电力系统自动化(5电压与无功调节)

五、电力系统电压与无功功率调节本章要点1、电压控制的意义和特点；2、电压控制的基本原理；3、电源的电压-无功特性；4、负荷的电压-无功特性；5、电力系统电压控制方法；6、电力系统无功补偿设备；5.1电压控制的意义与特点•意义：电压是电能质量指标之一；•特点：（1）电压偏移是无功功率不平衡的表现；（2）（与有功电源相比）无功电源种类多，布置灵活；（3）电力系统各节点电压可以允许存在一定偏差（送端允许高于额定电压5％，受端允许低于额定电压5％）；（4）电力系统调压主要是通过调节无功电源的出力与合理改变无功功率潮流的分布进行的；（5）电压和无功功率控制与降低网损关系紧密；（6）无功补偿设备不消耗有功功率，却可以降低有功功率损耗；5.2电压控制的基本原理•电压偏差的起因：传输路径的阻抗与电流不为零是引起电压偏离额定值的根本原因，而且不可避免；•有功电流和线路电阻对电压影响较小，而无功电流和线路电抗对电压的影响较大（理论证明如下）；电压偏差分析•以受端电压U2作为参考方向，U2是U2的幅值。负荷功率S2等于受端电压与线路电流的共轭相乘：•线路传输功率与线路电压降落的关系：纵分量横分量22222U=IZ=PjQRjXUPRQXPXQRjUUUjU----2222222SSP-jQS=P+jQ=UI=UII=I==UUU，，22UQXPRU22PXQRUU电压降落•名词：电压降落（矢量）及其纵分量和横分量、电压损耗（标量）、电压偏移；•根据理论分析及其矢量图可见，电压降落中，与U2同向的纵分量对电压偏移影响较大，而与U2垂直的横分量对电压偏移影响较小，工程上常可忽略横分量的影响；•又由于在传输路径上的各元件阻抗（发电机，变压器，输电线路，异步电动机等）均是感抗远大于电阻，通常在简化分析与计算中，可将电阻忽略而只考虑感抗的作用；调压方程•负荷端电压Ub（孙莹图4-6）：•由上式可见，影响负荷端电压的因素有：UG，K1（升压比），K2（降压比），R，X等线路参数，负荷功率P，Q等运行参数，对它们实施行之有效的控制，就能达到控制受端电压之目的。2121//)(KUQXPRKUKUKUUGGb电力系统电压与无功功率调节手段•调整发电机端电压；•改变变压器变比，以此改变无功功率潮流分布，用无功富裕支路支援无功不足支路，合理分配无功；•就地进行无功补偿，提高负荷运行的功率因数，减少无功功率传输；•改变线路参数和结构，减小阻抗（串联电容器）和不合理的无功流动；电力系统电压控制应遵循的原则和约束条件（1）无功功率就地、就近平衡，减小无功流动引起的无功损耗和有功损耗；（2）线路不过载（安全性）；（3）兼顾经济性；（4）确保稳定性。5.3电力系统无功电源的电压－无功功率特性•电力系统无功功率源有：（1）同步电机，包括同步发电机，同步电动机和同步调相机；（2）电力电容器；（3）静止无功补偿器（SVC）等；同步电机的电压-无功特性•同步发电机的电压-无功特性取决于同步发电机的无功调差特性，是一条下倾直线，具有自动平衡无功的调节效应；•同步调相机可视为有功功率为零的同步发电机，同步电动机可视为有功功率为负的同步发电机，它们的电压-无功特性与同步发电机类似，由励磁调节器中的调差单元决定；电力电容器的电压－无功功率特性•电容器输出无功功率：QC＝U2/XC与其端电压的平方成正比，是一条上翘的二次曲线。•电容器的特点：（1）电容器具有“负调节特性”；电容器的电压－无功功率特性曲线是上翘的，这一点与同步电机相反。这就意味着当电力系统无功功率缺乏使电容器安装处的电压下降时，电容器输出的无功功率反而减少，使无功功率缺额加剧；反之，当电力系统无功功率过剩－电压升高－电容器输出无功功率增加，使无功功率更加过剩，这种不利于无功功率平衡的调节特性称为负调节特性；（2）电容器只能成组地投入或切除，对无功功率进行有级调节；（3）电容器是静止元件；（4）有功损耗小；（5）适合于分散安装。静止无功补偿器SVC的电压－无功功率特性•静止无功补偿器（SVC：StaticVARCompensator）是由可调电抗器与固定电容器并联构成，其外特性如孙莹P105图4-5所示。•SVC能够快速、平滑地调节无功功率的大小和方向，对冲击负荷的适应性较好，与同步调相机相比，维护简单，损耗小，并且可以分相补偿。缺点是无功功率补偿量正比于端电压的平方，在系统电压很低时，无功功率补偿量将大大降低。5.4电力系统负荷的电压－无功功率特性•异步电动机在电力系统负荷中占很大的比重，故电力系统的无功负荷与电压的静态特性主要由异步电动机决定。异步电动机的无功消耗为：•电力系统中的变压器和输电线路在运行中也消耗无功功率，在考虑无功功率平衡时也可以将其视作为无功负荷。变压器的无功损耗为：XIXUQQQmmM22220TTTTQQQUBIX电力系统负荷的电压-无功特性•输电线路的无功功率损耗分为两部分，其串联电抗中的无功功率损耗与通过线路的功率或电流的平方成正比，而其并联电纳中发出的无功功率与电压平方成正比：与变压器不同的是，其并联部分发出无功功率而不是吸收无功功率。输电线路重载时呈感性，轻载时呈容性，需要并联可调电抗器吸收多余无功功率。22L0LLLQQQUBIX电力系统电压－无功功率控制•电源与负荷共同决定了电力系统电压-无功的工作点；•固定电容器和高压输电线路的无功功率负调节特性如配合可调电抗器使用，可以改变控制性能；•重点控制中枢点电压；中枢点是指能够反映电力系统电压水平的发电厂或变电站的母线，系统中大部分负荷由这些节点供电，它们的电压一经确定，其它各点的电压也就大致确定了；•多种调压措施综合使用，力求最经济有效；5.5电压－无功自动控制装置•静止无功补偿装置SVC，包括：（1）晶闸管控制电抗器（TCR：ThyristorControlledReator）；（2）晶闸管投切电容器（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor）；（3）TCR＋固定电容器（FC：FixedCapacitor）等类型。晶闸管控制电抗器（TCR：ThyristorControlledReator）TCR工作原理简介•δ是晶闸管的导通角。当控制角α在90°～180°之间移相时，导通角δ在0°（全关）～180°（全开）之间变化。•晶闸管全开时吸收的感性电流最大，全关时不吸收感性电流，改变控制角就可以改变电抗器吸收感性电流的大小；•控制器按的外特性方程控制电抗器电流IL，就可得到如图所示的补偿器特性。LI=KU晶闸管投切电容器（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor）TSC控制特点（1）零电压投入，防止产生冲击电流；（2）零电流切除；（3）只有投入和切除两种状态，没有类似可调电抗器那样的通过改变控制角α的相控工作方式，即没有可调电容器运行方式。混合型SVC（TCR＋TSC）变电站有载调压变压器和电力电容器综合控制•VQC；•九区图：主变高压侧分接头调整与主变低压侧电容器投切操作主变低压侧电压与无功负荷工作点移动方向升主变分接头电压下降，无功减小左下降主变分接头电压上升，无功增加右上投电容器电压上升，无功减小左上切电容器电压下降，无功增加右下九区VQC控制策略•0区:电压、无功均合格,不控制；•1区:电压越上限,无功补偿合适,发降压指令；•2区:电压越上限,无功越上限,先发降压指令,再发投电容器组指令；•3区:电压合格,无功越上限,发投电容器组指令；•4区:电压越下限,无功越上限,先发投电容指令,再发升压指令；•5区:电压越下限,无功补偿合适,发升压指令；•6区:电压越下限,无功越下限,先发升压指令,再发切电容指令；•7区:电压合格,无功越下限,发切电容的指令；•8区:电压越上限,无功越下限,先发切电容的指令,再发降压指令；九区控制原则•保证电压合格、无功基本平衡、尽量减少变压器分接头调整次数和电容器投切次数。•变压器分接头动作次数限制：每天调节次数35KV主变不超过20次，110—220KV不超过10次；•机械开关投切电容器，因对电容器有冲击，所以也有投切次数限制，而SCR投切电容器可以没有投切次数限制。本章结束思考题：（1）为什么说，电力系统电压偏离额定值是电力系统无功功率不平衡的表现？（2）无功功率平衡为何要强调“就地平衡”和“就近平衡”？（3）对比有功功率_频率调整与无功功率_电压调整的异同点。