电力系统分析基础(第六章).ppt

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1、,North China Electric Power University,电力工程系,Department of Electrical Engineering,电力系统分析基础 Power System Analysis Basis （六）,任 建 文,第六章 电力系统的无功功率与电压调整,本章主要内容：,1、无功负荷和无功电源及无功功率平衡,2、电压降落（损耗、偏移）、功率损耗的计算,3、无功功率的经济分布；无功电源的最优分布；无功负荷的最优补偿,频率调整和电压调整的相同和不同之处,调频,频率唯一,集中调整,只能调原动机功率,调压,电压水平各点不同,调整分散,手段多样（有多种无功电源）,

2、由上可以看出：维持电压稳定，应该尽量减少无功的传输，采取就地平衡。,分析无功功率和电压分布之间的关系,无功损耗 有功损耗;,电压降受无功功率的影响较大;,无功功率的流动从UhUL,第一节电力系统无功功率的平衡,一、概念性问题:,无功功率,无功电源QG,无功负荷QL,无功损耗Q,无功功率平衡,运行中的平衡：QG=QL+Q,规划中的平衡：无功容量=无功电源功率+ 备用无功电源功率（78%）,二、无功功率负荷和无功功率损耗,1、无功功率负荷,负荷在端电压变化时，出力、效率影响较大,白炽灯的电压特性,异步电机的电压特性,转矩U2,U,带不动,启动不了,烧电机,吸收无功（异步电机）,对于QX，当U转动力

3、矩增大，Sr2（1-s）/sI QX,对于QU，由于XU的饱和， XU QU,2、变压器的无功功率损耗,励磁支路空载电流I0的百分比值，约1-2%,绕组漏抗满载时基本上等于短路电压UK的百分 比值，约10%,对多级电压网相当可观，可达负荷的57%,3、电力线路上的无功功率损耗,并联电纳充电功率U2，容性,并联电抗感性I2,35KV及以下感性无功,110KV及以上,传输功率较大时感性无功,传输功率较小时容性无功,三、无功功率电源,发电机、调相器,静止电容器、静止补偿器,1、发电机,发电机只有在额定电压、电流、功率因数下运行时，视在功率才能达到额定值，其容量才能最充分地利用,系统中有功功率备用容量

4、充裕时，可使靠近负荷中心的发电机在降低有功负荷的条件下运行，这时发电机的视在功率虽较额定值小，但可利用的无功功率却较在额定有功负荷下大。,实质上是只发无功功率的发电机,2、同步调相机,不带有功负荷的同步发电机,不带机械负荷的同步电动机,运行,过激运行向系统发出无功,欠激运行向系统吸收无功（容量为过激的50%）,优点,平滑调节既发无功，又可吸收无功,装有励磁调节装置时，维持系统电压不变,装有强磁时，故障情况下，调整电压，维持稳定,缺点,消耗一定的有功，容量越小，比重越大(1.5-5%),小容量单位投资费用大，宜集中使用,水轮机有时作调相运行，汽轮机较难,损耗大,内部发热,内部膨胀,增大系统中短路

5、时的短路电流,3、静电电容器,QC=U2/XC，只能向系统提供无功，不能吸收无功,可集中使用，可分散使用,功耗小，0.3%-0.5%（额定容量）,调节不是连续的，不平滑，调节范围小,电压下降时， QC下降，导致U进一步下降,单位容量投资比调相机便宜,4、静止补偿器,电容与电抗并联，配以调接装置，可平滑地改变输出,70年代开始使用，有前途的三种类型为：,类型,直流助磁饱和电抗器型,可控硅控制电抗器型,自饱和电抗器型,共同点：电容支路,同步频率下感性无功功率电源,C和Lf构成谐振，兼作高次谐波滤波器,不可控,不同点： 电抗器支路,可控硅,直流助磁,自饱和不可控,饱和电抗器,可控的,不饱和,优点：,

6、极好的调节性能,可用于冲击性负荷的无功补偿,维护简单,原理：自饱和型,损耗小，不超过1%,应用越来越多,四、无功功率的平衡,系统中功率平衡：QGC- QL- Q=0,电源：QGC=QG+QC=QG+ QC1 + QC2 + QC3,发电机,调相机,电容器,静止补偿器,负荷：,未改善 COS=0.6-0.9,规程规定不低于0.9,可按此取QL,损耗： Q = QT + QX + Qb,变压器,线路电抗,线路电纳,无功备用:为最大无功负荷的7%-8%,注意：,系统中无功率平衡的前提是系统的电压水平正常,无功不足时应就地补偿,第二节电力系统无功功率的经济分布,一、无功功率电源的最优分布,无功经济分布

7、,无功电源的最优分布等网损微增率,无功负荷的最优补偿无功经济当量,目标函数：P=P(QGi) 目的：降低网络中的有功损耗,等约束条件：,不等约束条件：,拉格朗日函数：,最优分布求拉格朗日函数的极值：,可改写为：,无功网损微增率,有功网损微增率,二、如何进行无功功率最优分布的计算,一般的原则是：,计算 潮流 分布,按有功最优分布结果给出各节点（除平衡节点外）的P,给出P、Q节点的Q,给出P、U节点的U,计算 网损 微增 率,由潮流计算得各无功电源点的值,0时，增大该电源的Q，可降低网损,0时，减少该电源的Q，可降低网损,进行调整,重设电源节点的无功QGi和PU节点的电压，进行潮流计算，求总网损、

8、网损微增率，判断平衡节点的P，直到P最小,当P不再减小时，各节点网损微增率未必相等，因为受不等条件限制,例题：如图，有功功率两电厂均分，求最优无功分配,解：,按网损等微增率准则确定无功功率分配：,由功率平衡条件得：,联合求解得：Q10.248，Q20.688,不计无功网损修正时：,得：Q10.268，Q20.670,三、无功功率负荷的最优补偿,负荷的自然功率因数,电动机容量不能太大（重要措施）,限制电动机的空载运行,同步电机代替异同步电机（收、发）,(补偿前0.6-0.9),最优补偿,补偿容量的确定,补偿设备的分布,补偿顺序的选择,规划阶段,年节约费用:,为单位电能损耗价格(元/kwh),ma

9、x最大负荷损耗小时数,装设补偿设备的投资费用:,为折旧维修率,投资回收率,KC为单位 容量补偿设备投资(元/kvar),结论,最有网损微增率（也称无功经济当量）,最优网损微增率准则：,只有在网损微增率具有负值且小于req的节点设置,先后顺序：以网损微增率的大小为序，首先从,最小的开始,第三节电力系统的电压调整,一、电力系统电压偏移的原因及影响,无功充足电压水平较好的必要条件，不是充分条件,调压合理分布无功，维持电压质量,原因（随运行方式的改变而改变）,由于R很小，U主要受Q的影响,负荷大小的变化,电力网阻抗参数的变化（设备故障或检修退出）,电力系统接线的改变,偏移的影响,电压过低,发电机：U

10、，I发电机过热,异步电机：U ，转差率，各绕组I，温升， ，寿命，出力P ，起动过程长烧电机,电炉：PU2,电灯：亮度和发光效率大幅下降,电压过低,设备绝缘受损,变压器、电动机铁芯饱和，损耗，寿命,白炽灯寿命大为缩短,严重时，无功不足，电压崩溃,电力系统允许的电压偏移,35KV及以上电压供电的负荷5%,10KV及以下电压供电的负荷7%,低压照明负荷 +5%-10%,农村电网 +5%-10%,事故状态下，允许在上述基础上再增加5%，但正偏移不超过+10%,二、中枢点的电压管理,电压中枢点的选择,集中负荷的母线作为电压中枢点,大型发电厂的高压母线,枢纽变电所的二次母线,有大量负荷的发电厂母线,中枢

11、点电压与负荷的关系,适应：线路长，负荷变化大,方式：,难易程度：实现较难,有时中枢点电压不能满足要求，见书上P226-227的例子,中枢点电压调整方式,逆调压,最大负荷时提高中枢点电压1.05UN,最小负荷时降低中枢点电压1.00UN,适应：线路不长，负荷变化不大,方式：,难易程度：最易实现,顺调压,最大负荷时允许中枢点电压低一些1.025UN,最小负荷时允许中枢点电压高一些1.075UN,适应：中型网络，负荷变化缴小,方式：保持在较线路额定高2%-5%,难易程度：较易实现,常调压,三、电力系统的电压调整,忽略：线路对地电容、变压器励磁支路参数、横向压降,调压比调频复杂，频率系统为一，电压不为

12、一,改变电压水平,调压措施,利用发电机调压UG改变励磁电流,改变变压器分接头k1，k2,改变电压损耗,改变功率分布（主要是Q）使U减少,改变线路参数R+jX（主要是X）减少U,改变发电机端电压调压,发电机电压UG可在5%的范围内保持发额定功率,发电机直接供电系统（线路不长，损耗不大）,调节励磁，改变机端电压，实现逆调压满足电压的要求,例：,最大负荷时：Umax=20%，最大负荷时：Umin=8%,Umax-Umin=12%，发电机逆调5%,故最终相差7%，在10%的范围内,调节原理：,转子电压负反馈的作用是提高调节系统的稳定性，它的输出正比于转子电压的变化率,例：发电机经多级电压向负荷供电，不

13、能保证电压质量要求,最大负荷时：Umax=34%，最大负荷时：Umin=14%,Umax-Umin=20%，发电机逆调5%,故最终相差15%，超出10%的范围内,改变变压器分接头进行调压,双绕组变压器分接头选择,最大负荷时：UImax，UImax， Uimax， Uimax为已知,双绕组变压器高压侧,6300KVA以下三个分接头UN 5%,三绕组变压器高、中压侧,8000KVA以上五个分接头UN 2.5%,装有3-5个分接头,最小负荷时：,选一接近值作分接头 UtImax，UtImin，UtI,对于升压变压器：,因正常运行时，变压器分接头不能调整，故取平均值,返回校验,求低压母线电压,计算电压

14、偏移%,选分接头110KV,例子：,UI在113-115KV时，允许Ui在10-11KV，求变压器分接头,校验：,解：,普通三绕组变压器分接头的选择,高、中压侧有分接头，低压侧没有,高、低压侧确定高压绕组的分接头（低压侧要求）,高、中压侧确定中压绕组的分接头,例题：P233，例8-3,有载调压变压器调整分接头,带电调整，允许最大、最小负荷时分设不同抽头,计算方法同双绕组，可分设,调整范围大15%以上,110KV，UN32.5%（七级）,220KV，UN42.5%（九级）,三绕组,高压侧装有载调压分接头,低压侧装有普通分接头,有载调压原理,无功功率充足时，采用有载调压可满足一般的调压要求,长线供

15、电,负荷变化大,联络线两端,某些发电厂的变压器,无功功率充足时,并补,串补,利用并联补偿设备调压,调相机,作用,发无功，就地补偿，减少压降,各种补偿设备的调节方式,截面积小RX，不可用,并补,截面积大RX，明显,静止补偿器,电容器,调相机,改变励磁电流if,静止补偿器（直流助磁）,改变助磁电流if,电容全部投入,电容全部退出,静止补偿器（可控硅）,改变可控角,补偿设备容量的确定,补偿前：,补偿后：,补偿容量QC与补偿前后低压母线电压Ui，Uic有关：,QC的确定应满足调压要求，设低压母线调压要求电压为 Uic，则Uic=kUic。存在QC与k的选择配合问题,最小负荷时：将电容器全部切除，选变压

16、器分接头 UtI=UiminUNi/Uimin，从而k= UtI /UNi,最大负荷时：发额定容量的无功,最大负荷时：全部投入电容,最小负荷时：吸收（50%-60%）QNC,同步调相机,改变输电线路参数进行调压,对于负荷功率因数较低的线路，采用该方法较有效,合理使用调压设备进行调压,优先利用发电机调压，95%-105%范围，有母线负荷时，逆调压,充分利用变压器调压不能改变无功不足，只能调整无功分布（普通、有载）,无功不足时,调相机平滑调压，需维护，放在枢纽变,静止补偿器,并联电容器,串联电容器,35或10KV，负荷波动大而频繁、功率因 数低的配电线路,220KV及以上，提高输送容量和稳定能力,

17、110KV及以下，改善线路的电压质量,超高压（330KV以上）并联电抗器，吸收线路的充电功率,作业：,某发电厂有一台变比为121/6.3KV，容量为31.5MVA的升压变压器，折算到121KV侧的ZT=2.95+48.8，变压器高压侧最大负荷为30MVA，COS=0.8。为了满足电网调压要求，在最大负荷时，电厂高压母线应保持117KV，而在最小负荷时应降为113KV，根据发电机电压负荷的调压要求，希望发电机母线电压在最小负荷时与发电机的额定电压有相同偏移，试选择升压变压器分接头。,电力工程系,Department of Electrical Engineering,North China Electric Power University,