電力系統(tǒng)自動化____第三版(王葵、孫瑩編)第四章電力系統(tǒng)電壓調整和無功功率控制技術

1、1 第四章第四章 電力系統(tǒng)電壓調整和無功電力系統(tǒng)電壓調整和無功 功率控制技術功率控制技術 電力系統(tǒng)電壓控制的意義； 無功功率的產生、消耗與平衡 2 3 產生： 有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機； 有功功率電源需要消耗能源;無功功率電源工作時基本不消耗能 源； 運行： 由于電網中的線路以及變壓器等設備均以感性元件為主，因此 系統(tǒng)中無功功率損耗遠遠大于有功功率損耗。 無功功率電源除發(fā)電機外，還有調相機、電容器和靜止補償器 等，它們分散安裝在各個變電所。 4 電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行時，全系統(tǒng)頻率相同。頻率調 整集中在發(fā)電廠，調頻控制手段只有調整原動機功率 一種。 調整： 電壓水平在全系統(tǒng)各點不

2、同，并且電壓控制可分散進 行，調節(jié)控制電壓手段也多種多樣。 5 電力系統(tǒng)的電壓和頻率一樣，都是電能質量的重要 指標。 用電設備只有在額定電壓下運行才能取得最佳的工作 效率。 當電壓偏離額定值較大時，會對負荷的運行帶來不良 影響。影響產品的質量和產量，損壞設備，甚至引起 電力系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電。 6 電力系統(tǒng)電壓降低時，為了維持恒定功率，發(fā)電機的 定子電流增大。 A、對發(fā)電機和變壓器的影響 為了使發(fā)電機定子繞組不致過熱過熱，不得不減少發(fā)電機 所發(fā)有功功率。 類似的，電力系統(tǒng)電壓降低后，也不得不減少變壓器 所帶的有功負荷。 7 電壓降低，異步電動機的轉差率將增大。因而，電動機 各繞組中的

3、電流也將增大，溫升溫升將增加，效率將降低， 壽命會縮短。 轉差增大轉速下降輸出功率減少影響鍋爐、汽輪 機的工作最終影響發(fā)電廠所發(fā)出的功率。 B、對電動機的影響 電壓降低電動機啟動過程增加，可能在啟動過程中 因溫度過高而燒毀。 電壓偏高將加速設備絕緣老化，影響電動機壽命。 8 電爐等電熱設備的發(fā)熱量與電壓平方成正比，電壓降 低將大大降低發(fā)熱量，使效率降低使效率降低。 電壓降低時，會使電網中的有功功率損耗和無功損耗 增加，過低還會危及電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性； C、對電熱設備的影響 照明負荷，對電壓變化反應靈敏。電壓過高，白熾 燈的壽命將大為縮短；電壓過低，亮度和發(fā)光效率要大 幅度下降。 而電壓過高，

4、各種電氣設備的絕緣會受到損壞，在超 高壓輸電線路中還將增加電暈損耗。 D、損耗和絕緣 9 在事故后運行狀態(tài)下，由于電力系統(tǒng)部分設備退出運行， 電壓損耗比正常時大。考慮故障時間較短，電壓偏移允許比正常 值再多5，但電壓的正偏移不應超過10。 我國規(guī)定在正常運行情況下各類用戶允許電壓偏 移為： %710kV及以下電壓供電的負荷 %535kV及以上電壓供電的負荷 %5%10低壓照明負荷 %10%5 . 7農村電網（正常） %10%15 （事故） 10 同步發(fā)電機目前是電力系統(tǒng)中惟一的有功功率電 源，它又是基本的無功功率電源。 （1）同步發(fā)電機 它所提供給電力系統(tǒng)的無功功率與同時輸出的有功 功率有一定

5、的關系，由同步發(fā)電機的P-Q曲線決定。 11 圖4-4 同步發(fā)電機的P-Q 曲線 SN )(MWP )(MVARQ PN QN80 40 40 85. 0cos 8 . 0 5 . 0 4 . 0 12 發(fā)電機以超前功率因數運行時，定子電流和勵磁電 流大小都不再是限制條件，而此時并聯(lián)運行的穩(wěn)定性 或定子端部鐵芯發(fā)熱成了限制條件。 當電力系統(tǒng)中有一定備用有功電源時，可以將離負 荷中心近的發(fā)電機低于額定功率因數運行，適當降低 有功功率輸出而多發(fā)一些無功功率，這樣有利于提高 電力系統(tǒng)電壓水平。 13 （2）并聯(lián)電容器 提供無功功率和電壓支持最廉價的方法 設在負荷區(qū)附近，通過提高受端負荷功率因數可以

6、有效地擴大其電壓穩(wěn)定極限 C U X U Q C C 2 2 （4-6） 式中 電容器的容抗； 交流電的角頻率; C 電容器的電容量。 XC 基本工作原理 優(yōu)點： 人工投入，自動切除 14 容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，并 且可以分相補償，隨時投入、切除部分或全部電容器 組，運行靈活。 電容器的有功損耗?。s占額定容量的0.3一0.5 ），投資也節(jié)省。 允許附近的發(fā)電機在功率因數為1.0附近運行，增 加了系統(tǒng)快速響應的無功儲備，對電壓穩(wěn)定有利。 15 其產生的無功功率正比于電壓的平方，在系統(tǒng)低電 壓期間無功輸出反而下降，這是一個惡性循環(huán)問題。 缺點： 一個大量應用并聯(lián)電容器補償無功

7、的系統(tǒng)，電壓調 節(jié)能力反而變差； 16 靜止無功功率補償器（Static VAR Compensator，簡稱SVC）是 一種發(fā)展很快的無功功率補償裝置，其工作原理下圖所示。 （3）靜止無功功率補償器（SVC） Qi U QLC QD QC L QL C )(a IC IL U UN I 容性感性 o 1 2 )(b U I 容性感性 o LCI )(c 圖4-5 靜止無功補償器工作原理 17 靜止無功補償器不僅用于傳輸網絡，而且廣泛用于配 電系統(tǒng)中。 如在大型電動機的啟動中應用SVC可以降低電壓跌落 值；SVC亦可應用于單相負荷入電焊機和電氣化鐵路 供電系統(tǒng)中。 18 SVC能快速、平滑的調

8、節(jié)無功功率的大小和方向， 以滿足動態(tài)無功功率補償要求，尤其是對沖擊性負荷 適應性較好。 與同步調相機比較，運行維護簡單，功率損耗較小 ，能夠作到分相補償以適應不平衡的負荷變化。其缺 點是最大無功補償量正比于端電壓的平方，在電壓很 低時，無功補償量將大大降低。 19 同步調相機是特殊運行狀態(tài)下的同步電動機，可視為 不帶有功負荷的同步發(fā)電機或是不帶機械負荷的同步 電動機。 （4）同步調相機及同步電動機 當過激運行時，它向電力系統(tǒng)提供感性無功功率；欠 激運行時，從電力系統(tǒng)中吸收感性無功功率。 因此，改變同步調相機的勵磁，可以平滑地改變它的 無功功率的大小及方向，從而平滑地調節(jié)所在地區(qū)的 電壓。 20

9、 運行時產生有功損耗，滿負荷時，有功損耗為額定 容量1.55，容量越小，有功損耗所占的比重越 大。 但在欠激狀態(tài)下運行時，其輸出功率為過激運行時 輸出功率的5060。 21 高壓輸電線路，特別是分裂導線，其充電功率相當可 觀，是電力系統(tǒng)所固有的無功功率電源。 （5）高壓輸電線路 高壓輸電線即產生無功，又消耗無功 2 C QU B產生無功： 2 L QI X消耗無功： 變化不大 隨潮流而變 傳輸線無功發(fā)出量等于消耗量時所傳輸的負荷叫波阻 抗負荷。 22 U BI X 0 x Z b 各點電壓電流都一樣，同相位。 22 （1）異步電動機 負荷中大部分是電動機；象居民區(qū)中的空調、冰箱； 工業(yè)中的各種

10、泵、鼓風機、風扇等。 電動機選擇通常是容量過大，約有一半的大馬力電 動機運行在額定功率的60%以下。 電動機吸收的穩(wěn)態(tài)有功值基本上與電壓無關；但無 功值對電壓水平較靈敏。 當電壓開始降低時，無功會瞬時減少；但電壓進一 步降低時，無功反而增加。 23 （2）空調和熱泵 空調屬于電動機一類，但很多空調器不用接觸器， 所以發(fā)生故障和電壓下降時不會從系統(tǒng)斷開； 電壓不穩(wěn)現象極易發(fā)生在氣溫較高或較低及負荷較 重的情況下； 測試表明，當故障清除時間在5周波及以上時，空調 在電壓降至60%時減速直至失速； 當故障清除更為緩慢時，空調在較高電壓便可失速； 24 （3）放電照明設備 照明可能占到商用負荷的20%

11、； 照明基本上是靜態(tài)的，但在低電壓期間會熄滅；直 至電壓恢復，在一個短時延遲后重新點燃； 一般有功部分為恒流，無功部分為電壓四次方；無 功特性有助于電壓穩(wěn)定性 新的電子鎮(zhèn)流器、高效率燈和光控設備接近于恒定 視在功率負荷； 白熾燈通常被看作具有恒定阻抗特性； 25 0 r U s U Xs S r S sin sr r U U P X sin sr s U U P X (cos) rsr r U UU Q X (cos ) ssr s U UU Q X 無功功率傳輸主要取決于電壓幅值， 總是從高電壓節(jié)點流向低電壓節(jié)點 () ssr s U UU Q X () rsr r U UU Q X 26

12、例：當Us=1.05p.u.，Ur=0.95p.u.，X=0.5p.u.，兩端角 度差為45度，求兩側無功功率。 cos450.760 1.05(1.050.95 0.760) 0.689 0.5 s Q 0.95(1.05 0.7600.95) 0.289 0.5 r Q 如果受端不吸收也不反送無功功率，則有 cos0 sr UUcos r s U U 25.21 不能在大的角度差下傳輸無功 27 無功功率傳輸困難在于： （1）無功功率不能在傳輸線兩端間有大的角度下 傳輸； （2）大量傳輸無功會導致大的功率損耗和電壓損耗； （3）防范“甩負荷”引起的瞬時過電壓不能大幅度傳 輸無功 28 電源

13、所發(fā)出的無功功率必須滿足負荷與損耗的需要 電源供應的無功功率，包括發(fā)電機、無功補償設備供應無功功 率，后者又可分為調相機、并聯(lián)電容器和靜止補償器。 QQQ LDG （4-1） 無功損耗包括三部分：變壓器、線路電抗、線路電納無功損耗。 123GGiCCC QQQQQ （4-2） LTXB QQQQ 29 GU U Q P D D j GU Xd YDQ P D D j X j U Eq 圖4-1 電力系統(tǒng)接線圖 D N Q X U U 30 當電力系統(tǒng)無功功率電源充足，電力系統(tǒng)可在較高電 壓水平上保持平衡； 無功功率輸送引起有功損耗及電壓損耗，不能遠距離 輸送，無功功率補償要在負荷中心地區(qū)設置。

14、 系統(tǒng)層面無功功率平衡外，地區(qū)也要基本上達到無功 功率的平衡，避免無功電網中大量傳輸。 電力系統(tǒng)電壓控制原理 經濟性 無功潮流引起的有功損耗應最小； 安全穩(wěn)定性 電網內各點電壓都應在允許范圍內； 電網應具有足夠的無功功率余量； 一、電壓控制總原則一、電壓控制總原則 基于分層和分區(qū)基本平衡的原則進行控制 無功無法遠距離大規(guī)模傳輸 UGK1:11: 2K UB jQP jXR 圖4-6 電力系統(tǒng)電壓控制原理圖 1212BGG N PRQX U UUUKKKK U 控制負荷點電壓可采取以下控制方式 控制發(fā)電機勵磁電流； 控制變壓器變比； 改變輸送功率分布P+jQ（主要是Q） 改變網絡參數R+jX（主

15、要是X） 12 N GB PRQ UK U U X K 12BG N PR Q UK X U U K 12BG N QPRX UU KK U 12BG N PR Q UU K U X K 原理： 控制發(fā)電機勵磁電流，可以改變發(fā)電機的端電壓； 限制因素： 發(fā)熱； 絕緣； 發(fā)電機在端電壓偏離額定值不超過5范圍運行； 對于由發(fā)電機直接供電的小系統(tǒng)，供電線路不長，可采用發(fā) 電機直接控制電壓方式。 特點： 不需要增加額外設備，是最經濟的控制電壓措施，可以優(yōu) 先考慮。 輸電線路較長、多電壓等級的網絡，并且有地方負荷的情 況下，僅僅依靠發(fā)電機控制調壓不能滿足要求。 在由多臺發(fā)電機供電系統(tǒng)中，改變并聯(lián)發(fā)電機母

16、線電壓會 引起無功功率重新分配； 在大型電力系統(tǒng)中僅僅作為一種輔助性的控制措施。 為什么分接頭設 在高壓側？ 容量為6300kVA及以下的變壓器，高壓側有三個分接 抽頭，分別為1.05、1、0.95倍的額定電壓。 容量為8000kVA及以上的變壓器，高壓側有五個分接 抽頭，分別為1.05、1.025、1.0、0.975、0.95倍的額定電 壓。 115% /6.3 kV 3522.5% /11 kV 1218 1.25% /11 kV 示例： 變壓器調壓特點： 以全系統(tǒng)無功功率電源充足為基本條件； 本質上是改變無功功率分布； 當無功電源不足時，僅依靠改變變壓器變比不能達到理 想調壓效果。 U1

17、U21:K jQP jX R T T 圖4-7 降壓變壓器系統(tǒng)圖 原則：在不同的負荷 情況下，滿足調壓要求； 目標：確定高壓側分 接抽頭。 變壓器分接抽頭的選擇 1 ()/ TTT UPRQXU 21 ()/ T UUUK 12 / tN KUU 1 12 2 T tN UU UU U 不同負荷時電壓發(fā)生變化，但分接抽頭固定。 根據U1tav 選擇一個與它最接近的分接抽頭，再校驗最大負 荷和最小負荷時低壓母線實際電壓是否符合要求。 1 max1max1max22max 1 min1min1min22min tTN tTN UUUUU UUUUU 然后取它們的平均值，即 11 max1 min

18、2 tavtt UUU 例例 降壓變壓器參數、負荷、分接抽頭已標明；高壓側最大負荷 時電壓為110kV，最小負荷時電壓為113kV，相應負荷低壓母線 允許電壓上下限為66.6kV，試選擇變壓器分接抽頭。 110 113KV 31.5MVA 11022.5%/6.3 max min 2814 106 j j S S 2.4440j 解：解：首先計算最大、最小負荷時變壓器電壓損耗： kV U kV U T T 34. 2 113 40644. 210 7 . 5 110 401444. 228 min max kV U 6 max2 kV U 6 . 6 min2 假定變壓器在最大負荷和最小負荷運

19、行時低壓側的電壓分別為 和，則 kV kV U U t t 6 .105 6 . 6 3 . 6 34. 2113 4 .109 0 . 6 3 . 6 7 . 5110 min1 max1 取算術平均值，有 1 109.4105.62107.5 tav UkV 選擇最接近的分接抽頭kV Ut 25.107 1 然后按所選分接抽頭校驗是否滿足低壓負荷母線的實際電壓。 kVkV U kVkV U 6 . 65 . 6 25.107 3 . 6 34. 2113 613. 6 25.107 3 . 6 7 . 5110 min2 max2 所選抽頭符合調壓要求，即為107.25kV抽頭。 三繞組變

20、壓器分接抽頭的選擇: 再按中壓側電壓要求選擇中壓側分接抽頭。 先按高壓、低壓側電壓要求確定高壓側分接抽頭； 12 D N Q X UU U 2 U 1 UjX D PjQ 12 () DC N QQX UU U 22 C N Q X UU U C jQ 原理：改變電力網絡的無功功率分布，減少電壓損耗， 從而改善用戶電壓質量。 改變感抗改變電壓損耗改變末端電壓 2 U 1 UjXR X j C jQP 圖4-11 串聯(lián)電容器控制調壓 12 N QX UU U 12 () C N Q XX UU U 22 C N QX UU U m n 圖4-12 電容器的串并聯(lián) 為串聯(lián)電容補償引起的末端電壓變化

21、量。 U D C N U U Q X （4-34） NCNC IU電容器額定電流、電壓：、 M I線路最大負荷電流： C X補償容量： mINC M I nU NCMC I X 調壓效果隨無功負荷Q變化而改變。 C N QX U U 串聯(lián)電容器調壓特點： 無功負荷大時，末端電壓下降嚴重，其作用也大； 無功負荷小時，末端電壓下降輕微，其作用也小。 串聯(lián)電容器調壓方式與調壓要求恰好一致，這是串聯(lián)電容 器補償調壓的一個顯著優(yōu)點。 補償度:補償的容抗值和被補償輸電線路原有感抗值之比 X X K L C C （4-37） 在輸電線路中，其補償度常小于0.8，國內一般在0.4-0.6之 間；配電線路中補償度較大。 對于超高壓輸電線，串聯(lián)電容補償主要用于提高輸電線路的 輸電容量和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 并聯(lián)補償和串聯(lián)補償調壓的不同： 串聯(lián)補償直接減少輸電線路的電壓損耗以提高輸電線路末 端電壓的水平； 并聯(lián)補償通過減少輸電線路無功功率而減小線路電壓損