第六章电力系统无功功率的平衡和电压调整(新)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 电力系统无功功率的平衡和电压调整,第一节 概述,一、电压偏移的影响,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，损坏设备，甚至引起系统性的“电压崩溃”，造成大面积停电。,影响电力系统电压的主要因素是无功功率。,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。,二、无功功率与电压的关系,2,、电力系统的无功损耗,（,1,）变压器的无功损耗,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的百分值，约为,1,一,2,；绕组漏抗中损耗,在变压器满载时，基本上等于短路电压,U,K,的百分值，约为,10,。,第二节 无功功率的平衡,一、无功功率负荷和无功功率损耗,1,、无功功率负荷 无功功率负荷是以滞后功率因数运行的用电设备（主要是异步电动机，特别是当异步电动机轻载时，所吸收的无功功率较多。 ）所吸收的无功功率。一般综合负荷的功率因数为,0.6-0.9,。,电力线路的无功损耗也分两部分：,并联电纳,和,串联电抗,中的无功功率损耗。,并联电纳中的无功损耗又称充电损耗，与电力线路电压的平方成正比，,呈容性,。,串联电抗中的无功功率与负荷电流的平方成正比，,呈感性,。,对线路不长，长度不超过,100Km,，电压等级为,220Kv,电力线路，线路将消耗感性无功功率；,对线路较长，其长度为,300Km,左右时，对,220Kv,电力线路，线路基本上既不消耗感性无功功率也不消耗容性无功功率，呈电阻性；,线路大于,300Km,时，线路为电容性的。,（,2,）电力线路的无功损耗,二、无功功率电源,电力系统的无功功率电源包括,同步发电机、同步调相机、并联电容器和静止补偿器,等。,1,、同步发电机,发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：,图,6-1,发电机的,P-Q,极限,当系统中无功电源不足，而有功备用容量又较充足时，可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数运行，多发无功功率以提高电力系统的电压水平。但是发电机的运行点不应越出,P-Q,极限曲线的范围。,2.,同步补偿机（调相机）,它是,专门用来生产无功功率,的一种同步电机。在过励磁、欠励磁的不同情况下，它可分别发出或吸收感性无功功率。而且，只要改变它的励磁，就可以平滑地调节无功功率输出，单机容量也可以做得较大。通常，它可以直接装设在用户附近就近供应无功功率，从而减少输送过程中的损耗。但由于它是,旋转电机，故有功功率损耗较大,。,静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率,Q,C,值与所在节点电压的平方成正比，即：,缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。,优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使 用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。,3,、并联电容器,4.,静止补偿器,静止补偿器是,20,世纪,60,年代起发展起来的一种新型可控的静止无功补偿装置，它简称为,SVC,。其特点是：利用晶闸管电力电子元件所组成的电子开关来分别控制电容器组与电抗器的投切，这样它的性能完全可以做到和同步补偿机一样，,既可发出感性无功，又可发出容性无功，并能依靠自身装置实现快速调节，,从而可以作为系统的一种动态无功电源，对稳定电压、提高系统的暂态稳定性以及减弱动态电压闪变等均能起着较大的作用。,（,1,）,FC-TCR,型静止补偿器,（,2,）,TSC-TCR,型静止补偿器,补偿器的原理接线图,图,TSC-TCR,型静止,图,FC-TCR,型静止,（,3,） 饱和电抗器型静止补偿器,三、无功功率的平衡,电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以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。,0,表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；,0,表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。,如前所述，要保持节点的电压水平就必须维持无功平衡，因而保持,充足的无功电源,是维持电压质量的关键。由于负荷的综合功率因数一般在,0.60.9,之间，多数在,0.70.8,之间，加之线路无功损耗约为总无功负荷的,25%,，变压器的总无功损耗最多可达总无功负荷的,75%,。因而，需要由系统中各类无功电源所供给的无功负荷最多可达系统总无功负荷的两倍左右，而从数量级上看甚至与有功负荷的两倍相接近。绝大多数电力系统必须采取专门的无功功率补偿措施，才能达到维持电压水平的目的。,一、功率损耗的计算,（一）有功功率损耗的计算,1.,线路上的有功功率损耗计算,2.,变压器的有功功率损耗的计算,对三绕组变压器或三绕组自耦变压器，其有功功率损耗的计算式为,假定有,n,台容量和其他参数均相等的变压器并列运行，如其中每台的额定容量为,SN,、总负荷为,S,，则其总损耗为,（二）无功功率损耗的计算,1.,线路无功功率损耗计算,2.,变压器的无功功率损耗计算,如果有,n,台容量和其他参数都相同的变压器并列运行，且总负荷为,S,时，则总无功损耗为,P124,例,6-1,第三节 电力系统的电压调整,一、中枢点电压管理,电力系统进行调压的目的，就是要采取各种措施，使用户处的电压偏移保持在规定的范围内。,由于电力系统结构复杂，负荷较多，如对每个用电设备电压都进行监视和调整，不仅不经济而且无必要。因此，电力系统电压的监视和调整可通过监视、调整电压中枢点电压来实现。,电压中枢点,是,指某些可以反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所母线,。因为很多负荷都由这些中枢点供电，如能控制住住这些电的电压偏移，也就控制住了系统中大部分负荷的电压偏移。于是，电力系统电压调整问题也就转变为保证各中枢点的电压偏移不超出给定范围的问题。,P126,图,6-11,、,6-12,顺调压：,负荷变动小，供电线路不长，,大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的,102.5,；小负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的,107.5,的调压模式。可以采用这种调压方式。,常调压（恒调压）：,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，只要中枢点电压维持在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内（如,1.025UN1.05UN,），就可保证各负荷点的电压质量。这种调压方式,在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变,。,逆调压：在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方式。在最大负荷时可保持中枢点电压比线路额定电压高,5,，在最小负荷时保持为线路额定电压。供电线路较长、负荷变动较大的中枢点往往要求采用这种调压方式。,中枢点的调压方式分为,逆调压、顺调压和恒调压,三类。,中枢点的调压方式,最大负荷,最小负荷,逆调压,调为,.,V,N,调为,V,N,顺调压,不低于,.,V,N,不高于,.,V,N,常调压,.,V,N,拥有较充足的无功功率电源是保证电力系统有较好的运行电压水平的必要条件，但是要使所有用户的电压质量都符合要求，还必须采用各种调压手段。,现以下图为例，说明常用的各种调压措施所依据的基本原理：,二、电压调整的基本原理,电压调整原理图,（,1,）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压,V,G,；,（,2,）改变变压器的变比,k,1,、,k,2,；,（,3,）改变功率分布,P+jQ,（主要是,Q,），使电压损耗,V,变化；,（,4,）改变网络参数,R+jX,（主要是,X,），改变电压损耗,V,。,电压调整的措施,：,三 电力系统的几种调压方式,对于,发电机不经升压直接供电,的小型电力系统，供电线路不,长，线路上电压损耗不大，借改变发电机端电压的方法，实,行逆调压，就可以满足负荷点要求的电压质量。,（一）、改变发电机机端电压调压,这种调压手段是一种不需要耗费投资，且是最直接的调压方法，应首先考虑采用。,不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的,G,+5%,-5%,-9%,+1%,-5%,-4%,-5.6%,+4.4%,+2%,P128,图,6-13,对由,发电机经多级变压向负荷供电,的大中型电力系统，线路较长，供电范围大，从发电厂到最远处的负荷之间的电压损耗和变化幅度都很大。这时，单靠,发电机调压是不能解决问题的,。,P128,图,6-14,。发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求，即发电机采用逆调压方式。对于远处负荷电压变动，只能靠其它调压方式来解决。,对,有若干发电厂并列运行的,大型电力系统，,利用发电机调压，会出现新的问题,。首先，当要提高发电机的电压时，则该发电机就要多输出无功功率，这就要求进行电压调整的电厂的母线电压，会引起系统中无功功率的重新分配，这还可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助的调压措施。,改变变压器的分接头或采用专门的调压变压器来调压,通常，改换变压器分接头的方式有两种：一种是在停电的情况下改换分接头，,以兼顾在最大、最小两种运行方式下电压偏移不超出允许波动范围,称为无励磁调压（以往称为,“,无载调压,”,）。,另一种调压方式称为有载调压，它可以在不停电的情况下去改换变压器的分接头，从而使调压变得很方便。有载调压变压器的关键部件是有载调压的分接开关。一般的变压器只要配用有载分接开关后，就可以作成有载调压变压器。,（二）、改变变压器变比调压,普通双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组都留有几个抽头供调压选择使用，一般容量为,6300KVA,及以下的变压器有,3,个抽头,，抽头电压分别为,1.05U,N,、,U,N,、,0.95U,N,调压范围为,+-5%,在,U,N,处引出的抽头称为主抽头。,容量在,8000KVA,及以上的变压器有,5,个抽头，,抽头电压分别为,1.05U,N,、,1.025U,N,、,U,N,、,0.975U,N,、,0.95U,N,调压范围为,+-2*2.5%,。,1,、降压变压器分接头的选择,降压变压器,式中， 是变压器的变比，即高压绕组分接头电压 和低压绕组额定电压 之比。将,k,代入上式，得高压侧分接头电压,当变压器通过不同的功率时，可以通过计算求出在不同负荷下为满足低压侧调压要求所应选择的高压侧分接头电压,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。,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,U,imax,，,U,imin,大体相等，,分接头电压应取的平均值。,计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压,根据,U,tI,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。,1,、根据最大和最小负荷的运行情况，求出其一次侧电压,和 ，以及通过变压器的负荷 ， 求取 变压器的电压损耗 。,2,、套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择,基本步骤如下 ：,4,、选择邻近的接头作为所选择的接头,3,、取其算数平均值,5,、套用低压侧电压计算公式进行验算,P129,例,6-2,2,、升压变压器分接头的选择,选择升压变压器分接头的方法与选择,降压变压器的基本相同,升压变压器,由于升压变压器中功率方向是从低压侧送往高压侧的，故公式中,V,T,前的符号应相反，即应将电压损耗和高压侧电压相加。因而有,式中，,V,2,为变压器低压侧的实际电压或给定电压；,V,1,为高压侧所要求的电压。例,例：如图降压变电所装设一台容量为,20MVA,、电压为,110/11KV,的变压器，要求变压器低压侧的偏移在大小负荷时分别不超过额定值的,2.5%,和,7.5%,，最大负荷为,18MVA,，最小负荷为,7MVA,，,COS=0.8,变压器高压侧的电压在任何运行情况下均维持,107.5KV,变压器参数为,Uk,%=10.5,Pk=163KW,励磁影响不计。试选择变压器的分接头。,3,、三绕组变压器分接头的选择, 将高低绕组看作双绕组，确定高绕组接头；, 将高中绕组看作双绕组，确定中绕组分接头位置。,注意：功率分布,4,、有载调压变压器,有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头而且调节范围也比较大，一般在,15%,以上。,目前我国暂定，,110kV,级的调压变压器有,7,个分接头，即,V,N,3,2.5%,；,220kV,级的有,9,个分接头即,V,N,4,2.0%,。,采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的,V,1tmax,值和最小负荷算得的,V,1tmin,分别选择各自合适的分接头。这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。,有载调压变压器接线图,上述的,调节发电机端电压或调节变压器分接头的调压方式,，只有在电力系统,无功电源充足,的条件下才是行之有效的。,（三）改变电力网无功功率分布调压,因此，当电力系统的,无功电源不足时,，就必须在适当的地点,装设新的无功电源,对所缺的无功进行补偿，只有这样才能实现调压的目的，别无其他选择。,当系统无功电源不足时，为了防止发电机因输出过多的无功功率而严重过负荷，往往不得不降低整个电力系统的电压水平，以减少无功功率的消耗量，这时如采用调节变压器分接头等方法尽管可以局部地提高系统中某些点的电压水平，但这样做的结果反而增加了无功功率的损耗，迫使发电机不得不进一步降压运行，以限制系统中总的无功功率消耗，从而导致整个系统的电压水平更为低落，形成了电压水平低落和无功功率供应不足的恶性循环，甚至导致电压崩溃。,按调压要求选择无功补偿设备容量,1,、并联无功补偿调压的基本原理,2,、按调压要选择补偿量的基本原理,U,2,为补偿前归算到高压侧的变电所低压母线电压,第二项很小,于是有, 根据调压要求，按最小负荷时没有补偿确定变压器变比, 按最大负荷时的调压要求选择补偿容量, 校验实际电压是否满足要求,选用并联电容器,通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时全部退出。,由于减小电阻将增加导线材料的消耗，加之,QX/U,这一项对电压损耗的影响更大，所以目前一般都着眼于减低电抗,X,以降低电压损耗。,（,1,）改变,R,：增大导线截面积，可降低电压损耗，同时降低网 损,.,用于,10kv,及以下线路。,（,2,）改变,X,：串联电容，多用于,35kv,及以上线路,.,减少线路电抗的一种有力的措施是采用串联电容补偿，它的原理可示意如图所示。,从电压损耗的计算公式可知，,改变输电线路电阻,R,和电抗,X,，都可以达到,改变电压损耗,的目的。,（四）改变输电线路的参数进行调压,利用下式求出所需串联的电容器的电抗值为,相应的电容器组的容量为,图 串联电容补偿原理,（,1,）要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的参数。,（,2,）改变发电机励磁，可以改变发电机输出的无功功率和发电机的端电压 。,（,3,）根据无功功率平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的分配。,（,4,）当系统的无功功率供应比较充裕时，各变电所的调压问题可以通过选择变压器的分接头来解决。,（,5,）在整个系统无功不足的情况下，不宜采用调整变压器分接头的办法来提高电压。,（,6,）对于,10kV,及以下电压等级的电网，由于负荷分散、容量不大，按允许电压损耗来选择导线截面是解决电压质量问题的正确途径 。,四、各种调压措施的合理应用,小结,通过改变电网电压水平实现调压：,1,改变发电机端电压调压 ：用于地方性电网,. 2,改变变压器变比调压 ：用于系统无功充足时。,其实质时改变电压无功分布调压,. 3,增设无功补偿设备调压：当系统无功不足时采用：,可提高系统运行电压水平,可降低电网有功损耗,4,改变输电线路参数调压：,用于功率因数较低、负荷波动较大的,1035kv,配电线路,一,.,无功功率电源的最优分布,第四节 无功功率的经济分布,1.,等网损微增率准则,目的：降低网络中的有功功率损耗,目标函数：,等约束条件：,不等式约束条件：,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，当某一变量，例如,Q,Gi,，,逾越它的上限,Q,Gimax,或下限,Q,Gimin,时，可取,Q,Gi,Q,Gimax,或,Q,Gi,Q,Gimax,。,例：两发电厂联合向一个负荷供电如图所示。设发电厂母线电压均为,1.0,；负荷功率 ，其有功部分由两发电厂平均分担。试确定无功功率的最优分布。,解：有功、无功功率损耗的表示式,计算各网损微增率,