《案例5：电力系统无功功率和电压调整.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《案例5：电力系统无功功率和电压调整.docx（19页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、案例5：电力系统无功功率和电压调整一、案例正文电压调整是通过无功功率实现的，也就是通过调整系统中无功功 率分布来调节电压。所以有“电压变动调无功”的说法。电压调整，调节电力系统的电压，使其变化不超过规定的允许范 围，以保证电力系统的稳定水平及各种电力设备和电器的安全、经济 运行。电压是衡量电能质量的基本指标之一，是反映电力系统无功功 率平衡和合理分布的标志。无功功率平衡和电压调整是电力系统规划设计必须考虑的因素。 变电站中对电压、无功的综合控制，主要是自动调节有载调压变压器 的分接头位置和自动控制无功补偿设备（电容器、电抗器、调相机等） 的投、切或控制其运行工况。1.1 电力系统中的无功功率平
2、衡1.1.1 无功负荷与无功损耗1.1.1.1 无功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）所吸收的无功功率。一般综合负荷的自然功率因数为。提高功率因数的措施：使电动机的容量与机械负载匹配；限制电动机空载运行；以同步电动机代替异步电动机；绕线式异步电动机同步化。区域性水、火电厂的高压母线；枢纽变电所二次母线；有大量地方负荷的发电厂母线；城市直降变电所的二次母线。调整方式：中枢点电压调整方式一般分为三类：逆调压、顺调压 和常调压。1.1.1.1 逆调压：高峰负荷时升高电压，但不高于1.05Uno低谷负荷时降低电压，但不低于Un。适用于供电线路较长、负荷变动大的中枢点。
3、要求较高，较难实 现。1.1.1.2 顺调压：高峰负荷时降低电压，但不低于1.025Un。低谷负荷时升高电压，但不高于L075Un。适用于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点。要求较低，容易 实现。1.1.1.3 常调压： 任何负荷下都保持中枢点电压为一基本不变的数值，一般为注：Un为线路额定电压，不是变压器额定电压。1.3.3 限制电压波动的措施冲击性或间歇性负荷引起的电压波动，对系统电压的不良影响也不容忽视，主要是电弧炉。荷电源1=1II 波动负荷(a)设置串联电容器(c)设置静止补偿器图3限制电压波动措施设置串联电容器：抵偿线路感抗，限制电压波动的幅度；设置调相机和电抗器：调相机的作用在于
4、供给波动负荷以波动 的无功功率，与之配合使用的电抗器起维持公共母线电压的作用；设置静止补偿器：以饱和电抗器型的效果最好，它几乎可以完 全消除电压波动。1.3.4 调压措施发电机通过升压变压器、线路和降压变压器向用户供电。要求调 整负荷节点b的电压。图4供电等值图为简单起见，略去线路的电容功率、变压器的励磁功率和网络的 功率损耗。变压器的参数已归算到高压侧。b点的电压为：ub= （4七一X （七七一）/七（11）134.1 调节发电机励磁，改变发电机端电压最直接的调压方式，无须额外投资，应优先考虑、充分利用;可在95%105%范围内调节，逆调压满足调压要求；适用于供电线路不长，线路上电压损耗不大
5、的小型电网；对于 线路较长、供电范围较大、有多级变压的大型电力系统，发电机调压 一般作为一种辅助性的调压措施；134.2 调节变压器分接头，改变变比调压电力变压器高（中）压侧一般设有多个分接头。无载调压变压器（无励磁调压变压器）：分接头数目少，分接头 开关无消弧能力，必须停电调分接头（顺调压）；有载调压变压器：可以带负荷调分接头，分接头数目多（逆调 压）；适用于无功功率供应充裕的系统，改变无功功率的分布，并不 能改变系统的无功功率水平。1.3.4.3 并联无功补偿设备改变功率分布P+jQ（主要是Q）,从而改变电压损耗、U。1.3.4.4 线路串联电容补偿调压（串联电容器）改变网络参数R+jX中
6、的X,从而改变电压损耗,U。串联电容器提升的末端电压的数值等(即调压效果)随无功负 荷大小而变，负荷大时增大，负荷小时减少，恰与调压的要求一致。 这是串联电容器调压的一个显著优点；对负荷功率因数高(cosQ0.95)或导线截面小的线路，由于 PR/U分量的比重大，串联补偿的调压效果就很小；串联电容器调压一般用在供电电压为35kV或10kV、负荷波 动大而频繁、功率因数又很低的配电线路上；由于设计、运行等方面的原因，目前应用的很少；在配电网络中以调压为目的的串联电容补偿，其补偿度 kc=xc/xl常接近于1或大于1, 一般在4之间；超高压输电线路中的串联电容补偿，其作用在于提高输送容量 和提高系
7、统运行的稳定性。组合调压多种调压措施结合起来用。注：在需要附加设备的调压措施中，对无功功率不足的系统，首要 问题是增加无功功率电源，因此以采用并联电容器、调相机或静止补 偿器为宜；为合理选择调压措施，应进行技术经济比较；频率和电压都偏低时，优先调频。电压提高，负荷消耗的有功 功率和无功功率都将增大；频率上升，负荷消耗的有功功率增大，但 无功功率将减小；正常稳态运行时，全系统频率相同，频率调整集中在发电厂, 调频手段只有调整原动机功率一种。电压水平则全系统各点不同，电 压调整可分散进行，调压手段多种多样。普通双绕组变压器分接头选择1.3.5.1 降压变压器R + jX12i I! S = P +
8、 jQH图5降压变分接头表1各种补偿器比较负荷水平高压母线电压电压损耗低压母线调压要求大负何UHmaxUmaxU2maX最小负荷UHminUminIhmin解题思路步骤：一般已知P, Q, R, X, U2, UhPR + 0.V计算电压降落纵分量AU=3,（有时题目会直接告知）；计算归算至高压侧的低压侧电压；变压器变比二额定电压之比二实际电压之比；解方程得Ut;以上步骤代入最大负荷时的对应数据得Urmax，代入最小负荷 时的对应数据得UTmin；计算分接头电压平均值UTav3产哒；选择和UTav最接近的标准档位。1.3.5.2 升压变压器分接头选择过程与上述类似，只有节点电压求取时不同Ui=
9、Uh+ Uo136利用无功补偿设备调压R+jx 1S=P+jQ图6无功补偿设备调压补偿刖后首端电压保持不变可得：(12)Qc 叠（-2 -刎2Qc：补偿容量;2：低压侧要求保持的电压;外 补偿前归算至高压侧的低压侧电压，U尸Uh二AU；K2：变压器变比。补偿设备为电容器取大负荷时将电容器全部投入，在最小负荷时全部退出。变压器分接头选取：按最小负荷时电容器全部退出运行的条件考虑。(13)K= 7加九=U 1minU2NU2min即可求得变比K。按最大负荷时调压要求确定&：Qc=U2max_K2(14)1.362补偿设备为调相机在最大负荷时调相机可以过励运行发出无功功率，在最小负荷时 可以欠励运行
10、吸收无功功率。变压器的分接头选取：最大负荷时过励按额定容量运行，最小负 荷时欠励按二分之一额定容量运行考虑。按最大负荷时调压要求确定Qc二、案例使用说明2.1 教学目的与用途本案例主要阐述了两个内容：无功功率的最优分配和电力系统的 电压调整。无功功率的最优分配包括无功电源的最优分布和无功负荷 的最优补偿。无功电源的最优分布目标是网络中的有功损耗最小，最 优分布的准则为网损微增率准则，当需要增发无功时，首先从网损微 增率小的电源开始；无功负荷的最优补偿是从总的经济效益出发，使 投入补偿装置后形成的有功网损费用节约与投资费用差值最大，进而 得出最优网损微增准则，当实际补偿点的网损微增率小于最优网损
11、微 增率时，才需要补偿，并按照网损微增率由小到大的顺序补偿。电力系统的电压调整（管理）是针对变化周期长、波及面大的负荷, 即由生产、生活和气象变化引起的负荷造成的电压变动，是对中枢点 电压的管理。针对负荷的变化规律不同，提出了三种调压方式，即逆 调压、顺调压和常调压。通过分析调压原理，给出了四调压措施，即 改变发电机的端电压、改变变压器的变比、改变网络中无功功率的分 布及在线路上串联电容。最后给出了各种调压措施的详细分析和适用 范围。本案例适用于能源动力专业硕士研究生课程”电力系统运行与控 制”“现代电力系统仿真”。2.2 涉及知识点无功功率的最优分配和电力系统的电压调整2.3 参考教材1电力
12、系统运行与调度自动化，2012年，中国电力出版社出 版，王士政著2电力系统发电、运行和控制（第三版），清华大学出版， 2017 年 12 月，Allen J. Wood, Bruce F. Wollenberg, Gerald B. Sheble 著 柏瑞、倪明、陈谦、丁涛译。2.4 启发性思考题1 .电网调度的技术水平有哪两层含义？2 .电能的质量标准都有哪些？电能的质量与电网调度自动化系 统有什么关系？3 .地、县级电网调度工作与上几级电网调度相比，增加了哪些任 务？无功损耗变压器的无功损耗变压器中的无功功率损耗分为两部分，即励磁支路损耗和绕组漏 抗中的损耗，均消耗感性无功。励磁支路消耗感
13、性无功:绕组漏抗消耗感性无功:QztUk%U然孑100USN(1)(2)电力线路的无功损耗电力线路上的无功功率损耗也分为两部分，即并联电纳和串联电 抗中的无功功率损耗。并联电纳损耗：又称充电功率，与线路电压的平方成正比，消耗容性（发出感性）无功；串联电抗损耗：与负荷电流平方成正比，消耗感性无功。注：不变损耗：与负荷大小无关，和电压平方成正比，主要是变压器 和线路并联支路损耗。可变损耗：与负荷的平方成正比，主要是变压器和线路串联支路 损耗。1.1.2 无功电源1.1.2.1 发电机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。通过调节励磁，可以双向、连续调节无功出力。Q = LCos8-
14、(3)XX1.1.2.2 调相机调相机实际上就是只能发无功功率的发电机，也相当于空载运行 的同步电动机。它在过励运行时向电力系统供给感性无功功率，欠励 运行时从电力系统吸收感性无功功率。欠励磁最大容量只有过励磁容 量的 50%-65%0调相机通过调节励磁，可以双向、连续调节无功出力，电压调节 特性好，投资大，运行维护困难，宜于大容量集中使用，趋于淘汰。Q=史-叱(4)1.1.2.3 并联电容器应用最广泛的一种无功电源，只能向系统供给感性无功功率，而 不能吸收感性无功功率(单向调节)。它供给的无功功率与所在节点的 电压的平方成正比。电容器分组投切，非连续可调。静电电容器的装设容量可大可小，而且既
15、可集中使用，又可分散 装设来就地供应无功功率，以降低网络的电能损耗。此外由于它没有 旋转部件，维护也较方便。(5)当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少，电容器的无 功功率调节性能较差。Q = u2/xc就感性无功而言，并联电抗器不算电源，算负荷，只能吸收感性 无功（单向调节），在高压电网中用以吸收轻载和空载线路的过剩感性无功。1.1.2.5 静止补偿器静止补偿器的全称为静止无功补偿器（SVC）。常用的有晶闸管控 制电抗器型（TCR型）、晶闸管开关电容器型（TSC型）和饱和电抗器型 （SR 型）。TCR：晶闸管、电容、电感。TSC：晶闸管、电容。SR：电容、电感。(b)TSC无论何种形式
16、的静止补偿器，它们之所以能作无功功率电源产生 感性无功功率，依靠的仍是其中的电容器。静止补偿器的优点：能快速调节无功功率以适应动态无功补偿的要求；调节连续平滑，对系统不致引起大的波动；滤波电路可消除高次谐波对负荷的干扰；运行维护方便，功率损耗小；对不平衡的负荷变动有较高的补偿能力，可以做到分相补偿;对冲击负荷的适应性较强；1.1.2.6 静止无功发生器(SVG)静止无功发生器也被称为静止同步补偿器(STATCOM)或静止调 相机(STATCON)。它的主体部分是一个电压源型逆变器，适当控制逆 变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容 性负荷、感性负荷或零负荷状态。1.1.2
17、.7 电压调节效应一堂oU表1各种补偿器比较性能电容 器发电机调相机静止补偿器静止无功发生 器TCRTSCSR调节范围超前超前/滞 后超前/滞 后超前/滞后超前超前/滞后超前/滞后控制方式不连 续连续连续连续不连 续连续连续产生高次谐 波无无少多无少少电压调节效 应负正正正（一定范围 内）负正（一定范围 内）正1.1.3 无功功率平衡和电压水平的关系1.1.3.1 无功平衡2Qgc2Ql轨2 = 02Qgc：无功电源发出的无功功率总和；2Ql：负荷消耗的无功功率总和；Q系统的无功损耗。从改善电压质量和降低网络功率损耗考虑，应该尽量避免通过电 网元件大量地传送无功功率。根据无功平衡的需要，增添必
18、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。小容 量的、分散的无功补偿可采用静电容电器；大容量的、配置在系统中 枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或静止补偿器。无功平衡和电压关系负荷增加时，其无功从2变到若无功电源没有增加，电源的 无功仍是曲线b曲线1和才的交点出，为无功平衡点，对应电压外, 显然实现较低电压下的无功平衡。若无功电源充足，电源曲 线将上移到曲线1的位置，交点c对应电压恢复原来数值，实现较高电压水平下的无功平衡。无功电源充足系统就有较高的运行电压水平；反之，无功不足就 反映为运行电压水平偏低，因此，应该力求实现在额定电压下的系统 无功功率平衡，并根据这个要求装
19、设必要的无功补偿装置。图2无功平衡曲线注：进行无功功率平衡计算的前提是系统的电压水平正常；实现无功功率在额定电压附近的平衡是保证电压质量的基本条件；系统中应保持一定的无功功率备用，无功功率备用容量一般为 最大无功负荷的7%-8%。1.2 无功功率的最优分布（电力系统经济运行）无功功率的最优分布包括无功功率电源的最优分布和无功功率 负荷的最优补偿。目标函数（有功损耗最小）：minAPf （QG1, QG2-QGn）（7）约束条件：hi=i Qa - AQQarnin - Qgi - Qcimax |（8）imin imax ）拉格朗日乘数法求解可得，等网损微增率准则：d/Py11xxOQgi1
20、- 3AQ“0Qgi - dQG2 1 - 0AQ“，Qg2=x 1=a（9）GQGn i-GAQn/OQgti即各无功电源按等网损微增率准则发出无功功率时系统的有功功率损耗最小。网损微增率的计算方法可以采用转置雅可比矩阵法。无功功率负荷的最优补偿无功功率负荷的最优补偿指最优补偿容量的确定、最优补偿设备 的分布和最优补偿顺序的选择。目标：设置补偿设备节约的费用与设置补偿设备消耗的费用之差最大。最优网损微增率准则:(10)OAPf v _(0+丫)& _dQd - pTmax Yeq：最优网损微增率，常为负值，表示每增加单位容量无功补偿设备所能减少的有功损耗，也称为无功功率经济当量;a、Y：折旧
21、维修率，投资回收率;Kc：单位容量补偿设备投资;/?:单位电能损耗价格。注:只应在网损微增率具有负值，且小于的节点设置无功补偿 设备；设置的容量以补偿后该点的网损微增率仍为负值，不大于了改 为限；补偿顺序按网损微增率从小到大进行补偿；无功补偿应坚持分层分区和就地平衡的原则。1.3 电力系统的电压调整1.3.1 电压变动的影响电压降低，发电机所发功率减少，变压器带负荷减少；电压降低，异步电动机启动过程大为增长，效率降低，寿命缩 短；电压过高使电气设备绝缘受损。变压器、电动机等铁芯饱和, 铁芯损耗增大，温升增加，寿命缩短；电压过低出现电压崩溃现象；电炉会因电压过低而影响冶炼时间，从而影响产量；电压降低，会使网络中的功率损耗和能量损耗加大；电压过低还可能危及电力系统运行的稳定性；引起电压崩溃，造成大面积停电。1.3.2 电压中枢点定义：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。选择: