电力系统分析实验

实验1 电力系统潮流计算分析实验

一、实验目的

1、熟悉电力系统潮流分布的典型结构，

2、熟悉电力系统潮流分布变化时，对电力系统的影响， 3、根据电力系统潮流分布的结果，能够分析各节点的特点。 二、原理说明

潮流计算是研究和分析电力系统的基础。它主要包括以下内容： （1）电流和功率分布计算。 （2）电压损耗和各节点电压计算。 （3）功率损耗计算。

无论进行电力系统的规划设计，还是对各种运行状态的研究分析，都须进行潮流计算。电力系统日常运行的潮流计算其实是对运行方式的调整从而制定合理的运行方式。

潮流计算的方法有手算的解析计算法和电子计算机计算法。在本实验平台中通过模拟电力系统运行结构取得各中原始数据，可根据线路形式以及参数初步进行潮流计算分析。但可能系统中一些设备原器件的非线性，造成理论计算和实际运行数据不符合，但基本在误差范围以内的，可作为全面分析实验中各中现象的理论依据。

电力系统潮流控制，包含有功潮流控制和无功潮流控制。电力网络中，各种结构都有自身的特点，因此潮流控制对电力系统安全与稳定、电力系统经济运行均具有重要意义。

THLDK-2电力系统监控实验平台上，根据电力网络中典型潮流结构特点，提供了7种网络结构进行分析。实验过程中，构建一个电力网络，增加或减少某些机组的有功出力和无功出力，在保持系统各节点电压在允许范围内的前提下，改变系统支路的有功潮流和无功潮流。可以研究某一单一网络结构，或者多中网络结构的互相变化，观察电力系统潮流的变化。

实验过程中，要运行“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”上位机软件，完成各种潮流分布中功率数值和方向变化，各母线电压的变化，最后数打印各中数据和图形，加以分析。

在本实验平台上，实验人员要首先分析并熟悉各种网络结构的特点，了解可能出现的变化规律，然后在实验中潮流控制时，各发电机的功率应该缓慢调节，待系统稳定后，再进行下一步调整，还应整体把握各发电机的出力，以及各母线电压的变化，始终保证整个网络的稳定安全运行。

注意：实验过程中调节功率时，务必保证监控台上线路中的电流不超过5A！！！潮流分

析实验中，如果1#发电机与2#发电机的出口母线，通过断路器QF1连通，或者，3#发电机与4#发电机的出口母线通过断路器QF6连通，则1#、2#、3#和4#发电机的调差系数设置为+10，这样并列运行的机组才能合理分配无功功率，保证系统稳定运行。 三、实验内容与步骤

1、“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”上位机软件的运行

投入“操作电源”（向上扳至ON），启动电脑及显示器、打印机，运行上位机软件。使用步骤见光盘软件使用说明书。实验中，在上位机界面（图3-8）中可进行各种潮流分布图进行分析。

图1-1 潮流分布图选择

2、辐射形－放射式网络结构的潮流分布实验

（1）无穷大系统的调整以及电力网的组建

1）逆时针调整自耦调压器把手至最小，投入“操作电源”之后，投入“无穷大系统电源”，合闸QF19，接通8#母线，再合闸QF18 ，顺时针调整自耦调压器把手至400V。

联络变压器的分接头选择为UN。

2）依次合闸QF18→QF14→QF12→QF10→QF1→QF3→QF4→QF5→QF6，观察1#、4#、5#母线电压为400V左右，6#母线为220V左右。

（2）各发电机组的启动和同期运行

起动1#发电机组，控制方式：微机励磁，他励，恒压控制方式，组网运行，n=1500rpm，UG=400V。

此时，通过1#发电厂的自动准同期装置，将1#发电厂并入无穷大系统，1#发电机组并网后，手动调节微机调速装置和微机励磁装置，发出一定的有功功率和无功功率。

（3）潮流分布的控制以及潮流分布图的打印

依次按下QF8，QF9，QF11，QF13“合闸”按钮，网络结构如图1-2。在上位机软件中可选择潮流分布图中“第一种 辐射形－放射式”窗口。

通过调节发电厂的有功功率和无功功率的输出，以及调整无穷大系统的电压，观察各种运行情况下，潮流分布数据，打印对应的潮流分布图、区域总体调度图。

（4）各发电机组的解列和停机

切除负载LD1、LD2、LD3和LD4，手动调节1#发电厂发出的有功功率和无功功率为0，按下监控实验台的QFG1“分闸”按钮，完成1#发电厂的解列操作，然后进行1#发电机组的停机操作。

图1-2 辐射形－放射式原理图

2、环形－双端供电网络（1）网络结构的潮流分布实验

（1）无穷大系统的调整以及电力网的组建

1）逆时针调整自耦调压器把手至最小，投入“操作电源”之后，投入“无穷大系统电源”，合闸QF19，接通8#母线，再合闸QF18 ，顺时针调整自耦调压器把手至400V。

联络变压器的分接头选择为UN。

2）依次合闸QF1→QF15→QF7，观察1#、4#母线电压为400V左右。 （2）各发电机组的启动和同期运行

起动1#、4#发电机组，控制方式：微机励磁，他励，恒压控制方式，组网运行，n=1500rpm，UG=400V。

此时，通过1#发电厂的自动准同期装置，将4#发电厂并入无穷大系统，4#发电机组完成并网操作后，手动调节微机调速装置和微机励磁装置，发出一定的有功功率和无功功率。

进行同样操作，完成4#发电机组的启动和同期运行，并发出一定的有功功率。 （3）潮流分布的控制以及潮流分布图的打印

网络结构如图1-3。在上位机软件中可选择潮流分布图中“第三种 环形－双端供电网络（1）”窗口。

通过调节发电厂的有功功率和无功功率的输出，以及调整无穷大系统的电压，观察各种运行情况下，潮流分布数据，打印对应的潮流分布图、区域总体调度图。

图1-3 环形－双端供电网络原理图

（4）各发电机组的解列和停机

手动调节1#发电厂发出的有功功率和无功功率为0，按下监控实验台的QFG1“分闸”按钮，完成1#发电厂的解列操作，然后进行1#发电机组的停机操作。

然后按同样操作，依次完成4#发电机组的解列和停机操作。 四、实验报告

1、整理各种潮流结构下的潮流分布图，并且结合各发电厂的运行曲线图，线路上的各运行数据，对比分析。

2、分析潮流结构变化时，电力系统运行参数的变化情况，对各种数据和曲线实行对比分析。

实验2 电力系统负荷调整实验

一、实验目的

1、了解负荷调整的概念。 2、学会负荷调整的方法。 二、原理说明

电力负荷的大小随时间而异，负荷随时间变化的轨迹称为负荷曲线，最大负荷称为高峰负荷，最小负荷称为低谷负荷。由于工业电能不能存储，电力部门的发电功率必须实时跟踪负荷的变化，即高峰负荷时，必须要有和高峰负荷相当的发电容量，而在低谷负荷时，则要停掉部分机组。

负荷控制利用限制负荷或调整部分负荷用电时间的方法控制高峰负荷，减小高峰负荷和低谷负荷的差值，以平滑负荷曲线。

所谓负荷调整就是：当用电负荷增加时，电力系统的出力也应随之增加；当用电负荷减少时，电力系统的出力也须相应减少。如果各种用户最大负荷出现的时间过分集中，电力系统就得有足够的出力来满足用户需要，否则电力系统的出力和负荷就不能平衡，出现供小于求的状况，造成拉闸限电。当用电高峰时段已过，电力供大于求，造成发电设备的压机运行或停机。

用电负荷是一个不断变动的量，对一个地区而言，负荷变化的特性主要取决于用电行业结构、地域、季节变化、经济发展和生活水平。用电负荷在时间上的不均衡性使得某一时段用电较多，某一时段用电较少，这就形成了用电高峰负荷与低谷负荷。峰谷差愈大，电网运行愈不经济。

电力负荷管理系统是指能够监测、控制、管理本地区用户用电负荷的双向无线电力负荷管理系统（简称负荷管理系统）。通过负荷管理系统可以实现用电负荷监控到户，做到限电不拉闸，是电网错峰、削峰的重要技术手段。

本实验通过单机-无穷大网络结构，在中间段通过联络变压器带上区域负荷，研究负荷变化时，发电厂的输出功率、无穷大系统发出和吸收的功率、负荷的取用功率的变化情况，可根据实验数据分析负荷变化对对网络中运行参数的影响，从而分析电力系统中进行负荷调整以及负荷管理的原因。 三、实验内容与步骤

（1）无穷大系统的投入和调整

逆时针调整自耦调压器把手至最小，投入“操作电源”之后，投入“无穷大系统电源”，合闸QF19，接通8#母线，再合闸QF18，顺时针调整自耦调压器把手至400V。

依次按下QF19、QF18、QF1“合闸”按钮，观察1#母线电压为400V左右。联络变压器的分接头选择为UN。

（2）1#发电机组的起动和同期运行

起动1#发电机组，控制方式：微机励磁，他励，恒压控制方式，组网运行，n=1500rpm,UG=400V。

此时，通过1#发电厂的自动准同期装置，将1#发电厂并入无穷大系统，1#发电机组并网后，手动调节微机调速装置和微机励磁装置，发出一定的有功功率和无功功率：P=1kW，Q=0.75kVar。

（3）负荷的选择投入

依次按下QF14、QF10、QF11“合闸”按钮，投入负荷LD3，网络结构如图2-1。

图2-1 负荷调整实验原理图

记录此时发电机组的P和Q于表2-1中，同时记录1、3、5、10#智能电力监测仪有功功率和无功功率于表2-1中。

表2-1 发电厂 负荷类型 电量参数 有功功率 P（kW） 无功功率 Q（kVar）

表2-2 智能测量仪表 电量参数 负荷类型 1# 平均相电压 Uph（V） 有功功率 P（kW） 无功功率 Q（kVar）

依次按下QF12、QF13“合闸”按钮，投入负荷LD4，网络结构如图3-6。记录此时发电

LD1 LD1+ LD2 LD1 LD1+ LD2 LD1 LD1+ LD2 3# 5# 10# LD1 LD1+LD2

图2-2

机组的P和Q，记录此时发电机组的P和Q于表2-1中，同时记录1、3、5、10#智能电力监测仪有功功率和无功功率于表2-2中。 （4）各发电机组的解列和停机

手动调节1#发电厂发出的有功功率和无功功率为0，按下监控实验台的QFG1“分闸”按钮，完成1#发电厂的解列操作，然后进行1#发电机组的停机操作。

四、实验报告

1、根据实验数据，分析负荷变化时，线路上功率的方向和数值变化，以及对发电机组的输出功率的影响。

实验3 电力系统有功功率—频率特性实验

一、实验目的

1、掌握同步发电机组的有功功率－频率特性 2、掌握电力系统负荷的有功功率－频率特性 3、掌握电力系统的有功功率－频率特性 4、掌握机组间有功功率分配的原理和操作方法 二、原理说明

1、同步发电机组的有功功率特性－频率

同步发电机组是电力系统中的有功功率源，因此，研究同步发电机组的频率－有功功率特性具有重要意义。同步发电机转子的转速n、转子极对数p与定子电压的频率f之间有如下关系：

f?pn 此式说明，调频就是调速，调速就能调频。 60同步发电机的频率-有功功率特性，表述同步发电机输出的有功功率与其频率之间的关系。它是同步发电机的一个重要特征，在调速器投入运行的条件下，该特性就是调速器的调差特性。

同步发电机组输出的有功与其频率的关系，称为同步发电机组的频率—有功功率特性（如图3-1所示），在调速器投入运行的条件下该特性就等于调速器的调差特性。

图3-1 同步发电机组的频率—有功功率特性

有功调差系数R是用来描述同步发电机组的频率—有功功率特性曲线特征的重要参数，它定义为：

R???f?PfpNN

有功功率调差系数R在数值上等于机组的有功负荷从零值增加到机组的额定有功功率时（有功功率增量为一个标幺值），其频率增量的标幺值的绝对值。公式中的负号表示：下倾的曲线为正调差特性，上升的曲线为负调差特性，水平线是零调差特性。分析可知，零调差和负调差特性的机组不能并联运行，只有具有正调差特性的机组并联运行时，才可以稳定分配有功功率。

2、电力系统负荷的有功功率－频率特性

负荷波动是影响频率稳定的重要原因。电力系统有功功率负荷具有多种形式，将它们按与频率的关系划分为不同的类型。在电力系统中，高于三次方的负荷比例很小，故通常在计算中只能取到三次方即可。

研究负荷的工频特性，主要关心额定频率附近的一段曲线，在小范围研究问题时，数学上可以近似将曲线用直线来代替，在标幺值坐标里，这根直线的斜率反映了，负荷消耗的有功功率与电源频率之间的定量关系，即：

kL*??PLPLN

?ffN负荷的功频特性（如图3-2所示）具有单调上升的特点，当电力系统发生有功功率缺额时，频率将下降，由于频率的下降，负荷将自动减小其消耗的有功功率，系数kL*越大，减小得越多，由于负荷消耗有功功率的自动减小，使得系统有功功率在较低频率下重新得以平衡。

图3-2 电力系统负荷的有功功率－频率特性

可见，负荷参与了有功功率平衡调节，它对系统频率的稳定起了有利的调节作用，而系数 kL*正反映了负荷的这种调节能力的大小，称为负荷的频率调节效应系数，也称为负荷的单位调节功率。

电力系统负荷频率-有功功率特性是指负荷取用有功功率与系统频率之间的关系，它取决于负荷的类型。电力系统综合负荷的功频特性是由各种类型负荷的功频特性按比例组合而成。

本实验系统用电阻器作为有功功率负荷，电阻器取用频率正比于其他电源电压的平方。当发电机励磁控制系统工作于恒压方式下，电阻器取用功率与频率无关；当励磁控制系统工作于恒励磁电流方式时，由于机端电压正比于转速（即频率），所以电阻器取用功率与频率成平方关系。

3、电力系统的有功功率－频率特性

当电力系统发生频率波动时，同步发电机的调速器控制作用和负荷的频率调节效应是同时进行的。由于发电机调速器是按照偏差负反馈原理构成的，所以具有正调差，具有下倾的特性。也就是说，当电力系统频率下降时，同步发电机输出功率增加，发电机调差系数KG越小，发电机组分担的变动功率△P越大，反之则越小。另外，负荷的频率调节也相应减少，这一特点有助于在电力系统频率变动时功率重新获得平衡。因为当系统负荷突然增大时，发电机组输出功率因调节系统的延时而不能及时跟上，电力系统频率必然下降，而负荷吸收功率的减少，显然有助于功率的平衡。

电力系统中有许多台发电机组和不同类型的负荷，为了分析电力系统频率的方便，必须将所有发电机组和负荷（输电网络的损耗看成是负荷的一部分），分别并为一个等效发电机组和等效负荷。

调速器的调节作用：一次调节。频率的一次调整曲线如图3-3。

移动发电机的功频特性：二次调节（无差调节）：手动或自动地操作调频器，使发电机组的频率特性平行地移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。频率的二次调整曲线如图3-4。

图3-3 频率的一次调整

图3-4 频率的二次调整

备注：PG″为无差调节。 4、机组间有功功率分配

系统负荷总量应在各并列运行机组间稳定而合理地得到分配，合理的含义是：各并联运行的机组所分配到的有功功率，按各机组自身容量为基准折算成标幺值时均相等，当电力负荷有功功率波动时，并列运行的机组中，调差系数较大的机组，将承担较小的有功功率增量；调差系数较小的机组，将承担较大的有功功率增量。

为此，要使有功功率负荷增量在各并联运行机组间得到合理稳定分配，就要求各机组具有相同的调差系数。同步发电机组典型的频率—有功功率特性曲线的调差系数一般在3%～5%之间。

三、实验内容与步骤

在本实验1～3步骤中，采用的电力网络结构如图3-5所示；实验4步骤中采用的电力网络结构如图3-25所示。在实验中，负荷LD2选择为“阻抗性”负载

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