电力系统基础第6章电力系统的无功功率和电压调整课件

第六章第六章 电力系统的无功功率和电力系统的无功功率和电压调整电压调整山东大学电气工程学院山东大学电气工程学院.主要内容主要内容第一节第一节 电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的平衡第二节第二节 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第三节第三节 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、变压器调压第四节第四节 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.主要内容主要内容第一节第一节 电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的平衡第二节第二节 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第三节第三节 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、变压器调压第四节第四节 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.电力系统的电压偏移电力系统的电压偏移一、大电压偏移对一、大电压偏移对现代生产和生活现代生产和生活的影响的影响电力设备设计电力设备设计：额定电压下才有好的技术经济性能：额定电压下才有好的技术经济性能异步电动机异步电动机：电压低，定子电流显著增大，温升，电压低，定子电流显著增大，温升，加速绝缘老化，烧电机；电压高，破坏绝缘加速绝缘老化，烧电机；电压高，破坏绝缘电热设备电热设备：电压低，大大降低发热量：电压低，大大降低发热量照明设备照明设备：电压低，发光不足；电压高，影响寿命：电压低，发光不足；电压高，影响寿命家用电器家用电器（如电视机）：电压低，图像不稳定；电（如电视机）：电压低，图像不稳定；电压高，影响显像管寿命压高，影响显像管寿命.电子设备、精密仪器电子设备、精密仪器：对电压极其敏感，要求极高；：对电压极其敏感，要求极高；电压质量已成为现代企业投资环境的重要因素电压质量已成为现代企业投资环境的重要因素电力系统用户电力系统用户，要求提供电压合格的优质电能商品，要求提供电压合格的优质电能商品二、大电压偏移对二、大电压偏移对电力系统自身电力系统自身的影响的影响电压低电压低：功率损耗、电能损耗增大，危及电力系统：功率损耗、电能损耗增大，危及电力系统的稳定性的稳定性电压高电压高：破坏绝缘，超：破坏绝缘，超(特特)高压网络电晕损耗增大高压网络电晕损耗增大.三、电力系统允许的电压偏移三、电力系统允许的电压偏移负荷随机变化，系统运行方式经常变化，负荷随机变化，系统运行方式经常变化，导致导致电压损耗电压损耗随机变化随机变化不可能严格保证所有节点任何时刻额定电不可能严格保证所有节点任何时刻额定电压，电压偏移不可避免，需要合理规定允压，电压偏移不可避免，需要合理规定允许的偏移范围许的偏移范围.电网额定电压电网额定电压电压允许偏移范围电压允许偏移范围35kV及以上及以上5%10kV及以下及以下7%低压照明低压照明5%-10%农村照明农村照明7.5%-10%事故时事故时再加再加5%，正偏移不能超过，正偏移不能超过10%.1 电力系统无功功率电压静态特性电力系统无功功率电压静态特性一、一、综合负荷综合负荷的无功功率电压特性的无功功率电压特性异步电动机是电力系统主要的无功负荷异步电动机是电力系统主要的无功负荷系统无功负荷的电压特性主要由异步电动系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定机决定r/sjXI0IjXmU.当当UUN时，铁芯磁路饱和时，铁芯磁路饱和，Xm下降，下降，Qm按电压的高次方比例变化按电压的高次方比例变化当当UUN时，时，Qm按电压的平方比例变化按电压的平方比例变化当当U 有功损耗有功损耗线路无功损耗：约为线路无功损耗：约为QD的的25%变压器：励磁支路无功损耗的百分值变压器：励磁支路无功损耗的百分值空空载电流流的百分的百分值（12%）；）；绕组漏抗无功漏抗无功损耗耗短路短路电压的百分的百分值（10%）；多）；多级变压器无功器无功损耗耗约为QD的的5075%系系统中中总无功无功损耗耗无功无功负荷，无功荷，无功电源源约为2倍无功倍无功负荷荷.无功功率不能远距离输送无功功率不能远距离输送有功功率损耗有功功率损耗电压损耗电压损耗因此：需要就地设置除发电机外的其他无功因此：需要就地设置除发电机外的其他无功电源以满足系统电压要求：电源以满足系统电压要求：无功补偿！无功补偿！.三、无功功率三、无功功率电源电源同步发电机：同步发电机：目前唯一的有功电源，优势基目前唯一的有功电源，优势基本的无功电源。发无功的能力本的无功电源。发无功的能力与同时发出的有功有与同时发出的有功有关系，由关系，由发电机的发电机的PQ极限曲线极限曲线决定。决定。有功备用足够时，可将负荷中心发电机有功备用足够时，可将负荷中心发电机降低功率降低功率因数运行因数运行，少发有功，多发无功，有利于无功的，少发有功，多发无功，有利于无功的局部平衡，提高系统的电压水平。局部平衡，提高系统的电压水平。QBDCAPOEjXdIN.同步调相机同步调相机同步调相机是特殊运行状态下的同步电机，可视同步调相机是特殊运行状态下的同步电机，可视为为不发不发PG的同步发电机或不带的同步发电机或不带PL的同步电动机的同步电动机过励运行时发出过励运行时发出QG（无功电源）；欠励时吸收（无功电源）；欠励时吸收QG（无功负荷），为过励运行容量的（无功负荷），为过励运行容量的5060%优点：优点：调节平滑调节平滑、强励故障时也能调（有利于稳、强励故障时也能调（有利于稳定性）、电源定性）、电源负荷（负荷（升压升压降压降压）均可）均可缺点：旋转机械设备，缺点：旋转机械设备，损耗损耗大（额定容量的大（额定容量的1.55%），投资大，），投资大，维护量维护量大。大。一般安装在枢纽变电所，平滑调压，提高稳定性一般安装在枢纽变电所，平滑调压，提高稳定性.并联电容器并联电容器优点：可分散、集中，可分相补偿；投资少、优点：可分散、集中，可分相补偿；投资少、损耗少（额定容量损耗少（额定容量的的0.30.5%），无旋转部件，），无旋转部件，维护量小，可根据负荷情况分组投切维护量小，可根据负荷情况分组投切缺点：无功补偿量与电压的平方成正比，电压缺点：无功补偿量与电压的平方成正比，电压下降时急剧下降，不利于电压稳定下降时急剧下降，不利于电压稳定在在110kV以下电网以下电网应用得非常普遍应用得非常普遍.静止无功补偿器静止无功补偿器SVC：static VAR compensator采用晶闸管控制和可调电抗器并联使用组成采用晶闸管控制和可调电抗器并联使用组成原理图和伏安特性曲线原理图和伏安特性曲线.通过控制晶闸管的导通角来改变吸收的无功功通过控制晶闸管的导通角来改变吸收的无功功率（电力电子技术）率（电力电子技术）优点：调节能力强，反应速度快，特性平滑，优点：调节能力强，反应速度快，特性平滑，可分相补偿，维护简单，损耗小，国内外已大可分相补偿，维护简单，损耗小，国内外已大量使用量使用缺点：最大补偿量正比于电压平方，电压低时缺点：最大补偿量正比于电压平方，电压低时补偿量小；谐波污染补偿量小；谐波污染.高压输电线路的充电电容：高压输电线路的充电电容：Qp=U2BL高压线充电功率固有，当无功电源过剩，电压高压线充电功率固有，当无功电源过剩，电压偏高时，才采取措施，如并联电抗器（偏高时，才采取措施，如并联电抗器（特高压特高压线路线路）电压电压/kV110单单导线导线220500三三分裂分裂750四四分裂分裂单导线单导线双分裂双分裂充电功率充电功率Mvar/100km3.41419105240.四、无功功率平衡的四、无功功率平衡的基本要求基本要求无功电源发出的无功功率应该大于或至少等于无功电源发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和系统还必须配置一定的无功备用容量系统还必须配置一定的无功备用容量尽量避免远距离、大量的传送无功功率，应该尽量避免远距离、大量的传送无功功率，应该分地区、分电压等级地进行无功功率局部平衡分地区、分电压等级地进行无功功率局部平衡一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方式计算无功平衡，必要时还应校验某些设备检式计算无功平衡，必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡修时或故障后运行方式下的无功功率平衡.主要内容主要内容第一节第一节 电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的平衡第二节第二节 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第三节第三节 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、变压器调压第四节第四节 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.主要内容主要内容第一节第一节 电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的平衡第二节第二节 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第三节第三节 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、变压器调压第四节第四节 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.无功功率的最优分布的前提无功功率的最优分布的前提提高负荷的自然功率因数提高负荷的自然功率因数不使电动机的容量过多地超过被拖动机械所需不使电动机的容量过多地超过被拖动机械所需的功率（避免大马拉小车）的功率（避免大马拉小车）限制电动机空载运行限制电动机空载运行用同步电动机代替异步电动机用同步电动机代替异步电动机.无功无功ED问题及其求解问题及其求解问题：问题：系统产生无功功率并不消耗能量，但其在系统产生无功功率并不消耗能量，但其在网络中的传输则会产生有功功率损耗。在有功负网络中的传输则会产生有功功率损耗。在有功负荷分配已确定的前提下，如何调整各无功电源之荷分配已确定的前提下，如何调整各无功电源之间的负荷分布，使有功网损达到最小？间的负荷分布，使有功网损达到最小？无功无功ED有功损耗可表示为：有功损耗可表示为：进行无功负荷经济分配时，除平衡机以外，所有进行无功负荷经济分配时，除平衡机以外，所有发电机的发电机的P 都已确定，各节点负荷的都已确定，各节点负荷的Q 也是已知也是已知的，的，待求的是节点无功电源的功率待求的是节点无功电源的功率。手段：手段：调整无功电源出力。无功电源调整无功电源出力。无功电源有哪些？有哪些？.无功无功ED的数学模型的数学模型目标函数目标函数：约束条件约束条件：等式约束：无功潮流方程，对所有节点等式约束：无功潮流方程，对所有节点不等式约束：不等式约束：特点特点：无功：无功ED同样是一个带高维等式和不等同样是一个带高维等式和不等式约束的式约束的大规模非线性规划大规模非线性规划问题（最优化原理）问题（最优化原理）。最笨的方法就是。最笨的方法就是穷举法穷举法：测试所有可行的：测试所有可行的QG组合，计算潮流，得组合，计算潮流，得PL，找出，找出PL最小的最小的QG。任务任务：找实用算法，找最优解物理解释！：找实用算法，找最优解物理解释！.模型简化模型简化：目标函数：目标函数：等式约束：等式约束：构造构造L函数函数：极值条件极值条件：共共n+1个待求量，个待求量，n+1个方程个方程.计算得无功计算得无功ED的的等微增率准则等微增率准则：其中：其中：网络有功损耗对于第网络有功损耗对于第i i 个无功电源功率的微增率；个无功电源功率的微增率；无功网损对于第无功网损对于第i i 个无功电源功率的微增率；个无功电源功率的微增率；无功网损修正系数。无功网损修正系数。.无功无功ED步骤：步骤：（1）潮流计算；）潮流计算；（2）计算各无功电源的）计算各无功电源的值；（3）0，减小无功，减小无功电源出力；源出力；0，增大无，增大无功功电源出力；源出力；（4）收）收敛条件：条件：.作业：作业：例例6-2，6-3.主要内容主要内容第一节第一节 电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的平衡第二节第二节 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第三节第三节 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、变压器调压第四节第四节 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.电压调整的必要性电压调整的必要性类比电力系统的频率调整的必要性类比电力系统的频率调整的必要性对工业生产、生活以及电力生产的不利影对工业生产、生活以及电力生产的不利影响响电动机：堵转电动机：堵转发电机发电机照明负荷照明负荷.2 电力系统的电压波动与电压管理电力系统的电压波动与电压管理类比频率调整时类比频率调整时三类有功负荷三类有功负荷的变动引起的变动引起的频率偏移的频率偏移无功负荷的变动引起的电压偏移分为无功负荷的变动引起的电压偏移分为两类两类：冲击性或间歇性负荷冲击性或间歇性负荷引起的电压波动：周期端，引起的电压波动：周期端，波及面小波及面小由由生产、生活和气象变化引起的负荷生产、生活和气象变化引起的负荷和电压波和电压波动：周期长，波及面大动：周期长，波及面大.对于第一类电压波动，限制措施对于第一类电压波动，限制措施:(原理原理)设置串联电容器设置串联电容器设置调相机和电抗器设置调相机和电抗器(串联电抗器的作用串联电抗器的作用)静止补偿器静止补偿器对于第二类电压波动，主要采取对于第二类电压波动，主要采取电压管理电压管理（电压调整）。（电压调整）。.2 电力系统的电压管理电力系统的电压管理调压的目的：采取各种措施，使用户处的调压的目的：采取各种措施，使用户处的电压偏移保持在规定的范围内电压偏移保持在规定的范围内负荷节点：现代大规模电力系统中负荷节负荷节点：现代大规模电力系统中负荷节点数多且分散，不可能对所有负荷节点的点数多且分散，不可能对所有负荷节点的电压进行监视和控制电压进行监视和控制我们该怎么办？我们该怎么办？.一、中枢点的选择及其电压管理一、中枢点的选择及其电压管理中枢点：电压水平具有代表性的关键母线，包括：中枢点：电压水平具有代表性的关键母线，包括：大型发电厂的高压母线、发行变电所的二次母线、大型发电厂的高压母线、发行变电所的二次母线、有大量地方负荷的发电厂母线有大量地方负荷的发电厂母线认为：只要控制好中枢点电压，其他母线的电压就认为：只要控制好中枢点电压，其他母线的电压就能满足要求。问题是：能满足要求。问题是：中枢点是否真正具有代表性中枢点是否真正具有代表性？（一般取短路容量越大的点作为中枢点）？（一般取短路容量越大的点作为中枢点）.中枢点电压和所代表的负荷电压的关系？中枢点电压和所代表的负荷电压的关系？.结论：中枢点至各负荷点在最大最小负荷结论：中枢点至各负荷点在最大最小负荷室电压损耗之差不能大于负荷点允许上下室电压损耗之差不能大于负荷点允许上下限电压之差（一般为限电压之差（一般为10%）。即：）。即：中枢点中枢点到不同负荷点的电压损耗不能太大到不同负荷点的电压损耗不能太大。.二、中枢点电压的控制方式二、中枢点电压的控制方式逆调压逆调压（难）：最大负荷，高电压（线路（难）：最大负荷，高电压（线路额定电压额定电压+5%）；最小负荷，低电压（线）；最小负荷，低电压（线路额定电压）。适用：中枢点到各负荷点路额定电压）。适用：中枢点到各负荷点远、负荷变化较大远、负荷变化较大顺调压顺调压（易）：最大负荷，低电压（不低（易）：最大负荷，低电压（不低于额定电压于额定电压+2.5%）；最小负荷，高电压）；最小负荷，高电压（不高于额定电压（不高于额定电压+7.5%）。适用：中枢点）。适用：中枢点到各负荷点近，负荷变动小到各负荷点近，负荷变动小恒调压恒调压（中）：保持在比线路额定电压高（中）：保持在比线路额定电压高25%。适用：介于上述两者之间。适用：介于上述两者之间。.三、电压控制原理三、电压控制原理可能有几种控制措施？可能有几种控制措施？.调整调整UG调整变比调整变比K1、K2改变功率分布改变功率分布SD（以（以QD为主）为主）改变网络参数改变网络参数R+jX（以（以X为主）为主）怎怎么么做做?.电力系统电压调整措施电力系统电压调整措施一、利用发电机控制电压一、利用发电机控制电压调节励磁电压调节励磁电压适用于直接由发电机供电的小系统、线路不长适用于直接由发电机供电的小系统、线路不长易于逆调压，实质上是调节发电机无功输出易于逆调压，实质上是调节发电机无功输出两个问题两个问题机端负荷电压调整范围为机端负荷电压调整范围为5%0，满足不了远方，满足不了远方负荷要求：通过较长线路、多电压级，最大、负荷要求：通过较长线路、多电压级，最大、最小负荷时电压损耗之差往往大于最小负荷时电压损耗之差往往大于5%多机系统中，实际上是改变发电机间无功分配，多机系统中，实际上是改变发电机间无功分配，与无功备用、无功的经济分配有矛盾与无功备用、无功的经济分配有矛盾因此，因此，发电机调压仅作为辅助措施发电机调压仅作为辅助措施.二、改变变压器变比控制电压二、改变变压器变比控制电压改变电力变压器分接头（改变变比）、主接改变电力变压器分接头（改变变比）、主接头（对应头（对应UN）主接头通常设在高压或中主接头通常设在高压或中/高压绕组侧，如高压绕组侧，如11022.5%/10.5kV，主接，主接头？分接？分接头几个几个？变比分比分别是多少？是多少？如何如何选择分接分接头？.双绕组变压器：双绕组变压器：降压变降压变已知条件：已知条件：低压侧固定接头电压：低压侧固定接头电压：U2N实际高压侧电压实际高压侧电压U1（由潮流计算获得）（由潮流计算获得）希望通过调压，低压侧要求得到的电压为希望通过调压，低压侧要求得到的电压为U2待求量：高压侧分接头电压待求量：高压侧分接头电压U1N负荷负荷：P+jQ，归算到高压侧归算到高压侧的变压器阻抗：的变压器阻抗：RT+jXT（忽略励磁支路）（忽略励磁支路）.普通双绕组变压器，须停电换分接头，这时，普通双绕组变压器，须停电换分接头，这时，选定的分接头选定的分接头应当兼顾各种负荷水平应当兼顾各种负荷水平！规格化为规格化为U1N.校验：校验：误差应小于半个分接头电压，如不合格采用误差应小于半个分接头电压，如不合格采用OLTC规格化为规格化为U1N取平均值兼顾取平均值兼顾.双绕组变压器：双绕组变压器：升压变升压变已知低压侧实际电压已知低压侧实际电压U2和高压侧希望得到的电压和高压侧希望得到的电压U1，求高压分接头，求高压分接头U1N？与降压变不同之处：与降压变不同之处：规格化为规格化为U1N.三绕组变压器三绕组变压器分接头在高、中压侧，两次套用双绕组算法分接头在高、中压侧，两次套用双绕组算法由高由高低压侧，定高压侧分接头；低压侧，定高压侧分接头；由高由高中压侧，定中压侧分接头。中压侧，定中压侧分接头。注意点：三个绕组功率不一样时，计算注意点：三个绕组功率不一样时，计算U时，须计算中性点算中性点电压.有载调压变压器有载调压变压器如果选定的分接头不能如果选定的分接头不能兼顾不同负荷水平，则兼顾不同负荷水平，则需要需要有载调压变压器有载调压变压器（工作原理，在不同负（工作原理，在不同负荷水平下，可不停电选荷水平下，可不停电选不同分接头）不同分接头）.加压调压变压器加压调压变压器依电源变、串联变得不同解法，功能有所依电源变、串联变得不同解法，功能有所不同，可具有不同，可具有复数变比，有：复数变比，有：纵向纵向调压、调压、横向横向调压、调压、混合型混合型调压调压3种加压调压变压器种加压调压变压器.三、利用无功补偿控制电压三、利用无功补偿控制电压无功补偿：无功补偿：按调压要求按调压要求；按经济要求。；按经济要求。与变压器调压配合，充分利用变压器的作用与变压器调压配合，充分利用变压器的作用两个步骤：两个步骤：变比变比和和容量容量假定补偿前后，假定补偿前后，U1不变不变补偿前：补偿前：补偿后：补偿后：.引入变比引入变比 k：补偿量补偿量Qc取决于补偿前后的电压取决于补偿前后的电压U2、U2c及及变比变比 k根据根据补偿设备不同补偿设备不同，补偿量选择方法不同补偿量选择方法不同.利用无功补偿控制电压（并联电容器）利用无功补偿控制电压（并联电容器）特点：只发感性无功，可全部或部分切除，特点：只发感性无功，可全部或部分切除，不能平滑调节不能平滑调节分两步计算：分两步计算：最小负荷最小负荷时，无功电源不缺，切除全部时，无功电源不缺，切除全部电容，利用变压器调压满足要求（电容，利用变压器调压满足要求（确定确定k）规格化为规格化为U1N，求得变比，求得变比:k=U1N/U2N.最大负荷最大负荷时，时，k 已确定，确定已确定，确定Qc：U2cmax：最大负荷时，由调压要求确定的低：最大负荷时，由调压要求确定的低压希望得到的电压压希望得到的电压U2max：最大负荷时，补偿前低压侧归算到：最大负荷时，补偿前低压侧归算到高压侧的实际电压高压侧的实际电压规格化规格化Qc，并校验，并校验U2cmax、U2max是否达到是否达到要求要求.利用无功补偿控制电压（同步调相机）利用无功补偿控制电压（同步调相机）特点：能作无功电源；又能作无功负荷，但此特点：能作无功电源；又能作无功负荷，但此时最多为容量的时最多为容量的5060%；能平滑调节；能平滑调节最大负荷最大负荷时：作无功电源时：作无功电源最小负荷最小负荷时：作无功负荷时：作无功负荷求出求出k，规格化，然后求，规格化，然后求Qc，再规格化后校验，再规格化后校验.利用串联电容控制电压利用串联电容控制电压并补并补串补串补减少无功流动，直接减少无功流动，直接减少线路减少线路有功损耗有功损耗通过提高电压水平而较少有功通过提高电压水平而较少有功损耗，等容量下并补作用强损耗，等容量下并补作用强通过较少无功流动而通过较少无功流动而减少减少电压损耗电压损耗，不如，不如串补明显（无功变化）串补明显（无功变化）有有XC上的负电压损耗抵偿上的负电压损耗抵偿XL上上的电压损耗，适用于电压波动的电压损耗，适用于电压波动频繁、功率因数低的场合（极频繁、功率因数低的场合（极端情况）端情况）.补偿电容器使短路电流显著加大，补偿容补偿电容器使短路电流显著加大，补偿容量越大，短路电流增大就越强烈。量越大，短路电流增大就越强烈。在电容器在电容器“后侧后侧”线路的短路时，短路电线路的短路时，短路电流可能大于其流可能大于其“前侧前侧”线路短路时的电流，线路短路时的电流，从而使保护误动作。从而使保护误动作。.