华北电力大学-RJW-电力系统分析基础(第6章)

NorthChinaElectricPowerUniversity电力工程系DepartmentofElectricalEngineering电力系统分析基础PowerSystemAnalysisBasis（六）任建文第六章电力系统的无功功率与电压调整本章主要内容：1、无功负荷和无功电源及无功功率平衡2、电压降落（损耗、偏移）、功率损耗的计算3、无功功率的经济分布；无功电源的最优分布；无功负荷的最优补偿频率调整和电压调整的相同和不同之处调频频率唯一集中调整只能调原动机功率调压电压水平各点不同调整分散手段多样（有多种无功电源）由上可以看出：维持电压稳定，应该尽量减少无功的传输，采取就地平衡。分析无功功率和电压分布之间的关系无功损耗﹥﹥有功损耗;UQXPRU电压降受无功功率的影响较大;无功功率的流动从Uh→UL第一节电力系统无功功率的平衡一、概念性问题:无功功率无功电源QG无功负荷QL无功损耗ΔQΣ无功功率平衡运行中的平衡：ΣQG=ΣQL+ΔQΣ规划中的平衡：无功容量=无功电源功率+备用无功电源功率（7〜8%）二、无功功率负荷和无功功率损耗1、无功功率负荷1)负荷在端电压变化时，出力、效率影响较大100100110120(%)U%发光效率寿命光通量%10%15%5U效率光通量%50%10%5U寿命光通量白炽灯的电压特性100100(%)U%效率电流功率因素异步电机的电压特性转矩∝U2,U↓带不动启动不了烧电机2)吸收无功（异步电机）XUQXXIQU2U'212x3对于QX，当U↑转动力矩增大，S↓→r’2（1-s）/s↑→I↓→QX↓Z1ZUZ'2s1sr'2U1II'21对于QU，由于XU的饱和，XU↓→QU↑↑UQQQUXQUQX异步电机的无功功率特性UQQP综合无功负荷的静态特性2、变压器的无功功率损耗励磁支路—空载电流I0的百分比值，约1-2%绕组漏抗—满载时基本上等于短路电压UK的百分比值，约10%对多级电压网—相当可观，可达负荷的57%3、电力线路上的无功功率损耗并联电纳—充电功率∝U2，容性并联电抗—感性∝I235KV及以下—感性无功110KV及以上传输功率较大时—感性无功传输功率较小时—容性无功三、无功功率电源定子绕组不超过额定电流励磁绕组不超过额定电流受原动机出力限制进相运行时受定子端部发热限制留稳定储备发电机、调相器静止电容器、静止补偿器1、发电机发电机只有在额定电压、电流、功率因数下运行时，视在功率才能达到额定值，其容量才能最充分地利用系统中有功功率备用容量充裕时，可使靠近负荷中心的发电机在降低有功负荷的条件下运行，这时发电机的视在功率虽较额定值小，但可利用的无功功率却较在额定有功负荷下大。实质上是只发无功功率的发电机2、同步调相机不带有功负荷的同步发电机不带机械负荷的同步电动机运行过激运行—向系统发出无功欠激运行—向系统吸收无功（容量为过激的50%）优点平滑调节—既发无功，又可吸收无功装有励磁调节装置时，维持系统电压不变装有强磁时，故障情况下，调整电压，维持稳定缺点消耗一定的有功，容量越小，比重越大(1.5-5%)小容量单位投资费用大，宜集中使用水轮机有时作调相运行，汽轮机较难损耗大内部发热内部膨胀增大系统中短路时的短路电流3、静电电容器QC=U2/XC，只能向系统提供无功，不能吸收无功可集中使用，可分散使用功耗小，0.3%--0.5%（额定容量）调节不是连续的，不平滑，调节范围小电压下降时，QC下降，导致U进一步下降单位容量投资比调相机便宜4、静止补偿器电容与电抗并联，配以调接装置，可平滑地改变输出70年代开始使用，有前途的三种类型为：类型直流助磁饱和电抗器型可控硅控制电抗器型自饱和电抗器型共同点：电容支路同步频率下感性无功功率电源C和Lf构成谐振，兼作高次谐波滤波器不可控不同点：电抗器支路可控硅——————直流助磁—————自饱和———不可控饱和电抗器可控的不饱和优点：极好的调节性能可用于冲击性负荷的无功补偿维护简单原理：自饱和型损耗小，不超过1%应用越来越多四、无功功率的平衡系统中功率平衡：ΣQGC-ΣQL-ΔQΣ=01)电源：ΣQGC=ΣQG+ΣQC=ΣQG+ΣQC1+ΣQC2+ΣQC3发电机调相机电容器静止补偿器2)负荷：未改善COSΦ=0.6-0.9规程规定不低于0.9,可按此取QL3)损耗：ΔQΣ=ΔQT+ΔQX+ΔQb变压器线路电抗线路电纳4)无功备用:为最大无功负荷的7%--8%注意：系统中无功率平衡的前提是系统的电压水平正常无功不足时应就地补偿第二节电力系统无功功率的经济分布一、无功功率电源的最优分布无功经济分布无功电源的最优分布—等网损微增率无功负荷的最优补偿—无功经济当量目标函数：ΔPΣ=ΔPΣ(QGi)目的：降低网络中的有功损耗等约束条件：无功平衡0QQQm1jLjn1iGi不等约束条件：UUUQQQmaxiiminimaxGiGiminGi拉格朗日函数：)()(LQQQQPm1jLin1iGiGi最优分布——求拉格朗日函数的极值：m1jLjn1iGiGiGiGi0Ln2,1i0)1(LQQQQQQPQ可改写为：QQQPQQQPGjGjGiGi1111无功网损微增率有功网损微增率二、如何进行无功功率最优分布的计算所以计算相当复杂和因为涉及到QQQPGiGi一般的原则是：1)计算潮流分布按有功最优分布结果给出各节点（除平衡节点外）的P给出P、Q节点的Q给出P、U节点的U2)计算网损微增率由潮流计算得各无功电源点的λ值λ0时，增大该电源的Q，可降低网损λ0时，减少该电源的Q，可降低网损进行调整3)重设电源节点的无功QGi和PU节点的电压，进行潮流计算，求总网损、网损微增率，判断平衡节点的P，直到P最小4)当ΔPΣ不再减小时，各节点网损微增率未必相等，因为受不等条件限制例题：如图，有功功率两电厂均分，求最优无功分配解：40.0j10.0Z108.0j04.0Z27.0j2.1jQPSLLL0.1U10.1U2QP11jQP22j1204.010.0QPQPRUQPRUQPP2222212122222212212108.040.0QPQPXUQPXUQPQ22222121222222122121QQQQQQQQPQQP2211221116.080.008.020.0QQQQQQQPQQQP2211221116.0108.08.012.01111按网损等微增率准则确定无功功率分配：由功率平衡条件得：08.040.00Q6.0Q6.0QQQQQ222212L21联合求解得：Q1≈0.248，Q2≈0.688不计无功网损修正时：QPQP21得：Q1≈0.268，Q2≈0.670三、无功功率负荷的最优补偿负荷的自然功率因数电动机容量不能太大（重要措施）max0CiePPQC限制电动机的空载运行同步电机代替异同步电机（收、发）(补偿前0.6-0.9)最优补偿补偿容量的确定补偿设备的分布补偿顺序的选择规划阶段年节约费用:β为单位电能损耗价格(元/kw·h),τmax最大负荷损耗小时数装设补偿设备的投资费用:QKQCCiCCiCα为折旧维修率,γ投资回收率,KC为单位容量补偿设备投资(元/kvar)结论为最小令QKPPCiCmax0C:maxCCiCiKQPQ0CmaxCeqKr最有网损微增率（也称无功经济当量）最优网损微增率准则：rKQPeqmaxCCi只有在网损微增率具有负值且小于req的节点设置先后顺序：以网损微增率的大小为序，首先从QPCi最小的开始第三节电力系统的电压调整一、电力系统电压偏移的原因及影响无功充足—电压水平较好的必要条件，不是充分条件调压———合理分布无功，维持电压质量1.原因（随运行方式的改变而改变）由于R很小，ΔU主要受Q的影响UQXPRU负荷大小的变化电力网阻抗参数的变化（设备故障或检修退出）电力系统接线的改变2.偏移的影响1)电压过低发电机：U↘，δ↗，I↗→发电机过热异步电机：U↘，转差率σ↗，各绕组I↗，温升↗，μ↘，寿命↘，出力P↘，起动过程长→烧电机电炉：P∝U2电灯：亮度和发光效率大幅下降2)电压过高设备绝缘受损变压器、电动机铁芯饱和，损耗↗，寿命↘白炽灯寿命大为缩短3)严重时，无功不足，电压崩溃U0Ut电压崩溃发电机失步3.电力系统允许的电压偏移35KV及以上电压供电的负荷±5%10KV及以下电压供电的负荷±7%低压照明负荷+5%—-10%农村电网+5%—-10%事故状态下，允许在上述基础上再增加5%，但正偏移不超过+10%二、中枢点的电压管理1.电压中枢点的选择集中负荷的母线作为电压中枢点大型发电厂的高压母线枢纽变电所的二次母线有大量负荷的发电厂母线II2.中枢点电压与负荷的关系适应：线路长，负荷变化大方式：难易程度：实现较难iUmaxiUmaxUminSminiUminiUminUmaxSmax有时中枢点电压不能满足要求，见书上P226-227的例子3.中枢点电压调整方式逆调压最大负荷时提高中枢点电压1.05UN最小负荷时降低中枢点电压1.00UN适应：线路不长，负荷变化不大方式：难易程度：最易实现顺调压最大负荷时允许中枢点电压低一些1.025UN最小负荷时允许中枢点电压高一些1.075UN适应：中型网络，负荷变化较小方式：保持在较线路额定高2%-5%难易程度：较易实现常调压三、电力系统的电压调整忽略：线路对地电容、变压器励磁支路参数、横向压降调压比调频复杂，频率系统为一，电压不为一改变电压水平调压措施UGk1k2UijQPjXRkUkUkkUU2N1G21Gi/)QXPR(/)U(利用发电机调压UG—改变励磁电流改变变压器分接头k1，k2改变电压损耗改变功率分布（主要是Q）—使ΔU减少改变线路参数R+jX（主要是X）—减少ΔU1.改变发电机端电压调压发电机电压UG可在±5%的范围内保持发额定功率发电机直接供电系统（线路不长，损耗不大）调节励磁，改变机端电压，实现逆调压满足电压的要求UG%3%8UUminmaxUi%2%4UUminmax%3%8UUminmax%5%3%5%7%5%2%3%51122例：最大负荷时：ΣΔUmax=20%，最大负荷时：ΣΔUmin=8%ΣΔUmax-ΣΔUmin=12%，发电机逆调5%故最终相差7%，在10%的范围内调节原理：转子电压负反馈的作用是提高调节系统的稳定性，它的输出正比于转子电压的变化率例：发电机经多级电压向负荷供电，不能保证电压质量要求最大负荷时：ΣΔUmax=34%，最大负荷时：ΣΔUmin=14%ΣΔUmax-ΣΔUmin=20%，发电机逆调5%故最终相差15%，超出10%的范围内%4%10UUminmax%6.2%6UUminmax%3%8UUminmax%6.2%6UUminmax%8.1%4UUminmax2.改变变压器分接头进行调压1)双绕组变压器分接头选择最大负荷时：UImax，ΔUImax，Uimax，U’imax为已知双绕组变压器高压侧6300KVA以下三个分接头UN±5%三绕组变压器高、中压侧8000KVA以上五个分接头UN±2.5%装有3-5个分接头UiIUI)(U