电力系统的无功功率和电压调整-PowerPointPr.ppt

电力系统稳态运行电力系统稳态运行第六章 电力系统的无功功率和电压调整2021/9/211第六章第六章 电力系统的无功功率和电压调整电力系统的无功功率和电压调整基本要求：了解无功功率最优分配，无功功率平衡与电压的基本要求：了解无功功率最优分配，无功功率平衡与电压的关系，掌握电压调整原理、方法及措施。关系，掌握电压调整原理、方法及措施。前面讲过，有功功率电源是各类发电厂中的发电机，前面讲过，有功功率电源是各类发电厂中的发电机，而无功电源除发电机外。而无功电源除发电机外。还有还有电容器电容器调相机调相机静止补偿器静止补偿器分散在各变电所且不消耗一次能源，但系分散在各变电所且不消耗一次能源，但系统中无功损耗统中无功损耗有功损耗有功损耗调频调频调整原动机功率调整原动机功率调压调压有多种手段有多种手段2021/9/212第六章第六章 电力系统的无功功率和电压调整电力系统的无功功率和电压调整 电力系统中的电力系统中的有功功率电源有功功率电源是集中在各类发电厂中的是集中在各类发电厂中的发电机发电机；无功功率电源无功功率电源除除发电机发电机外，还有外，还有电容器、调相机和静止补偿器电容器、调相机和静止补偿器等，等，分散在各变电所。供应有功功率和电能分散在各变电所。供应有功功率和电能；必须消耗能源，但无功必须消耗能源，但无功功率电源一旦设置后，就可随时使用而不再有其它经常性耗费。功率电源一旦设置后，就可随时使用而不再有其它经常性耗费。系统中无功功率损耗远大于有功功率损耗。正常稳态运行时，全系统中无功功率损耗远大于有功功率损耗。正常稳态运行时，全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只有调整原动调频手段只有调整原动机功率一种机功率一种。电压水平则全系统各点不同，而且。电压水平则全系统各点不同，而且电压调整可分电压调整可分散进行，调压手段也多种多样散进行，调压手段也多种多样。凡此种种，使电力系统的无功功。凡此种种，使电力系统的无功功率和电压调整与有功功率和频率调整有很大不同。率和电压调整与有功功率和频率调整有很大不同。本章主要阐述电力系统中本章主要阐述电力系统中无功功率的最优分布无功功率的最优分布和和电力系统的电电力系统的电压调整压调整两个问题。而前者又可进而分为两个问题。而前者又可进而分为无功功率电源的最优分布无功功率电源的最优分布和无功功率负荷的最优补偿和无功功率负荷的最优补偿两方面；后者除个别调压措施外，还两方面；后者除个别调压措施外，还有几种调压措施的组合问题。有几种调压措施的组合问题。2021/9/213第一节 电力系统中无功功率的平衡一、无功功率负荷和无功功率损耗一、无功功率负荷和无功功率损耗1无功功率负荷无功功率负荷 各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功率。因此，无论工业或农业习户都以滞后功率因都要消耗无功功率。因此，无论工业或农业习户都以滞后功率因数运行，其值约为数运行，其值约为0.60.9。其中，较大的数值对应于采用大其中，较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合。容量同步电动机的场合。无功功率负荷曲线的变化规律虽大体与有功功率相似，也并无功功率负荷曲线的变化规律虽大体与有功功率相似，也并非完全亦步亦趋。非完全亦步亦趋。但无论是电力系统的运行或设计部门，一般都不编制无功功但无论是电力系统的运行或设计部门，一般都不编制无功功率负荷曲线而只编制无功功率平衡表或各枢纽点电压曲线。而且，率负荷曲线而只编制无功功率平衡表或各枢纽点电压曲线。而且，这些表格或曲线也只是隔一段时间制作一欠。对无功功率管理之这些表格或曲线也只是隔一段时间制作一欠。对无功功率管理之所以与对有功功率不同，原因仍在于无功功率与有功功率本身性所以与对有功功率不同，原因仍在于无功功率与有功功率本身性质的不同。质的不同。2021/9/2142变压器中的无功功率损耗变压器中的无功功率损耗变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路损耗和绕组变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载漏抗中损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流电流I I0 0的百分值，约为的百分值，约为1 2；绕组漏抗中损耗。在变；绕组漏抗中损耗。在变压器满载时，基本上等于短路电压压器满载时，基本上等于短路电压Uk的百分值，约为的百分值，约为10。但对多电压级网络。变压器中的无功功率损耗就相当可观。但对多电压级网络。变压器中的无功功率损耗就相当可观。以一个五级变压的网络为例：以一个五级变压的网络为例：RTjXTU1N.-jBTGT2021/9/215 由此可见，系统中变压器的无功功率损耗占相当大由此可见，系统中变压器的无功功率损耗占相当大比例，较有功功率损耗大得多。比例，较有功功率损耗大得多。2021/9/216 3电力线路上的无功功率损耗电力线路上的无功功率损耗 电力线路上的无功功率损耗也分两部分，即并联电力线路上的无功功率损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的这种损耗又称充电功率，与线路电压的平方成正比，这种损耗又称充电功率，与线路电压的平方成正比，呈容性。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方呈容性。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。成正比，呈感性。RjXU1.U2.2021/9/217因此，线路作为电力系统的一个元件究竟消耗容性因此，线路作为电力系统的一个元件究竟消耗容性或感性无功功率就不能肯定。但如利用第二章第三节或感性无功功率就不能肯定。但如利用第二章第三节第四小节中曾作过简单介绍的自然功率的概念可作第四小节中曾作过简单介绍的自然功率的概念可作一大致估计：当通过线路输送的有功功率大于自然功一大致估计：当通过线路输送的有功功率大于自然功率时，线路将消耗感性无功功率；当通过线路输送的率时，线路将消耗感性无功功率；当通过线路输送的有功功率小于自然功率时，线路待消耗容性无功功率。有功功率小于自然功率时，线路待消耗容性无功功率。一般通过一般通过110kv及以下线路输送的功率往往大于及以下线路输送的功率往往大于自然功率，通过自然功率，通过500kv线路输送的功率大致等于自线路输送的功率大致等于自然功率。通过然功率。通过220kv线路输送的功率则因线路长度线路输送的功率则因线路长度而异，线路较长时，小于自然功率，线路较短时，大而异，线路较长时，小于自然功率，线路较短时，大于自然功率。于自然功率。2021/9/2181发电机发电机 同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的无功同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的无功功率电源功率电源。二、无功功率电源二、无功功率电源二、无功功率电源二、无功功率电源2电容器和调相机电容器和调相机 并联电容器只能向系统供应感性无功功率。它所并联电容器只能向系统供应感性无功功率。它所供应的感性无功功率与其端电压约平方成正比。供应的感性无功功率与其端电压约平方成正比。2021/9/219调相机实质上是只能发无功功率的发电机。它在调相机实质上是只能发无功功率的发电机。它在过激运行时向系统供应感性无功功率，欠激运行时过激运行时向系统供应感性无功功率，欠激运行时从系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为从系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为过激运行时容量的过激运行时容量的50%。这些也就是作为无功功。这些也就是作为无功功率电源的调相机的运行极限。率电源的调相机的运行极限。2021/9/21103静止补偿器和静止凋相机静止补偿器和静止凋相机 静止补偿器和静止调相机是分别与电容器和调相机相对应而静止补偿器和静止调相机是分别与电容器和调相机相对应而又同属又同属“灵活交流输电系统灵活交流输电系统”范畴的两种无功功率电源。前者范畴的两种无功功率电源。前者出现在出现在70年代初，是这一年代初，是这一“家族家族”的最早成员。目前已为人们的最早成员。目前已为人们所熟知；后者则尚待扩大试运行的规模。所熟知；后者则尚待扩大试运行的规模。静止补偿器的全称为静止无功功率补偿器静止补偿器的全称为静止无功功率补偿器(SVC)，有各种不同有各种不同型式。目前常用的有晶闸管控制电抗器型型式。目前常用的有晶闸管控制电抗器型(TCR型型)、晶闸管开关、晶闸管开关电容器型电容器型(TSC型型)和饱和电抗器型和饱和电抗器型(SR型型)三种，分别如图三种，分别如图6-1(a)、(b)、(c)所示所示。它们的静态电压特性它们的静态电压特性(伏安特性伏安特性)，则，则分别示于图分别示于图6-2(a)、(b)、(c)。2021/9/2111串联串联谐振谐振回路回路（高（高次谐次谐波通波通路）路）串联串联谐振谐振回路回路（高（高次谐次谐波通波通路）路）饱饱和和电电抗抗器器2021/9/21122021/9/21132021/9/2114一一.无功功率电源的最优分布无功功率电源的最优分布6 62 2 电力系统中无功功率的最优分布电力系统中无功功率的最优分布1.1.等网损微增率准则等网损微增率准则目的：降低网络中的有功功率损耗目的：降低网络中的有功功率损耗目标函数：目标函数：等约束条件：等约束条件：不等式约束条件：不等式约束条件：2021/9/2115一一.无功功率电源的最优分布无功功率电源的最优分布6 62 2 电力系统中无功功率的最优分布电力系统中无功功率的最优分布1.1.等网损微增率准则等网损微增率准则无功功率电源的最优分布是按等网损微增率准则无功功率电源的最优分布是按等网损微增率准则 但需指出，如上的分析并没有引入不等约束条件。实际计算时，但需指出，如上的分析并没有引入不等约束条件。实际计算时，当某一变量，例如当某一变量，例如QGi，逾越它的上限逾越它的上限QGimax 或下限或下限QGimin时，可时，可取取QGi QGimax或或QGi QGimax。2021/9/2116二二.无功负荷的最优补偿无功负荷的最优补偿6 62 2 电力系统中无功功率的最优分布电力系统中无功功率的最优分布1.1.最优网损微增率准则最优网损微增率准则目的：目的：最优网损微增率准则最优网损微增率准则2021/9/2117一一.调整电压的必要性调整电压的必要性6 63 3 电力系统的电压调整电力系统的电压调整电压管理电压管理和借发电机、变压器调压和借发电机、变压器调压电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压偏移过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏偏移过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起系统性的设备，甚至引起系统性的“电压崩溃电压崩溃”，造成大面积停电。，造成大面积停电。2021/9/2118二二.电压波动和电压管理电压波动和电压管理6 63 3 电力系统的电压调整电力系统的电压调整电压管理电压管理和借发电机、变压器调压和借发电机、变压器调压1.1.电压波动电压波动综上可见，在保证系统中无功功率平衡的基础上，如同调整综上可见，在保证系统中无功功率平衡的基础上，如同调整控制频率一样调整控制电压，使其偏移和波动保持在允许控制频率一样调整控制电压，使其偏移和波动保持在允许范围内，是系统运行的又一重要问题。范围内，是系统运行的又一重要问题。当负荷发生波动时，使得线路上传送的无功功率发生当负荷发生波动时，使得线路上传送的无功功率发生波动，相应的各节点电压也随之波动。波动，相应的各节点电压也随之波动。对于生活、生产、气象等变化引起的周期长、波及面对于生活、生产、气象等变化引起的周期长、波及面大的电压波动需进行调整。大的电压波动需进行调整。对于冲击性负荷引起的电压波动需进行限制。对于冲击性负荷引起的电压波动需进行限制。2021/9/2119二二.电压波动和电压管理电压波动和电压管理6 63 3 电力系统的电压调整电力系统的电压调整电压管理电压管理和借发电机、变压器调压和借发电机、变压器调压2.2.电压管理电压管理电压中枢点电压中枢点就是那些反映系统电压水平的主要发电厂就是那些反映系统电压水平的主要发电厂的高压母线、枢纽变电所低压母线或有大量地方负荷的的高压母线、枢纽变电所低压母线或有大量地方负荷的发电机母线。发电机母线。（1）中枢点的电压偏移）中枢点的电压偏移根据负荷对电压的要求，任何时刻应满足根据负荷对电压的要求，任何时刻应满足：ABO2021/9/2120二二.电压波动和电压管理电压波动和电压管理6 63 3 电力系统的电压调整电力系统的电压调整电压管理电压管理和借发电机、变压器调压和借发电机、变压器调压2.2.电压管理电压管理（1）中枢点的电压偏移）中枢点的电压偏移需综合考虑需综合考虑A、B对电压中枢点对电压中枢点O点的要求。要同时满点的要求。要同时满足两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变动足两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变动范围减小。范围减小。在实际电力系统中，由同一中枢点供电的负荷可能很在实际电力系统中，由同一中枢点供电的负荷可能很多，且中枢点到负荷处线路上的电压损耗的大小和变化多，且中枢点到负荷处线路上的电压损耗的大小和变化规律的差别可能很大，完全可能出现在某些时段内，中规律的差别可能很大，完全可能出现在某些时段内，中枢点电压取任何值均不能满足要求，这时须采取其他措枢点电压取任何值均不能满足要求，这时须采取其他措施（如在负荷处进行无功补偿，改变变压器变比等）。施（如在负荷处进行无功补偿，改变变压器变比等）。2021/9/2121二二.电压波动和电压管理电压波动和电压管理6 63 3 电力系统的电压调整电力系统的电压调整电压管理电压管理和借发电机、变压器调压和借发电机、变压器调压2.2.电压管理电压管理（2）中枢点电压的调整方式）中枢点电压的调整方式逆调压逆调压：对于供电线路较长，负荷波动较大的网络，考虑：对于供电线路较长，负荷波动较大的网络，考虑在在最大负荷最大负荷时线路上的电压损耗增加，这时适当时线路上的电压损耗增加，这时适当提高中枢点提高中枢点电压电压以补偿增大的电压损耗，比以补偿增大的电压损耗，比线路线路UN高高5（即（即1.05UN）；最小负荷最小负荷时线路上电压损耗减小，时线路上电压损耗减小，降低中枢点电压为降低中枢点电压为UN。顺调压顺调压：负荷变动小，供电线路不长，在允许电压偏移范围：负荷变动小，供电线路不长，在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内，内某个值或较小的范围内，最大负荷最大负荷时电压可以时电压可以低低一些，但一些，但1.025UN，小负荷小负荷时电压可以时电压可以高高一些，但一些，但1.075UN。2021/9/2122二二.电压波动和电压管理电压波动和电压管理2.2.电压管理电压管理（2）中枢点电压的调整方式）中枢点电压的调整方式常调压常调压（恒调压恒调压）：负荷变动小，供电线路电压损耗）：负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电压维持在允许电压偏移范围内压维持在允许电压偏移范围内某个值某个值或较小的范围内或较小的范围内（如（如1.025UN1.05UN），），就可保证各负荷点的电压质量。就可保证各负荷点的电压质量。这种这种在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变的调在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变的调压方式压方式。（3）调整电压的基本原理）调整电压的基本原理1:k1k2:1LUGUbP+jQ1:k1k2:1LUGUbR+jXP+jQ2021/9/2123二二.电压波动和电压管理电压波动和电压管理2.2.电压管理电压管理（3）调整电压的基本原理）调整电压的基本原理要求对负荷点要求对负荷点b的电压进行调整的电压进行调整三三.借改变发电机端电压调整借改变发电机端电压调整通过自动励磁调节装置通过自动励磁调节装置IfEqUG，不需另增设备，不需另增设备，简便可行且经济。简便可行且经济。由发电机不经升压直接供电的地方负荷，实行逆调压。由发电机不经升压直接供电的地方负荷，实行逆调压。2021/9/2124三三.借改变发电机端电压调整借改变发电机端电压调整G+5%-5%-9%+1%-5%-4%-5.6%+4.4%+2%发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满足负荷对电压质量的要求足负荷对电压质量的要求(IfIfN），），这时需借助其他措施。这时需借助其他措施。2021/9/2125四四.借改变变压器变比调压借改变变压器变比调压G双绕组变压器的高压绕组和三绕组的高、中压绕组有若干分接双绕组变压器的高压绕组和三绕组的高、中压绕组有若干分接头可供选择，如有头可供选择，如有UN5、UN22.5 或或UN42。其中对其中对应于应于UN的分接头常称主接头或主抽头。的分接头常称主接头或主抽头。合理选择变压器的分接头也可调压。合理选择变压器的分接头也可调压。2021/9/2126四四.借改变变压器变比调压借改变变压器变比调压（1）对于双绕组降压变压器）对于双绕组降压变压器i2021/9/2127四四.借改变变压器变比调压借改变变压器变比调压（1）对于双绕组降压变压器）对于双绕组降压变压器i普通变压器在运行中不能倒换接头，只有停运时才能调整，因普通变压器在运行中不能倒换接头，只有停运时才能调整，因此，必须在投运前选择好合适的接头以满足各种负荷要求。此，必须在投运前选择好合适的接头以满足各种负荷要求。为使最大、最小负荷两种情况下变电所低压母线实际电压偏离为使最大、最小负荷两种情况下变电所低压母线实际电压偏离要求的要求的Uimax，Uimin大体相等，分接头电压应取大体相等，分接头电压应取UtImax，UtImin的的平均值。平均值。根据根据UtI选择一最接近的分接头，再按选定的分接头校验低压选择一最接近的分接头，再按选定的分接头校验低压母线上的实际电压能否满足要求。母线上的实际电压能否满足要求。2021/9/2128四四.借改变变压器变比调压借改变变压器变比调压（2）对于双绕组升压变压器）对于双绕组升压变压器g2021/9/2129四四.借改变变压器变比调压借改变变压器变比调压（2）对于双绕组升压变压器）对于双绕组升压变压器g有载调压器有载调压器附加串联加压器附加串联加压器2021/9/2130例：发电厂装有两台容量为例：发电厂装有两台容量为31.5MVA、额定变比为额定变比为121/10.5kV的的变压器。由变压器输出的最大负荷为变压器。由变压器输出的最大负荷为50+j40MVA、最小负荷为最小负荷为25+j15MVA。要求高压母线电压要求高压母线电压UH维持维持116kV恒定不变，且发恒定不变，且发电机母线须实行逆调压电机母线须实行逆调压(Umax为为1.05UN，及及Umin为为1.0UN)以满足地以满足地方负荷电压的要求。并联运行变压器归算至高压侧的等值阻抗方负荷电压的要求。并联运行变压器归算至高压侧的等值阻抗为为1.47+j24.4。试确定变压器的变比。试确定变压器的变比。解：变压器的电压损耗（忽略电压降落横分量）解：变压器的电压损耗（忽略电压降落横分量）最大负荷时：最大负荷时：最小负荷时：最小负荷时：根据发电机母线逆调压要求，该母线期望电压根据发电机母线逆调压要求，该母线期望电压Udmax=1.05UN=1.0510=10.5kV，U dmin=1.0UN=1.010=10kV2021/9/2131选取最接近的标准接头电压选取最接近的标准接头电压121(1+2.5%)=124.02kV校验：校验：对网络额定电压的偏移：对网络额定电压的偏移：2021/9/2132对网络额定电压的偏移：对网络额定电压的偏移：因接头电压之间的距离为因接头电压之间的距离为2.5，计算电压偏移和要求的电，计算电压偏移和要求的电压偏移相差不超过压偏移相差不超过1.25是允许的。从计算结果看出，所是允许的。从计算结果看出，所确定的变比确定的变比124.02/10.5满足要求。满足要求。2021/9/2133（3）对于三绕组变压器）对于三绕组变压器g三绕组变压器除高压绕组有抽头外，一般中压绕组也具三绕组变压器除高压绕组有抽头外，一般中压绕组也具有抽头可供选择。对高、中压绕组都具有抽头的三绕组有抽头可供选择。对高、中压绕组都具有抽头的三绕组变压器，各绕组接头电压的确定仍按上述双绕组变压器变压器，各绕组接头电压的确定仍按上述双绕组变压器的方法分两步进行。的方法分两步进行。首先。根据低压母线的调压要求在高首先。根据低压母线的调压要求在高低压绕组之间低压绕组之间进行计算，选取高压绕组的接头电压即变比进行计算，选取高压绕组的接头电压即变比UtH/UNL；然后根据中压的调压要求及选取的高压绕组接头电压然后根据中压的调压要求及选取的高压绕组接头电压UtH，在高在高中压绕组之间进行计算，选取中压绕组的接头电压中压绕组之间进行计算，选取中压绕组的接头电压UtM。确定的变比即为确定的变比即为UtH/UtM/UtL。2021/9/2134一一.借补偿设备调压借补偿设备调压6 64 4 电力系统的电压调整电力系统的电压调整借补偿设借补偿设备调压和组合调压备调压和组合调压1.1.各种补偿设备的调压方式各种补偿设备的调压方式2.2.补偿设备容量的计算补偿设备容量的计算G1:kikj:1ij2021/9/2135一一.借补偿设备调压借补偿设备调压6 64 4 电力系统的电压调整电力系统的电压调整借补偿设借补偿设备调压和组合调压备调压和组合调压2.2.补偿设备容量的计算补偿设备容量的计算实践中进行简化实践中进行简化3.3.最小补偿设备容量的确定最小补偿设备容量的确定按调压要求，在确定这些补偿设备容量时，须先确定按调压要求，在确定这些补偿设备容量时，须先确定变压器变比。变压器变比。2021/9/2136一一.借补偿设备调压借补偿设备调压6 64 4 电力系统的电压调整电力系统的电压调整借补偿设借补偿设备调压和组合调压备调压和组合调压3.3.最小补偿设备容量的确定最小补偿设备容量的确定（1）并联电容器）并联电容器确定其容量分两步：确定其容量分两步：一步：在一步：在Smin时，全部切除，确定变压器分接头；时，全部切除，确定变压器分接头；根据根据UtJmin选择一最接近的分接头选择一最接近的分接头UtJ2021/9/2137一一.借补偿设备调压借补偿设备调压6 64 4 电力系统的电压调整电力系统的电压调整借补偿设借补偿设备调压和组合调压备调压和组合调压3.3.最小补偿设备容量的确定最小补偿设备容量的确定（1）并联电容器）并联电容器二步：在二步：在Smax时，全部投入，确定电容器容量。时，全部投入，确定电容器容量。（2）调相机）调相机在在Smax时，过激运行，发无功，确定时，过激运行，发无功，确定QCN；在在Smin时，欠激运行，吸无功，确定时，欠激运行，吸无功，确定QLN=(0.50.6)QCN。2021/9/2138一一.借补偿设备调压借补偿设备调压6 64 4 电力系统的电压调整电力系统的电压调整借补偿设借补偿设备调压和组合调压备调压和组合调压3.3.最小补偿设备容量的确定最小补偿设备容量的确定（2）调相机）调相机在在Smax时，满发时，满发QCN：在在Smin时，吸时，吸QLN=(0.50.6)QCN：2021/9/2139