电力系统分析第五章-新

电力系统分析第五章电力系统无功功率和电压调整第五章电力系统无功功率和电压调整5.1电力系统无功功率的平衡5.2电力系统无功功率的最优分布5.3电力系统的电压管理5.4电力系统电压调整的措施第五章电力系统无功功率和电压调整电力系统中的有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机；无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机和静止补偿器等，分散在各变电所。供应有功功率和电能，必须消耗能源；但无功功率电源一旦设置后，就可随时使用而不再有其它经常性耗费。系统中无功功率损耗远大于有功功率损耗。正常稳态运行时，全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只有调整原动机功率一种。电压水平则全系统各点不同，而且电压调整可分散进行，调压手段也多种多样。凡此种种，使电力系统的无功功率和电压调整与有功功率和频率调整有很大不同。5.1电力系统无功功率的平衡1、电压偏移的基本概念：电网中各节点运行电压值对额定值偏移的大小，即：×电压偏移NNU-U%=100U一、电压偏移及调整电压的必要性2、造成电压偏移的原因：（1）设备及线路压降（2）负荷波动（3）运行方式改变（4）无功不足或过剩5.1电力系统无功功率的平衡4、我国规定的允许电压偏移：35kV及以上电压供电负荷：±5%10kV及以下电压供电负荷：±7%低压照明负荷：+5%～－10%220kV及以上枢纽变电所一次侧母线：－5%～0%3、电压调整的必要性（电压偏移的影响）：（1）效率下降，经济性变差；（2）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘；（3）电压过低，电机发热；（4）系统电压崩溃。5.1电力系统无功功率的平衡1、无功功率负荷：各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功率。因此，无功功率负荷一般以滞后功率因数运行，其值约为0.6～0.9。二、电力系统无功功率负荷和无功功率损耗2、无功功率损耗：变压无损输电线无损电电换装无无补偿装无器的功功率耗路的功功率耗力子流置吸收的功功率感性功置吸收的功功率5.1电力系统无功功率的平衡T0S2220SNTTNNΔQ=ΔQ+ΔQI%U%SSS=UB+XS+U100100S1）变压器的无功功率损耗：励磁支路空载损耗和绕组漏抗中无功损耗假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压US%=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。5.1电力系统无功功率的平衡22221122X2212P+QP+QΔQ=X=XUU22B12BΔQ=-(U+U)222221112LXB21P+QU+UΔQ=ΔQ+ΔQ=X-BU21S2S2BjRjX1U2U122Bj2）输电线路中的无功功率损耗：电力线路上的无功功率损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的损耗与线路电压的平方成正比，呈容性；串联电抗中的损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。5.1电力系统无功功率的平衡三、电力系统的无功功率电源GNGNNGNNQ=Ssin=Ptg发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。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。发电机：发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：5.1电力系统无功功率的平衡同步调相机：相当于空载运行的同步电动机在过励磁运行时：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：从系统吸取感性无功功率而起无功负荷的作用，可降低系统电压。同步调相机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，因而调节性能较好。静电电容器：只能向系统提供无功功率，它所供应的无功功率与其端电压平方成正比。即22CCUQ==UωCX5.1电力系统无功功率的平衡缺点：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，又可分散安装；且每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护方便。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。静止补偿器属“灵活交流输电系统”范畴的无功功率电源，全称为静止无功功率补偿器(SVC)，有各种不同型式：5.1电力系统无功功率的平衡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;5.1电力系统无功功率的平衡GCLDΣΣQ-ΣQ-ΔQ=0＝GCGCGC1C2C3ΣQQ+Q=Q+Q+Q+QΣx1bx2TUΔQ=ΔQ-ΔQ+ΔQ+ΔQ+ΔQ四、电力系统无功功率的平衡系统中无功电源发出的无功功率与系统总的无功负荷（包括负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗两部分）相平衡；即：其中：无功电源发出无功网络中的无功损耗注：进行无功功率平衡计算时，必须保证电力系统的电压水平正常；如果无功平衡不能保证正常电压水平，则电能质量不能保证。5.2电力系统无功功率的最优分布无功功率最优分布分为：无功功率电源的最优分布无功功率负荷的最优补偿☆有功功率损耗∆P∑与系统中各点的注入功率有关，而在有功功率最优分配方案确定之后，各节点的Pi＝PGi－PLDi是已知的，且各节点的负荷无功QLDi是已知的，则∆P∑与各无功功率电源发出的无功QGi有关。一、无功功率电源的最优分布1、目的：在有功负荷最优分配方案确定后，调整各无功功率电源的出力，使全网中总的有功功率损耗∆P∑最小，这就是无功功率电源最优分布的目标函数。5.2电力系统无功功率的最优分布nnG1G2GnGiLDii=1i=1L=ΔP(Q,Q,,Q)-λQ-Q-ΔQG1G2GnΔP(Q,Q,,Q)min目标函数：nnGiLDii=1i=1Q-Q-ΔQ=0等式约束条件：;iminiimaxGiminGiGimaxUUUQQQ不等式约束条件：忽略不等式约束，构造拉格朗日目标函数：2、无功功率电源的最优分布原则――等网损微增率准则5.2电力系统无功功率的最优分布nnG1G2GnGiLDii=1i=1L=ΔP(Q,Q,,Q)-λQ-Q-ΔQGiGiGinnGiLDii=1i=1ΔPΔQL=-λ1-=0QQQL=Q-Q-ΔQ=0λG1G2GnΔPΔPΔP====λQQQ求解可得：不计无功网损时：★这就是等网损微增率准则，此时系统总有功损耗最小。5.2电力系统无功功率的最优分布GiGiΔP1λ=ΔQQ1-Q计及网损时，上述准则照样成立：其中：GiΔPQ表示有功网损对第i个无功电源的微增率；无功功率网损修正系数GiΔQQ表示无功网损对第i个无功电源的微增率。GiGiGiΔPΔQL=-λ1-=0QQQ★实际计算时，当QGi出现越限的情况，即逾越它的上限QGimax或下限QGimin时，可取QGi＝QGimax或QGi＝QGimin。1LD3Q20Ω43220Ω20Ω30ΩLD4QLD2QLD1QC1QC4QC3QC2Q5.2电力系统无功功率的最优分布1LD3Q20Ω43220Ω20Ω30ΩLD4QLD2QLD1Q例题5－2：某60kV的简化等值网络如图所示：各线段电阻已标注在图中，。设无功功率补偿设备的总容量为17Mvar，在不计无功功率网损的条件下，试确定这些无功功率补偿设备容量的最优分布。LD1LD2LD3Q=10Mvar,Q=7Mvar,Q=5Mvar,LD4Q=8Mvar5.2电力系统无功功率的最优分布1LD3Q20Ω43220Ω20Ω30ΩLD4QLD2QLD1QC1QC4QC3QC2Q解：设各无功功率补偿设备的容量为QC1、QC2、QC3、QC4，不计无功功率网损时，无功功率流动引起的有功功率网损∆P∑为：[()()()()][()()2422iiLD2C2LD1C1LD2C222i=1NN22LD4C4LD3C3LD4C422C2C1C22Q1P=R=30Q-Q+20Q-Q+Q-QUU+20Q-Q+20Q-Q+Q-Q1=307-Q+2017-Q-Q60()()]22C4C3C4+208-Q+2013-Q-Q5.2电力系统无功功率的最优分布网损微增率为：()[()()]()[()()]C1C22C1C2C1C22C2C3C42C3C4C3C42C4ΔP40=17QQQ60ΔP1=607Q4017QQQ60ΔP40=13QQQ60ΔP1=408Q4013QQQ60[()()()()]22C2C1C2222C4C3C41P=307-Q+2017-Q-Q60+208-Q+2013-Q-Q5.2电力系统无功功率的最优分布C1C2C3C4ΔPΔPΔPΔP====λQQQQ经校验，越下限0Mvar，因此，置，重新进行分配计算：-C3Q=1.5MvarC3Q=0Mvar按网损微增率相等分配各无功功率补偿设备的容量：-C1C2C3C4Q=3.5Mvar;Q=7Mvar;Q=1.5Mvar;Q=8Mvar解之得：C1C2C3C4Q+Q+Q+Q17Mvar等式约束条件为：[()()()()][()()()]()2422iiLD2C2LD1C1LD2C222i=1NN22LD4C4LD3LD4C4222C2C1C2C422C4Q1P=R=30Q-Q+20Q-Q+Q-QUU+20Q-Q+20Q-+Q-Q1=307-Q+2017-Q-Q+208-Q+0260013-Q按网损微增率相等重新分配剩余各无功功率补偿设备的容量，联立等式约束条件：5.2电力系统无功功率的最优分布()[()()][()()]C1C22C1C2C1C22C2C4C42C4ΔP40=17QQQ60ΔP1=607Q4017QQQ60ΔP1=408Q4013QQ60C1C2C4Q+Q+Q17Mvar网损微增率为：C1C2C3C4Q=3Mvar;Q=7Mvar;Q=0Mvar;Q=7Mvar解之得：经校验，均满足要求。5.2电力系统无功功率的最优分布作业题：已知某简单电力系统如图所示，现准备投资在系统中装设18Mvar的并联电容器进行无功补偿。试确定电容器的最优分布方案（不计无功功率网损）。AZ1=1+j4.165(Ω)Z2=0.5+j2.465(Ω)S1=24+j18(MVA)S2=24+j18(MVA)5.2电力系统无功功率的最优分布二、无功负荷的最优补偿目标函数：eCiCCiC=C(Q)-C(Q)max最优网损微增率准则：ceqCimax(α+γ)KΔP-=γQβτCmax:αγ---K---/kvarβ---/(kWh)τ---其中、分别为折旧维修率和投资回收率单位容量补偿设备投资，元单位电能损耗价格，元全网最大负荷损耗小时数eCiCiCCiCi:C(Q):QC(Q):Q其中设置补偿设备后每年可减小的电能损耗费用设置补偿设备而需耗费的费用5.3电力系统的电压管理一、电力系统电压管理的基本概念1、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。2、电压管理：对电压中枢点的电压进行调整和控制，使其母线电压变化限制在某一给定的范围内，满足负荷电压要求。5.3电力系统的电压管理1、电压波动：二、电压波动及限制措施当负荷发生波动时，使得线路上传送的无功功率发生波动，相应的各节点电压也随之波