电力系统的无功功率和电压调整新

1第六章电力系统的无功功率和电压调整6-1电力系统总无功功率的平衡电力系统中的电压是衡量电能质量的一个重要指标。保证供给用户的电压与其额定值的偏移不超过规定的数值是电力系统运行调整的基本任务之一。从前面分析可知，电力系统中的电压与系统中的无功功率密切相关，为保证系统的电压水平，系统中应有充足的无功电源。本节就是分析无功功率与电压的关系，以及对电压的调整问题。一、无功功率负荷和无功功率损耗1.无功负荷：除白只灯消耗有功外，绝大部分异步电动机消耗无功。要保持负荷的电压水平，就得供给负荷所需要的无功功率，只有当系统有能力供给足够的无功时，负荷的端电压才能维持在正常的水平。如果系统的无功电源容量不足，负荷的端电压将被迫降低，所以维持电力系统的电压水平与无功功率之间有着不可分割的关系。电力系统综合无功负荷的静态电压特性如图4—3所示。它的特点是：电压略低于额定值时，无功功率随电压下降较为明显；当电压下降幅度较大时，无功功率减小的程度逐渐变小。2.变压器无功损耗2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损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流0I的百分值，约为%2~%1；绕组漏抗中损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压kU的百分值，约为%10。因此，对一台变压器或一级变压器的网络而言，变压器中的无功功率损耗并不大，满载时约为它额定容量的百分之十几。但对多级电压网络，变压器中的无功功率损耗就相当可观。3.输电线路无功损耗电力线路上的无功功率损耗也分为两部分，即并联导纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的无功功率损耗bQ可表示为22bBQU可见，并联电纳中的无功功率与线路电压的平方成正比，呈容性，又称为线路的充电功率。而串联电抗中的无功功率损耗xQ可表示为2222xPQQIXXU可见，串联电抗中的无功功率与负荷电流的平方成正比，呈感性。以上两部分无功功率的总和反映线路上的无功功率损耗。如果容性大于感性，则向系统输送无功；如果感性大于容性，则向系统吸收无功。因此，电力线路究竟是损耗无功还是发无功，则需要按具体情况作具体的分析、计算。二、电网中的无功电源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。在正常运3行时，其定子电流和转子电流都不应超过额定值。设发电机额定视在功率为NS，额定有功功率为NP，额定功率因数为Ncos，则发电机在额定状态下运行时，可发出的额定无功功率为NNNNNNNNsinsintgcosPQSP由上分析可知，发电机供给的无功不是无限可调的，当发电厂距用户较远时，无功所引起的线损较大，这种情况下，则应在用户中心设置补偿装置。2．电容器电容器只能向系统供给无功功率，它可以根据需要由许多电容器连接成组。因此，优点：静电电容器组的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。静电电容器在运行时的功率损耗较小，约为额定容量的0.3％~0.5％。电容器所供出的无功功率CQ与其端电压U的平方成正比，即2CCUQX式中CX——电容器的容抗。缺点：当节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小，导致系统电压水平进一步下降，这是其不足的地方。特点：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。3.调相机同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，它在过激运行时向系统供4给无功功率，欠激运行时从系统吸取无功功率。优点：平滑地改变它的无功功率的大小及方向，从而平滑地调节所在地区的电压。但在欠激状态下运行时，其容量约为过激运行时额定容量的50％~60％。同步调相机可以装设自动励磁调节装置，能自动地在系统电压降低时增加输出无功以维持系统电压。在有强行励磁装置时，在系统故障情况下也能调节系统电压，有利于系统稳定运行。缺点：运行时要产生有功功率损耗，一般在满负荷运行时，有功功率损耗为额定容量的1.5％~3％，容量越小，所占的比重越大，在轻负荷时，这一比例数也要增大；小容量的同步调相机每千伏安的费用大，故同步调相机适用于大容量集中使用；同步调相机为转动设备，维护工作量相对较大。3．静止补偿器和静止调相机静止无功功率补偿器（SVC）P245页和静止调相机是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。静止补偿器由电力电容器与电抗器并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。静止补偿器有很多类型，目前较为完善的有直流助磁饱和电抗器型、晶闸管控制电抗器型、自饱和电抗器型三种，如图4-5所示。这三种补偿器都有两个支路，左侧支路为电抗器支路，右侧支路为电容器支路。它们的共同点是其中的电容器支路，既为同步频率下感性无功功率的电源，又因电容C与电感Lf串5联构成谐振回路，并作高次谐波的滤波器，滤去补偿器中各电磁元件产生的5、7、11、13、…等奇次谐波电流，这类支路是不可控的。它们的不同点集中在电抗器支路，直流助磁饱和电抗器和晶闸管控制电抗器都是可控电抗器，而自饱和电抗器则不可控；晶闸管控制电抗器是不饱和电抗器，其他两种则都是饱和电抗器。显然，静止补偿器向系统供应感性无功功率的容量取决于它的电容器支路，从系统吸取感性无功功率的容量则取决于它的电抗器支路。优点：快速平滑地调节无功功率，以满足无功功率的要求，这样就克服了电容器作为无功补偿装置只能作电源不能作负荷、调节不连续的缺点；与同步调相机相比较，静止补偿器运行维护简单、功率损耗小，能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性，因此在电力系统中得到越来越广泛的应用。缺点：费用高。三、无功功率平衡综合以上所述的无功功率负荷、无功功率损耗及无功功率电源，就可以作出系统的无功功率平衡。如果发电机所发无功功率为GQ，调相机所发无功功率为C1Q，电容器所供无功功率为C2Q，静止补偿器所供无功功率为C3Q，而负荷消耗6的无功功率为LQ，变压器的无功损耗为TQ，线路电抗无功损耗为xQ，线路电纳无功损耗为bQ，因此，相似于有功功率的平衡，无功功率的平衡式为GC1C2C3LTxbQQQQQQQQ(4-1)此式还可简写为GCLQQQ(4-2)式中GCQ——无功功率电源容量之和；LQ—无功功率负荷之和；Q——电力网中的无功功率损耗。在无功平衡的基础上，应有一定的无功备用。无功备用容量一般为无功负荷的7％~8％，以防止负荷增大时电压质量下降。通常将无功备用容量放在发电厂内。发电机一般在额定功率因数以下运行，若发电机有一定的有功备用容量，也就保持了一定的无功备用容量。应该指出，进行无功功率平衡计算的前提应是系统的电压水平正常。若不能在正常电压水平下保证无功功率的平衡，则系统的电压质量就不能保证。从系统综合负荷无功功率-电压静态特性曲线可清楚地看到这一点。当系统中某些负荷节点电压低落的原因是由于系统中无功电源不足时，那么调压问题就与无功功率的合理供应和合理使用是分不开的。如果不从解决无功电力不足的问题着手，而是调节电源，使发电机多发无功，这是很不合理的。因为电源与负荷间距离较远，发电机多发的功率在网络中的无功损耗也大，不易调高末端电压。而且，为了防止发电机因输出过多的功率而严重过负荷，往往不得不降低整个系统的电压水平，以减小无功功率的消耗量，所以这就不免7出现电压水平低落和无功出力不足的恶性循环。因此，在个别负荷节点电压较低的情况下，就应想法增加无功补偿装置，补充系统的无功，从而抬高电压水平。6—3电力系统的电压调整一、调整电压的必要性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。系统电压降低时，发电机的定子电流将因其功率角的增大而增大。如这时电流源已达额定值，则电压降低后，将使其超过额定值。当系统电压降低时，各类负荷中占比重最大的异步电动机的转差率增大，从而，电动机各绕组中的电流将增大，温升将增加，效率将降低，寿命将缩短。照明负荷，尤其是白炽灯，对电压变化的反应最灵敏。电压过高，白炽灯的寿命将大为缩短；电压过低，亮度和发光效率又要大幅下降。系统电压过高将使所有电气设备绝缘受损，而且变压器、电动机铁芯会饱和，铁芯损耗增大，温升将增加，寿命将缩短。二、电压波动和电压管理1电压波动电压波动分为两类：周期长、波动面大、主要由生产、生活和气象条件变化引起的负荷变动所导8致的电压变动。冲击性和间歇性负荷引起的电压波动。如往复式泵、电弧炉、卷扬机、通风设备等。电压闪变、电压跌落等。习惯上所谓的电压调整是针对第一类的，对第二类可采取专门措施。2．电压管理（1）电压中枢点的选择电力系统调整电压的目的，是要在各种运行方式下，能维持各用电设备的端电压在规定的波动范围内，从而保证电力系统运行的电能质量和经济性。由于电力系统结构复杂，用电设备数量极大，因此电力系统运行部门对网络各母线电压及各用电设备的端电压进行监视和调整是不可能的，而且也没有必要。在电力系统中常常选择一些有代表性的点作为电压中枢点，运行人员监视中枢点电压，将中枢点电压控制调整在允许的电压偏移范围内。只要这些中枢点的电压质量满足要求，其他各点的电压质量基本上满足要求。所谓电压中枢点系指那些能反映和控制整个系统电压水平的点。一般选择下列母线作为中枢点：(1)大型发电厂的高压母线(高压母线上有多回出线时)；(2)枢纽变电所的二次母线；(3)有大量地方性负荷的发电厂母线。9下图所示发电厂低压母线I和末端变电所二次母线Ⅱ可作为中枢点。（2）中枢点电压和负荷电压的关系为对中枢点电压进行控制和调整，必须首先确定中枢点电压的允许波动范围。一般各负荷点都允许有一定的电压偏移，例如，负荷点允许电压偏移为±5％，再计及由负荷点到中枢点的线路上的电压损耗，便可确定中枢点电压的波动范围。这就是常说的电压的不等约束条件。对一个实际运行的系统，网络参数和负荷曲线已知后，要确定中枢点的电压波动范围，如图4-12(a)所示由一个中枢点i向两个负荷j、k供电的简单网络。设j、k两负荷允许电压偏移都为±5％，如图4-12(b)所示；负荷j、k的简化日负荷曲线如图4-12(c)(d)所示；设由于这两个负荷功率的流通，线10路i-j、i-k上的电压损耗分别如图4-12(e)、(f)所示。求中枢点电压iU的波动范围。即编制中枢点电压变化曲线。根据负荷对电压的要求，可求出中枢点电压的波动范围。只满足j负荷时，中枢点电压应维持的电压为：0~8时ijijNNN=+=(0.95~1.05)0.04=(0.99~1.09)UUUUUU；8~24时ijijNNN=+=(0.95~1.05)0.10=(1.05~1.15)UUUUUU。只满足k负荷时，中枢点电压iU应维持的电压为：0~16时ikikNNN=+=(0.95~1.05)0.01=(0.96~1.06)UUUUUU；16~24时ikikNNN=+=(0.95~1.05)0.03=(0.98~1.08)UUUUUU。根据这些要求可作出中枢点i电压的变动范围如图4-13所示。将图4-13(a)、(b)合并，就可得同时满足负荷j、k要求的中枢点i的电压允许变动范围，如图4-14(a)中的阴影部分。11可见，同时满足j、k两点电压要求时，中枢点电压iU的变动范围为：0~8时iN=(0.99~1.06)UU；8~16时iN=(1.05~1.06)UU；16~24时iN=(1.05~1.08)UU。由以上可知，虽然负荷j、k允许的电压偏移都是±5％，即都有10％的允许变化范围，但由于中枢点i与这些负荷之间线路上电压损耗ijU、ikU的大小和变化规律都不相同，要同时满足这两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的12允许变化范围大大缩小了，最小时仅有1％。若同时考虑两个负荷，两个负荷对中枢点电压的允许波动范围没有相交的阴影部分，则