第12章电力系统的无功功率平衡和电压调整ppt课件.ppt

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1、电力系统分析 ( II ),Huazhong University of Science and Technology,石东源,2011-2012学年度第二学期2012.2.212012.4.17,电力系统的无功功率平衡无功负荷和无功电源及其无功电压特性无功功率平衡与电网电压水平的关系电压调整的基本概念允许电压偏移中枢电压管理电压调整的措施调压措施的应用,Huazhong University of Science and Technology,CH12 电力系统的无功功率 平衡和电压调整,电力系统的无功功率平衡和电压调整概述,电压是衡量电能质量的一个重要指标质量合格的电压应该在以下四个方面都

2、能满足有关国家标准规定的要求： 供电电压偏移 电压波动和闪变 电网谐波 三相不对称程度,电力系统的无功功率平衡和电压调整概述,电压合理的重要性：对设备：V 引起效率下降、经济性能变差，影响生活质量：照明； 缩短寿命，甚至造成损坏：白炽灯、电动机、绝缘； 降低生产率，出废品、次品对电力系统：电压降低：会使网络中功率和能量的损耗加大； 电压过低：有可能危及电力系统的运行稳定性； 电压过高：各种电气设备的绝缘可能受到损害， 在超高压网络中还将增加电晕损耗等,电力系统的无功功率平衡和电压调整概述,允许的电压偏移（严格保证电压经济上不可行，也没有必要）35kV及以上：5%10kV及以下：7%低压照明：

3、+7%，-10%农村电网： +15%，-10%（+10%，-15%）合理的无功功率源配置是保证电压合理的关键,12.1 电力系统的无功功率平衡1. 无功功率与电压的关系,无功功率对电压水平有决定性的影响，是引起电压损耗的重要因素,在高压网络中，X R，当Q与P可比时，电压降落的绝大部分为QX项，如果减少Q，则可以大大减少电压损耗。,无功功率的远距离传输和就地平衡,12.1 电力系统的无功功率平衡1. 无功功率与电压的关系,节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用,忽略 R,12.1 电力系统的无功功率平衡1. 无功功率与电压的关系,节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用,当 P 和

4、E 为定值时，Q(V) 特性曲线为下开口抛物线，如右图,调节励磁电流，改变 E 可调整 Q(V) 特性,12.1 电力系统的无功功率平衡1. 无功功率与电压的关系,节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用,系统无功电源充足，可以满足较高电压水平下的无功功率平衡系统无功电源不足，运行电压水平偏低系统无功电源过剩，运行电压水平偏高节点电压有效值的大小对于无功功率分布起决定作用,12.1 电力系统的无功功率平衡1. 无功功率与电压的关系,无功功率平衡与电压水平的关系-Ex12-2,12.1 电力系统的无功功率平衡2. 无功功率平衡,无功功率平衡的基本概念,系统无功电源容量大于无功负荷与无功损耗之

5、和，具有备用容量,无功电源总出力包括发电机无功功率和各种无功补偿设备的无功功率,发电机无功功率按额定功率因数计算,无功损耗包括包括变压器的无功损耗、线路电抗的无功损耗和线路电纳的无功功率,无功负荷按照负荷有功功率和功率因数计算35kV及以上工业负荷：其它负荷：,12.1 电力系统的无功功率平衡2. 无功功率平衡,无功功率平衡的基本要求,无功电源的无功输出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系统还必须配置一定的无功备用容量尽量避免无功大容量远距离传送，应该分地区、分电压级、就地进行无功功率平衡。“调余补缺”对于无功功率不适宜。一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方式计算无功平

6、衡，必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡,12.1 电力系统的无功功率平衡2. 无功功率平衡,无功功率平衡的实现,无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。 一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户等各种对无功平衡有影响的因素一般无功功率按照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电容器；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SVC,超高压线路并联高压电抗：90%QB变电站低容低抗、配电网电容补偿,12.1 电力系统的无功功率平衡3. 无功

7、功率负荷,（1）异步电动机：是电力系统主要的无功负荷等值电路,因为异步电动机在电力系统负荷（特别是无功负荷）中占比重很大，系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定,异步电动机的无功功率和有功功率,异步电动机的无功电压特性,受载系数,负载不变电压降低无功损耗反而升高,受饱和影响，励磁功率稍高于二次曲线,12.1 电力系统的无功功率平衡3. 无功功率负荷,（2）变压器的无功损耗,变压器的无功损耗,变压器等值电路,（3）输电线路的无功损耗,输电线路的无功消耗,输电线路等值电路,35kV线路充电功率很小，线路消耗无功功率；110kV及以上线路轻载时为无功电源，重载时消耗无功功率。,12.1 电力系统

8、的无功功率平衡4.无功功率电源,发电机同步调相机静电电容器 静止无功补偿器 静止无功发生器,12.1 电力系统的无功功率平衡4.无功功率电源,（1） 发电机P-Q极限,受额定励磁电流（空载电势）限制，以O点为圆心，OC为半径,进相运行的静态稳定约束和定子绕组端部温升,受定子额定电流（额定视在功率）限制，以A点为圆心，AC为半径,OC空载电势 EOA机端电压 VNAC发电机电抗压降，正比于视在功率；AD正比于机端有功功率AB正比于机端无功功率DC原动机输入功率（额定有功功率）约束,讨论发电机在非额定功率因数下的无功功率：隐极机联接在恒压母线上,额定状态下：,12.1 电力系统的无功功率平衡4.无

9、功功率电源,旋转元件，运行维护复杂；有功损耗较大，满负荷时约为额定容量的1.5%5%，容量越小，比例越大；小容量机组投资费用高（每kVA），仅利于集中大容量使用；响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求；20世纪70年代后，逐渐为静止无功补偿器取代。,（2）同步调相机过励磁运行，向电网输出感性无功功率；欠励磁运行，从电网吸收感性无功功率；欠励磁最大容量为过励磁容量的50%65%；可实现无功电压连续调节；具有强励功能，有利于在系统故障时提高稳定性。,12.1 电力系统的无功功率平衡4.无功功率电源,（3）静电电容器输出无功与节点电压平方成正比，无功功率调节性能较差（V，Q）；装设容量可大可小，既

10、可集中安装，亦可分散安装；单位容量投资费用较小，与总容量无关；运行损耗小，约为额定容量的 0.3%0.5%；无旋转元件，运行维护方便；可根据负荷变化，分组投切电容器，实现补偿功率的分级调节（不连续）；是目前电网中广泛采用的无功补偿技术；工程上遇到由于谐波引起的电容器损坏事故较为突出，值得关注。,12.1 电力系统的无功功率平衡4.无功功率电源,（4）静止无功补偿器 SVC（Static Var Compensator）: 由静电电容器与电抗器并联组成，可平滑地改变 输出或吸收的 Q，1970以来SVC在国外已被大量采用，在我国电力系统中1990以来也逐步得到了广泛应用静止无功补偿器饱和电抗器型

11、静止补偿器,电容CS：V-I 特性斜率调整；,饱和电抗器,12.1 电力系统的无功功率平衡4.无功功率电源,静止无功补偿器晶闸管控制电抗器型静止补偿器,TCR 支路正负半周内部分导通等值电感可连续调节有谐波,12.1 电力系统的无功功率平衡4.无功功率电源,静止无功补偿器晶闸管投切电容器型静止补偿器,TSC：整周波投切，不产生谐波分级调节快速响应,12.1 电力系统的无功功率平衡4.无功功率电源,（5）静止无功发生器 SVG（Static Var Generator），又称为：STATCOM（静止同步补偿器）、STATCON（静止调相机）,与SVC相比，响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量

12、更少电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流储能电容的容量远小于装置无功容量,12.2 电压调整的基本概念,电压偏移过大的危害电压偏低对系统和用户的影响电动机输出转矩降低或定子电流增大，失速甚至停转；电热设备生产效率降低照明光线不足，影响人的视力网络功率和能量损耗增加降低系统运行的稳定性电压偏高对系统和用户的影响电气设备绝缘受损，寿命缩短超高压网络电晕损耗,允许电压偏移35kV及以上供电电压：正、负偏移的绝对值之和不超过10%VN；上下偏移同号时，按较大偏移绝对值衡量10kV及以下三相供电电压：7%VN220V单相供电电压（低压照明）： +7% -10%VN农村电网： +15% -10%VN （

13、+10% -15%VN）,12.2 电压调整的基本概念,中枢点的电压管理中枢点：电力系统中重要的供电点（电压支撑点）。电力系统中负荷点数目众多又很分散，有必要选择一些有代表性的节点，这些点的电压质量符合要求，其它各点的电压质量也能基本满足要求区域性水、火电厂高压母线枢纽变电所的二次母线有大量地方负荷的发电机电压母线中枢点电压允许变化范围确定：中枢点向两个负荷点供电 中枢点向多个负荷点供电 如果中枢点是发电机母线 在任何时候，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围应有公共部分,中枢点电压允许变化范围确定中枢点向两个负荷点供电,12.2 电压调整的基本概念,中枢点,允许变化范围,对中枢点电压变化范围

14、的要求,12.2 电压调整的基本概念,中枢点电压允许变化范围确定中枢点向两个负荷点供电,中枢点,允许变化范围,对中枢点电压变化范围的要求,A、B两点的电压有10的允许变化范围两处负荷大小和变化规律不同两段线路的电压损耗值及变化规律亦不相同为同时满足两负荷点的电压要求，中枢点电压的允许变化范围大大缩小：最大7，最小仅1,12.2 电压调整的基本概念,中枢点电压允许变化范围确定中枢点向多个负荷点供电,一般选择电压最高点和电压最低点来确定中枢点电压。地区负荷最大时，电压最低的负荷点的允许电压下限电压损耗作为中枢点的最低电压；地区负荷最小时，电压最高的负荷点的允许电压上限电压损耗作为中枢点的最高电压。

15、,中枢点电压允许变化范围确定中枢点为发电机母线,除了上述要求外，还应受厂用电设备和发电机的最高允许电压、保持系统稳定的最低允许电压的限制。,中枢点电压允许变化范围确定各负荷点所要求的中枢点电压允许变化范围应有公共部分。若不行，则需要采取附加措施，如在负荷点装设调压设备。,12.2 电压调整的基本概念,中枢点的电压管理调压方式逆调压供电线路较长、负荷变动较大的枢纽变电站大负荷时，线路电压损耗大，提高中枢点电压，使负荷点电压不至太低；小负荷时，线路电压损耗小，降低中枢点电压，使负荷点电压不至太高；考虑发电机电压一定，大负荷时中枢点电压会低一些，小负荷时则高一些，这种电压的自然变化规律与逆调压的要求

16、相反，因此，逆调压要求较高，实现的难度较大。,12.2 电压调整的基本概念,中枢点的电压管理调压方式顺调压供电距离较近，负荷变动较小的枢纽变电站大负荷时，允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的102.5%；小负荷时，允许中枢点电压高一些，但不高于线路额定电压的107.5%。,恒调压任何情况下，维持中枢点电压大约恒定，一般较线路额定电压高2%5%。,12.3 电压调整的原理和措施,电压调整的基本原理调节励磁电流改变 VG适当选择变压器变比 k改变线路参数改变无功功率分布,电压调整的措施发电机调压改变变压器变比调压无功补偿调压采用静电电容器采用同步调相机串联电容器补偿调压,多级变压供电系统的

17、电压损耗分布与发电机调压机端电压允许偏移：5%VGN，可采用逆调压复杂电力系统中，发电机调压一般作为辅助性调压措施,35%,15%,12.3 电压调整的原理和措施,改变变压器变比调压,改变变压器变比可以升高或降低次级绕组的电压。改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择分接头,降压变压器分接头的选择 升压变压器分接头的选择,调压分接头在高压绕组（双卷变），高压/中压绕组（三卷变） 对应额定电压的分接头为主接头 6300 kVA及以下 3个分接头 0.5% 8000 kVA及以上 5个分接头 22.5%,12.3 电压调整的原理和措施,改变变压器变比调压降压变压器分接头选择,根据计算得到

18、的分接头电压选择最接近的变压器分接头验算实际电压是否满足要求,k:1,12.3 电压调整的原理和措施,改变变压器变比调压升压变压器分接头选择,根据计算得到的分接头电压选择最接近的变压器分接头验算实际电压是否满足要求,12.3 电压调整的原理和措施,改变变压器变比调压降压变压器分接头选择,升压变压器分接头选择,k:1,根据计算得到的分接头电压选择最接近的变压器分接头验算实际电压是否满足要求,12.3 电压调整的原理和措施,改变变压器变比调压Ex 12-3 （降压变）,Ex 12-4（升压变）,顺调压,逆调压（发电机）,12.3 电压调整的原理和措施,改变变压器变比调压采用固定分接头的变压器调压，

19、电压损耗不会改变，负荷变化时次级电压变化幅度也不会改变如果电压损耗超过分接头可调整范围（5%），或者调压要求与实际的相反（如逆调压），采用普通变压器的分接头调整将无法满足调压要求采用有载调压方式，可根据负荷状态确定合适分接头，从而缩小次级电压变化幅度，甚至改变电压变化趋势可用于有载调压的有：有载调压变压器和加压调压变压器有载调压变压器：可带负载调节分接头，分接头调节范围比较大加压调压变压器：与主变压器配合使用，相当于有载调压变压器,系统无功不足时，不宜采用改变变压器变比 K 调压的方法。,12.3 电压调整的原理和措施,利用无功补偿调压,补偿容量与调压要求和变压器变比选择均有关变比 k 选取原

20、则：满足调压要求的前提下，使得无功补偿容量最小,低压配电线路和电缆线路，RX，PR/V占电压损耗较大，无功补偿调压效果一般；,12.3 电压调整的原理和措施,利用无功补偿调压静电电容器最小负荷时，无电容器补偿，确定变压器分接头位置；最大负荷时，全部电容器投入，按调压要求确定补偿容量,利用无功补偿调压同步调相机最小负荷时，调相机按(0.50.65)额定容量欠励磁运行；最大负荷时，调相机按额定容量过励磁运行,按计算的 k 选择分接头，再计算实际的 k ，然后计算实际的调相机容量 QC 。,12.3 电压调整的原理和措施,线路串联电容补偿调压,串联电容器提升末端电压：QX/V 随无功负荷增大而增大，

21、与调压要求一致功率因数高或 R 大的线路，由于电压损耗中QX/V分量小，调压效果不明显,12.3 电压调整的原理和措施,线路串联电容补偿调压,确定串联电容器台数及总容量,12.3 电压调整的原理和措施,线路串联电容补偿调压,Ex 12-6 一条 35kV 的线路，R+jX=(10+j10)，输送功率 P+jQ=(7+j6)MVA，线路首端电压为35kV，欲使线路末端电压不低于33kV，求串联补偿容量。,12.3 电压调整的原理和措施,线路串联电容补偿调压电压减少百分比 V % 补偿度：串联补偿安装的位置：单负荷时，安装于末端：避免始端的电压过高和大短路电流； 多负荷时，安装于1/2电压降落处,

22、KC 1, 过补偿KC =1, 全补偿,KC 越大，改善电压质量的效果越好 功率因数越小，Q 越大，调压效果越好 线路 R/X 越小，调压效果越好,12.3 电压调整的原理和措施,按调压要求选择导线截面调压适用：低压电力网，V 中 PR/X 分量较大单负荷时：对于给定电压等级，单位长度电抗值随导线截面变化的变化不大 610kV，x=0.36/km 0.38kV，x=0.33/km,单位：s：mm2：mm2/kml：km,12.3 电压调整的原理和措施,按调压要求选择导线截面调压适用：低压电力网，V 中 PR/X 分量较大多负荷时：讨论：全线等面积，等电流密度，金属消耗量最小。,12.3 电压调

23、整的原理和措施,各种调压措施的简要述评发电机调压不需增加费用，是发电机直接供电的小系统的主要调压手段；多机系统中，调节任一台发电机励磁电流，会引起发电机间无功功率重新分配，应根据发电机与系统连接方式和承担有功功率情况，合理确定调压整定值；系统无功电源充足时，可通过改变变压器变比进行调压，电压变化幅度较大或要求逆调压时，宜采用变压器有载调压方式；系统无功不足时，不宜采用改变变压器变比的方式调压；并联电容器和串联电容器补偿的作用在于减少电压损耗的QX/V分量；只有该分量占比重较大时，调压效果才明显；并联电容补偿和串联电容补偿需要增加设备费用，并联补偿可以减小网损。,12.3 电压调整的原理和措施,

24、关于改变变压器变比调压的物理解释k =1.0：变压器PI型等值电路两侧并联支路导纳为零，不吸收任何功率；k 1.0（降低二次侧电压）：与上述情况刚好相反，变压器从二次侧系统吸收无功功率，并将其传送到一次侧系统,12.4 调压措施的应用（复杂电力系统综合调压）,前面讨论的均为简单情况，如假定一端电压恒定复杂系统调压的复杂性 各个负荷的变化规律不同，各变电所的电压变化情况也不一样相互影响有功功率损耗随无功功率分布变化而变化。充足的无功功率的重要性无功补偿使全系统感性无功补偿容量与系统最大负荷之比 0.7-0.8220kV以上的超高压电力网，低谷时无功功率平衡。充电电容所发生的感性无功功率大于线路电

25、抗所消耗的Q，可能出现过电压，发电机允许高功率因数运行甚至进相运行，变电所装设同步调相机或SVC，或并联电抗器,12.4 调压措施的应用（复杂电力系统综合调压）,无功功率的分层就地平衡，避免无功功率的远距离传输不同电压等级间不交换无功功率220kV，0.951.0110kV，0.91.0 综合考虑调压、经济分布，事故应对等措施，各种调压设备的综合控制调压目标不是单纯的：在电压安全的条件下经济性能最好。(手段众多)在电压安全的条件下投资最少。(选点，选型),本章小结,Huazhong University of Science and Technology,无功功率平衡与电压水平的关系电力系统各

26、类无功负荷与无功电源，以及各自的无功电压特性；系统无功功率平衡的基本原则：分层分区，就地平衡为什么无功功率不宜大量远距离传送？系统电压偏移的允许值与中枢点电压的管理、以及电压调整的原理各类调压措施基本原理、特点以及调压计算方法系统无功功率供应不足时，为什么不宜采用改变变压器变比调压？并联电容器补偿和串联电容器补偿的调压原理及其适用场合（QX/V）,习题,Huazhong University of Science and Technology,Ex 12-1，12-3，12-7,To be continued,Huazhong University of Science and Technology,