電力系統(tǒng)分析基礎-電-第六章

電力系統(tǒng)分析基礎Power

System

ysis

Basis（六）主講人：第六章電力系統(tǒng)的無功功率與電壓調(diào)整本章主要內(nèi)容：1、無功負荷和無功電源及無功功率平衡2、無功功率的經(jīng)濟分布:無功電源的最優(yōu)分布；無功負荷的最優(yōu)補償3、電壓的調(diào)整頻率調(diào)整和電壓調(diào)整的相同和不同之處調(diào)頻頻率唯一集中調(diào)整

調(diào)壓只能調(diào)原 功率電壓水平各點不同調(diào)整分散多樣（有多種無功電源）分析無功功率和電壓分布之間的關系無功損耗﹥﹥有功損耗;無功功率的流動從Uh→UL由上可以看出：維持電壓穩(wěn)定，應該盡量減少無功的傳輸，采取就地平衡。UU

PR

QX電壓降受無功功率的影響較大;第一節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率平衡電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標。電力系統(tǒng)的運行電壓水平取決于無功功率的平衡。系統(tǒng)中各種無功電源的無功出力應能滿足系統(tǒng)負荷和網(wǎng)絡損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則電壓就會偏離額定值。無功功率負荷異步電mU

2Xm

Q

Q

I

2

X一、無功功率負荷和無功功率損耗圖6-1

異步電的簡化等值電路jX電壓下降,轉(zhuǎn)差增大,定子電流增大.圖6-2

異步電的無功功率與端電壓的關系受載系數(shù):實際負載和額定負載之比.在額定電壓附近，電動機的無功功率隨電壓的升降而增減2．變壓器的無功損耗0

T

TT

S

2

Q

Q

U

2

B

NNN100

100SI

%

U

%S

2

U

0

S

k

X

U

2

U

假定一臺變壓器的空載電流I0%=2.5，短路電壓Uk%=10.5，

在額定滿載下運行時，無功功率的消耗將達額定容量的13%。如果從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓，則變壓器中無功功率損耗的數(shù)值是相當可觀的。3．輸電線路的無功損耗圖6-3

輸電線路的π型等值電路212XUU

2P

2

Q21

X

2

222B

1Q

B

(U

2

U

2

)線路的無功總損耗為12U

2

U

2X

1 2

BBU

2P2

Q2

Q

1

1一般情況下，35kV及以下系統(tǒng)消耗無功功率；110kV及以上系統(tǒng)，輕載或空載時，成為無功電源，傳輸功率較大時，消耗無功功率。二、無功功率電源電力系統(tǒng)的無功功率電源有發(fā)電機、同步調(diào)相機、靜電電容器及補償器，后三種裝置又稱為無功補償裝置。1.

發(fā)電機發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時，可發(fā)出無功功率：

SGN

sin

N

PGN

tg

NQGN發(fā)電機在非額定功率因數(shù)下運行時可能發(fā)出的無功功率。圖6-4發(fā)電機的P-Q極限（1）當發(fā)電機低于額定功率因數(shù)運行時，能增加輸出的無功功率，但發(fā)電機的視在功率因取決于勵磁電流不超過額定值的條件，將低于其額定值。（2）當發(fā)電機高于額定功率因數(shù)運行時，勵磁電流不再是限制條件，原

的機械功率又成了限制條件。（3）發(fā)電機只有在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)（即運行點C）下運行時視在功率才能達到額定值，使其容量得到最充分的利用。2.同步調(diào)相機同步調(diào)相機相當于空載運行的同步電

。在過勵磁運行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓；在欠勵磁運行時（欠勵磁最大容量只有過勵磁容量的（50%～65%）)，它從系統(tǒng)吸取感性無功功率而起無功負荷作用，可降低系統(tǒng)電壓。它能根據(jù)裝設地點電壓的數(shù)值平滑改變輸出（或吸?。┑臒o功功率，進行電壓調(diào)節(jié)。因而調(diào)節(jié)性能較好。缺點：同步調(diào)相機是旋轉(zhuǎn)機械，運行

比較復雜；有功功率損耗較大，在滿負荷時約為額定容量的(1.5~5)%，容量越小，百分值越大；小容量的調(diào)相機每kVA容量的投資費用也較大。故同步調(diào)相機宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不裝設。同步調(diào)相機常安裝在樞紐變電所。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)點電壓的平方成正比，即QC=U

2/XC缺點：電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。優(yōu)點：靜電電容器的裝設容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安裝。且電容器每單位容量的投資費用較小，運行時功率損耗亦較小，也較方便。3.靜電電容器補償器由靜電電容器與電抗器并聯(lián)組成電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結合起來，再配以適當?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就能夠平滑地改變輸出（或吸收）的無功功率。4.補償器圖6-5

無功補償器的原理圖(a)可控飽和電抗器型；(b)自飽和電抗器型；

(c)可控硅控制電抗器型；(d)

可控硅控制電抗器和可控硅投切電容器組合型三、無功功率平衡電力系統(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)出的無功功率應該大于或至少等于負荷所需的無功功率和網(wǎng)絡中的無功損耗。LD

Q

Qres

Q

LT

QL

QBQres>0表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的備用；Qres<0表示系統(tǒng)中無功功率不足，應考慮加設無功補償裝置。

QGC無功不足應采取的措施電力系統(tǒng)的無功功率平衡應分別按正常運行時的最大和最小負荷進行計算。經(jīng)過無功功率平衡計算發(fā)現(xiàn)無功功率不足時，可以采取的措施有：要求各類用戶將負荷的功率因數(shù)提高到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的數(shù)值。挖掘系統(tǒng)的無功潛力。例如將系統(tǒng)中暫時閑置的發(fā)電機改作調(diào)相機運行；動員用戶的同步電 過勵磁運行等。根據(jù)無功平衡的需要，增添必要的無功補償容量，并按無功功率就地平衡的原則進行補償容量的分配。小容量的、分散的無功補償可采用靜電容電器；大容量的、配置在系統(tǒng)中樞點的無功補償則宜采用同步調(diào)相機或 補償器。圖6-6等值電路和相量圖問題：在什么樣的電壓水平下實現(xiàn)無功功率平衡？QGC=QLD+△Q∑例:隱極機經(jīng)過一段線路向負荷供電四、無功功率平衡和電壓水平的關系P

VI

cos

EV

sinXEVXV

2XQ

VI

sin

cos

XV

2

P

2

Q

X

EV

2當P為一定值時，得V

XI

sin

E

cosXI

cos

E

sin圖6-7無功平衡與電壓水平應該力求實現(xiàn)在額定電壓下的系統(tǒng)無功功率平衡。例6－1XXV

2

P

2

Q

EV

2異步電機無功發(fā)電機無功第二節(jié)電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分配一、無功負荷的最優(yōu)分配1、等網(wǎng)損微增率準則無功經(jīng)濟分布的目標：在有功負荷分布已確定的前提下，調(diào)整無功電源之間的負荷分布，使有功網(wǎng)損達到最小。網(wǎng)絡的有功網(wǎng)損可表示為節(jié)點注入功率的函數(shù)P

P

(

P1

,

Pn

,Q1

,Q2

Qn

)無功負荷經(jīng)濟分配的數(shù)學表達約束條件：目標函數(shù)△P∑最小：

Q

QLD

0mi

1Pn

,Q1

,Q2

Qn)P

P

(

P1

,用日乘數(shù)法求解構造分別對QGi和λ求導并令其等于0mi

1日函數(shù)L

(QGi

Q

QLD

)

0i

1

(1

Q

)

0(1

1,

2, ,

m)

Q

QLD

)

0L

P

QGiQGiL

(m由上式可得無功功率經(jīng)濟分配的條件P

1

PQGi有功網(wǎng)損對無功電源的微增率無功網(wǎng)損對無功電源的微增率無功網(wǎng)損修正系數(shù)例6－8一、電壓調(diào)整的必要性電壓偏移過大對電力系統(tǒng)本身以及用電設備會帶來不良的影響。效率下降，經(jīng)濟性變差。電壓過高，照明設備

下降，影響絕緣。電壓過低，電機發(fā)熱。系統(tǒng)電壓不可能使所有節(jié)點電壓都保持為額定值。設備及線路壓降負荷波動運行方式改變無功不足電力系般規(guī)定一個電壓偏移的最大允許范圍，例如:35kV及以上供電電壓正負偏移的絕對值之和不超過10%;10kV及以下在±7%以內(nèi)。第三節(jié)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整圖6-8沿線路各點電壓的變化二、電力系統(tǒng)電壓偏移的原因及影響1．造成電壓偏移的原因設備及線路壓降負荷波動運行方式改變無功不足或過剩2．電壓偏移的影響電壓偏移，效率下降，經(jīng)濟性變差。電壓過高，照明設備

下降，影響絕緣。電壓過低，電機發(fā)熱。系統(tǒng)電壓

。圖6-9

“電壓”現(xiàn)象35kV及以上電壓供電負荷:±5%10kV及以下電壓供電負荷:±7%低壓照明負荷:農(nóng)村電網(wǎng):+5%~-10%+7.5%~-10%3

我國規(guī)定的允許電壓偏移三、中樞點的電壓管理系統(tǒng)電電壓中樞點：指那些能夠反映和壓水平的節(jié)點（母線）。1．電壓中樞點的選擇一般可選擇下列母線作為電壓中樞點：大型發(fā)電廠的高壓母線；樞紐變電所的二次母線；有大量地方性負荷的發(fā)電廠母線。中樞點圖6-10電力系統(tǒng)的電壓中樞點例：中樞點2．中樞點電壓和負荷電壓的關系圖6-11 負荷電壓與中樞點電壓中樞點i的電壓滿足Vimin≤Vi≤

Vimax中樞點i的最低電壓Vimin等于在地區(qū)負荷最大時某用戶允許的最低電壓Vmin加上到中樞點的電壓損耗△Vmax。中樞點i的最高電壓Vimax等于地區(qū)負荷最小時某用戶允許的最高電壓Vmax加上到中樞點的電壓損耗△Vmin。V

V

Vi

max

max

minV

V

Vi

min

min

max簡單電力網(wǎng)電壓損耗例只滿足i節(jié)點負荷時，中樞點電壓VO應維持的電壓為

(0.95

~

1.05)VN

0.10VN

(1.05~

1.15)VN0

~

8hVO

Vi

VOi

(0.95

~

1.05)VN

(0.99

~

1.09)VN8

~

24hVO

Vi

VOi

0.04VN只滿足j節(jié)點負荷時，中樞點電壓VO應維持的電壓為0

~

16h VO

Vj

VOj

0.01VN

(0.95

~

1.05)VN

(0.96

~

1.06)VN16

~

24h

VO

Vi

VOj

(0.95

~

1.05)VN

(0.98

~

1.08)VN同時考慮i、j兩個負荷對O點的要求，可得出O點電壓的變化范圍。

0.03VN圖6-12

中樞點O

電壓容許變化范圍中樞點O到i及j變電所的電壓損耗不大時的電壓變化范圍；中樞點O到i及j變電所的電壓損耗相差較大時的電壓變化范圍3．中樞點電壓調(diào)整的方式中樞點電壓調(diào)整方式一般分為三類：逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓。逆調(diào)壓最大負荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓的105%，即1.05VN；最小負荷時降低電壓，但不低于線路的額定電壓，即1.0VN。最大負荷時降低電壓，但不低于線路額定電壓的2.5%，即1.025VN；最小負荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓的7.5%，即1.075VN。(3)

常調(diào)壓電壓保持在較線路額定電壓高2%~5%的數(shù)值，即

(1.02~1.05)VN，不隨負荷變化來調(diào)整中樞點的電壓。(2)

順調(diào)壓四、電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整1．電壓調(diào)整的基本原理圖6-13電壓調(diào)整原理圖2G

1i

G

1

2kVN

PR

QX

V

(V

k

V

)

/

k

V

k調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流以改變發(fā)電機機端電壓VG；改變變壓器的變比k1、k2；改變功率分布P+jQ（主要是Q），使電壓損耗△V變化；改變網(wǎng)絡參數(shù)R+jX（主要是X），改變電壓損耗△V。電壓調(diào)整的措施：2i

G

1V

kN

PR

QX

V

V

k

2、改變發(fā)電機端電壓調(diào)壓圖6-14多級變壓供電系統(tǒng)的電壓損耗分布根據(jù)運行情況調(diào)節(jié)勵磁電流來改變機端電壓。適合于由孤立發(fā)電廠不經(jīng)升壓直接供電的小型電力網(wǎng)。在大型電力系統(tǒng)中發(fā)電機調(diào)壓一般只作為一種輔助性的調(diào)壓措施。15%~35%改變變壓器的變比調(diào)壓實際上就是根據(jù)調(diào)壓要求適當選擇分接頭。（1）．降壓變壓器分接頭的選擇3、變壓器分接頭的選擇圖6-18降壓變壓器ΔVT

(PRT

QXT

)/V1V

'

(V

Δ

V

)/k2

1

Tk

=V1t/V2N1t22

NV

'V

V

1

T

VV1max2max1t

maxT

max

2

NV

'V

(V

V

)V1t

min

1minT

min2

N

2minV

'V

(V

V

)V

V1t

min

)

/

2V1tav

(V1t

max根據(jù)V1t.av值可選擇一個與它最接近的分接頭。然后根據(jù)所選取的分接頭校驗最大負荷和最小負荷時低壓母線上的實際電壓是否滿足要求。例6-2最大運方平均最小運方V

'

(V

Δ

V

)/k2

1

Tk

=V1t/V2N圖6-19升壓變壓器

V1

VT

V1t2

N2V

'V（2）．升壓變壓器分接頭的選擇選擇升壓變壓器分接頭的方法與選擇降壓變壓器的基本相同。例6－3例6－4有載調(diào)壓變壓器可以在帶負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級的調(diào)壓變壓器有7個分接頭，即VN±3×2.5%；220kV級的有9個分接頭即

VN±4×2.0%。采用有載調(diào)壓變壓器時，可以根據(jù)最大負荷算得的V1tmax值和最小負荷算得的V1tmin分別選擇各自合適的分接頭。這樣就能縮小次級電壓的變化幅度，甚至改變電壓變化的趨勢。（3）、有載調(diào)壓變壓器例6－5（4）．三繞組變壓器分接頭的選擇三繞組變壓器高壓側和中壓側都有分接頭，低壓側沒有。三繞組變壓器可看作兩個雙繞組變壓器：高、低壓側——確定高壓繞組的分接頭（根據(jù)低壓側要求）高、中壓側——確定中壓繞組的分接頭（根據(jù)低壓側要求）。注意：只有當系統(tǒng)無功功率電源容量充足時，用改變變壓器變比調(diào)壓才能奏效。圖6-20

簡單的電力系統(tǒng)圖因此，當系統(tǒng)無功功率不足時，首先應裝設無功功率補償設備。第四節(jié) 無功功率補償調(diào)壓一、利用并聯(lián)補償調(diào)壓供電點電壓V1和負荷功率Ｐ+jQ已給定，線路電容和變壓器的勵磁功率略去不計。且不計電壓降落的橫分量。圖6-21簡單電力網(wǎng)的無功功率補償V

PR

QX補償前V1

V212c2cV

V

PR

Q

Qc

)

XV補償后如果補償前后V1保持不變，則有22

2c2cc

)

XVVV

PR

QX

V

PR2歸算到高壓側的變電所低壓側電壓2V

)

PR

QX

PR

QX

c2cQ

V2c

(VX

V2c

V2

由上式可解得2c

2cXQ

V2c

(V

V

)2k

2V

'2c'2cV

'ckV 2c

(kV

'V

2Q

XXk

V

)

2c2c2cV

kV

'忽略第二項由此可見:補償容量與調(diào)壓要求和降壓變壓器的變比選擇均有關。變比k的選擇原則：在滿足調(diào)壓的要求下，使無功補償容量為最小。無功補償設備的性能不同，選擇變比的條件也

不相同。2k

2V

'2c'2cV

'ckV 2c

(kV

'V

2Q

XXk

V

)

2c1.

補償設備為靜電電容器為了充分利用補償容量，在最大負荷時電容器應全部投入，在最小負荷時全部退出。首先，根據(jù)調(diào)壓要求，按最小負荷時沒有補償?shù)那闆r確定變壓器的分接頭。2min2mint

2

NVV

V

V2min

V2

NV2mint于是VV

V2

Nk

V1t1t(據(jù)此選擇分接頭V)（確定變比）V2min

和V2min分別為最小負荷下低壓母線歸算到高壓側的電壓和低壓母線的實際電壓其次，按最大負荷時的調(diào)壓要求計算補償容量k

22c

max'V

'cV

2c

maxXV

2maxkQ

然后，根據(jù)算得的補償容量，從產(chǎn)品合適的設備。中選擇最后，根據(jù)確定的變比和選定的靜電電容器容量，校驗實際的電壓變化。首先確定變比k最大負荷時，同步調(diào)相機容量為：2.

補償設備為同步調(diào)相機22cmax2max2cmaxcVVQ

VkXk

最小負荷時調(diào)相機容量應為：22c

min2min2c

minQc

VVVkXkV2c

max

(kV2c

max

V2c

min

(kV2c

min

V2min

)V2max

)兩式相除，得：由此可解出：2cmax2cminV

'2V2cmaxV2max

V2cminV2minV

'2k

V2

Nk

V1t確定實際變比22c

max2max2c

maxcVVQ

VkXk據(jù)此確定分接頭電壓V1t功功率引起的QX/V分量就占很大的。在這種情況下，減少輸送無功功率可以產(chǎn)生比較顯著的調(diào)壓效果。反之，對截面不大的線路和所有電纜線路，用這種方法調(diào)壓就不合適。在高壓電力網(wǎng)中，電抗遠大于電阻，V

中無特別注意例6-6二、 線路串聯(lián)電容補償改善電壓質(zhì)量V

P1

R

Q1