第四章電力系統(tǒng)電壓及無功功率的調(diào)節(jié)

1、第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)和無功功率控制技術(shù)一、電力系統(tǒng)電壓控制的意義一、電力系統(tǒng)電壓控制的意義二、電力系統(tǒng)的無功功率平衡與電壓的二、電力系統(tǒng)的無功功率平衡與電壓的關(guān)系關(guān)系三、電力系統(tǒng)電壓控制的措施三、電力系統(tǒng)電壓控制的措施四、電力系統(tǒng)電壓的綜合控制四、電力系統(tǒng)電壓的綜合控制五、電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制五、電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)無功功率控制技術(shù)頻率調(diào)整: 1.全系統(tǒng)頻率相同2.調(diào)發(fā)電機3.消耗能源4.集中控制5.調(diào)進汽量電壓調(diào)整：1.電壓水平各點不同2.調(diào)發(fā)電機、調(diào)相機、電容器和靜

2、止補償器等3.不消耗能源4.電壓控制分散進行5.調(diào)節(jié)手段多種多樣第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)無功功率控制技術(shù)電壓和頻率一樣，都是電能質(zhì)量的重要指標。電壓降低的不良影響：1.功率：減少發(fā)電機所發(fā)有功功率。2.溫度： 異步電動機的轉(zhuǎn)差率將增大，電流也將增大，溫升將增加。當轉(zhuǎn)差增大、轉(zhuǎn)速下降時，其輸出功率將迅速減少。 電動機的啟動過程將大為增加，啟動過程溫度過高。 電爐等電熱設(shè)備的發(fā)熱量降低。3.危及電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。第一節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的意義第一節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的意義第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率平衡與電壓的關(guān)系平衡與電壓的關(guān)系無功功率

3、平衡，即電源無功功率： QGi：發(fā)電機供應(yīng)的無功功率 QC1：調(diào)相機供應(yīng)的無功功率 QC2： 并聯(lián)電容器供應(yīng)的無功功率 QC3： 靜止補償器供應(yīng)的無功功率 LDGQQQ321CCCGiGQQQQQ第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率平衡與電壓的關(guān)系平衡與電壓的關(guān)系無功功率損耗： QT：變壓器中的無功功率損耗（屬感性） QX：線路電抗中的無功功率損耗（屬感性）QB：線路電納中的無功功率損耗（屬容性） BXTLQQQQ第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率平衡與電壓的關(guān)系平衡與電壓的關(guān)系電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓水平有著密切的關(guān)系 如果無功功率平衡：UUUGLDGQQQNUU

4、電力系統(tǒng)的無功功率電源有：（1）同步發(fā)電機同步發(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。（2）同步調(diào)相機及同步電動機同步調(diào)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。（3）靜電電容器（4）靜止無功功率補償器（SVC）（5）高壓輸電線路的充電功率第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率平衡與電壓的關(guān)系平衡與電壓的關(guān)系用戶端的電壓為： 式中，K1和K2分別為升壓和降壓變壓器的變比；R和X分別為變壓器和輸電線路的總電阻和總電抗。 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施2121/)(/)(KUQXPR

5、KUKUKUUNGGB要想控制和調(diào)整負荷點的電壓，可以采取以下的控制方式： 控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，以改變發(fā)電機端電壓UG； 控制變壓器變比K1及K2調(diào)壓； 改變輸送功率的分布P+jQ（主要是Q），以使電壓損耗減??； 改變電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)R+jX（主要是X），以減小輸電線路電壓的損耗。 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施一、發(fā)電機控制調(diào)壓 控制同步發(fā)電機的勵磁電流，可以改變發(fā)電機的端電壓 二、 控制變壓器變比調(diào)壓 調(diào)整分接抽頭的位置可以控制變壓器的變比 三繞組變壓器分接抽頭的選擇可以按如下方法來考慮：三繞組變壓器一般在高壓、中壓繞組有分接抽頭可供選擇，而低壓側(cè)是沒有

6、分接抽頭的。一般可先按高壓、低壓側(cè)的電壓要求來確定高壓側(cè)的分接抽頭；再由所選定的高壓側(cè)分接抽頭，來考慮中壓側(cè)的電壓要求，最后選擇中壓側(cè)的分接抽頭。 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施例 圖4-8所示為降壓變壓器，變壓器參數(shù)及負荷、分抽頭已標明，高壓側(cè)最大負荷時的電壓為110KV，最小負荷時的電壓為113KV，相應(yīng)的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。 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施解 首先計算最大負荷和最小負荷時變壓器的電壓損耗： 假定變壓器在最大負荷和最小負荷運行時低壓側(cè)的電壓分別為 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措

7、施電力系統(tǒng)電壓控制的措施kVUT7.511040*1444.2*28maxkVUT34.211340*644.2*10minkVU6max2kVU6.6min2kVU4.10963.6*)7.5110(max1kVU6.1056.63.6*)34.2113(min1取算術(shù)平均值，有 可以選擇的高壓分接抽頭U1t=107.25kV。然后按所選分接頭校驗是否滿足低壓負荷母線的實際電壓。 可見所選擇的高壓分接頭是能夠滿足電壓控制要求的 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施kVUtav5.1072/)6.1054.109(1kVkVU613.625.1073.6*)7.5110(m

8、ax2kVkVU6.65.625.1073.6*)34.2113(min2三、 利用無功功率補償設(shè)備調(diào)壓 1、無功功率的產(chǎn)生基本上是不消耗能源的，但是無功功率沿輸電線路上傳送卻要引起有功功率的損耗和電壓的損耗。 2、合理的配置無功功率補償設(shè)備和容量以改變電力網(wǎng)絡(luò)的無功功率分布，可以減少網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗和電壓損耗，從而改善負荷用戶的電壓質(zhì)量。 3、并聯(lián)補償設(shè)備有調(diào)相機、靜止補償器、電容器，它們的作用都是在重負荷時發(fā)出感性無功功率，補償負荷的需要，減少由于輸送這些感性無功功率而在輸電線路上產(chǎn)生的電壓降落。提高負荷端的輸電電壓。 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施例 輸電系

9、統(tǒng)如圖4-10所示，降壓變壓器變比為110kV 2 2.5 %/ 11kV ，變壓器勵磁支路和輸電線路對地電容均被忽略，節(jié)點1歸算到高壓側(cè)的電壓為118kV，且維持不變，負荷端低壓母線電壓要求保持為10.5KV，試確定受端裝設(shè)如下的無功功率補償設(shè)備容量：電容器；同步調(diào)相機。 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施解 由于發(fā)電機首端電壓已知，因此可按末端功率來計算輸電線路的電壓損耗： 所以 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施MVAjjS72.634.1)13026(1101520222maxMVAjjjSSS72.2134.2172. 634. 11520

10、maxmaxmax1MVAjjS68.134.0)13026(1105.710222maxMVAjjjSSS18. 93 .1068. 134. 05 . 710minminmin1利用首端功率求出最大負荷時降壓變壓器歸算到高壓側(cè)的低壓母線電壓：利用首端功率求出最小負荷時降壓變壓器歸算到高壓側(cè)的低壓母線電壓：按最小負荷時電容器全部退出運行來選擇降壓變壓器變比: 規(guī)格化后，取110+0分接抽頭，即第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施kVUXQRPUU37.89118130*18. 926*34.211181max1max11max2kVUUUUNt69.11061.105*5

11、 .10112min2min21011110KkVUXQRPUU6 .105118130*18. 926*34.101181min1min11min2按最大負荷求電容器補償容量QC： 由公式（4-28）可得到 規(guī)格化后取11022.25%/11kV，即K9.5，由公式（4-25）確定調(diào)相機容量：第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施2max2max2max2)(KXUUXUQCCCC54. 95 .10*25 .1061.105*5 .10*237.89*5 .1022KMVAKXUUXUQCCCC96. 75 . 9*)5 . 93 .895 .10(1305 .10)(2

12、2max2max2max2四、利用串聯(lián)電容器控制電壓 在輸電線路上接入電容器，利用電容器上的容抗補償輸電線路中得感抗，使電壓損耗后得QX/U分量減小，從而提高輸電線路末端的電壓。 五、電力系統(tǒng)電壓控制措施的比較 在各種電壓控制措施中，首先應(yīng)該考慮發(fā)電機調(diào)壓。對無功功率電源供應(yīng)較為充裕的系統(tǒng)，采用變壓器有載調(diào)壓既靈活又方便。對無功功率電源不足的電力系統(tǒng)，首先應(yīng)該解決的問題是增加無功功率電源，因此以采用并聯(lián)電容器、調(diào)相機或靜止補償器為宜。同時，并聯(lián)電容器或調(diào)相機還可以降低電力網(wǎng)中功率傳輸中的有功功率損耗。 第三節(jié)第三節(jié)電力系統(tǒng)電壓控制的措施電力系統(tǒng)電壓控制的措施第四節(jié)第四節(jié)電力系統(tǒng)電壓的綜合控制電

13、力系統(tǒng)電壓的綜合控制 發(fā)電機G1和G2具有自動勵磁調(diào)節(jié)裝置，可以使母線電壓U1、U2發(fā)生改變；T為有載調(diào)壓變壓器，變比K可以調(diào)節(jié)；q代表無功補償設(shè)備，它可以是靜電電容器、同步調(diào)相機和靜止無功補償器?，F(xiàn)分析G1和G2控制的電壓U1和U2、變壓器變比K、補償容量q這些控制措施對節(jié)點3母線電壓U3的影響。由于電壓與無功功率分布密切相關(guān)，所以改變電壓的同時也會對無功功率Q產(chǎn)生影響。將節(jié)點3電壓U3、無功功率Q定義為狀態(tài)變量，發(fā)電機母線電壓U1、U2以及變壓器變比K和無功補償量q定義為控制變量。 第四節(jié)第四節(jié)電力系統(tǒng)電壓的綜合控制電力系統(tǒng)電壓的綜合控制根據(jù)圖4-13，有由此可以解得 由此可以分析各種電壓

14、控制措施對節(jié)點電壓和無功功率Q的影響以及各種控制措施配合的效果。 第四節(jié)第四節(jié)電力系統(tǒng)電壓的綜合控制電力系統(tǒng)電壓的綜合控制)(2211qQXUUQXKUUqXXXKXXXUXXXUXXXU21221222121212qXXXKXXUXXUXXU21221221121111 通過公式（4-39）、（4-40）可以獲得如下結(jié)論： 改變變壓器變比K和改變發(fā)電機G1的母線電壓對節(jié)點3電壓控制效果相同，并且可以使無功功率Q增加，而且參數(shù)比值XX21越小，電壓控制效果越顯著。 改變發(fā)電機G2的母線電壓U2對節(jié)點3的母線電壓U3的影響與參數(shù)比值XX12有關(guān)，比值越小，影響越顯著 第四節(jié)第四節(jié)電力系統(tǒng)電壓的綜

15、合控制電力系統(tǒng)電壓的綜合控制當X2越大，即G2離節(jié)點3的距離相對較遠時，改變發(fā)電機G1的母線電壓U1對節(jié)點3的電壓影響較大，會使無功功率Q增加。反之，當X1越大，即G1離節(jié)點3的距離相對遠一些時，改變發(fā)電機G2的電壓U2對節(jié)點3的電壓影響較大，會使無功功率Q減少。 控制節(jié)點3的無功補償容量q的效果與等效電抗X1X2/(X1+X2)有關(guān)；等效電抗越大，控制電壓U3效果越好。 節(jié)點3的無功補償輸出容量q按與輸電線路電抗成反比的關(guān)系向兩側(cè)流動，其結(jié)果使無功功率Q減少 第四節(jié)第四節(jié)電力系統(tǒng)電壓的綜合控制電力系統(tǒng)電壓的綜合控制無功功率電源的最優(yōu)控制目的在于控制各無功電源之間的分配，使有功功率網(wǎng)絡(luò)損耗達到

16、最小。電力網(wǎng)中的有功功率網(wǎng)損可以表示為所有節(jié)點注入功率的函數(shù) 則無功功率電源最優(yōu)控制的數(shù)學(xué)表達式為，在滿足 的條件下， P達到最小，式中Q是電力網(wǎng)中的無功功率損耗，QDi是電力網(wǎng)中的無功負荷。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制源的最優(yōu)控制),.,.,(2121GnGGGnGGQQQPPPPP0QQQDiGi應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)： 將L分別對QGi和取偏導(dǎo)數(shù)并令其等于零，有 第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制源的最優(yōu)控制)(QQQPLDiGi0)1 (GiGiGiQQQPQL0)(QQQLDiGi于是可以得到無功功率電源最優(yōu)控

17、制的條件為 式中，P/QGi是網(wǎng)絡(luò)中有功功率損耗對于第i個無功功率電源的微增率；Q/QGi是無功功率網(wǎng)損對于第i個無功功率電源的微增率。 上式的意義是：使有功功率網(wǎng)損最小的條件是各節(jié)點無功功率網(wǎng)損微增率相等。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制源的最優(yōu)控制GiGiQQQL11* 在無功電源配備充足、布局合理的條件下，無功功率電源最優(yōu)控制方法如下： 根據(jù)有功負荷經(jīng)濟分配的結(jié)果進行功率分布的計算； 利用以上結(jié)果，可以求出各個無功電源點的值。 經(jīng)過又一次的功率分布計算，可以算出總的網(wǎng)絡(luò)有功損耗，網(wǎng)絡(luò)損耗的變化實際上都反映在平衡發(fā)電機的功率變化上。因此，如果控制無功功率電源的

18、分配，還能夠使平衡機的輸出功率繼續(xù)減少，那么這種控制就應(yīng)該繼續(xù)下去，直到平衡機輸出功率不能再減少為止。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制源的最優(yōu)控制 在電力系統(tǒng)中某節(jié)點i設(shè)置無功功率補償設(shè)備的前提條件是：一旦設(shè)置補償設(shè)備，所節(jié)約的網(wǎng)絡(luò)有功損耗費用應(yīng)該大于為設(shè)置補償設(shè)備而投資的費用。數(shù)學(xué)表達式可以表示為 式中， 表示由于設(shè)置了補償設(shè)備 而節(jié)約的網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗的費用。 表示為了設(shè)置補償設(shè)備 而需要投資的費用第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制源的最優(yōu)控制0)()(CiCCieQFQF)(CieQFCiQ)(CiCQFCiQ所以，確定節(jié)點i的最優(yōu)補償容量的條件是 具有最大值設(shè)置補償設(shè)備而節(jié)約的費用Fe就是因設(shè)置補償設(shè)備每年可減少的有功功率損耗費用，其值為式中，為以元/乏小時表示的單位電能損耗價格； P0、P分別為以千乏表示的設(shè)置補償設(shè)備前后電力網(wǎng)最大負荷下的有功功率損耗；max為電力網(wǎng)最大負荷損耗小時數(shù)。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制源的最優(yōu)控制)()(CiCCieQFQFFmax0)()(PPQFCie為設(shè)置補償設(shè)備QCi而需要投資的費用包括兩部分：一部分為補償設(shè)備的折舊維修費，另一部分為