電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)

1、電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)2問題1、電壓偏移如何影響現(xiàn)代生產(chǎn)和生活？2、電力系統(tǒng)為何總存在電壓偏移？允許電壓偏移量？3、電力系統(tǒng)的電壓水平取決于什么？4、控制電壓的無功電源主要有哪些？分別有何特點(diǎn)？5、現(xiàn)代電力大系統(tǒng)的電壓是如何管理和控制的？3一、大電壓偏移對現(xiàn)代生產(chǎn)和生活影響？電力設(shè)備設(shè)計(jì)：額定電壓下才能有好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能異步電動(dòng)機(jī)：電壓低，定子電流顯著增大，溫升，加速絕緣老化，燒電機(jī)；電壓高，破壞絕緣。電熱設(shè)備：電壓低，大大降低發(fā)熱量。照明設(shè)備：電壓低，發(fā)光不足；電壓高，影響壽命家用電器（如電視機(jī)）：電壓低，圖像不穩(wěn)定；電壓高，影響顯像管壽命。電子設(shè)備、精密儀器：對電壓都極其敏感，要

2、求更高，電壓質(zhì)量已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)投資環(huán)境的重要因素電力系統(tǒng)用戶，要求提供電壓合格的優(yōu)質(zhì)電能商品4二、大電壓偏移對電力系統(tǒng)自身的影響？電壓低：功率損耗、電能損耗增大，危機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電壓高：破壞絕緣，超高壓網(wǎng)絡(luò)電暈損耗電網(wǎng)額定電壓電壓允許偏移范圍35KV及以上5%10KV及以下7%低壓照明+5%-10%農(nóng)村照明+7.5%-10%事故時(shí)再加5%，正偏移不能超過10%電力系統(tǒng)允許的電壓偏移？負(fù)荷隨機(jī)變化系統(tǒng)運(yùn)行方式經(jīng)常變化不可能嚴(yán)格保證所有節(jié)點(diǎn)任何時(shí)刻額定電壓，電壓偏移不可避免，需合理規(guī)定允許的偏移范圍。5電壓損耗隨機(jī)變化6如何使電壓偏移在合理的范圍內(nèi)？首先要解決的問題是：電力系統(tǒng)的電壓水平取

3、決于什么？Northeastern University無功功率負(fù)荷無功功率負(fù)荷 在電力系統(tǒng)的各種用電設(shè)備中，除一小部分照明負(fù)荷消耗有功功率、為數(shù)不多的同步電動(dòng)機(jī)發(fā)出一部分無功功率外，大量的異步電動(dòng)機(jī)消耗無功功率。異步電動(dòng)機(jī)的等值電路如圖6-1所示，其消耗的無功功率為： XIXUQQQmmM22Northeastern University 無功功率損耗無功功率損耗 電力系統(tǒng)的無功損耗包括變壓器和線路的無功損耗。變壓器的無功損耗包括勵(lì)磁損耗 和漏抗中的損耗 ，即 0QQTTTXUSBUQQQ220)( 可見，變壓器的無功損耗一電壓特性與異步電動(dòng)機(jī)類似。線路的無功損耗包括線路串聯(lián)電抗中的無功損耗

4、 與線路電容的充電功率 ，即XQBQ)2()(22UBXUSQQQBXL 對35kV及以下的線路，充電功率甚小，線路消耗無功功率。對110kV及以上線路，當(dāng)線路傳輸功率較大時(shí)，線路電抗消耗的無功功率大于充電功率，線路無功損耗成為無功負(fù)載；當(dāng)傳輸功率較小(小于自然功率)時(shí)，充電功率大于線路電抗消耗的無功，線路無功損耗成為無功電源。 Northeastern University 無功功率電源無功功率電源 1.發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)既是惟一的有功功率電源，又是最基本的無功功率電源。發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可發(fā)出無功功率為： NGNNGNGNtgPSQsin式中 發(fā)電機(jī)的額定視在功率、額定有功功率和額定功率

5、因數(shù)角。NGNGNPS、Northeastern University 據(jù)此相量圖作出了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行極限圖。運(yùn)行極限圖表明在不同功率因數(shù)下，受發(fā)電機(jī)定子額定電流(額定視在功率)、轉(zhuǎn)子額定電流(空載電勢)、原動(dòng)機(jī)出力(額定有功功率)等的限制，發(fā)電機(jī)應(yīng)發(fā)有功功率和無功功率的限額。 圖中，以A為圓心，以AC為半徑的圓弧表示定子額定電流的限制；以O(shè)為圓心，OC為半徑的圓弧表示轉(zhuǎn)子額定電流的限制；水平線DC表示原動(dòng)機(jī)出力的限制。此外，曲線DF表示當(dāng)發(fā)電機(jī)超前功率因數(shù)運(yùn)行即進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性和定子端部溫升的限制。發(fā)電機(jī)應(yīng)發(fā)有功功率、無功功率的限額在圖中體現(xiàn)為曲線段AB、BC、CD、DF包圍的面積

6、。 第六章 電力系統(tǒng)的無功功率平衡和電壓調(diào)整Northeastern University2.同步補(bǔ)償機(jī)（調(diào)相機(jī)） 它是專門用來生產(chǎn)無功功率的一種同步電機(jī)。在過勵(lì)磁、欠勵(lì)磁的不同情況下，它可分別發(fā)出或吸收感性無功功率。而且，只要改變它的勵(lì)磁，就可以平滑地調(diào)節(jié)無功功率輸出，單機(jī)容量也可以做得較大。通常，它可以直接裝設(shè)在用戶附近就近供應(yīng)無功功率，從而減少輸送過程中的損耗。但由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，故有功功率損耗較大。3.并聯(lián)電容器 靜電電容器可按三角形和星形接法連接在變電所母線上。它供給的無功功率QC值與所在節(jié)點(diǎn)電壓的平方成正比，即：ccXUQ/2Northeastern University4.靜止補(bǔ)

7、償器 靜止補(bǔ)償器是20世紀(jì)60年代起發(fā)展起來的一種新型可控的靜止無功補(bǔ)償裝置，它簡稱為SVC。其特點(diǎn)是：利用晶閘管電力電子元件所組成的電子開關(guān)來分別控制電容器組與電抗器的投切，這樣它的性能完全可以做到和同步補(bǔ)償機(jī)一樣，既可發(fā)出感性無功，又可發(fā)出容性無功，并能依靠自身裝置實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，從而可以作為系統(tǒng)的一種動(dòng)態(tài)無功電源，對穩(wěn)定電壓、提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性以及減弱動(dòng)態(tài)電壓閃變等均能起著較大的作用。Northeastern University（1） FC-TCR型靜止補(bǔ)償器（2）TSC-TCR型靜止補(bǔ)償器圖 FC-TCR型靜止圖 TSC-TCR型靜止補(bǔ)償器原理接線圖Northeastern Univ

8、ersity無功功率的平衡無功功率的平衡電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求：系統(tǒng)中的無功電源可以發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。CGGCBLLTLresLLDGCQQQQQQQQQQQ 0表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的備用； 0UAt結(jié)論：中樞點(diǎn)至各負(fù)荷點(diǎn)在最大最小負(fù)荷時(shí)電壓損耗之差不能大于負(fù)荷點(diǎn)允許上下限電壓之差(一般為10%)。即：中樞點(diǎn)到不同負(fù)荷點(diǎn)的電壓損耗不能太大Northeastern University 最大負(fù)荷時(shí)升高中樞點(diǎn)電壓、最小負(fù)荷時(shí)降低中樞點(diǎn)電壓的調(diào)壓方式稱為逆調(diào)壓。逆調(diào)壓在最大負(fù)荷時(shí)可將中樞點(diǎn)電壓升高至105 ，( 為線路額定電壓

9、)，最小負(fù)荷時(shí)可將中樞點(diǎn)電壓降為 。供電線路較長，負(fù)荷變動(dòng)較大的中樞點(diǎn)往往采用逆調(diào)壓方式逆調(diào)壓方式。 最大負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓降低，最小負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓升高的調(diào)壓方式稱為順調(diào)壓。順調(diào)壓在最大負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓不低于102.5 ，最小負(fù)荷時(shí)允許不高于107.5 。供電線路不長，負(fù)荷變動(dòng)不大的中樞點(diǎn)通常采用順調(diào)壓方式順調(diào)壓方式。 在任何負(fù)荷情況下都保持中樞點(diǎn)電壓為一基本不變的數(shù)值，如(102105) ，稱為恒稱為恒(常常)調(diào)壓調(diào)壓。 NUNUNUNUNUNUNortheastern University中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式最大負(fù)荷最小負(fù)荷逆調(diào)壓調(diào)為1.05VN調(diào)為VN順調(diào)壓不低1.025VN不高

10、1.075VN常調(diào)壓1.05VNNortheastern University電壓調(diào)整的措施電壓調(diào)整的措施 隨著運(yùn)行方式的改變，電網(wǎng)中電壓損耗的作用有可能出現(xiàn)無論中樞點(diǎn)電壓取什么范圍，都不能滿足所有負(fù)荷對電壓的要求。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，只靠控制中樞點(diǎn)電壓就不能保證所有負(fù)荷點(diǎn)的電壓。因此必須采取其他調(diào)壓措施來保證電壓質(zhì)量。 各種調(diào)壓措施所依據(jù)的基本原理說明如下。 一簡單電力系統(tǒng)以及略去元件導(dǎo)納支路和功率損耗后歸算至基本級(jí)的等值電路。Northeastern University要求調(diào)整的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)b的電壓為: 21122/ )(/ )(/kkUQXPRkUkUUkUUGGGbb式中 -b點(diǎn)、G點(diǎn)的實(shí)

11、際電壓； -b點(diǎn)、C點(diǎn)的歸算電壓； 變壓器T1、T2的變比； R、X -電力網(wǎng)的等值電阻、等值電抗。GbUU 、GbUU、21kk 、調(diào)整負(fù)荷節(jié)點(diǎn)b的電壓可以采取以下措施： (1)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以改變發(fā)電機(jī)端電壓 ； (2)選擇適當(dāng)變壓器變比； (3)改變線路的電抗參數(shù)； (4)改變無功功率分布。 GU 需要說明的是，為了調(diào)壓改變有功功率的分配以及增大導(dǎo)線截面以減小電阻是不恰當(dāng)?shù)摹?Northeastern University1改變發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)壓 大中型同步發(fā)電機(jī)都裝有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以改變-發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓以達(dá)到調(diào)壓的目的。這是一種不需耗費(fèi)投資而且最直

12、接的調(diào)壓手段。這種調(diào) 壓措施對供電線路不長的直配電網(wǎng)，是最經(jīng)濟(jì)合理的調(diào)壓措施。但對供電線路較長、供電范圍較大的多電壓等級(jí)電網(wǎng)，由于不同運(yùn)行方式下電壓損耗的變化幅度太大，靠發(fā)電機(jī)調(diào)壓不 能滿足負(fù)荷點(diǎn)電壓的需求。 此外，對大型電力系統(tǒng)中有眾多處于并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，個(gè)別發(fā)電機(jī)進(jìn)行機(jī)端電壓的調(diào)整，會(huì)引起系統(tǒng)無功功率的重新分配，并可能造成與無功功率經(jīng)濟(jì)分配發(fā)生矛盾。在這兩種情況下，改變發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)壓只能作為一種輔助性的調(diào)壓措施。 Northeastern University2改變變壓器變比調(diào)壓 改變變壓器變比調(diào)壓就是根據(jù)調(diào)壓要求適當(dāng)選擇變壓器的分接頭電壓。下面介紹普通雙繞組變壓器分接頭的選擇方法。

13、 1） 降壓變壓器分接頭選擇(1) 分接頭電壓的計(jì)算及選擇降壓變壓器的接線及等值電路如圖4-9 所示 Northeastern University設(shè) 高壓測母線電壓； 低壓測母線歸算至高壓測的歸算電壓； 低壓測母線電壓（要求電壓）； 變壓器的電壓損耗； 變壓器的高壓繞組的分接頭電壓； 變壓器低壓繞組的額定電壓； k 變壓器的變化1U2U2UTUtU1NU2根據(jù)等值電路有（略去功率損耗） TUUU12其中1UQXPRUTTT也即：TUUkU22而NtUUk21則有：NTtUUUUU2211 由于普通變壓器只能停電改變電壓，再運(yùn)行中只能使用一個(gè)固定分接頭，所以應(yīng)在最大、最小負(fù)荷下分別求出變壓器的

14、分接頭電壓的計(jì)算值Northeastern University1maxmax1 max22maxTtNUUUUU1minmin1 min22minTtNUUUUU然后取其平均值： 2/ )(min1max11UUUt再根據(jù)計(jì)算值 選擇一個(gè)與它數(shù)值最接近的分接頭電壓。Northeastern University（2）分接頭電壓的校驗(yàn) 根據(jù)所選擇的分接頭電壓計(jì)算最大、最小負(fù)荷下低壓母線的實(shí)際電壓，并校驗(yàn)其是否滿足調(diào)壓要求 。tNTtUUUUU12max1max1max2)(tNTtUUUUU12minmin1min2)(2） 升壓變壓器分接頭選擇升壓變壓器的接線及等值電路如圖所示。圖中1仍為高

15、壓側(cè)，2仍為低壓側(cè)。Northeastern University根據(jù)等值電路有： TUUU12其中1UQXPRUTTT即TUUkU12而NtUUk21則有NTtUUUUU2211（6-12） 升壓變壓器分接頭電壓的計(jì)算、選擇及校驗(yàn)方法與降壓變壓器相同。但需注意的是： 升壓變壓器與降壓變壓器的額定電壓是有區(qū)別的； 升壓變壓器電壓損耗的計(jì)算方向與降壓變壓器不同，即 (降壓變壓器為 )；發(fā)電機(jī)機(jī)端接有地區(qū)負(fù)荷時(shí)，應(yīng)按地區(qū)負(fù)荷的調(diào)壓要求(一般為逆調(diào)壓)計(jì)算；如沒有地區(qū)負(fù)荷，則按發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的要求計(jì)算。 TUUU12TUUU12Northeastern University3） 三繞組變壓器分接頭的

16、選擇（1）將高低繞組看作雙繞組，確定高繞組接頭；（2）將高中繞組看作雙繞組，確定中繞組分接頭位置。4）、有載調(diào)壓變壓器有載調(diào)壓變壓器可以在帶負(fù)荷的條件下切換分接頭而且調(diào)節(jié)范圍也比較大，一般在15%以上。目前我國暫定，110kV級(jí)的調(diào)壓變壓器有7個(gè)分接頭，即VN32.5%；220kV級(jí)的有9個(gè)分接頭即VN42.0%。注意點(diǎn):三個(gè)繞組功率不一樣, 計(jì)算U時(shí), 須計(jì)算O點(diǎn)電壓Northeastern University有載調(diào)壓變壓器接線圖采用有載調(diào)壓變壓器時(shí)，可以根據(jù)最大負(fù)荷算得的V1tmax值和最小負(fù)荷算得的V1tmin 分別選擇各自合適的分接頭。這樣就能縮小次級(jí)電壓的變化幅度，甚至改變電壓變化

17、的趨勢。Northeastern University3改變無功功率分布調(diào)壓 無功功率的產(chǎn)生基本上不消耗能源，但無功功率沿電網(wǎng)傳輸則會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗和電壓損耗。改變無功功率分布以減少電壓損耗，從而改善用戶的電壓質(zhì)量，正是調(diào)壓的目的所在。改變無功功率分布調(diào)壓的方法，是在用戶處就地補(bǔ)償(并聯(lián)補(bǔ)償)無功功率電源，以減少電網(wǎng)傳輸?shù)臒o功功率。調(diào)壓計(jì)算的內(nèi)容是按調(diào)壓要求確定應(yīng)設(shè)置的無功功率補(bǔ)償容量。確定補(bǔ)償容量時(shí)，要結(jié)合考慮變壓器變比的選擇，使之達(dá)到既充分發(fā)揮變壓器的調(diào)壓作用，又充分利用了無功補(bǔ)償容量，達(dá)到在滿足調(diào)壓要求的前題下，使用的補(bǔ)償容量最少。 圖6-7所示為一簡單電力網(wǎng)。設(shè)分別為 補(bǔ)償前后

18、歸算至高壓側(cè)的變電站低壓母線電壓，補(bǔ)償前后供電點(diǎn)電壓 維持不變，不計(jì)線路充電功率和變壓器的勵(lì)磁功率，忽略電壓降落的橫分量，可推導(dǎo)出補(bǔ)償設(shè)備的容量為： cUU22和1U假定補(bǔ)償前后，U1不變補(bǔ)償前： 補(bǔ)償后： 16利用無功補(bǔ)償控制電壓無功補(bǔ)償：按調(diào)壓要求；按經(jīng)濟(jì)要求。與變壓器調(diào)壓配合，充分利用變壓器作用U1U2P+jQjQCPR (QQC)X PR QX K:1Z=R+jX122PR+QXU =U +UC12C2CPR+(Q-Q )XU =U+U2U2U2CU2CU ( )(QC 17PR (QQC)X PR QX 引入K：PR QX ) XQC X( )U2CKXQC )K2U2CXK(U2C

19、 (U2CK ) PR QX補(bǔ)償量QC取決于補(bǔ)償前后的電壓U2、U2C及變比K根據(jù)補(bǔ)償設(shè)備不同，補(bǔ)償量選擇方法不同2U2U2CU2CU2CU2CU2CU2CU2CU2U2U2U2U2U18利用無功補(bǔ)償控制電壓（并聯(lián)電容器）特點(diǎn): 只發(fā)感性無功, 可全部或部分切除，不能平滑調(diào)節(jié)分兩步計(jì)算: 最小負(fù)荷時(shí)，無功電源不缺，全部切除電容，利用變壓器調(diào)壓滿足要求(確定K)U2CmUTHm UNLU2Cm調(diào)壓要求的低壓側(cè)希望電壓(最小負(fù)荷時(shí))規(guī)格化為UTHN，求變比：K=UTHN/UNL1mmU- U19利用無功補(bǔ)償控制電壓（并聯(lián)電容器） 最大負(fù)荷時(shí)，K已定，確定QC:際電壓規(guī)格化QC，并校驗(yàn)U2CM、U2

20、Cm是否達(dá)到要求U2CM：最大負(fù)荷時(shí)，由調(diào)壓要求確定的低壓希望電壓U 2M：最大負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)償前低壓側(cè)歸算到高壓側(cè)的實(shí)22CM2MC2CMUUQ =U-KXK20求出K，規(guī)格化，然后求QSC ，再規(guī)格化后校驗(yàn))K2U2CmXK(U2Cm (0.5 0.6)QSC U2Cm(KU2Cm )U2CM(KU2CM )(0.5 0.6) 利用無功補(bǔ)償控制電壓（同步調(diào)相機(jī)）特點(diǎn): 能作無功電源；又能作無功負(fù)荷，但此時(shí)最多為容量的50%；能平滑調(diào)節(jié) 最大負(fù)荷時(shí)：作無功電源（QSC調(diào)相機(jī)容量） 最小負(fù)荷時(shí)：作無功負(fù)荷22CM2MSC2CMUUQ=U-KXK2mU2mU2MUNortheastern University4 改變輸電線路的參數(shù)進(jìn)行調(diào)壓從電壓損耗的計(jì)算公式可知，改變輸電線路電阻R和電抗X，都可以達(dá)到改變電壓損耗的目的。（1）改變R：增大導(dǎo)線截面積，可降低電壓損耗，同時(shí)降低網(wǎng)損. 用于10kv及以下線路。（2）改變X：串聯(lián)電容，多用于35kv及以上線路.由于減小電阻將增加導(dǎo)線材料的消耗，加之QX/U這一項(xiàng)對電壓損耗的影響更大，所