孙莹编)第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术

1第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术电力系统电压控制的意义；无功功率的产生、消耗与平衡23产生：有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机；有功功率电源需要消耗能源;无功功率电源工作时基本不消耗能源；运行：由于电网中的线路以及变压器等设备均以感性元件为主，因此系统中无功功率损耗远远大于有功功率损耗。无功功率电源除发电机外，还有调相机、电容器和静止补偿器等，它们分散安装在各个变电所。4电力系统正常稳定运行时，全系统频率相同。频率调整集中在发电厂，调频控制手段只有调整原动机功率一种。调整：电压水平在全系统各点不同，并且电压控制可分散进行，调节控制电压手段也多种多样。5电力系统的电压和频率一样，都是电能质量的重要指标。用电设备只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作效率。当电压偏离额定值较大时，会对负荷的运行带来不良影响。影响产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起电力系统电压崩溃，造成大面积停电。6电力系统电压降低时，为了维持恒定功率，发电机的定子电流增大。A、对发电机和变压器的影响为了使发电机定子绕组不致过热，不得不减少发电机所发有功功率。类似的，电力系统电压降低后，也不得不减少变压器所带的有功负荷。7电压降低，异步电动机的转差率将增大。因而，电动机各绕组中的电流也将增大，温升将增加，效率将降低，寿命会缩短。转差增大转速下降输出功率减少影响锅炉、汽轮机的工作最终影响发电厂所发出的功率。B、对电动机的影响电压降低电动机启动过程增加，可能在启动过程中因温度过高而烧毁。电压偏高将加速设备绝缘老化，影响电动机寿命。8电炉等电热设备的发热量与电压平方成正比，电压降低将大大降低发热量，使效率降低。电压降低时，会使电网中的有功功率损耗和无功损耗增加，过低还会危及电力系统运行的稳定性；C、对电热设备的影响照明负荷，对电压变化反应灵敏。电压过高，白炽灯的寿命将大为缩短；电压过低，亮度和发光效率要大幅度下降。而电压过高，各种电气设备的绝缘会受到损坏，在超高压输电线路中还将增加电晕损耗。D、损耗和绝缘9在事故后运行状态下，由于电力系统部分设备退出运行，电压损耗比正常时大。考虑故障时间较短，电压偏移允许比正常值再多5％，但电压的正偏移不应超过10％。我国规定在正常运行情况下各类用户允许电压偏移为：%710kV及以下电压供电的负荷%535kV及以上电压供电的负荷%5%10低压照明负荷%10%5.7农村电网（正常）%10%15（事故）10同步发电机目前是电力系统中惟一的有功功率电源，它又是基本的无功功率电源。（1）同步发电机它所提供给电力系统的无功功率与同时输出的有功功率有一定的关系，由同步发电机的P-Q曲线决定。11图4-4同步发电机的P-Q曲线SN)(MWP)(MVARQPNQN80404085.0cos8.05.04.012发电机以超前功率因数运行时，定子电流和励磁电流大小都不再是限制条件，而此时并联运行的稳定性或定子端部铁芯发热成了限制条件。当电力系统中有一定备用有功电源时，可以将离负荷中心近的发电机低于额定功率因数运行，适当降低有功功率输出而多发一些无功功率，这样有利于提高电力系统电压水平。13（2）并联电容器•提供无功功率和电压支持最廉价的方法•设在负荷区附近，通过提高受端负荷功率因数可以有效地扩大其电压稳定极限CUXUQCC22（4-6）式中—电容器的容抗；—交流电的角频率;C—电容器的电容量。XC基本工作原理优点：•人工投入，自动切除14•容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，并且可以分相补偿，随时投入、切除部分或全部电容器组，运行灵活。•电容器的有功损耗小（约占额定容量的0.3％一0.5％），投资也节省。•允许附近的发电机在功率因数为1.0附近运行，增加了系统快速响应的无功储备，对电压稳定有利。15•其产生的无功功率正比于电压的平方，在系统低电压期间无功输出反而下降，这是一个恶性循环问题。缺点：•一个大量应用并联电容器补偿无功的系统，电压调节能力反而变差；16静止无功功率补偿器（StaticVARCompensator，简称SVC）是一种发展很快的无功功率补偿装置，其工作原理下图所示。（3）静止无功功率补偿器（SVC）QiUQLCQDQCLQLC)(aICILUUNI容性感性o12)(bUI容性感性oLCI)(c图4-5静止无功补偿器工作原理17静止无功补偿器不仅用于传输网络，而且广泛用于配电系统中。如在大型电动机的启动中应用SVC可以降低电压跌落值；SVC亦可应用于单相负荷入电焊机和电气化铁路供电系统中。18SVC能快速、平滑的调节无功功率的大小和方向，以满足动态无功功率补偿要求，尤其是对冲击性负荷适应性较好。与同步调相机比较，运行维护简单，功率损耗较小，能够作到分相补偿以适应不平衡的负荷变化。其缺点是最大无功补偿量正比于端电压的平方，在电压很低时，无功补偿量将大大降低。19同步调相机是特殊运行状态下的同步电动机，可视为不带有功负荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步电动机。（4）同步调相机及同步电动机当过激运行时，它向电力系统提供感性无功功率；欠激运行时，从电力系统中吸收感性无功功率。因此，改变同步调相机的励磁，可以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。20运行时产生有功损耗，满负荷时，有功损耗为额定容量1.5％～5％，容量越小，有功损耗所占的比重越大。但在欠激状态下运行时，其输出功率为过激运行时输出功率的50％～60％。21高压输电线路，特别是分裂导线，其充电功率相当可观，是电力系统所固有的无功功率电源。（5）高压输电线路高压输电线即产生无功，又消耗无功2CQUB产生无功：2LQIX消耗无功：变化不大随潮流而变传输线无功发出量等于消耗量时所传输的负荷叫波阻抗负荷。22UBIX0xZb各点电压电流都一样，同相位。22（1）异步电动机•负荷中大部分是电动机；象居民区中的空调、冰箱；工业中的各种泵、鼓风机、风扇等。•电动机选择通常是容量过大，约有一半的大马力电动机运行在额定功率的60%以下。•电动机吸收的稳态有功值基本上与电压无关；但无功值对电压水平较灵敏。•当电压开始降低时，无功会瞬时减少；但电压进一步降低时，无功反而增加。23（2）空调和热泵•空调属于电动机一类，但很多空调器不用接触器，所以发生故障和电压下降时不会从系统断开；•电压不稳现象极易发生在气温较高或较低及负荷较重的情况下；•测试表明，当故障清除时间在5周波及以上时，空调在电压降至60%时减速直至失速；•当故障清除更为缓慢时，空调在较高电压便可失速；24（3）放电照明设备•照明可能占到商用负荷的20%；•照明基本上是静态的，但在低电压期间会熄灭；直至电压恢复，在一个短时延迟后重新点燃；•一般有功部分为恒流，无功部分为电压四次方；无功特性有助于电压稳定性•新的电子镇流器、高效率灯和光控设备接近于恒定视在功率负荷；•白炽灯通常被看作具有恒定阻抗特性；250rUsUXsSrSsinsrrUUPXsinsrsUUPX(cos)rsrrUUUQX(cos)ssrsUUUQX无功功率传输主要取决于电压幅值，总是从高电压节点流向低电压节点()ssrsUUUQX()rsrrUUUQX26例：当Us=1.05p.u.，Ur=0.95p.u.，X=0.5p.u.，两端角度差为45度，求两侧无功功率。cos450.7601.05(1.050.950.760)0.6890.5sQ0.95(1.050.7600.95)0.2890.5rQ如果受端不吸收也不反送无功功率，则有cos0srUUcosrsUU25.21不能在大的角度差下传输无功27无功功率传输困难在于：（1）无功功率不能在传输线两端间有大的角度下传输；（2）大量传输无功会导致大的功率损耗和电压损耗；（3）防范“甩负荷”引起的瞬时过电压不能大幅度传输无功28电源所发出的无功功率必须满足负荷与损耗的需要电源供应的无功功率，包括发电机、无功补偿设备供应无功功率，后者又可分为调相机、并联电容器和静止补偿器。QQQLDG（4-1）无功损耗包括三部分：变压器、线路电抗、线路电纳无功损耗。123GGiCCCQQQQQ（4-2）LTXBQQQQ29GUUQPDDjGUXdYDQPDDjXjUEq图4-1电力系统接线图DNQXUU30当电力系统无功功率电源充足，电力系统可在较高电压水平上保持平衡；无功功率输送引起有功损耗及电压损耗，不能远距离输送，无功功率补偿要在负荷中心地区设置。系统层面无功功率平衡外，地区也要基本上达到无功功率的平衡，避免无功电网中大量传输。电力系统电压控制原理经济性◦无功潮流引起的有功损耗应最小；安全稳定性◦电网内各点电压都应在允许范围内；◦电网应具有足够的无功功率余量；一、电压控制总原则基于分层和分区基本平衡的原则进行控制无功无法远距离大规模传输UGK1:11:2KUB　　　　　　　　　　　　　jQPjXR图4-6电力系统电压控制原理图1212BGGNPRQXUUUUKKKKU控制负荷点电压可采取以下控制方式◦控制发电机励磁电流；◦控制变压器变比；◦改变输送功率分布P+jQ（主要是Q）◦改变网络参数R+jX（主要是X）12NGBPRQUKUUXK12BGNPRQUKXUUK12BGNQPRXUUKKU12BGNPRQUUKUXK原理：◦控制发电机励磁电流，可以改变发电机的端电压；限制因素：◦发热；◦绝缘；◦发电机在端电压偏离额定值不超过±5％范围运行；◦对于由发电机直接供电的小系统，供电线路不长，可采用发电机直接控制电压方式。特点：不需要增加额外设备，是最经济的控制电压措施，可以优先考虑。输电线路较长、多电压等级的网络，并且有地方负荷的情况下，仅仅依靠发电机控制调压不能满足要求。在由多台发电机供电系统中，改变并联发电机母线电压会引起无功功率重新分配；在大型电力系统中仅仅作为一种辅助性的控制措施。为什么分接头设在高压侧？容量为6300kVA及以下的变压器，高压侧有三个分接抽头，分别为1.05、1、0.95倍的额定电压。容量为8000kVA及以上的变压器，高压侧有五个分接抽头，分别为1.05、1.025、1.0、0.975、0.95倍的额定电压。115%/6.3kV3522.5%/11kV12181.25%/11kV示例：变压器调压特点：以全系统无功功率电源充足为基本条件；本质上是改变无功功率分布；当无功电源不足时，仅依靠改变变压器变比不能达到理想调压效果。U1U21:KjQPjXRTT图4-7降压变压器系统图原则：在不同的负荷情况下，满足调压要求；目标：确定高压侧分接抽头。变压器分接抽头的选择1()/TTTUPRQXU21()/TUUUK12/tNKUU1122TtNUUUUU不同负荷时电压发生变化，但分接抽头固定。根据U1tav选择一个与它最接近的分接抽头，再校验最大负荷和最小负荷时低压母线实际电压是否符合要求。1max1max1max22max1min1min1min22mintTNtTNUUUUUUUUUU然后取它们的平均值，即11max1min2tavttUUU例降压变压器参数、负荷、分接抽头已标明；高压侧最大负荷时电压为110kV，最小负荷时电压为113kV，相应负荷低压母线允许电压上下限为6～6.6kV，试选择变压器分接抽头。110~113KV31.5MVA11022.5%/6.3maxmin2814106jjSS2.4440j解：首先计算最大、最小负荷时变压器电压损耗：kVUkVUTT34.211340644.2107.5110401444.228minmax