路几何结构和导线特性有关与正序阻抗近似相等₀倍Z3-5零序阻抗零序电抗受大地回路影响，通常为正序的2-

3.5倍远大于正序电抗三相短路故障分析对称故障三相同时短路，系统保持三相对称计算方法只需使用正序网络故障电流Ik=E/Z₁应用断路器选择，保护装置整定不对称短路故障分析单相接地故障两相短路故障两相接地故障三种序网络串联，Ia=3E/Z₁+Z₂+Z₀正负序网络并联，Ib=-Ic=E/Z₁+Z₂三种序网络特定连接，计算复杂电力系统稳定性分析角度稳定性同步发电机保持同步运行的能力频率稳定性系统维持频率在允许范围内的能力电压稳定性在扰动后维持电压在正常范围的能力大小信号稳定性根据扰动大小分类稳定性的基本概念定义影响因素研究意义电力系统在扰动后恢复平衡状态的能力初始运行状态确保电力系统安全可靠运行包括角度、电压和频率稳定性扰动性质和大小提高输电能力和经济性系统参数和控制系统小干扰稳定性分析线性化特征值模态分析在工作点附近对系系统状态矩阵特征分析系统振荡模式统方程进行线性化值决定稳定性的频率和阻尼特性控制器设计基于分析结果设计PSS等稳定控制器暂态稳定性分析故障发生严重扰动破坏原有平衡故障清除保护装置动作切除故障暂态过程系统在新拓扑下寻求新平衡稳定判断功角是否有界确定系统是否稳定等面积法原理适用范围优势基于能量守恒原理单机无穷大系统计算简单直观加速面积与减速面积相等时临界稳定经典发电机模型可直接确定临界切除时间基本故障情况时间域仿真法电力系统经济运行最小成本在满足系统约束条件下最小化总发电成本等增率原则2最优调度时各机组增量成本相等网络约束考虑传输能力和网络损耗的影响安全约束保证系统安全稳定运行的各种限制条件发电机组的特性曲线经济调度的基本原理模型建立目标函数和约束条件的数学表达等增率条件λ=dF₁/dP₁=dF₂/dP₂=...=dF/dPₙₙ求解方法拉格朗日乘数法、梯度法、动态规划等约束处理处理发电机出力上下限、爬坡率等约束考虑网络损耗的经济调度损耗计算修正增量成本求解方法B系数法近似表示网络损耗考虑损耗惩罚因子迭代求解非线性方程组PL=∑∑PᵢBᵢⱼPⱼλ=dFᵢ/dPᵢ·1+∂PL/∂Pᵢ考虑系统功率平衡约束电力系统规划与设计基础负荷预测电源规划预测未来电力需求增长确定发电容量和机组类型2技术经济分析网络规划3评估投资效益和经济可行性设计满足需求的输配电网络电力系统分析软件介绍PSS/E BPAMATLAB/Simulink美国PTI公司开发，稳态和暂态分析功能强美国电力局开发，适用于大型电力系统分灵活性高，适合研究创新控制方法大析课程总结与展望核心收获发展方向掌握电力系统分析的基本理论和方法智能电网、可再生能源、大数据分析应用领域持续学习电力系统规划、运行、控制和保护保持学习新技术，培养工程实践能力。