第六章-电力系统的无功功率和电压调整课件

第六章 电力系统的无功功率和电压调整第六章 电力系统的无功功率和电压调整主要内容1.调压必要性和目标2.电压与无功功率的关系3.电力系统无功功率的平衡4.电压调整的措施2主要内容调压必要性和目标21.1.调压必要性和目标调压必要性和目标必要性所有的用电设备都是按运行在额定电压时效率为最高设计的，偏离额定电压必然导致效率下降，经济性变差；电压降低将使发电机定子电流增大，引起定子绕组过热损坏；由于系统无功短缺，电压水平低下，某些枢纽变电所母线电压在微小扰动下顷刻间大幅下降，引起电压崩溃，这是严重导致系统瓦解的灾难性事故。3调压必要性和目标必要性31.1.调压必要性和目标调压必要性和目标电压偏移：指线路始端或末端电压与线电压偏移：指线路始端或末端电压与线路额定电压的数值差。路额定电压的数值差。35kV35kV及以上：及以上：-10%10%10kV10kV及以下：及以下：-7%7%电力系统调压的目的是保证系统中各负荷电力系统调压的目的是保证系统中各负荷点的电压在允许的偏移范围内。点的电压在允许的偏移范围内。？用什么来调压，怎么调压用什么来调压，怎么调压4调压必要性和目标电压偏移：指线路始端或末端电压与线路额定电压2.2.无功功率和电压的关系无功功率和电压的关系一个是控制变量，一个是状态变量一个是控制变量，一个是状态变量1)节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用2)无功功率对电压水平有决定性影响5无功功率和电压的关系一个是控制变量，一个是状态变量5节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用超高压线路6节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用超高压线路6无功功率对节点电压有效值起决定性影响超高压线路7无功功率对节点电压有效值起决定性影响超高压线路7无功功率对电压水平有决定性影响无功功率对电压水平有决定性影响电力系统当中，各种用电设备吸收的无功功率与所加电压有关。当系统出现无功功率缺额，系统所接的各负荷的电压将下降，减少其向系统吸收的无功功率，才能获得无功功率的平衡。电压的控制也就是无功控制8无功功率对电压水平有决定性影响电力系统当中，各种用电设备吸收3.电力系统无功功率的平衡1)无功功率负荷未经补偿的综合负荷的自然功率因数为0.60.9，以滞后功率因数运行，低值对应与异步电动机比例较高的负荷，高值对应于采用大容量同步电动机的场合。负荷的无功功率的峰值与有功功率的不一定同时出现，其峰值出现在工业负荷最大的时刻，一般在白天。9电力系统无功功率的平衡无功功率负荷91)1)无功功率负荷无功功率负荷异步电动机在无功负荷中占的比重很大。异步电动机在无功负荷中占的比重很大。系统无功负荷的电压特性主要由异步电系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定。动机决定。静态无功功率电压特性静态无功功率电压特性具有正的调具有正的调节效应节效应10无功功率负荷异步电动机在无功负荷中占的比重很大。系统无功负荷2)2)无功功率损耗无功功率损耗变压器的无功功率变压器的无功功率励磁支路的功率损耗：其百分值基本上等励磁支路的功率损耗：其百分值基本上等于空载电流于空载电流I I0 0的百分值，约为的百分值，约为1%-2%。绕组漏抗中的功率损耗：在变压器满载时，绕组漏抗中的功率损耗：在变压器满载时，基本上等于短路电压基本上等于短路电压U Uk k的百分值，约为的百分值，约为10%10%。11无功功率损耗变压器的无功功率112)2)无功功率损耗无功功率损耗线路上的无功功率损耗线路上的无功功率损耗并联电纳的无功功率损耗（充电功率），并联电纳的无功功率损耗（充电功率），与线路电压的平方成正比，为容性；与线路电压的平方成正比，为容性；串联电抗的无功功率，与负荷电流的平方串联电抗的无功功率，与负荷电流的平方成正比，为感性；成正比，为感性；输送的有功功率（输送的有功功率（）自然功率。）自然功率。12无功功率损耗线路上的无功功率损耗123)3)无功功率电源无功功率电源发电机发电机：基本的无功功率电源，可以通过调节发电机的励磁电流来改变发电机发出的无功功率，增加励磁电流，可以增加无功功率的输出；反之，减少无功功率输出。调相机调相机：相当于空载运行的同步电动机励磁运行，提供感性无功；欠磁运行，吸取感性无功。13无功功率电源发电机：基本的无功功率电源，可以通过调节发电机的3)3)无功功率电源无功功率电源并联电容器并联电容器：只能向系统供应感性无功功率。特点有：电容器所供应的感性无功与其端电压的平方成正比，电容器分组投切，非连续可调。静止补偿器和静止调相机静止补偿器和静止调相机：分别与电容器和调相机相对应而又同属“灵活交流输电系统”范畴的两种无功功率电源。14无功功率电源并联电容器：只能向系统供应感性无功功率。特点有：3)3)无功功率电源无功功率电源并联电抗器并联电抗器 ：就感性无功功率而言，并联电抗器显然不是电源而是负荷，但在某些电力系统中的确装有这种设备，用以吸取轻载或空载线路过剩的感性无功功率。而对高压远距离输电线路而言，它还有提高输送能力，降低过电压等作用。15无功功率电源并联电抗器：就感性无功功率而言，并联电抗器显然3)3)无功功率电源无功功率电源电源的无功特性电源的无功特性16无功功率电源电源的无功特性164)4)无功功率的平衡无功功率的平衡v无功功率的平衡无功功率的平衡 ：电源提供的无功功率：电源提供的无功功率=发电机发电机+补偿设备补偿设备 补偿设备补偿设备=调相机调相机C1+C1+并联电容器并联电容器C2+C2+静止补偿器静止补偿器C3C3 ：负荷消耗的无功功率：负荷消耗的无功功率 ：无功功率的损耗无功功率的损耗=变压器变压器+线路电抗线路电抗+线线路电纳路电纳17无功功率的平衡无功功率的平衡174)4)无功功率的平衡无功功率的平衡为了控制电压在允许的范围内，必须保为了控制电压在允许的范围内，必须保证有充足的无功电源，在全网平衡的基证有充足的无功电源，在全网平衡的基础上，留有备用的容量。电力系统的无础上，留有备用的容量。电力系统的无功容量是有功容量的功容量是有功容量的1.51.7倍。倍。无功功率平衡的原则无功功率平衡的原则就地平衡就地平衡分层平衡分层平衡18无功功率的平衡为了控制电压在允许的范围内，必须保证有充足的无5)5)要求要求无功电源要充足无功电源要充足无功电源的配置要合理无功电源的配置要合理采用一定的调节措施便可实现电压调整采用一定的调节措施便可实现电压调整的目标的目标19要求无功电源要充足194.4.电压调整的措施电压调整的措施1)1)中枢点电压管理（电压控制的策略）中枢点电压管理（电压控制的策略）电压中枢点电压中枢点：指某些可反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所的母线。系统电压的监视和调整可以通过监视、调整电压中枢点的电压而实现。因很多负荷都由这些中枢点供电，如能控制住这些点的电压偏移，也就控制住了系统中大部分负荷的电压偏移。204.电压调整的措施中枢点电压管理（电压控制的策略）201)1)中枢点电压管理中枢点电压管理中枢点电压调整：中枢点电压调整：寻求满足中枢点周围各点负荷电压质量的公共部分。中枢点电压调整的确定：中枢点电压调整的确定：根据各负荷的日负荷曲线和对电压质量的要求，进行一系列潮流计算及电压控制方式等分析研究，才能最后确定这些中枢点的允许电压偏移上下限曲线。21中枢点电压管理中枢点电压调整：寻求满足中枢点周围各点负荷电压1)1)中枢点电压管理中枢点电压管理中枢点的调压方式：中枢点的调压方式：1)1)逆调压逆调压 高峰负荷，升高中枢点电压高峰负荷，升高中枢点电压5%5%，为，为1.05U1.05UN N低谷负荷，中枢点电压为额定值，为低谷负荷，中枢点电压为额定值，为U UN N 适用于由该中枢点供电线路较长、负荷变化适用于由该中枢点供电线路较长、负荷变化范围较大等场合。范围较大等场合。22中枢点电压管理中枢点的调压方式：221)1)中枢点电压管理中枢点电压管理中枢点的调压方式：中枢点的调压方式：2)2)顺调压顺调压 高高峰峰负负荷荷，中中枢枢点点电电压压不不低低于于1.025U1.025UN N或或某值；某值；低低谷谷负负荷荷，中中枢枢点点电电压压不不高高于于1.075U1.075UN N或或某值；某值；适适用用于于用用户户对对电电压压要要求求不不高高或或线线路路较较短短、负荷变化不大等场合。负荷变化不大等场合。23中枢点电压管理中枢点的调压方式：231)1)中枢点电压管理中枢点电压管理中枢点的调压方式：中枢点的调压方式：3)3)常调压常调压 高高峰峰、低低谷谷负负荷荷，要要求求在在任任何何负负荷荷时时中中枢枢点点电电压压基基本本保保持持不不变变且且略略大大于于U UN N，例例如如1.025UN或或1.021.05 UN间的某一值。间的某一值。24中枢点电压管理中枢点的调压方式：242)电压调整的基本原理25电压调整的基本原理252)2)电压调整的基本原理电压调整的基本原理调节励磁电流以改变发电机端电压调节励磁电流以改变发电机端电压适当选择变压器的变比适当选择变压器的变比改变线路参数改变线路参数无功功率补偿无功功率补偿 26电压调整的基本原理调节励磁电流以改变发电机端电压263)3)电压调整的措施电压调整的措施a)a)应用发电机调节电压应用发电机调节电压发电机端电压有由自动励磁调节装置控制，可根据运行情况调节励磁电流来改变端电压；发电机端电压的调节受发电机无功功率极限的限制，当发电机输出的无功功率达到其上限或下限时，发电机就不能继续进行调压；由发电机直接供电的小系统，有可能只依靠发电机调压满足各用户的电压要求。对于大系统，尤其是线路很长且多级电压的电力网，单靠发电机调压就无法满足系统中各点的电压要求，必须与其他调压方法相配合辅助性辅助性27电压调整的措施应用发电机调节电压辅助性27b)b)改变变压器变比调压改变变压器变比调压变压器分为两种：变压器分为两种：普通变压器：普通变压器：分接头开关无消弧能力，只能分接头开关无消弧能力，只能在停电时切换，必须事先选择一个合适的分在停电时切换，必须事先选择一个合适的分接头；接头；有载调压变压器：有载调压变压器：具有调压绕组的有载调压变压器：能够带负载调具有调压绕组的有载调压变压器：能够带负载调节分接头，可随时根据需要调节变压器分接头以节分接头，可随时根据需要调节变压器分接头以满足调压要求；满足调压要求；带附加调压器的加压调压变压器。带附加调压器的加压调压变压器。28改变变压器变比调压变压器分为两种：28b)b)改变变压器变比调压改变变压器变比调压普通变压器宜选22.5%10kV配变为5%；有载调压变压器63kV及以上宜选81.251.5%35kV宜选32.5%29改变变压器变比调压普通变压器29i.降压变压器（分接头的选择）30降压变压器（分接头的选择）30i.i.降压变压器（分接头的选择）降压变压器（分接头的选择）最大负荷时高压绕组分接头电压为：最大负荷时高压绕组分接头电压为：最小负荷时高压绕组分接头电压为：最小负荷时高压绕组分接头电压为：普通变压器最大、最小负荷下只能选用同一个普通变压器最大、最小负荷下只能选用同一个分接头：分接头：31降压变压器（分接头的选择）最大负荷时高压绕组分接头电压为：3例例1.1.降压变压器如图所示，最大负荷时高降压变压器如图所示，最大负荷时高压侧电压为压侧电压为 110kV110kV，最小负荷时为，最小负荷时为 115kV115kV。要求低压母线上电压不超过要求低压母线上电压不超过 6 66.6kV 6.6kV 的的范围，试选择分接头。范围，试选择分接头。ZT=2.44+j40U131.5MVA11022.5%/6.6kVU232例1.降压变压器如图所示，最大负荷时高压侧电压为 110kV解解：由分接头范围由分接头范围22.5%可知为一普通变可知为一普通变压器压器1 1）首先求一次侧的功率）首先求一次侧的功率 2 2）根据一次侧的电压和功率求电压损耗）根据一次侧的电压和功率求电压损耗33解：由分接头范围22.5%可知为一普通变压器333）计算分接头电压计算分接头电压，取最大负荷时的取最大负荷时的 U U2max2max=6.0 kV=6.0 kV，最小负荷时的，最小负荷时的 U U2min2min=6.6 kV=6.6 kV则则选最选最接近接近的分接头为的分接头为 110+2.5%110=112.75（kVkV）343）计算分接头电压，取最大负荷时的 U2max=6.0 kV4 4）校验实际电压）校验实际电压 符合低压母线的要求符合低压母线的要求 66.6 kVkV 354）校验实际电压35ii.升压变压器（分接头的选择）36升压变压器（分接头的选择）36ii.ii.升压变压器（分接头的选择）升压变压器（分接头的选择）最大负荷时高压绕组分接头电压为：最大负荷时高压绕组分接头电压为：最小负荷时高压绕组分接头电压为：最小负荷时高压绕组分接头电压为：普通变压器最大、最小负荷下只能选用同一个普通变压器最大、最小负荷下只能选用同一个分接头：分接头：37升压变压器（分接头的选择）最大负荷时高压绕组分接头电压为：3iii.iii.三绕组变压器三绕组变压器分接头选定：分接头选定：高压绕组分接头高压绕组分接头中压绕组分接头中压绕组分接头步骤：步骤：根据电压母线的要求选定高压绕组分接头根据电压母线的要求选定高压绕组分接头由选定高压绕组分接头和中压母线的要求选由选定高压绕组分接头和中压母线的要求选定中压绕组分接头定中压绕组分接头38三绕组变压器分接头选定：38例例2.2.三绕组变压器的额定电压为三绕组变压器的额定电压为110/38.5/6.6kV6.6kV，高压绕组和中压绕组设有分接头，高压绕组和中压绕组设有分接头22.5%。中压母线和低压母线的最大负荷。中压母线和低压母线的最大负荷示于下图等值电路中，最小负荷为最大负示于下图等值电路中，最小负荷为最大负荷的一半。已知高压母线最大和最小负荷荷的一半。已知高压母线最大和最小负荷时的电压分别为时的电压分别为112kV112kV和和115kV115kV。要求最大。要求最大和最小负荷时中压、低压母线的允许电压和最小负荷时中压、低压母线的允许电压偏差为偏差为07.5%。39例2.三绕组变压器的额定电压为110/38.5/6.6kV，2.94+j654.42j1.514.42+j37.70402.94+j654.42j1.514.42+j3解：1）计算功率分布，有 41解：1）计算功率分布，有 412）计算电压分布422）计算电压分布423）首先确定高压绕组的分接头，取最大负荷和最小负荷时低压母线要求的电压分别为 6kV 和 61.075=6.45（kV），则4343规格化后取 110+2.5%分接头，即 U1t=1101.025=112.7（kV）校验高压侧电压：U1max=103.10306.6/112.75=6.0353（kV）U1min=110.94746.6/112.75=6.4945（kV）符合要求 44规格化后取 110+2.5%分接头，即444）根据中压母线的要求确定中压绕组分接头根据中压母线的要求确定中压绕组分接头 中压母线要求的电压为最大负荷时中压母线要求的电压为最大负荷时35 kV35 kV，最，最小负荷时小负荷时 351.075=37.625（kV）U2t=（U2t max+U2t min）/2=37.7696（kV）因此，因此，规格化后取规格化后取38.5 2.5%分接头，即分接头，即 U2t=38.5（1 2.5%）=37.5375（kV）。）。454）根据中压母线的要求确定中压绕组分接头 45校验中压侧的电压校验中压侧的电压 U2max=104.964037.5375/112.75=34.9453（kV）U2min=111.805137.5375/112.75=37.2229（kV）可见最大负荷时略低于要求的可见最大负荷时略低于要求的35kV。如需完全。如需完全满足要求，需采用有载调压变压器根据不同负荷情满足要求，需采用有载调压变压器根据不同负荷情况选择不同的分接头。况选择不同的分接头。46校验中压侧的电压46iv.iv.加压调压变压器加压调压变压器组成：由电源变压器和串联变压器组成组成：由电源变压器和串联变压器组成改变电压幅值称为纵向调压变压器改变电压幅值称为纵向调压变压器改变电压相角称为横向调压变压器改变电压相角称为横向调压变压器1247加压调压变压器组成：由电源变压器和串联变压器组成1247作业1试选择电压为11022.5%/11kV、容量为20MVA的降压变压器的分接头，使变压器低压母线电压偏移不超过额定电压的2.5%7.5%。已知变电所电压母线的最大负荷为18MW、cos=0.8，最小负荷时为7MW、cos=0.7，已知变电所高压母线维持107.5kV恒定，变压器的短路电压为10.5%，短路损耗为163kW。48作业1试选择电压为11022.5%/11kV、容量为20c)c)并联补偿调压并联补偿调压合理配置无功功率补偿设备的目的：合理配置无功功率补偿设备的目的：改变电力网的无功潮流分布改变电力网的无功潮流分布减少网络中有功功率损耗和电压损耗减少网络中有功功率损耗和电压损耗改善用户处的电压质量改善用户处的电压质量应用无功功率补偿设备调节电压的主要方式：应用无功功率补偿设备调节电压的主要方式：静电电容器静电电容器同步调相机同步调相机静止补偿器静止补偿器49并联补偿调压合理配置无功功率补偿设备的目的：49补偿设备容量的计算设置补偿设备Ui保持不变50补偿设备容量的计算设置补偿设备Ui保持不变50补偿设备容量的计算简化51补偿设备容量的计算简化51（1 1）选用电容器）选用电容器变压器的分接头应按最小负荷时电容器全部退变压器的分接头应按最小负荷时电容器全部退出运行的条件考虑。出运行的条件考虑。选定选定 后，将其代入，再按最大负荷时的后，将其代入，再按最大负荷时的调压要求确定应设置的电容器容量。调压要求确定应设置的电容器容量。可充分利用电容器的容量，使在满足调压要求可充分利用电容器的容量，使在满足调压要求前提下，使用的电容器最少。前提下，使用的电容器最少。52（1）选用电容器变压器的分接头应按最小负荷时电容器全部退出运（1）选用电容器53（1）选用电容器53（2 2）选用调相机）选用调相机设调相机欠激运行时的容量为过激运行时的容量的二分之一；在最大负荷时按过激容量运行；在最小负荷时按欠激容量运行；求出变比后选择分接头，按最大负荷时的调压要求就可确定应选用的调相机容量。54（2）选用调相机设调相机欠激运行时的容量为过激运行时的容量的（2 2）选用调相机）选用调相机55（2）选用调相机55例例3.3.发电机维持端电压发电机维持端电压 U UG G=10.5kV=10.5kV 不变，不变，T1T1变比变比 k k1已选定，现用户要求实现恒调压，已选定，现用户要求实现恒调压，使使U U2=10.5kV=10.5kV。L-jQCT1T2GD10.5/121kVk2:110+j120-jQC56例3.发电机维持端电压 UG=10.5kV 不变，T1变比 解：（1）求功率分布57解：（1）求功率分布57（2）求电压分布58（2）求电压分布58（3 3）确定）确定T2T2的变比（采用电容器进行补偿）的变比（采用电容器进行补偿）选选最最接近接近的分接头为的分接头为110+22.5%，其对应的变，其对应的变比为比为110（1+22.5%）/11=10.5（4 4）求电容器的）求电容器的补偿容量补偿容量 取取Q QC C=11Mvar=11Mvar 59（3）确定T2的变比（采用电容器进行补偿）59（5）电压校验 最大负荷时，有 最小负荷时，有基本符合要求基本符合要求60（5）电压校验基本符合要求60（6）确定T2的变比（采用同步调相机进行补偿）设=0.65，有规格化，取最近的分接头为110+2.5%，其变比为1101.025/11=10.25。61（6）确定T2的变比（采用同步调相机进行补偿）61（7）求同步调相机的）求同步调相机的补偿容量补偿容量 查手册选查手册选TT-66-11型同步调相机，容量为型同步调相机，容量为QN=6Mvar。62（7）求同步调相机的补偿容量 62（8）校验电压 最大负荷时 最小负荷时63（8）校验电压 63（9）若选择同步调相机的容量为15MVar 最大负荷时 最小负荷时64（9）若选择同步调相机的容量为15MVar 64d)d)串联补偿调压串联补偿调压线路串联电容补偿调压线路串联电容补偿调压：在主电路中以：在主电路中以减少线路电抗，从而提高线路末端电压减少线路电抗，从而提高线路末端电压为目的。为目的。65串联补偿调压线路串联电容补偿调压：在主电路中以减少线路电抗，d)串联补偿调压补偿补偿度66串联补偿调压补偿补偿度66电容器串并联个数的选择对于额定电压为UNC、额定容量为QNC的电容器，有 m Imax/INC n Imax XC/UNC注意：m、n 应取偏大的整数。校验实际的补偿容量n个m串67电容器串并联个数的选择对于额定电压为UNC、额定容量为QNC串联电容器组装设地点的选择使负荷点电压在允许范围内；沿输电线电压尽可能均匀；故障时流过电容器的短路电流限制。68串联电容器组装设地点的选择使负荷点电压在允许范围内；68各种调压方法的特点各种调压方法的特点发电机调压发电机调压简单灵活，无需投资，应充分利用简单灵活，无需投资，应充分利用辅助调压手段辅助调压手段69各种调压方法的特点发电机调压69各种调压方法的特点各种调压方法的特点变压器调压变压器调压利用改变节点电压的高低来改变无功功率的利用改变节点电压的高低来改变无功功率的流向和分布流向和分布不能发出或吸收无功功率，只能做细微调节，不能发出或吸收无功功率，只能做细微调节，当无功缺额时无效当无功缺额时无效70各种调压方法的特点变压器调压70各种调压方法的特点各种调压方法的特点并联补偿调压并联补偿调压无功功率分层分区平衡的主要手段无功功率分层分区平衡的主要手段灵活方便，可减小网损灵活方便，可减小网损71各种调压方法的特点并联补偿调压71各种调压方法的特点各种调压方法的特点串联补偿调压串联补偿调压调节功率因素调节功率因素不能减少网损不能减少网损运行维护要求较高，调节不太灵活运行维护要求较高，调节不太灵活72各种调压方法的特点串联补偿调压72e)e)综合调压综合调压并联补偿并联补偿变压器调压变压器调压如无功不足，发电机进相运行如无功不足，发电机进相运行73综合调压并联补偿73作业2如下图所示网络，线路和变压器归算至高压侧的阻抗已经标注图中。供电点电压 恒定，试配合变压器分接头 （）的选择确定并联补偿设备的容量：a)采用电容器；b)采用调相机。TDSUsL110KV74作业2如下图所示网络，线路和变压器归算至高压侧的阻抗已经标注