电力系统正常运行方式调整与控制

1,§2 电力系统的无功功率平衡和电压调整,一、电压调整的必要性和目标 U偏移过大，引起效率下降，会影响产品的质量和产量；缩短电气设备寿命，甚至造成损坏损坏设备；影响生活质量（照明）。 对电力系统，过低：使网络功率损耗加大，危及稳定运行，过高：绝缘，增加电晕损耗。 电压允许偏移： UN35kV，±5%； UN10kV，±7% UN=220V, +7%，-10%,2,二、无功负荷及其静态电压特性,异步电动机是电力系统主要的无功负荷 系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定,无功功率负荷,3,二、无功负荷及其静态电压特性,Q感性、容性?,无功功率损耗,4,大致估计：当通过线路输送的有功功率大于自然功率（所谓自然功率是指负荷阻抗为波阻抗时该负荷所消耗的功率。）时，线路将消耗感性无功功率；当通过线路输送的有功功率小于自然功率时，线路将消耗容性无功功率。,5,二、无功负荷及其静态电压特性,负荷类型：恒阻抗、恒电流、恒功率 综合无功负荷具有正的调节效应，dQ/dU0。,综合负荷静态电压特性,Q P,6,二、无功功率电源的功率特性,无功功率电源,同步发电机,同步调相机,静电电容器,静止无功补偿器,静止无功发生器,7,二、无功功率电源的功率特性,1.同步发电机和同步调相机,(a) 隐机发电机等值电路,8,转子电流I2N,定子电流IN,源动机出力,静态稳定,U,E,9,同步调相机（空载同步电机）,10,同步调相机的特点,投资大； 运行维护复杂； 有功损耗为SN的1.5%-5%； 平滑改变无功调压； 安装在枢纽变电所。,11,2、并联电容器（又称静电电容器）,特点：补偿方式灵活、投资少、功率损耗少（0.3-0.5%)、 但电压调节效应差,实现无功有级调节。,12,3、静止无功补偿器(SVC),组成：静电电容器、电抗器、调节装置,特点 运行维护简单； 快速平滑地调节无功，功率损耗小； 动态补偿，对冲击负荷有较强的适应性； 存在谐波问题。,13,图5-6 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,14,电压升高U=UN,自饱和型电抗器,电抗器自饱和,电抗减少,超前,滞后,15,可控硅控制电抗器TCR,原理分析： 用可控硅的导通角控制、调节电抗器上通过的电流。,Thyristor Controlled Reactor,16,控硅控制电抗器和可控硅投切电容器TSC-TCR,全导通 或截止,导通角控制IL,17,静止无功发生器SVG （static var generator）,它是一种更为先进的静止型无功补偿装置,它的主体是电压源型逆变器。,18,静止无功发生器SVG,通过逆变器可以将电容C上的直流电压转换成与系统同步(同相位）的三相交流电压，逆变器的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、零负荷状态或感性负荷状态。,19,与SVC比较，SVG具有相应快、运行范围宽、谐波电流含量少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流.,20,三、无功平衡和电压水平的关系,21,三、无功平衡和电压水平的关系,22,三、无功平衡和电压水平的关系,要维持正常电压水平，发电机须有足够的无功容量。,负荷特性,发电机特性,E,E,23,三、无功功率平衡和电压的关系,7-8%最大无功负荷,无功功率平衡的前提：保证电压质量。,无功负荷（含网络损耗）与无功电源失去平衡时，会引起系统电压的升高或下降 。 无功功率的平衡应本着分层、分区、就地平衡的原则。,24,四、中枢点的电压管理,中枢点-具有代表性的节点。 区域发电厂的高压母线； 有大量地方负荷的发电厂母线； 枢纽变电所的二次母线。 1、中枢点电压的确定,中枢点,25,1、中枢点电压的确定,中枢点,允许偏移±5%,26,27,28,1、中枢点电压的确定,推广：供多个负荷点的中枢点，选出电压最高、电压最低的两种极端负荷点。,29,2、中枢点的调压方式,逆调压方式 高峰负荷-1.05UN;低谷负荷-UN; 适用于：线路较长，负荷范围变化较大。 顺调压方式 高峰负荷=1.025UN;低谷负荷=1.075UN;适用于：线路较短，负荷范围变化不大或用户对电压要求不高. 恒调压方式 电压维持恒定值（1.02-1.05)UN。,30,五、电压调整的方法和分析计算,1、调节发电机电压；2、改变变压器变比； 3、改变线路参数X； 4、无功补偿。,31,1、发电机调压,适合场合：直供电的小系统，逆调压。,改变励磁电流,32,33,自动调节励磁系统的工作原理和框图,现代发电机均装有由自动调节励磁系统，其作用： 正常运行情况下：根据负荷变化，调整励磁电流，维持发电机端电压基本恒定。 故障情况下：发电机端电压急剧下降，强行励磁动作，迅速将励磁电流调节到最大，以提高发电机端电压，较少加速功率，达到提高发电机同步运行稳定性的目的。 组成： 主励磁系统和励磁调节器,34,主励磁系统,作用： 提供励磁电源，形成一个电压为Uf、电流为If的直流回路，产生直流磁场，随着转子的转动切割定子绕组，在其中感应出交流电势 分类： 有直流发电机供电（直流励磁机）：自励和他励，用于较少容量的发电机（10万kW）。 有交流励磁机经整流供电:自励和他励。,35,交流励磁机经整流供电的励磁方式: 副励机为永磁发电机，发出的交流电经整流后供给励磁机的励磁绕组，励磁机的交流电压经整流后供给同步发电机励磁。 励磁调节器 比例式：按运行参数（电压、电流、功率角）与整定值之间的偏差进行调节。分为单参数调节器和多参数调节器 改进式：按运行参数的偏差及其变化率进行调节。,36,按电压偏差调节的可控硅励磁调节器,G,37,2、 改变变压器变比调压,普通变压器分接头的选择 SN8000kVA,高压侧有5个分接头： 0、±2.5%、±5% SN6300kVA,高压侧有3个分接头： 0、±5%,为什么？,38,降压变压器分接头的选择,要求,给定,最大负荷,最小负荷,39,平均分接头电压 选择标准分接头 校验最大、最小负荷时低压母线的实际电压。,三绕组变压器分接头的选择与负荷流向有关： 当变压器负荷从高压侧流向低压侧和中压侧： 将高低绕组看作双绕组，确定高绕组接头。 将高中绕组看作双绕组，确定中绕组分接头位置。,40,110kV调压变压器，UN±3×2.5%共 7个分接头 220kV调压变压器，UN±4×2.5%共 9个分接头,短路电流,先后相继移动,断电移动防止电弧,变压器中性点侧,有载调压变压器,41,注意：只有当系统无功功率电源容量充足时，用改变变压器变比调压才能奏效。,简单的电力系统图,因此，当系统无功功率不足时，首先应装设无功功率补偿设备。（why?),42,3、利用无功补偿设备调压,43,补偿后变比,与补偿后变比无关,44,按最小负荷时没有补偿容量，确定变比；,补偿设备为静电电容器,按最大负荷时的调压要求计算补偿容量；,根据变比和补偿容量校验低压母线的实际电压。,45,充分利用调相机容量： 最大负荷时，按额定容量过励磁运行； 最小负荷时，按 （0.5-0.65)SN欠励磁运行。,补偿设备为为同步调相机,46,按所选容量和变比进行电压校验,补偿设备为为同步调相机,47,利用无功功率补偿调压,（1）电压损耗U（PRQX）/U 中包含两个分量：一个是有功负荷及电阻产生的PR/U分量；另一个是无功负荷及电抗产生的QX/U分量。利用无功补偿调压的效果与网络性质及负荷情况有关。 （2）在低压电网中，U中有功功率引起的PR/U分量所占的比重大；在高压电网中，U中无功功率引起的QX/U分量所占比重大。在这种情况下，减少输送无功功率可以产生比较显著的调压效果。反之，对截面不大的架空线路和所有电缆线路，用这种方法调压就不合适。,48,4、线路串联电容补偿调压,串联电容器补偿容量的确定,电压的提高值,49,电压损失减少百分比,定义补偿度,欠补偿,过补偿,全补偿,4、线路串联电容补偿调压,50,并联电容器的个数 串联电容器的个数 三相电容器的容量,51,适用场合：供电电压35、10kV、负荷波动大而频繁，功率因数低的配电线路-调压；超高压线路-提高输送容量、系统运行稳定性。,串联电容器的安装地点,负荷集中,负荷分散,52,小结：串联电容和并联电容补偿,减少冲击负荷的波动有效； 但增大线路电流，短路时，短路电流将在电容上引起过电压。,并联电容补偿：,串联电容补偿：,线路功率因数高； 线路传输无功少。,53,适用：低压电力网， 中 分量较大。,单负荷时公式,对于给定电压等级，单位长度电抗相差不大,5、按调压要求选择导线截面*,54,几个负荷时,5、按调压要求选择导线截面,55,综合调压措施的应用,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- 0.951.0； 110kV-0.91.0 发电机调压：直供电的小系统，逆调压，不需增加费用，但须考虑的因素多，制作辅助调压手段。 并联补偿调压：达到无功分层分区平衡的主要手段。并联电容器可分散于各用户，以提高用户的功率因数；调相机或静止补偿器可集中于电压中枢点补偿。 可减少网损，但须投资量。,56,各种调压手段的优缺点,变压器调压：只能改变电压的高低，从而改变无功功率的流向和分布， 而不能发出或吸收无功，只能用于无功充裕时。普通变压器适用于最大、最小负荷电压幅值变化不大、不需逆调压；有载调压变压器适用于重要的枢纽变电所或电压要求高的用户（电压幅值变化大、需逆调压）。 串联补偿调压：电容器串于线路中也不是无功电源，只是起着参数补偿的作用，从而减少线路电压损失。,57,综合电压分析方法-灵敏度分析,调压目标不是单纯的：在电压安全的条件下经济性能最好：在电压安全的条件下投资最少。 综合电压分析方法-灵敏度分析 所谓灵敏度分析实际是利用各变量之间关系的显性化表达式研究一些变量微小变化使另一些变量如何变化的一种分析方法。它是控制策略和抗扰动策略的有效工具，得到广泛应用。,58,（1）灵敏度分析 系统正常运行满足方程：,x-状态变量,维数为n； u-控制变量,维数为m； p-扰动变量,维数为l; 系统受扰动后，方程为：,展开为台劳级数,忽略高次项,59,结论：由灵敏度矩阵各元素的值可看出状态变量对哪个或哪些控制变量或扰动变量最敏感即改变哪个控制量的效果最好。,sxu,sxp为灵敏度矩阵。,60,（2）各种调压效果的综合分析,状态量,控制量,控制量,控制量,控制量,状态量,61,复杂的系统：,被控量 状态量 ,控制量调节量 x,灵敏度矩阵,灵敏度矩阵的建立方法： 数据摄动法-用计算机作潮流计算，求个控制变量单独变化时所有状态变量的变化量。 测量法-在系统中进行实测。对某些简单系统，可用解析法,62,标么值,控制量,控制量,控制量,控制量,状态量,状态量,63,改变V1、k,对节点3电压的影响相同（X1/X2） 改变V2对节点3电压的影响同X2/X1有关； q对节点3电压的调节效果与补偿点到两侧电源点的电气距离有关。,调压效果分析,64,改变V1、V2,对线路L-1无功的影响相反； 改变k、V1对无功的影响相同； q的调节效果与补偿点到两侧电源点的电气距离有关。,65,结论,1、各种调压手段对节点电压的作用与网络结构和参数有关； 2、调节设备的地点越靠近被控制的中枢点，调压效果越好； 3、各地区分散调压与集中调压相结合的方法。,66,频率调整和电压调整的关系,先调频、后调压,67,频率调整和电压调整的关系,