《电力系统分析》_第6章

电力系统分析PowerSystemAnalysis(六、电力系统的无功功率和电压调整)主讲人：田行军[e-mail]2019/8/2第六章电力系统的无功功率和电压调整主要内容1、无功负荷和无功电源及无功功率平衡3、电压的调整2、无功功率的经济分布:无功电源的最优分布和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）§6.1电力系统中无功功率的平衡因此，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§6.1电力系统中无功功率的平衡电压是衡量电能质量的重要指标。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。1．无功功率负荷一、无功功率负荷和无功功率损耗白炽灯：纯有功同步电动机：可发无功异步电动机：吸收无功§6.1电力系统中无功功率的平衡2．变压器的无功损耗22LT0TTT220NN%%100100kNSQQQUBXUIUSUSSU假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压Uk%=10.5，在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的13%。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值是相当可观的。绕组漏抗中损耗励磁支路损耗§6.1电力系统中无功功率的平衡3．输电线路的无功损耗图6-3输电线路的π型等值电路1U2U222211222212LPQPQQXXUU2212()2BBQUU线路的无功总损耗为22221112212LBPQUUQQXBU一般情况下，35kV及以下系统消耗无功功率；110kV及以上系统，轻载或空载时，成为无功电源，传输功率较大时，消耗无功功率。§6.1电力系统中无功功率的平衡二、无功功率电源电力系统的无功功率电源有发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器，后三种装置又称为无功补偿装置。1、发电机发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：GNGNNGNNsintanQSP§6.1电力系统中无功功率的平衡2.同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时(欠励磁最大容量只有过励磁容量的(50%~65%))，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。它能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取）的无功功率，进行电压调节。因而调节性能较好。§6.1电力系统中无功功率的平衡缺点：同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂；有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的1.5~5%，容量越小，百分值越大；小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设。同步调相机常安装在枢纽变电所。§6.1电力系统中无功功率的平衡静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的平方成正比，即缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。QC=U2/XC3.静电电容器§6.1电力系统中无功功率的平衡静止补偿器由静电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，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。4.静止补偿器§6.1电力系统中无功功率的平衡图6-5静止无功补偿器的原理图(a)可控饱和电抗器型；(b)自饱和电抗器型；(c)可控硅控制电抗器型；(d)可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型§6.1电力系统中无功功率的平衡三、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§6.1电力系统中无功功率的平衡电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。§6.1电力系统中无功功率的平衡无功不足应采取的措施:电力系统的无功功率平衡应分别按正常运行时的最大和最小负荷进行计算。经过无功功率平衡计算发现无功功率不足时，可以采取的措施有：(1)要求各类用户将负荷的自然功率因数提高到现行规程规定的数值。(2)挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。(3)根据无功平衡的需要，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。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。§6.1电力系统中无功功率的平衡四、无功功率平衡和电压水平的关系问题：在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡。图6-7无功平衡与电压水平异步电机无功发电机无功§6.2电力系统中无功功率的最优分布无功功率的最优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—无功经济当量一、无功功率电源的最优分布目标函数：ΔPΣ=ΔPΣ(QGi)目的：降低网络中的有功损耗等约束条件：GL1=10nmiiijQQQ不等约束条件：GminGGmaxminmaxiiiiiiQQQUUU拉格朗日函数：GGL1=1()()nmiiiijLPQQQQ无功平衡§6.2电力系统中无功功率的最优分布最优分布——求拉格朗日函数的极值：GGGGL11(1)00,1,2...0iiinmiiijPQLinQQQLQQQ可改写为：GGGG1111ijijPPQQQQQQ无功网损微增率有功网损微增率无功网损修正系数二、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§6.2电力系统中无功功率的最优分布一般的原则是：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§6.2电力系统中无功功率的最优分布例题：如图，有功功率两电厂均分，求最优无功分配解：10.10j0.40Z20.04j0.08ZLLLj1.2j0.7SPP110U21.0U11jPQ22jPQ1222222222112212112222()0.10()0.04PQPQPRRPQPQUU22222222112212112222()0.40()0.08PQPQQXXPQPQUU121212120.200.080.800.16PPQQQQQQQQQQ§6.2电力系统中无功功率的最优分布121212120.20.081110.810.1611PPQQQQQQQQQQ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：12L2222120(0.6)0.40(0.6)0.08QQQQQQQ不计无功网损修正时：12PPQQ得：Q1≈0.268，Q2≈0.67010.10j0.40Z20.04j0.08ZLLLj1.2j0.7SPP110U21.0U11jPQ22jPQ12§6.2电力系统中无功功率的最优分布三、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）0max()()eciCQPP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:()()ccicciCQKQ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)§6.2电力系统中无功功率的最优分布结论0max()()cciCPPKQcccmax()0iiKPCQQceqmax()Kr最有网损微增率（也称无功经济当量）最优网损微增率准则：ceqcmax()iKPrQ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ciPQ最小的开始令：为最小§6.3电力系统的电压调整一、系统电压偏移的原因及影响（电压调整的必要性）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PRQXUU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§6.3电力系统的电压调整2、偏移的影响（电压调整的必要性）①电压过低发电机：U↓，功率角δ↑，定子电流I↑→发电机过热异步电机：U↓，转差率σ↑，各绕组I↑，温升↑和η↓，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§6.3电力系统的电压调整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%不可能控制所有的节点电压，选定某些有代表性的节点－中枢点来进行管理。§6.3电力系统的电压调整二、电压波动和中枢点的电压管理电压波动：周期短，影响范围小。冲击或间歇性负荷引起。（1）线路串联电容器；（2）单独供电；（3）串联电抗器加调相机；（4）加装无功补偿设备。解决措施：电压中枢点：指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）。电压管理：周期长，影响范围大。生活生产规律，气象条件等影响。§6.3电力系统的电压调整1．电压中枢点的选择（1）大型发电厂的高压母线；（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。一般可选择下列母线作为电压中枢点：图电力系统的电压中枢点例：中枢点中枢点§6.3电力系统的电压调整2．中枢点电压和负荷电压的关系图负荷电压与中枢点电压中枢点i的电压满足:Uimin≤Ui≤UimaxUiminUimaxmaxUminUminUmaxU§6.3电力系统的电压调整中枢点i的最低电压Uimin等于在地区负荷最大时某用户允许的最低电压Umin加