电力系统潮流分析

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目录

弓I言 ....................................................................... 3 第一章电力系统运行稳定性的基本概念 ........................................... 4

1.1同步发电机的机电特性 .................................................. 4

1.1.1同步发电机的功角特性 ........................................... 4 1.1.2同步发电机的转子运动特性 ....................................... 6 1.2电力系统的静态稳定 .................................................... 7 13电力系统的暂态稳定 .................................................... 8 1.4电力系统的负荷稳定 .................................................... 9 1.5电力系统的电压稳定 ................................................... 11

第二章电力系统潮流原理分析 .................................................. 13

2.1电力系统潮流的概述 ................................................... 13 2.2简单电力系统的运行和分析 ............................................. 13

2.2.1简单电力网络的电压降落 ........................................ 13 2.2.2简单电力网络的功率损耗 ........................................ 15 2.3电力系统潮流的调整和控制 ............................................. 18

23.1电力系统无功功率的平衡 ......................................... 18 2.3.2无功功率与系统电压的关系 ...................................... 19 2.3.3电力系统中自功功率的平衡 ...................................... 21

第三章电力系统潮流实验分析 .................................................. 22

3.1电力系统潮流分析实验设备简介 ......................................... 22

3.1.1 THLZD—2型电力系统综合自动化实验平台的介绍 ................. 22 3.1.2 THLDK—2型电力系统监控实验平台的简介 ...................... 23 3.2电力系统潮流实验 ..................................................... 24

3.2.1实验中公用的实验步骤说明 ...................................... 25 3.2.2复杂电力系统潮流分布的典型结构 ................................ 29 3.2.3三相相间短路对复杂电力系统潮流的影响 .......................... 30 3.2.4切机、切负荷对复杂电力系统潮流的彫响 .......................... 30 3.2.5原动机转速扰动对复杂电力系统潮流的影响 ........................ 30

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3.2.6原动机励磁改变对复杂电力系统潮流的影响 ........................ 30 3.2.7原动机进相运行对复杂电力系统潮流的影响 ....................... 30 3.2.8电容补偿对节点电压的影响 ..................................... 30

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引言

在现代社会中，电能早已成为社会生产力的重要基础，为工业、农业、交通、 国防等各行各业提供着不可缺少的动力，它已经像粮食、空气一般，成为支掠现 代社会文明的物质基础之一。社会文明越发达，我们人类的生产和生活就越离不 开电能。因此，电力工业作为国民经济的一项基础产业，其发展水半已经成为反 映国家经济发达程度的重要指标。

所谓电力系统，就是将分散在各个地区的发电厂通过电力网与分散在各负荷 中心的用户连接起来组成的系统，从而使发电、供电和用电成为了一个整体，并 在技术和经济上具备了一系列突出的优点。

（1） 合理利用了资源，同时提高了系统运行的经济效益。

（2） 可以减少总负荷的峰值，充分地利用了系统的装机容量，从而减小了 备用容帚:。 （3） 可以大大地提高供电可靠性和电能质量。 （4） 可以采用高效率的、大容最的发电机组。

电力系统的潮流分析是针对具体的电力网络结构，根据给定的负荷功率和电 源母线电床，分析网络中各节点的电床和各支路中的功率及功率损耗等相关方面 的问题。在电力系统的设计和运行中都要用到潮流分析与计算的结果，例如电力 网规划设计时，要根据潮流计算与分析的结果选择导线的截面积和电气设备，确 定电力网主接线方案，计算网络中电能的损耗和运行费用，进行方案的经济性比 较；电力系统运行时，要根据潮流分析与计算的结果制订检修计划，校验电能质 最采取调频和调圧措施，从而最终确定最佳的运行方式，整定继电保护和自动装 置。

本次设计主要是利用THLDK-2型电力系统监控实验平台和THLZD-2型电 力系统综合门动化实验平台，通过在实验中设置投切负荷、原动机转速扰动、励 磁改变、缺相运行、进相运行及三相相间短路，利用设备得到上述状况发生时的 电力系统潮流分布图，并对其进行分析对比，验证复杂电力系统潮流分布的影响 因素，最终达到锻炼对复杂电力系统潮流分析进行实验的能力（包括对实验方案 的设计，仪器、仪表的选择与应用的、能力和对实验电路的接线与操作、数据处 理与误差分析等方面的能力）的目的。

第一章电力系统运行稳定性的基本概念

判别电力系统是否正常运行的一个重耍的标志就是系统中的同步电机（主要 是发电机）都处于同步运行的状态。这电所说的同步运行状态就是指所有并联运 行的同步电机都具有相

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同的角速度。在这种情况下，表征运行状态的参数接近于 不变的数值，故通常将这种情况称作稳定运行状态。

随着电力系统的口益发展和扩大，往往会出现一些这样的情况：在长距离的 的交流输电中，当输送的功率达到一定的数值之后，电力系统中微小的扰动都有 可能出现电流、电圧、功率等运行参数的剧烈变化和振荡的现象，这就表明系统 屮的发电机Z间已经失去了同步，电力系统已经不能保持稳定的运行状态了： 乂 比如，当电力系统中的某些个元件发生故障时，虽然自动保护装置已经将故障元 件切除，但是，电力系统在受到这种大的扰动后，也有可能出现上述运行参数的 剧烈变化和振荡现象：此外，共至对于运行人员的某些正常操作，例如切除输电 线路、发电机等，也有可能会导致电力系统稳定运行状态的破坏。

通常，人们一般把电力系统在运行中受到干扰后能否继续保持系统中同步电 机（主耍是指同步发电机）间同步运行的问题,称之为电力系统同步稳定性问题。 电力系统同步运行的稳定性是根据受到干扰之后系统屮并联运行的同步发电机 转子之间的相对位移角（或者是发电机电势之间的相角差）的变化规律来判断的, 因此，这种性质的稳定性乂被称为功角稳定性。

电力系统稳定性如果遭受到破坏，将会造成人量用户的供电中断，决至会导 致整个系统的瓦解，所产生的后果极为严重。因此，保持电力系统运行的稳定性， 对于保持电力系统的安全可靠运行，具有非常重要的现实意义。

1.1同步发电机的机电特性

同步发电机的机电特性是由同步发电机转子的运动特性及其电磁功率的变 化特性共同决定的。

1.1.1同步发电机的功角特性

对于一般的简单电力系统如图1・1・1所示，图中所示的发电机G的出口电压

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工业人学本科毕业论文 图1・1・1简单电力系统示意图

(a)系统图；(b), (c)等值电路图

经过升床变床器T1 •双回输电线路1及降床变用器T2向系统S输送功率。此时.

我们设系统S的容最比发电机的容量大很多，即无论发电机G向系统侧输送多 大的功率，系统S的母线电压U的大小和相位都保持不变。在等值电路中，若 发电机G的电势为E,同步电抗用&来表示，如果忽略变圧器的励磁电抗、线 路电容和各元件的电阻，即认为在功率传输过程中没有用功功率的损耗，则电力 系统的总电抗& (即为发电机G和系统母线之间的转移电抗)为

+ XT2

图中的(b)、(c)为(a)的等值电路。

假设不计发电机励磁调节器的作用，即发电机的励磁电势片被认为是常数,

而其相位角可变。设发电机向系统输送的有功功率P为

P = ^sin6 (1-1-2)

由式(1-1-2)可以看出，在发电机电势E和系统电压U恒定时，在给定的 转移阻抗下，发电机输出的功率P是发电机电势E和系统电压U之间的夹角§的 正弦函数，如图1・1・

2所示。发电机输送的功率极限出现在6 = 90°时，其值为 聲。因为功率P直接由5决定，所

以称＜5为功率角，简称为功角，故称P = /(5)为 功率特性或者是功角特性。

图1・1・2功角特性

1.1.2同步发电机的转子运动特性

由于发电机G的励磁电势£是由其转子的主磁通血决定的，假设发电机的转 子只有一对磁极，则励磁电床与磁通之间的关系如图1・1・3所示。E和U间的夹 角也就是并列运行

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的两台发电机转子轴线间的夹角，表征系统两端发电机转子位 置的特性，在这个意义上，功角乂可称为“位置角”。

图1・1・3励磁电床与磁通之间的关系图

在电力系统稳态运行时，系统中所有的发电机的转子都是以同步转速运转的，即 所有发电

机转子都具有机械角速度当传输的功率恒为Pe时，此时的功角 将恒为％，两端发电机转子轴线间的夹角也会保持不变。此时由原动机产生 的机械转矩MT （带动转子转动）与发电机输出有功功率所形成的电磁转矩 Me是相平衡的，并且原动机提供的有功功率PT和发电机输出的电磁功率Pe 也是相互平衡的，即为

MT = Me (1-1-3) PT = Pe

(1-1-4) 并且功率和转矩之间满足下列关系

PT = MTQN = My 器(1-1-5)

Pe = MenN = Mg 器(1-1-6) 在式中：

0“和3“分别为转子的同步(或额定)机械角速度和同步(或额定)电 角速度。

如果原动机的出力被增大到马，形成功率增MAP = PT -化，则在发电机转 子上也会形成转矩增SAM = MT —Me，从而使得发电机的转子加速。根据旋转 刚体的力学定律可以得出

]a = AM (1-1-7) 在式

中：J为转了的转动惯量,(kg*m:)； Q为转了•的机械角加速度,(rad/s')； AM为 转轴上的净加速转矩，(N*m)o

将AM = MT - Me和器代入式(1-1-7)，可以得出描述发电机转子运动 特性的方程为

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丿着“丁 -M (1-1-8)

e综上可以得出：发电机的加速会使得功角§增大。由图1・1・2的功角特性可 知，当功角从况增大到总，发电机输出的电磁功率由&增大到厶=PT时，功率 和转矩将会再次达到平衡，此吋，功角将不再增大，系统将在增大后的功角& 下稳定的运行。

1.2电力系统的静态稳定

电力系统的静态稳定性，一般指的是电力系统在正常运行中受到微小的扰动 之后，恢复到原來的运行状态的一种能力。对于简单的电力系统，要具有运 行的静态稳定性，就必须运行在如图1・1・2所示的功角特性的上升部分，即所处 点的斜率大于0。囚为在这部分，电磁功率的增最.APe和角度的增呈具有相冋 的符号。而在如图1・1・2所示的功角特性的下降部分即所处点的斜率小于0,电

磁功率的增最APe和角度的增最A6总是具有相反的符号。所以，通常用比值 APe仏5的正负来判别系统在给定的半衡点处运行时是否静态稳定性，也是说可以 用

与 >0 (1-2-1)

來作为简单电力系统具有静态稳定性的依据。写成极限形式为

学 >0 (1-2-2)

GO

除被称为整步功率系数，整步功率系数大小可以说明系统静态稳定的程度。 CIO 整步功率系数值越小，静态稳定的程度越低。整步功率系数等于0,则是稳定与 个稳定的分界点，即静态稳定极限点。在简单系统屮静态稳定极限点所对应的功 角就是功角特性的最大功率所对应的功角。

提高电力系统静态稳定性的关键在于提高系统传输功率的极限值。从式 (1-1-2)可知，提高功率极限的有效途径有：提高系统电压，提高发电机的空 载电势尸和减少系统中各单元的电抗之和比。

提高电力系统静态稳定性还有许多其他的方法，例如改善原动机的调节性能, 改善系统的结构等。

1.3电力系统的暂态稳定

电力系统具有静态稳定性是电力系统能够安全稳定运行的必要条件，但是具 有静态稳

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定性的电力系统在受到大的系统扰动之后不一定能够仍然保持稳定的 运行状态。在这里所说的大扰动，是相对于静态稳定中所提到的小干扰而言的。 引起电力系统大的扰动的原因主要有下列儿种：

① 负荷的突然变化，例如投入和切除大容量的用户等；

② 投入或者电力系统中的主要元件，例如发电机、变压器及线路等； ③ 系统中发生短路故障。

其中，三相短路故障的扰动最为严重，常営以此作为检验系统是否能够满足 暂态稳定性要求的依据。

电力系统的暂态稳定性，一般指的是电力系统在正常运行的时候，在受到一 个较大的扰动之后，能够从原来稳定的运行状态(半衡点)，在不失去同步的情 况下过渡到一个新的运行状态，并且能够在这个状态下稳定的运行。

对于一个经历较大扰动的电力系统，如果功角6经过振荡之后能够稳定在某 一固定的数值，就表明并列运行的发电机之间恢复了同步运行，系统具有暂态稳 定性。若电力系统受到较大的干扰之后功角不断地增大，则表明发电机之间己经 不再同步，系统失去了暂态稳定。因此，可以将电力系统受大的扰动之后功角随 时间变化的特性作为一个电力系统是否具有暂态稳定性的判别依据。

提高电力线系统的暂态稳定性的主要原理为：缩小减速加速面积，增大减速 而积。也就是说要力争减小扰动最和缩短扰动时间。具体的措施有：

① 快速切除故障： ② 采用自动重合闸装置：

③ 采用强行励磁装置和电气制动措施； ④ 控制原动机输出的机械功率。

除此之外，还有很多提高暂态稳定性的方法，例如对远距离输电线路设中间 开关站和采用强行串联电容补偿等。另外，目前正蓬勃发展的灵活交流输电技术 也可以大幅度地提高系统的暂态稳定性。

1.4电力系统的负荷稳定

电力系统的负荷是由国民经济各部门的用电负荷组成的。电力系统的负荷包 括各式各样的用电设备，如照明设备、异步电动机、同步电动机、电热电炉、整 流设备等。在不同行业中这些用电设备所占比重也不相同。

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一般交流用电设备所消耗的功率包括有功功率和无功功率，其大小与其电源 的电斥及频率

有关。这种关系成为负荷特性，它对电力系统的运行有重要影响。

电力系统负荷特性是当系统频率及电压缓他变化的时候，地区负荷的有功功 率及无功功率的变化情况，因此乂叫负荷的静恃性。通常负荷的静特性可以用电 压和频率的多项式或指数函数來表示。

负荷特性的多项式如下所示

(1-4-1)

其中：PLO, QLO分别时电压为5时的负荷有功功率和无功功率；PL，QL分别是 电圧为U时的负荷有功功率和无功功率：a,b,c,d、ef为常数，由试验确定。

负荷特性的指数表示形式为

PL + }QL = PLO（決 + IQLO 怕 ％ （1-4-2） 式中：Npy, NQV为常数,由试验确定。究竟采用多项式还是指数形式表示，要 根据系统的具体情况确定。

电力负荷随时间变化的关系一般用负荷曲线來表示。根据持续的时间，负荷曲线 可以分为II负荷曲线、周负荷曲线和年负荷曲线：根据所涉及的范围，负荷曲线 个别用户的负荷曲线、变电站负荷曲线、电力系统的负荷曲线等。

在电力系统负荷的主要成分工农业生产用电负荷。在这类负荷负荷中，电动 机负荷又占有主要成分。在电动机负荷中，除一部分同步电动机负荷之外，大部 分都是异步电动机负荷。

对于同步电动机负荷，同样存在受到扰动后能否继续保持同步运行的稳定性 问题。 异步电动机作为一种旋转电机，同样也存在与转矩平衡相关的运行稳定性问 题。例如：当负荷点的运行电压过低或考异步电动机的机械负荷过重的时候，会 导致异步电动机迅速减速以至于异步电动机停转，从而破坏了负荷的正常运行。 在停转时，异步电动机吸收的有功功率会变得很小，这就会使电力系统中发电机 输出功率发生变化，从而引起发电机转子间的用对运动，共至可能导致并列运行 的发电机之间失去同步。因此，负荷稳定的问题，也是电力系统稳定性的一个重 要方面。

电力系统负荷的稳定性抬的就是负荷在正常运行中受到扰动之后能保持在 某一恒定转差下继续运行的能力。从机械转矩•转差特性（如图1・4・1所示）可以

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图1-44机械转矩•转差特性

看出，当在a在运行时，转差增量As与不平衡转矩AM具有相同的方向，即 AM/AsX)；而在b点运行时两者■方向却相反，即AM仏svO。所以，我们可以用 AMiAsX)來作为电力系统负荷静态稳定的判据。当用功率的形式表示时，机械 功率与转差无关并且恒定时，极限形式的判据为

dPe/ds > 0 (1-4-3)

如果电力系统的负荷稳定被破坏，将使负荷无法正常工作并从系统中被切除。 大量负荷失去稳定性，必将对电力系统的稳定运行带來严重影响。

1.5电力系统的电压稳定

发电机同步并联运行的稳定性，以发电机转子之间相对的角运动规律作为判 断依据的，所以，发电机同步并联运行的稳定性也被称作是功角稳定性。但是， 在实际的电力系统中还存在另一种性质的稳定问题，及负荷节点的电斥稳定性问 题。发电厂经过一定距离的输电线向负荷中心地区供电的系统中，当电源电压和 网络结构不变时，负荷节点的电丿卡•会随着负荷功率的增加而缓慢下降，如果负荷 功率增加到一定的限值时，节点电压将发生不可控制的急剧下降，这就是所谓的 “电床崩溃”现象。

在实用计算中，可以采用如图1・5・1所示的P・V曲线作为分析电力系统电压 稳定性的重要手段。

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图1-5-1受端功率和电圧的关系

当系统在P・V曲线的右半支运行时，负荷节点的电床的下降可以换取网络送 达功率的增加，系统的运行时稳定的。但是有功功率的增加是有限度的，当功率 达到最大值Pmax时，也就是电床稳定的临界点。当系统在P・V曲线的左半支运

行时，电压的降低将会导致功率的减少，由于负荷本身所固有的动态特性，将不 能稳定运行。

所以，

dP/dV<0 (1-5-1)

可以作为负荷节点静态电压稳定的一种判据。在电力系统的实际运行中，通过监 视各负荷节点的P・v曲线的变化和(IP/dV判据的计算，可以对电力系统的电压稳 定性有较清楚的认识。严格地讲，采用P・v曲线进行电床稳定性分析，并没有考 虑负荷的动态特性的影响，只是把网络传送功率的极限点当作电压稳定的临界点。 应该明确的是，电力系统供电点介入的负荷代表了多种类型的用电设备和与其相 关的配电网络元件的组合，要确定综合负荷的输出功率是非常不容易的。若用一 台等值电动机來代替综合负荷，当供电点电压下降过多时，虽然从综合负荷特性 的角度来看仍能保持稳定，但是个别电动机或其他用电设备可能己经失去了稳定 或者因电压过低而退出运行。大负荷或者大星的负荷失去稳定时，系统的有功负 荷骥然减少，使得冬发电机的有功功率发生较大的变化，从而引起发电机间的相 对运动，严重时也可能导致电力系统同步运行稳定性的丧失。

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第二章电力系统潮流原理分析

2.1电力系统潮流的概述

电力系统潮流分析是研究和分析电力系统的基础，主耍是指分析电力系统在 某一确定的运行方式和接线方式下，系统中从电源到负荷各处的电圧、电流的大 小和方向以及功率（包括有功功率和无功功率）的分布情况。通过对电力系统口 常运行的潮流进行分析，从而制定出经济、合理的运行方式。

电力系统的潮流控制，包含有功潮流控制和无功潮流控制。在电力网络中, 系统的每一种结构都有其自身的特点，因此，潮流控制对电力系统的安全与稳定、 电力系统的经济运行都具有十分重要的意义。

2.2简单电力系统的运行和分析

电力系统在正常的运行情况下，运行、管理和调度人员需要清楚地了解在给 定的运行方式下各母线的电压是否满足要求，系统中的功率分布是否合理，元件 是否过载，系统有功损耗、无功损耗各是多少等等情况。

2.2.1简单电力网络的电压降落

电力网等值电路由线路和变床器的等值电路组成。电力网等值电路中通过同 一个电流的阻抗单元（或支路），成为一个电力网环节。任何复杂的电力网络都 可由一系列的电力网环节集合而成。当功率（或电流）通过电力网环节时，环节 的阻抗上就会产生电压降，并产生功率损耗，使电力网环节首、末端的电圧不相 等，功率也不相同。

如果不考虑不考虑线路的并联支路，则线路的等值电路如图2・2・1所示。电

久h R+M 4必

图2-2-1电力线路串联支路等值电路图

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压降落是首末端电压的向最差，以节点2 （即受端）的相电压为参考向量。则可 以求出节点1 （即始端）的相电斥。线路的电床向量图如图2・2・2所示。

01

图2-2-2电力线路串联支路向量图

在单相电路中有

% = % + d%

dfj®为线路的电压降落

d% =%(R + jX)

=討(/? +必)=爸严(/?+必)

」2• P2上式中的实部成为电压降落的纵分量，一般用A切表示，其数值为

(2-2-1)

上式中的虚部称为电压降落的横分量，一般用6〃单表示，其数值为

P2（pX—Q2（pR

叫=飞？-

由向最图可以求得始端电斥幅值和相位角为

2 2

(2-2-2)

(%+ 5) + 叫)

8 = arctan

电压损耗为首末端的电压幅值之差

甜=|如_|如

(2-2-3) (2-2-4)

匕 (2-2-5)

当线路较短的时候，线路两端的相角差一股不大，可以忽略电压降落的横分 量。所以可以近似地认为

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=

+电笄注(2-2-6)

U2由此可见，可以近似地用电压降落的纵分量來表示线路始木端的电压损耗。 以上的公式是以单相功率和相电压推导得出的，在电力系统潮流分析中常用三相 功率和线电压。在式

(2-2-1) ~ (2-2-6)中将相电压改为线电压，单相功率换成 三相功率，上述关系仍然成立。

需要明确的是：

① 在高压输电系统中，电压降落的纵分量主要取决于元件所输送的无功 功率Q:电压降落的横分量主要取决于元件所输送的有功功率Po

② 元件两端电压的大小之差(电压损耗)主要取决于无功功率Q,相交之差 主要取决于有功功率P。

2.2.2简单电力网络的功率损耗

当线路流过功率或电流时，在输电线路的电阻和电抗上就必然产生功率损耗。 在图2・2

・3所示的中，所表示的就是输电线路的ri型等值电路。

图2・2・3输电线路的R型等值电路

设为串联支路三相功率损耗，S2为串联支路的末端功率，则有

LSZ = 3I2 (R+jX)

z 2

z 2

=〈胛2 (R + jX) (2-2-7)

设△氏2为线路末端并联支路消耗的功率，则有

A«2 =

逅“2 •=

価2（务席=-喝（2-2-8）

由此可见，输电线路的并联支路消耗的是容性无功功率，即为发出感性无功 功率，它

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的大小与所加电压的平方成正比关系，而与在线路上流过的负荷没有直 接关系，即使是线路空载，也会存在这一功率，所以这一功率也被称为是充电功 率。设”丫1为线路始端并联支路消耗的功率，同理则有

ASri = -jU^y （2-2-9）

P2 R + Q2 X 昇2 X-Q2 R

p2 + JQ2 =P2+M2-屈（2-2-10） 线路的功率

损耗为

z 2 , 2

A5 = AP + j'Q =卩2 线路的电斥损耗为

諾 .仇 + 必）_辰号一 jU玮（2-2-11）

2=答鱼兰（2-2-12）

在高压电网中，一般R«X,所以电压降落主要由无功功率流过电抗的时候 产生。有式（2・2・7）可以看出，即使输电线路不输送有功功率（即巧=0）,同 样会存在用功功率的损耗，这就意味着有能量的损耗。所以为了避免过大的电压 降落，避免有功功率损耗的增加，在电力系统中，一般采用就地半衡的原则，从 而避免远距离传送无功功率。

当输电线路轻载时，串联支路消耗的无功功率可能会小于并联支路的充电功 率。通过式（2-2-10）可以看出此时的$为负值•带入式（2-2-12）可以得至IJA〃也为 负值。也就是说，此时出现了线路始端电压低于线路末端电压的情况。在超髙压 输电线路中，线路的充电功率比较大，而输电线路输送功率的功率因数比较高, 输送的无功功率通常比较小，在严重的情况下，输电线路末端电压的升高会给电 力系统带来严重的危害，这是不允许的。为了在输电线路空载或者轻载时吸收充 电功率，避免线路上出现过电床的现象，常常在超高床网中线路末端接并联电抗 器来解决这个问题。

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通过图2-2-2可以看岀，在高压网络中，如果R«X时，就有

〃isin6 = IXcoscp

将此式的两边同时乘以〃2,即

f/i/sind = Il^coscp • X

则有

p

UM

sin5 2 =

~X~

通过上式，可以说明当输电线路久，$一定时，P2的大小由久，％之间的 夹角决定。当久超前％一定的角度时，6>0, P2>0，即有功功率从电压向量 超前的一端流向电床向量滞后的一端。通过图2-2-2还可以看出,

UiSinS = 〃2 + IXcoscp

将上式进行变换，可以得到

U2 (〃1血6—〃2)= IU2cos(p-X

U2（匕一乞）

X

由此可见，在输电线路上流过的Q2的大小由E和〃2的幅值所决定。当的 时候，0,即

无功功率从电床幅值大的一端流向电圧幅值小的一端。

对于变压器，可以按照同样的原理，利用变压器的等值电路计算变压器的电 圧降落和功率损耗，假设变圧器的等值电阻为等值电抗为X\"则变圧器并 联支路功率损耗为

--------- Qi = «

A'TY = 〃孑(+ j) (2-2-13 )

变压器的总功率损耗为

^PT - P评 RT +

〃?GT

、QT

=讐肝+舀BT

(2-2-14) (2-2-15)

综合上述等式可以看出，变压器的有功功率损耗和无功功率损耗是由两部分组成

的：一部分是其与通过的负荷平方成正比的损耗；另一部分是与负荷无关的分最。 并且，变压器的并联支路是电感性的，因此，变压器消耗的是感性无功功率。

2.3电力系统潮流的调整和控制

电力系统潮流的控制，包含有有功功率的潮流控制和无功功率的潮流控制。 在电力网络

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中，各种结构都有白身的特点，因此，电力系统的潮流控制对电力系 统的安全与稳定、电力系统的的经济运行都具有十分重耍的意义。

由于电力系统潮流的控制包括有功潮流控制和无功潮流控制，下面将着重分 析电力系统的有功功率和无功功率及它们的调整，继而说明电力系统潮流的调整 与控制。

231电力系统无功功率的平衡

电力系统中对无功功率平衡的基本要求为：系统中的无功电源可能发出的无 功功率应该大于或者是等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和。为了 保证电力系统运行的可靠性和适应无功负荷的增长，系统还必须配用一定的无功 备用容量。假设QGC为电源所供应的无功功率之和，QLD为无功负荷之和，QL为 网络中无功功率的损耗之和，©es为无功功率的备用，则整个系统中无功功率的 平衡关系式为

QGC 一 QLD ~ QL = Ges（2・3・1）

当Qes>0时，表示系统中的无功功率可以半衡并且还有适量的备用容屋：当 Qres < 0表示系统中的无功功率不足，应该考虑加设无功功率的补偿装置。

系统中无功电源的总出力QGC包括发电机的无功功率QGE和各种无功补偿设 备的无功功率Qc「即为

QGC = QGE + Qcz（2・3・2）

一般情况下，要求发电机在额定功率因数或其附近处运行，所以可以按照额定功 率因数计算发电机所发出的无功功率。如果此时系统的无功功率能够平衡，则发 电机就保持有一定的无功备用，这是因为发电机的有功功率是留有备用的。另外, 调相机和静电电容器等无功补偿装置是按额定容量來计算其无功功率的。

系统中总的无功负荷QLD是按负荷的有功功率和功率因数来计算的。为了减 少在输送无功功率的过程中引起的网损，我国有关技术导则规定，对5kV及以 上的电圧等级直接供电的工业负荷，功率因数要达到0.90以上，对其他的负荷， 功率因数要不低于0.85.

网络屮总无功功率的损耗QL包括变床器的无功损耗QLTE功率），即为

、线路电抗的无功损 耗

AQd和线路电纳的无功功率AQBE （一般情况下，只计算UOkV及以上电压线 路的充电

QL = QLTE + AQLE + AQB工（2-3-3 ）

如果从改善电床质量和降低网损的角度來考虑，应该尽量避免通过电网元件 大量地传送无功功率。所以，仅仅从全系统的角度來进行无功功率的平衡是不够 的，更重要的应该采

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取分地区分电压等级进行无功功率平衡的方法。

电力系统在不同的运行的方式下，可能会分别出现无功功率不足和无功功率 过剩的情况。所以，在采取补偿措施的时候应该做到统筹兼顾：选用既能吸收无 功功率乂能发出无功功率的补偿装置。当拥有大帚超高圧线路的大型电力系统在 负荷的低谷运行的时候，无功功率往往是过剩的，这就会导致电压升高并且可能 超出允许的范圉。为了改善系统中的电斥质最，除了借助各类补偿设备之外，还 应该考虑发电机的进相运行。

2.3.2无功功率与系统电压的关系

在电力系统的正常运行中，系统电源的无功出力在任何吋候都同负荷的无功 功率与网络的无功损耗之和相等，即

QGC = QLD + QL（2・3・4） 下面将用一个简单的网络來说明系统在无功功率平衡时的电

压水平。

若一隐极发电机经过一段线路向负荷供电，并且略去各元件的电阻，X表示 发电机与线路的电抗之和，等值电路如2-3-1所示。假定发电机和负荷的有功 功率为固定值。则由该模型的向最图（如图2-3-2所示）可以得到发电机输送到 负荷节点的功率为

EV

P = VIcoscp = — sin5

X

EV V

Q = VIsinS = —cos6 ——

2A A

当p为一固定值吋，可以得到

Q = J（学）2 - P2 一 y（2-3-5 ） 当电势E为一固定值的吋候，无功功率Q与系统电压V

的关系如图2・3・3中曲 线1所示，它是一条开口向下的抛物线。由于负荷的主要成分是异步电动机，所 以它的无功电圧特性如图2-3-3中曲线2所示。这两条曲线的交点a处的电

床值

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就是负荷节点的电压值％,即在电压％处达到了系统的无功功率平衡。

P+疋

图2-3-1系统的等值电路

图2-3-2系统的向量图

图2-3-3通过无功功率平衡确定电压

当电力系统中的负荷增加时，其无功电压特性就如曲线2’所示。如果系统 中的无功电源没有相应的增加，即电源的无功特性依然是曲线1,则曲线1和2\"

的交点a '就是此时的无功平衡点，新的平衡点的电压为显然/V%。这就 说明，在负荷增加之后，系统现有的无功电源已经不能满足在电压匕下无功功率 半衡的需要，为获取新的无功半衡，只好降圧运行。如发电机具有充足的无功备 用•则可以通过调节励磁电流增大发电机的电势F・使得曲线1上移到曲线1’的 位置，从而使在新的平衡点c处的电压接近共至是到达匕，最终保持系统电斥的

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稳定。综上所述可以得出这样的结论：系统中充足的无功备用，能够满足系统在 较高电斥水平下无功平衡的需求，保证系统具有较高的运行电床水半：否则，就 表现为系统的运行电压水平偏低。因此，在应该尽量保证电力系统在额定电压下

运行，并且根据这个要求装设无功补偿设备。

2.3.3电力系统中有功功率的平衡

电力系统中的频率的变化是由于作用在发电机组转轴上的转矩不平衡所引 起的。如果机械转矩大于电磁转矩，则频率升高；反之频率下降。发电机输出的 电磁功率是由系统的负荷、系统的结构以及系统的运行状态所决定的，这些因素 的变化是随机的、瞬时的。然而，发电机输入的机械功率则是由原动机的汽门或 者是导水叶的开度决定的，这些乂受控于原动机的调速系统。调速系统调节汽门 或导水叶的速度相对迟缓，无法适应发电机电磁功率的变化。因此严格保证系统 频率为额定频率是不实际的，故通常规定一个允许的频率偏移范忸。为了保证频 率的偏移不超过所允许的值，盂耍在系统负荷变化或由其他原因造成电磁转矩变 化时，及时调整原动机的机械功率，尽量使发电机转轴上的功率平衡。

在电力系统的运行中，所有发电厂发出的有功功率的总和PG，在任何时候都 是与系统中的总负荷心是相平衡的。其中系统中的总负荷心包括用户的有功负 荷PLDE、厂用电有功负荷Psx以及网络的有功损耗PL，即为

PG _ PD = PG - (PLDE + PSE + PL)\"

(2・3・6)

为保证电力系统能够安全、优质的供电，电力系统的有功功率平衡必须在额 定的运行参数下确定，而且还应具有一定的备用容量，

备用容最按照其作用可以分为负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备 用，按照其存在形式可分为旋转备用和冷备用。

电力系统中设置适当的备用容量，就为保证其安全、优质和经济的运行准备 了必要的条件。

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第三章电力系统潮流实验分析

3.1电力系统潮流分析实验设备简介

在本次毕业设计所涉及的实验用到了 THLZD-2型电力系统综合口动化实 验平台和

THLDK-2型电力系统监控实验平台，以下是这两种设备的简要介绍。

3.1.1 THLZD—2型电力系统综合自动化实验平台的介绍

THLZD-2型电力系统综合自动化实验平台是一套集多种功能于一体的综 合型实验装

置，能够充分展示现代电能发出和输送全过程的工作原理。这套实验 装置由THLZD—2电力系统综合门动化实验台、THLZD-2电力系统综合口动 化控制柜、无穷大系统和发电机组和三相可调负载箱等组成。

TEILZD -2电力系统综合门动化实验台包倉有以下单元： 1、输电线路单元

THLZD-2电力系统综合|'|动化实验台的输电线路单元采用的是双回路输 电线路，其

中每回线路分两段，并在中间设置有开关站，可以构成四种不同的联 络阻抗。输电线路的具体结构如图3-1-1所示。

2、 微机线路保护单元

THLZD-2电力系统综合自动化实验台的微机线路保护单元主要采用的是 TSL-300/01

微机线路保护装置，能够实现线路保护和〔I动重合闸等功能，被用 十配合输电线路完成稳态非全相运行和暂态稳定等相关的实验项目。

3、 控制方式选择单元

THLZD—2电力系统综合门动化实验台的控制方式选择单元主要包括发电 机组的运行

方式、同期方式和励磁方式的选择，可以通过调节实验台面板上的凸 轮开关旋钮來实现不同的控制方式。

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4、 监测仪表单元

THLZD—2电力系统综合H动化实验台的监测仪表单元采用的均为模拟式 仪表，所

测量的信号均为交流信号。

5、 指示单元

THLZD—2电力系统综合白动化实验台的指示单元包括光字牌指示和并网 指示。 6、 设置单元

THLZD-2电力系统综合门动化实验台的设置单元包括合闸时间设置、短路 故障类型设

置以及短路时间设置。

7、 外围设备接口单元

THLZD~2电力系统综合自动化控制柜包括的单•元有： 1、 测量仪表单元；

THLZD—2电力系统综合动化控制柜的测最仪表单元采用的是指针式的 测量仪表，能

够测量的电量参数有：原动机电枢电压，原动机电枢电流，发电机 励磁电圧，发电机励磁电流和单相电源电斥。

2、 原动机控制单元：

THLZD-2电力系统综合自动化控制柜的原动机控制单元包括有：原动机电 源，ZKS-15型调速器和THLWT-3型微机调速装置。

3、 发电机励磁单元：

THLZD 2电力系统综合自动化控制柜的发电机励磁单元包括有：励磁电源、 THLCL-1型常规励磁装冒、THLWL-3型微机励磁装置和波形观测孔。

4、 准同期单元；

THLZD 2电力系统综合门动化控制柜的准同期单元包括THLWZ-2型微机 准同期装

置。

5、 外围设备接口单元； 6、 电源单元。

THLZD-2电力系统综合自动化控制柜的电源单元具有三个微型断路器，他 们是：总电

源、三相电源盒单相电源。

3.1.2 THLDK—2型电力系统监控实验平台的简介

THLDK—2型电力系统监控实验平台是一个高度口动化的、开放式多机电 力网络综合

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实验系统，它是建立在THLZD -2型电力系统综合门动化实验平台 的基础之上，将多个实验平台联接成一个复杂多变的电力网络系统，并配置微机 监控系统从而实现了电力系统“四遥”功能，还结合教学，提供电力系统潮流系 统分析。

THLDK—2型电力系统监控实验平台能反映现代电能的发电、输电、变电、 配电和用

电的全过程，能够充分体现现代电力系统的高度自动化、信息化和数字 化的特点，实现了电力系统的监测、控制、监视、保护和调度的自动化。

THLDK—2型电力系统监控实验平台的特点如下所示： 1、 系统开放化，具有很好的扩展性。

2、 结构微机化，各装置及相关电量均由微机监测和控制。

3、 监控屏幕化，模拟实际调度运行界面，系统控制简单•、清晰，能打印各 种运行参

数，监控软件采用北京力控组态软件，功能强大，方便二次开发。

4、 功能综合化，实验项目多。

5、 电力系统潮流结构多样，提供各种模型分析。

THLDK—2型电力系统监控实验平台主要由计算机系统，实验操作台和模 拟无穷大系

统三大部分组成，与多台THLZD-2型电力系统综合自动化实验平 台配合共同完成实验项目。

本套开放式多机电力网络综合实验平台FtlN台（最多为5台）相当于实际 电力系统屮发电厂的“THLZD—2型电力系统综合自动化实验平台”、1台相当 于实际电力系统调度中心的“THLDK—2型电力系统监控实验平台”、6条不同 长度的输电线路和4组功率不同的负荷、三绕组联络变压器以及模拟无穷大系统 等组成。整个一次系统构成一个灵活多变的多机环形电力网络，便于进行理论分 析和实验分析。

3.2电力系统潮流实验

为分析有关电力系统潮流分布的影响因素，在本次设计中总共设置了六个实 验进行探究和验证，这六个实验分别是：

① 复杂电力系统潮流分布的典型结构： ② 三相相间短路对复杂电力系统潮流的影响； ③ 切机、切负荷对复杂电力系统潮流的影响： ④ 原动机转速扰动对复杂电力系统潮流的影响； ⑤ 原动机励磁改变对复杂电力系统潮流的影响:

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⑥ 原动机进相运行对复杂电力系统潮流的影响; ⑦ 电容补偿对节点电压的影响。

3.2.1实验中公用的实验步骤说明

一、发电机组的起励建压

⑴先将实验台的电源插头插入控制柜左侧的大四芯插座（两个大四芯插座可 通用）。接着依次打开控制柜的“总电源”、“三相电源”和“单相电源”的电源 开关：再打开实验台的“三相电源”和“单相电源”开关。

⑵将控制柜上的“原动机电源”开关旋到“开”的位置，此时，实验台上的 “原动机启动”光字牌点亮，同时，原动机的风机开始运转，发出“呼呼”的声 音。

⑶按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“口动/手动”键，选定“自动” 方式，开机默认方式为“自动方式”。

⑷按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“启动”键，此时，装置上的增 速灯闪烁，表示发电机组正在启动。当发电机组转速上升到1500rpm时,THLWT・3 型微机调速装置面板上的增速灯熄灭，启动完成。

⑸当发电机转速接近或略超过1500q）m时，可手动调整使转速为1500rpm, 即：按下

THLWT-3型微机调速装置而板上的“自动/手动”键，选定“手动”方 式，此时“手动”

指示灯会被点亮。按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“ + ” 键或“一”键即可调整发电机转速。

⑹发电机起励建压有三种方式，可根据实验要求选定。一是手动起励建压： 一是常规起励建压；一是微机励磁。发电机建床后的值可由用户设置，此处设定 为发电机额定电压

400V,具体操作如下：

① 手动起励建床

1） 选定“励磁调节方式”和“励磁电源”。将实验台上的“励磁调节方式” 旋钮旋

到“手动调压”，“励磁电源”旋钮旋到“他励”。

2） 打开励磁电源。将控制柜上的“励磁电源”打到“开”。

3） 建压。调节实验台上的“手动调斥”旋钮，逐渐增大，直到发电机电压 （线电压）

达到设定的发电机电压。

② 常规励磁起励建压

1） 选定“励磁方式”和“励磁电源”。将实验台上的“励磁方式”旋钮旋到 “常规

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控制”，“励磁电源”旋钮旋到“自并励”或“他励”。

2） 重复手动起励建压步骤⑵

3） 励磁电源为“自并励”时，需起励才能使发电机建圧。先逐渐增大给定， 可调节THLCL-2常规可控励磁装置面板上的“给定输入”旋钮，逐渐增大到3.5V 左右，按下THLCL-2常规可控励磁装置面板上的“起励”按钮然后松开，可以 看到控制柜上的“发电

机励磁电压”表和“发电机励磁电流”表的指针开始摆动， 逐渐增大给定，直到发电机电压达到设定的发电机电压。

4） 励磁电源为“他励”时，无需起励，直接建压。逐渐增大给定，可调节 THLCL-2常规励磁装置面板上的“给定输入”旋钮，逐渐增大，直到发电机电 圧达到设定的发电机

电丿耒。

③ 微机励磁起励建压

1） 选定“励磁方式”和“励磁电源”。将实验台上的“励磁方式”旋钮旋到 “微机

控制”，“励磁电源”旋钮旋到“自并励”或“他励”。

2） 检査THLWL-3微机励磁装置显示菜单的“系统设置”的相关参数和设 置。具

体如下：

“励磁调节方式”设置为实验要求的方式，此处为“恒U/。

“恒Ug预定值”设置为设定的发电机电压，此处为发电机额定电压。 “无功调差系数”设置为“刊”

具体操作见THLWL-3微机励磁装置使用说明书。

3） 按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“启动”键，发电机开始起励建压， 直

至THLWL-3微机励磁装置面板上的“增磁”指示灯熄灭，表示起励建床完成。

二、 发电机组的停机 ⑴减小发电机励磁至0。

⑵按下THLWT-3微机调速器装置面板上的“停止”键。

⑶当发电机转速减为0时，将THLZD-2电力系统综合自动化控制柜面板上 的“励磁电源”打到“关”，“原动机电源”打到“关”。

三、 发电机组并网

⑴首先投入无穷大系统，将实验台上的“发电机运行方式”切至“并网”方 式。打开控制柜的“总电源”、“三相电源”和“单相电源”的电源开关；再打开 实验台的“三相电源”和“单相电源”开关。

⑵发电机与系统间的线路有“单回”和“双回”可选。根据实验要求选定一 种，此处选

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“单回”。单•回：断路器QF1和QF3 （或者\"QF2、QF4和QF6）处于 “合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态；双回：断路器QF1、QF2、QF3、 QF4和QF6处于“合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态。

⑶合上断路器QF7,调节自耦调压器的手柄，逐渐增大输出电压，直到接近 发电机电压。 ⑷投入同期表。将实验台上的“同期表控制”旋钮打到“投入”状态。

⑸发电机组并网有三种方式，可根据实验要求选定。一是手动并网；一是半 自动并网：一是白动并网。为了保证发电机在并网后不进相运行，并网前应使发 电机的频率和电压略大于系统的频率和电压。

① 手动并网

所谓“手动并网”，就是手动调整频差和压差，满足条件后，手动操作并网 断路器实现并网。

1） 选定“同期方式”。将实验台上的“同期方式”旋钮旋到“手动”状态。 2） 观测同期表的指针旋转。同期时，以系统为基准，孑鸟时同期表的相角 指针顺时

针旋转，频率指针转到“+”的部分；Ug>Us时压差指针转到“+”。反 之相反。命和Ug表示发电机频率和电丿化短和5表示系统频率和电HG

根据同期表指针的位置，手动调整发电机的频率和电压，直至频率指针和压 差指针指向“0”位置，表示频率差和压差接近于“0”，此时相角指针转动缓慢， 当相角指针转至刻度时，表示相角差为“0”，此时按下断路器QF0的“合 闸”按钮。完成手动并网。

② 半白动并网

所谓“半口动并网”，就是手动调整频差和压差至满足条件后，系统自动操 作并网断路器实现并网。

1） 选定“同期方式”。将THLZD-2电力系统综合门动化实验台上的“同期 方式”

旋钮旋到“半自动”状态。

2） 检查THLWZ-2微机准同期装置的系统设置菜单的“系统设置”的相关 参数和

设置。具体如下：

“导前时间”设置为200ms “允许频差”设置为0.3Hz “允许压差”设置为2V “自动调频”设置为“退出” “自动调压”设置为“退出” “自动合闸”设置为“投入”

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设定THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“QFO合闸时间设定”为 0.11s〜

0.12s （考虑控制回路继电器的动作时间），该时间继电器的显示格式为 OO.OOSo

3） 投入微机准同期。按下THLWZ-2微机准同期装置面板上的“投入”键。 4） 根据THLWZ-2微机准同期显示的值，手动调整频差和圧差，满足条件 后，H动

并网。

③ 门动并网

所谓“白动并网”，就是白动调整频差和圧差，满足条件后，h动操作并网 断路器，实现并网。

1） 选定“同期方式”。将THLZD-2电力系统综合白动化实验台上的“同期 方式”

旋钮旋到“自动”状态。

2） 检査THLWZ-2微机准同期装置的系统设置内显示菜单的“系统设置” 的相关参

数和设置。具体如下：

“导前时间”设置为200ms “允许频差”设置为0.3Hz “允许压差”设置为2V “自动调频”设置为“投入” “自动调压”设置为“投入” “自动合闸”设置为“投入”

设定THLZD-2电力系统综合门动化实验台上的“QF0合闸时间设定”为 0.11s〜0.12s （考虑控制回路继电器的动作时间），该时间继电器的显示格式为 OO.OOSo

3） 投入微机准同期。按下THLWZ-2微机准同期装置面板上的“投入”键。 4） 检查THLWT-3微机调速装置和THLWL-3微机励磁装置是否处于“ [1动” 状

态，如果不是，调整到“自动”状态，操作可参见THLWT-3微机调速装置使 用说明书和

TOLWL-3微机励磁装置使用说明书。

5） 满足条件后，并网完成。

6） 退出同期表。将THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“同期表控制” 旋钮

打到“退出”状态。

四、 调节发电机的有功功率和无功功率

⑴调节励磁装置，调整发电机组发出的无功，具体操作为：

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① 手动励磁：调节THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“手动调压” 旋钮，逐步增大励磁，直到达到要求的无功值。

② 常规励磁：调节THLCL-2常规可控励磁装冒面板上的“给定输入”旋钮， 逐步增大给定，直至达到要求的无功值

③ 微机励磁：多次按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“ + ”键，逐步增 大励磁，直至达到要求的无功值。

⑵调节调速器，调整发电机组发出的有功，具体操作：多次按下THLWT-3 微机调速装置“+”键，逐步增大发电机有功输出，直至达到要求的有功值。

五、 发电机组的解列

⑴将发电机组输出的有功和无功减为0。具体操作：

① 多次按下THLWT-3微机调速装置“一 ”键，逐步减少发电机有功输出， 直至有功接近0。

② 调节励磁，减小无功。多次按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“一” 键，逐步减少发电机无功输出，直至无功接近于0。

⑵按下THLZD-2电力系统综合口动化实验台上的断路器QF0的“分闸”按 钮，将发电机组和系统解列，然后将发电机停机。

322复杂电力系统潮流分布的典型结构

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3.2.3 三相相间短 对复杂电力系统潮流的影响

3.2.4切机、切负荷对复杂电力系统潮流的影响 3.2.5原动机转速扰动对复杂电力系统潮流的影响 3.2.6原动机励磁改变对复杂电力系统潮流的影响 327原动机进相运行对复杂电力系统潮流的影响 3.2.8电容补偿对节点电压的影响

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