电力系统分析基础第六章.ppt

North China Electric Power University,电力工程系,Department of Electrical Engineering,电力系统分析基础 Power System Analysis Basis （六）,任 建 文,第六章 电力系统的无功功率与电压调整,本章主要内容：,1、无功负荷和无功电源及无功功率平衡,2、电压降落（损耗、偏移）、功率损耗的计算,3、无功功率的经济分布；无功电源的最优分布 ；无功负荷的最优补偿,频率调整和电压调整的相同和不同之处,调频,,频率唯一,集中调整,只能调原动机功率,调压,,电压水平各点不同,调整分散,手段多样（有多种无功电源）,由上可以看出：维持电压稳定，应该尽量减少无功的传输，采取就地平衡分析无功功率和电压分布之间的关系,,无功损耗 ﹥﹥有功损耗;,电压降受无功功率的影响较大;,无功功率的流动从Uh→UL,第一节电力系统无功功率的平衡,一、概念性问题:,无功功率,,无功电源QG,无功负荷QL,无功损耗ΔQΣ,无功功率平衡,,运行中的平衡：ΣQG=ΣQL+ΔQΣ,规划中的平衡：无功容量=无功电源功率+备用无功电源功率（7〜8%）,二、无功功率负荷和无功功率损耗,1、无功功率负荷,负荷在端电压变化时，出力、效率影响较大,白炽灯的电压特性,,,,,,,异步电机的电压特性,,,转矩∝U2,U↓,,带不动,启动不了,烧电机,吸收无功（异步电机）,对于QX，当U↑转动力矩增大，S↓→r’2（1-s）/s↑→I↓→ QX↓,对于QU，由于XU的饱和， XU ↓→ QU↑↑,2、变压器的无功功率损耗,励磁支路—空载电流I0的百分比值，约1-2%,绕组漏抗—满载时基本上等于短路电压UK的百分 比值，约10%,对多级电压网—相当可观，可达负荷的57%,3、电力线路上的无功功率损耗,并联电纳—充电功率∝U2，容性,并联电抗—感性∝I2,35KV及以下—感性无功,110KV及以上,,传输功率较大时—感性无功,传输功率较小时—容性无功,三、无功功率电源,,发电机、调相器,静止电容器、静止补偿器,1、发电机,发电机只有在额定电压、电流、功率因数下运行时，视在功率才能达到额定值，其容量才能最充分地利用,系统中有功功率备用容量充裕时，可使靠近负荷中心的发电机在降低有功负荷的条件下运行，这时发电机的视在功率虽较额定值小，但可利用的无功功率却较在额定有功负荷下大。

实质上是只发无功功率的发电机,2、同步调相机,,不带有功负荷的同步发电机,不带机械负荷的同步电动机,运行,,过激运行—向系统发出无功,欠激运行—向系统吸收无功（容量为过激的50%）,优点,,平滑调节—既发无功，又可吸收无功,装有励磁调节装置时，维持系统电压不变,装有强磁时，故障情况下，调整电压，维持稳定,缺点,,消耗一定的有功，容量越小，比重越大(1.5-5%),小容量单位投资费用大，宜集中使用,水轮机有时作调相运行，汽轮机较难,,损耗大,内部发热,内部膨胀,增大系统中短路时的短路电流,3、静电电容器,,QC=U2/XC，只能向系统提供无功，不能吸收无功,可集中使用，可分散使用,功耗小，0.3%--0.5%（额定容量）,调节不是连续的，不平滑，调节范围小,电压下降时， QC下降，导致U进一步下降,单位容量投资比调相机便宜,4、静止补偿器,电容与电抗并联，配以调接装置，可平滑地改变输出,70年代开始使用，有前途的三种类型为：,,类型,直流助磁饱和电抗器型,可控硅控制电抗器型,自饱和电抗器型,,共同点：电容支路,同步频率下感性无功功率电源,C和Lf构成谐振，兼作高次谐波滤波器,不可控,,不同点： 电抗器支路,可控硅——————,直流助磁—————,自饱和———不可控,,饱和电抗器,,可控的,不饱和,,优点：,极好的调节性能,可用于冲击性负荷的无功补偿,维护简单,原理：自饱和型,损耗小，不超过1%,应用越来越多,四、无功功率的平衡,系统中功率平衡：ΣQGC- ΣQL- ΔQΣ=0,电源：ΣQGC=ΣQG+ΣQC=ΣQG+ ΣQC1 + ΣQC2 + ΣQC3,发电机,调相机,电容器,静止补偿器,负荷：,,未改善 COSΦ=0.6-0.9,规程规定不低于0.9,可按此取QL,损耗： ΔQΣ = ΔQT + ΔQX + ΔQb,变压器,线路电抗,线路电纳,无功备用:为最大无功负荷的7%--8%,注意：,,系统中无功率平衡的前提是系统的电压水平正常,无功不足时应就地补偿,第二节电力系统无功功率的经济分布,一、无功功率电源的最优分布,无功经济分布,,无功电源的最优分布—等网损微增率,无功负荷的最优补偿—无功经济当量,目标函数：ΔPΣ=ΔPΣ(QGi) 目的：降低网络中的有功损耗,等约束条件：,不等约束条件：,拉格朗日函数：,最优分布——求拉格朗日函数的极值：,可改写为：,无功网损微增率,有功网损微增率,二、如何进行无功功率最优分布的计算,,,,,一般的原则是：,计算潮流分布,按有功最优分布结果给出各节点（除平衡节点外）的P,,给出P、Q节点的Q,给出P、U节点的U,计算网损微增率,,由潮流计算得各无功电源点的λ值,λ<0时，增大该电源的Q，可降低网损,λ>0时，减少该电源的Q，可降低网损,进行调整,重设电源节点的无功QGi和PU节点的电压，进行潮流计算，求总网损、网损微增率，判断平衡节点的P，直到P最小,当ΔPΣ不再减小时，各节点网损微增率未必相等，因为受不等条件限制,例题：如图，有功功率两电厂均分，求最优无功分配,解：,,,,,按网损等微增率准则确定无功功率分配：,由功率平衡条件得：,联合求解得：Q1≈0.248，Q2≈0.688,不计无功网损修正时：,得：Q1≈0.268，Q2≈0.670,三、无功功率负荷的最优补偿,负荷的自然功率因数,电动机容量不能太大（重要措施）,,限制电动机的空载运行,同步电机代替异同步电机（收、发）,(补偿前0.6-0.9),最优补偿,,补偿容量的确定,补偿设备的分布,补偿顺序的选择,,规划阶段,年节约费用:,β为单位电能损耗价格(元/kw·h),τmax最大负荷损耗小时数,装设补偿设备的投资费用:,α为折旧维修率,γ投资回收率,KC为单位 容量补偿设备投资(元/kvar),,结论,最有网损微增率（也称无功经济当量）,最优网损微增率准则：,只有在网损微增率具有负值且小于req的节点设置,先后顺序：以网损微增率的大小为序，首先从,最小的开始,第三节电力系统的电压调整,一、电力系统电压偏移的原因及影响,无功充足—电压水平较好的必要条件，不是充分条件,调压———合理分布无功，维持电压质量,原因（随运行方式的改变而改变）,由于R很小，ΔU主要受Q的影响,负荷大小的变化,电力网阻抗参数的变化（设备故障或检修退出）,,电力系统接线的改变,,偏移的影响,电压过低,发电机：U ↘，δ↗，I↗→发电机过热,异步电机：U ↘，转差率σ↗，各绕组I↗，温升↗，μ ↘，寿命↘，出力P ↘，起动过程长→烧电机,电炉：P∝U2,电灯：亮度和发光效率大幅下降,电压过低,设备绝缘受损,变压器、电动机铁芯饱和，损耗↗，寿命↘,白炽灯寿命大为缩短,严重时，无功不足，电压崩溃,电力系统允许的电压偏移,35KV及以上电压供电的负荷 ±5%,10KV及以下电压供电的负荷 ±7%,低压照明负荷 +5%—-10%,农村电网 +5%—-10%,事故状态下，允许在上述基础上再增加5%，但正偏 移不超过+10%,二、中枢点的电压管理,电压中枢点的选择,集中负荷的母线作为电压中枢点,大型发电厂的高压母线,枢纽变电所的二次母线,,有大量负荷的发电厂母线,中枢点电压与负荷的关系,适应：线路长，负荷变化大,方式：,,难易程度：实现较难,有时中枢点电压不能满足要求，见书上P226-227的例子,中枢点电压调整方式,逆调压,,最大负荷时提高中枢点电压 1.05UN,最小负荷时降低中枢点电压 1.00UN,适应：线路不长，负荷变化不大,方式：,,难易程度：最易实现,顺调压,,最大负荷时允许中枢点电压低一些1.025UN,最小负荷时允许中枢点电压高一些1.075UN,适应：中型网络，负荷变化缴小,方式：保持在较线路额定高2%-5%,,难易程度：较易实现,常调压,三、电力系统的电压调整,忽略：线路对地电容、变压器励磁支路参数、横向压降,调压比调频复杂，频率系统为一，电压不为一,,改变电压水平,调压措施,,利用发电机调压UG—改变励磁电流,改变变压器分接头k1，k2,改变电压损耗,,改变功率分布（主要是Q）—使ΔU减少,改变线路参数R+jX（主要是X）—减少ΔU,改变发电机端电压调压,,发电机电压UG可在5%的范围内保持发额定功率,发电机直接供电系统（线路不长，损耗不大）,调节励磁，改变机端电压，实现逆调压满足电压的要求,例：,最大负荷时：ΣΔUmax=20%，最大负荷时：ΣΔUmin=8%,ΣΔUmax-ΣΔUmin=12%，发电机逆调5%,故最终相差7%，在10%的范围内,调节原理：,转子电压负反馈的作用是提高调节系统的稳定性，它的输出正比于转子电压的变化率,例：发电机经多级电压向负荷供电，不能保证电压质量要求,最大负荷时：ΣΔUmax=34%，最大负荷时：ΣΔUmin=14%,ΣΔUmax-ΣΔUmin=20%，发电机逆调5%,故最终相差15%，超出10%的范围内,改变变压器分接头进行调压,双绕组变压器分接头选择,最大负荷时：UImax，ΔUImax， Uimax， U’imax为已知,,双绕组变压器高压侧,6300KVA以下三个分接头 UN ± 5%,三绕组变压器高、中压侧,8000KVA以上五个分接头 UN ± 2.5%,,装有3-5个分接头,最小负荷时：,,选一接近值作分接头 UtImax，UtImin，UtI,对于升压变压器：,因正常运行时，变压器分接头不能调整，故取平均值,返回校验,求低压母线电压,计算电压偏移%,,选分接头110KV,例子：,UI在113-115KV时，允许U’i在10-11KV，求变压器分接头,校验：,解：,普通三绕组变压器分接头的选择,,高、中压侧有分接头，低压侧没有,高、低压侧——确定高压绕组的分接头（低压侧要求）,高、中压侧——确定中压绕组的分接头,例题：P233，例8-3,有载调压变压器调整分接头,,带电调整，允许最大、最小负荷时分设不同抽头,计算方法同双绕组，可分设,调整范围大15%以上,,110KV，UN32.5%（七级）,220KV，UN42.5%（九级）,三绕组,,高压侧装有载调压分接头,低压侧装有普通分接头,有载调压原理,无功功率充足时，采用有载调压可满足一般的调压要求,,长线供电,负荷变化大,联络线两端,某些发电厂的变压器,无功功率充足时,,并补,串补,利用并联补偿设备调压,调相机,作用,发无功，就地补偿，减少压降,各种补偿设备的调节方式,,截面积小R>X，不可用,并补,截面积大R

存在QC与k的选择配合问题,,最小负荷时：将电容器全部切除，选变压器分接头UtI=UiminUNi/U’imin，从而k= UtI /UNi,最大负荷时：发额定容量的无功,,最大负荷时：全部投入电容,最小负荷时：吸收（50%-60%）QNC,同步调相机,改变输电线路参数进行调压,对于负荷功率因数较低的线路，采用该方法较有效,合理使用调压设备进行调压,优先利用发电机调压，95%-105%范围，有母线负荷时，逆调压,充分利用变压器调压——不能改变无功不足，只能调整无功分布（普通、有载）,无功不足时,,调相机—平滑调压，需维护，放在枢纽变,。