第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术

电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术电压控制：电压就是控制目标，即通过控制电力系统中的各种因素，使电力系统电压满足用户、设备和系统运行的要求。无功功率控制：指的是控制手段，即通过控制无功功率的分布，实现某种控制目标。一般是“电压水平合格”，“提高电网稳定性”，“提高经济性”。第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术频率调整:1全系统频率相同2调发电机3消耗能源4集中控制5调进汽量电压调整：1电压水平各点不同2调发电机、调相机、电容器和静止补偿器等3不消耗能源4电压控制分散进行5调节手段多种多样电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术1、控制电压的必要性A：从用户角度，影响用户设备的安全，降低用电设备效率和性能，影响用户的生产、生活。•异步电动机的转矩与端电压的平方成正比。电压下降－转矩下降－转速下降－滑差增大－输出功率下降－电流上升－发热增加，同时还可能带来产品质量下降等问题；•电炉功率与电压的平方成正比，电压下降－功率不足；•照明设备：电压过高－寿命缩短，电压过低－发光能力下降；•变压器等电磁设备：电压过高－磁通饱和－激磁电流上升－过流发热。•电压过高，造成绝缘击穿，影响设备的使用寿命。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术B：从系统角度，可能影响系统安全稳定，影响整个系统运行的经济性：•负荷中的异步电动机在电压降低时，滑差增大，功率因数降低，使吸收无功功率增加，导致电压进一步降低。这样的一个反馈过程，有可能造成电压失稳问题。电压水平影响电网损耗：传输相同的有功功率，电压下降－电流升高－线损增加；因此，无功功率控制是实现电力系统经济调度的一个重要方面。随着电力市场的逐步推进，供电企业角色的转变，不仅要连续供电，而且要供好电，用户对供电质量的要求越来越高，电能质量也将逐步成为供、用电双方合同内容的一部分，而电压是电能质量最重要的指标之一。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术2、电力系统的无功电源:电力系统的无功电源，除了发电机之外，还有同步调相机，静电电容器、静止无功补偿装置和静止无功发生器。GNGNNGNNsintgQSP（1）发电机发电机是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。发电机在额定状态下运行时，可发出的无功功率电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术（2）调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。当它的转子励磁电流刚好为某一特定值时，它发出的无功功率恰好为零。这时仅从电网中吸收少量的有功功率用来克服机械旋转阻力，维持同步速度空转。当转子励磁电流大于此特定值时，称为过励磁。向系统供给感性无功功率起无功电源的作用。在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率起无功负荷作用。同步调相机运行维护比较复杂，一次性投资较大。它的有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的1.5%～5%，容量越小，百分值越大。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术（3）静电电容器静电电容器只能向系统供给无功功率。所供无功功率QC与所在节点的电压U的平方成正比。当节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小。因此，当系统发生故障或由于其他原因而导致系统电压下降时，电容器的无功输出反而比平常还少，这将导致电压继续下降。调节能力较差。2222πCCUQCUfCUX电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术（4）静止无功补偿器静止补偿器(StaticVarCompensator,SVC)，由电力电容器与电抗器并联组成。LCLsCs图7-2饱和电抗器型静止补偿器(a)原理图；(b)伏安特性UIOICILIA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,就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。1.由饱和电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术2.由晶闸管控制电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器(TCR+FC)3.由晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器并联组成的静止补偿器(TCR+TSC)CLs图7-3晶闸管控制电抗器型静止补偿器LCLs图7-4晶闸管投切电容器型静止补偿器LCLsCLsCLs电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术(1)电压降低时，SVC输出无功电流减小，而STATCOM仍然可以产生较大的电容性电流，即STATCOM输出的无功电流与电压无关；(2)STATCOM有较大过负荷能力，GTO开断容量可达120%~180%稳态额定容量。(3)可控性能好，其电压幅值和相位可快速调节。(4)STATCOM的谐波含量可以比同容量SVC的低。图7-5静止无功发生器原理图++++++（5）静止无功发生器使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿器称为静止补偿器(StaticCompensator，STATCOM)，或称为静止无功发生器(SVG)。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术3、电力系统中的无功负荷和无功损耗（1）电力系统的无功负荷包括异步电动机、同步电动机、电炉和整流设备等。其中异步电动机占的比重较大、消耗的无功功率较多，也就是说，系统中大量的无功负荷是异步电动机，因此，系统无功负荷的电压特性，主要取决于异步电动机的无功静态电压特性。QU00.70.80.91.0β=0.3β=0.6β=0.8图7-6异步电动机无功功率与电压关系QQQmMmmXUQ2XIQ2电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术（2）电力系统的无功损耗a.变压器的无功损耗T0kQQQ00N%100IQS2kkNN%100USQSSb.输电线路的无功损耗输电线路的无功功率损耗包括并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的无功功率与线路电压的平方成正比，呈容性，又称为线路的充电功率；串联电抗中的无功功率损耗与负荷电流的平方成正比,呈感性。这两部分功率是互为补偿的。线路是呈容性以无功电源状态运行，还是呈感性以无功负载状态运行，应视具体情况而定。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术4、影响电力系统电压的主要因素（1）电力系统的无功电压关系无功功率平衡方程：ΣQG＝ΣQD＋ΣQLΣQG－无功功率电源ΣQD－无功功率负荷ΣQL－无功功率损耗电力系统中，上述关系式在任何时候都是成立的，关键是成立时的电压水平如何。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术A、电源的无功电压关系同步发电机是系统中最主要的电源设备，故电力系统无功电源与电压的静态特性可由同步发电机的无功电压特性获得：同步发电机输出的无功功率和电压关系简化公式：)cos(UEXUQqG注：U为负荷电压。Eq为感应电动势，由发电机励磁电流决定。δ为发电机功角，一般δ很小1cosEIUjXjQP0UEIjXI图7-7无功功率与电压的关系(a)等值电路图；(b)相量图(a)(b)q电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术异步电动机负荷在电力系统无功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Qm—异步电动机激磁功率，与异步电动机的电压平方成正比Qσ—异步电动机漏抗Xσ的无功损耗，与负荷电流平方成正比。XIXUQQQmmD22B、负荷的无功电压关系电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术说明：•曲线1、2的交点确定了节点的电压值UA，电力系统在此电压水平下达到无功功率平衡。•无功负荷功率增加，使曲线1转移至1’，曲线交点变为A’，电压下降；若提高UG，则使曲线2转移至2’，达到新平衡点为C。与A相比，新平衡点电压相同，但是发电机无功出力增加，机端电压升高。C、运行电压分析电力系统和无功功率电压的静态特性电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术（2）影响电力系统电压的主要因素以一个单机单负荷的简单系统为例，推导负荷侧电压公式b电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术假设系统不含变压器，以负荷侧电压Ub为正方向，推导线路末端的电压降落：)(*WYbbjIIUIUjQPSZIU)()(jXRjIIWY)(jXRUjQPbbbUQRPXjUQXPRbbUjU其中，为电压降落的纵分量。bbUQXPRUbbUQRPXU为电压降落的横分量。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术相量图为：电流的有功功率分量在感抗上产生的电压PX/Ub和无功分量在电阻上产生的电压－QR/Ub，均与受端电压Ub垂直，两者之和等于横分量，由于两者方向相反，相互抵消后再与Ub垂直相加，故对电压Ub的影响较小；而电流的无功功率分量在感抗上产生的电压QX/Ub和有功分量在电阻上产生的电压PR/Ub，均与受端电压Ub同向，两者之和等于纵分量，由于两者均与Ub同向，所以能够最大程度地影响Ub。bbbG电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术2121//)(KUQXPRKUKUKUUbGGb考虑变压器后，经过同样的推导，负荷端的电压公式如下：近似计算及结论：由上可知，电压损耗主要由电压降落的纵分量决定，受横分量影响较小，故工程上近似计算时常常略去横分量不计，即：bbUQXPRUbbUQXU由于在高压电网中的各元件阻抗（发电机，变压器，输电线路）均是感抗远大于电阻，通常在简化分析与计算中，将电阻忽略而只考虑感抗的作用，即：电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术•从上述分析可得，影响负荷端电压的因素有：发电机端电压UG或Eq变压器变比K1,K2负荷节点的有功、无功负荷P＋jQ电力系统网络中的参数R＋jX因此，为了有效控制电力系统中的电压，就可以针对上述因素进行设计。其中，根据前面推导过程得出的结论，无功功率的分布起着决定性的作用。2121//)(KUQXPRKUKUKUUbGGb电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术5、电力系统电压控制的主要方法概述注意：这里所指的电压控制，主要指控制负荷点的电压。（1）控制原则：．无功功率分层、就地、就近平衡；超高压电网中，XR，因此I2XI2R，即无功损耗要远远大于有功损耗，而无功负荷和无功损耗又是造成电压下降的主要原因。因此，无功功率是无法远距离传输和跨越变压器补偿的，这就决定了无功功率必须遵循分层、就地、就近平衡的原则。无功功率就地平衡就是无功功率分层、分区就地平衡，是指在按电压等级所形成的层面内，各个分区范围内无功功率都要实现自给自足，与相邻的区域没有无功功率交换。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术任何一个负荷点电压的调整都应当依靠当地的无功功率资源进行，不应当依靠相邻站点的无功功率支援。具体的办法是在各负荷点装设电容器组、调相机、静止补偿器等无功功率电源，尽量使无功功率就地平衡。当无功功率就地平衡不能实现时，则应考虑无功功率就近平衡的原则。．确保稳定性：深入分析负荷特点，做好负荷预测，通过运行计划优先利用动态响应慢的控制手段，将快速控制手段留作备用。．兼顾经济性：合理安排电网中的无功电源和补偿装置的配置及运行计划，降低整个系统运行时的线损，提高系统运行的经济性。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术5、电力系统电压控制的主要方法概述（2）控制手段简介：针对各种影响节点电压的因素，电压控制方法无非以下几种：•控制发电机端电压UG：通过控制励磁电流控制发电机端电压。同步发电机是电力系统的主要无功电源，通过调节发电机的励磁电流可以调节发电机的端电压及其输出的无功功率。电力系统自动化第四章电力系统电压和无功功率控制技术•控制变比K1和K2：通过变压