电力电子技术在配电网中的应用

1电力电子技术在配电网中的应用华北电力大学谭伟璞23配电网概述在电力网中主要起分配电能作用的网络称为配电网；配电网按电压等级来分类，可分为高压配电网（35—110KV），中压配电网（6—10KV），低压配电网（220/380V）；在负载率较大的特大型城市，220KV电网也有配电功能。按供电区的功能来分类，可分为城市配电网，农村配电网和工厂配电网等。在城市电网系统中，主网是指110KV及其以上电压等级的电网，主要起连接区域高压（220KV及以上）电网的作用配电网是指35KV及其以下电压等级的电网，作用是给城市里各个配电站和各类用电负荷供给电源4一、配电网的主要设备开关设备变压器线路√补偿设备√监测设备√避雷器箱式变电站5二、配电网运行的主要技术内容配电网损耗及无功补偿√配电网内过电压及其防护措施√配电网供电可靠性与电能质量√配电网中性点接地方式√配电网电容电流计算配电网继电保护√配电网防雷保护62.1配电网损耗及无功补偿影响配电网线损的因素分析理论线损计算降低线损的技术措施无功优化及固定补偿自动跟踪无功补偿装置72.2配电网内过电压及其防护措施配电网弧光接地过电压配电网谐振过电压线性谐振过电压铁磁谐振过电压断线谐振过电压传递过电压82.3配电网供电可靠性与电能质量配电网可靠性的统计、分析与计算配电网电压波动√配电网谐波√92.4配电网中性点接地方式中性点经消弧线圈接地√中性点经电阻接地10二、配电网运行的主要技术内容配电网运行技术内容中，配电网损耗及无功补偿相对独立，基本是稳态分析内容。配电网的过电压及供电可靠性与其中性点接地方式密切相关。配电网电能质量主要是电压质量与电流质量，既有稳态的电压水平及谐波等，也包含暂态的电压暂降、电压闪变等。11二、配电网运行的主要技术内容电力电子技术在配电网中的应用，重点介绍三个方面的内容。配电网稳态运行分析——配电网损耗及无功补偿。配电网供电可靠性——配电网中性点接地运行方式。配电网电能质量——配电网谐波抑制技术。12（一)配电网稳态运行分析13主要内容配电网的稳态电压计算√配电网的损耗计算与降损措施√简单配电网的潮流计算复杂配电网的潮流计算配电网的无功补偿和电压调整√配电网的短路电流计算低压电网短路电流计算14配电网的稳态电压计算一、配电网的电压降落二、配电网的电压损耗三、配电网的电压偏移15一、配电网的电压降落所谓电压降落是指线路首末两端电压的相量差。1221)j()j(IXRIXRUU由上图可得161、已知环节末端电压及功率以末端电压为参考相量，负荷为感性，则)(j222222IUQPI可得221)j(IXRUU2222j)j(UQPXRU2222222jURQXPUXQRPU或2221jUUUU2222XUQRPU2222RUQXPU17（a）末端电压降落的纵、横分量；182、已知环节首端电压及功率参照上述推导112)j(IXRUU1111111jURQXPUXQRPU111jUUU19（b）首端电压降落的纵、横分量20必须注意：当已知末端的电压及功率求首端的电压时，是取末端电压为参考相量的；而当知首端的电压及功率求末端电压时，是取首端电压为参考相量的，所以有21UU21UU但22222121UUUU如图：21二、配电网的电压损耗所谓电压损耗是指线路首末两端电压的数值差。电压损耗的大小为图中的AG。22如忽略其横分量，电压损耗由两部分组成的，即UQXUPRU式中第一部分与有功功率和电阻有关，第二部分与无功功率和电抗有关，而这些因素对电压损耗值的影响程度是由电网特性所决定的。23三、配电网的电压偏移所谓电压偏移是指线路首端或末端电压与线路额定电压的数值差。电压偏移常用百分值表示，即1001NNUUU首端电压偏移％＝1002NNUUU末端电压偏移％＝常以电压损耗和电压偏移作为衡量电压质量的主要指标。24配电网的损耗计算与降损措施一、线路的功率损耗二、变压器的功率损耗三、配电网的电能损耗四、配电网的降损措施25一、线路的功率损耗如图所示的简单线路，已知末端电压和末端功率，忽略电导。该线路的功率损耗由下述三部分组成。261．线路末端导纳的功率损耗由于忽略了线路的电导，故只需计算线路末端电纳的功率损耗，其值与线路末端电压有关，即2222UBQB＝－式中的负号表示容性无功功率。272．阻抗的功率损耗线路阻抗的功率损耗包括有功功率损耗和无功功率损耗两部分。如已知条件是末端功率、末端电压，则RUQPPR222222XUQPQX222222若已知条件为首端功率和电压，则RUQPPR212121XUQPQX212121283．线路首端导纳的功率损耗该功率损耗与线路首端电压有关，由于略去了电导，只需计算电纳中的无功损耗，即2112UBQB＝－首末端电压的不同，电纳中的无功损耗并不相同。29二、变压器的功率损耗变压器的功率损耗包括阻抗的功率损耗与导纳的功率损耗两部分。301．阻抗的功率损耗双绕组变压器阻抗的功率损耗可以套用线路阻抗功率损耗的计算公式TTRRUQPP222222＝TTXXUQPQ222222＝TTRRUQPP212121＝TTXXUQPQ212121＝或31对于三绕组变压器，应用这些公式同样可以求出各侧绕组的功率损耗，即12121211212121111jj~TTTXTRTXUQPRUQPQPS＋＝＋22122222212222222jj~TTTXTRTXUQPRUQPQPS＋＝＋32123233212323333jj~TTTXTRTXUQPRUQPQPS＋＝＋322．导纳的功率损耗变压器导纳的无功功率损耗是感性的，符号为正。21UGPTTG＝21UBQTTB＝33在有些情况下，如不必求取变压器内部的电压降(不需要计算出变压器的阻抗、导纳)，这时功率损耗可直接由制造厂家提供的短路和空载试验数据求得，。2210221022222222222100%100%NNTBNTGNNkTXNNkTRUSUIQUUPPSUSUUQSUSUPP34实际计算时通常设N1UUN2UU所以这些公式可简化为NTBTGNkTXNkTRSIQPPSSUQSSPP100%100%002222235三、配电网的电能损耗1．配电网的电能损耗和损耗率在同一时间内，配电网的电能损耗占供电量的百分比，称为配电网的损耗率，简称网损率或线损率。100供电量配电网电能损耗配电网损耗率％＝362．电力线路电能损耗的计算假定在一段时间内线路的负荷不变，则功率损耗也不变，相应的电能损耗为32223210103RTUQPRTIPTA由于电力系统的实际负荷是随时都在改变的，线路的功率损耗也随时间而改变。因此，应采用积分算式，即dtRUQPdtRIPdtATTT3022232001010337在工程实际中常采用简化的方法计算电能损耗。简化方法很多，用得最多的是电力网规划中电能损耗计算的方法——最大负荷损耗时间法。最大负荷损耗时间τ可以理解为：如果线路中输送的功率一直保持为最大负荷功率Smax（此时的有功损耗为△Pmax），在τ小时内的电能损耗恰好等于线路全年的实际电能损耗，则称为τ最大负荷损耗时间。383．变压器电能损耗的计算变压器铁芯中电能损耗按全年投入运行的实际小时数来计算。计算式为max0PTPA当变压器两侧电压在额定电压附近时，可由下式计算变压器全年的电能损耗，即2max0NkSSPTPA39四、配电网的降损措施1、合理使用变压器2、重视和合理进行无功补偿3、对电力线路改造，扩大导线的载流水平4、调整用电负荷，保持均衡用电40配电网的无功补偿和电压调整一、配电网的无功补偿二、电压调整三、静止无功补偿器SVC四、静止无功发生器SVG五、串联补偿SC41一、配电网的无功补偿1、电力系统的无功平衡影响电力系统电压的主要因素是无功功率。（1）电力系统的无功负荷及无功损耗无功负荷是滞后功率因数运行的用电设备所吸取的无功功率。电力系统的无功负荷主要是异步电动机。电网中无功损耗一般有两部分：一是输电线路的无功损耗；二是变压器上的无功损耗。42（2）无功电源电力系统的无功电源包括同步发电机、调相机、电容器及静止无功补偿器、线路充电功率等。（3）无功平衡电力系统无功功率平衡包含两个含义。首先是对于运行的各个设备，要求系统无功电源所发出的无功功率与系统无功负荷及无功损耗相平衡，即QQQLG43其次是对于一个实际系统或是在系统的规划设计中，要求系统无功电源设备容量与系统运行所需要的无功电源及系统的备用无功电源相平衡，以满足运行的可靠性及适应系统负荷发展的需要，即RGNQQQ442、无功补偿的原理加装了一部分无功补偿设备Qc后cQQQ视在功率S'比S小了，补偿后电力网的功率因数由补偿前的cosφ1提高到cosφ2。453、无功补偿的意义（1）减少系统元件的容量，换个角度看是提高电网的输送能力。（2）降低网络功率损耗和电能损耗。（3）改善电压质量。464、配电网无功补偿的配置原则（1）总体平衡与局部平衡相结合。（2）电业部门补偿和用户补偿向结合。（3）分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。（4）降损与调压相结合，以降损为主。475、无功补偿措施（1）利用同步发电机进行补偿。（2）利用调相机进行无功补偿。（3）利用电容器进行无功补偿。（4）利用静止补偿器进行无功补偿。48二、电压调整1、电力系统的电压管理在进行电力系统规划设计时，由于各负荷点对电压质量的要求还不明确，所以难以具体确定各中枢点电压控制的范围。为此规定了所谓“逆调压”、“顺调压”、“常调压”等几种中枢点电压控制的方式。492、电压调整的基本原理以图所示的简单电力系统为例，说明常用的各种调压措施所依据的基本原理。50由发电厂母线处电压开始推算，可求得21121)(kUkQXPRkUkUkUUGGGb为维持用户处端电压满足要求，可以采用以下措施进行电压调整：（1）调节励磁电流以改变发电机端电压；（2）改变变压器T1、T2的变比；（3）通过改变电力网无功功率分布；（4）改变输电线路的参数（降低输电线路的电抗）。513、电压调整的措施（1）利用发电机调压（2）改变变压器变比调压（3）利用无功功率补偿调压（4）改变线路参数调压524、各种调压措施的合理应用（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。53（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。54三、静止无功补偿器SVC静止无功补偿器（SVC）：StaticVarCompensatorController利用电容器和电抗器组成的可提供感性或容性无功补偿的装置，能平滑控制动态无功功率。六种方式：固定容性、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性＋可变感性、可变容性＋可变感性。常用后两种。知名厂家：瑞士勃朗.鲍微利公司（BBC），瑞典通用电气公司（ASEA），美国通用电气公司（