第五章 電力系統(tǒng)的有功功率與頻率調(diào)整第六章 電力系統(tǒng)的無功功率與電壓調(diào)整

1主講：高志剛gzg@自動化學(xué)院第五章電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整

第六章電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整2電力系統(tǒng)中，衡量運行經(jīng)濟性的主要指標(biāo)為：比耗量（煤耗率，每消耗一度電消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤重）和線損率(電力網(wǎng)絡(luò)消耗的電能與向電力網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)電能的百分比)衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)包括：頻率質(zhì)量、電壓質(zhì)量和波形質(zhì)量，分別以頻率偏移、電壓偏移和波形畸變率表示。電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)的有功功率必須平衡，即發(fā)電機發(fā)出的有功功率，應(yīng)等于系統(tǒng)消耗的有功功率。否則由于發(fā)電機的動力力矩和阻力力矩不同，發(fā)電機轉(zhuǎn)速將持續(xù)發(fā)生改變。P1（幅度小，周期短，一次調(diào)頻）P2（幅度較大，周期較長，沖擊性負(fù)荷，二次調(diào)頻）P3（幅度最大，周期最長，由生活、氣象等引起，三次調(diào)頻）Pt5.1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡電力系統(tǒng)實際有功功率負(fù)荷曲線不同的周期的負(fù)荷有不同的變化規(guī)律：第一種變動幅度很小，周期又很短，這種負(fù)荷變動有很大的偶然性；第二種變動幅度較大，周期也較長，屬于這種負(fù)荷的主要有：電爐、電氣機車等帶有沖擊性的負(fù)荷變動；第三種變動基本上可以預(yù)計，其變動幅度最大，周期也最長，是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動。例如，夏季由于空調(diào)制冷，普遍出現(xiàn)用電負(fù)荷較高的現(xiàn)象。5根據(jù)負(fù)荷變化，電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整大體上也可分為：一次調(diào)頻：由發(fā)電機調(diào)速器進行；二次調(diào)頻：由發(fā)電機調(diào)頻器進行；三次調(diào)頻：優(yōu)化準(zhǔn)則，即由調(diào)度部門根據(jù)負(fù)荷曲線進行最優(yōu)分配，責(zé)成各發(fā)電廠按事先給定的負(fù)荷發(fā)電。除平衡節(jié)點（調(diào)頻）外均屬此類。（有功功率日負(fù)荷曲線）前兩種是事后的，第三種是事前的。 有功功率電源備用容量有功功率電源：可投入發(fā)電設(shè)備的可發(fā)功率之和，不應(yīng)小于包括網(wǎng)損和廠用電在內(nèi)的系統(tǒng)（總）發(fā)電負(fù)荷。系統(tǒng)的備用容量：系統(tǒng)電源容量大于發(fā)電負(fù)荷的部分。可分為熱備用和冷備用或負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用等。負(fù)荷備用：調(diào)整負(fù)荷波動或超計劃負(fù)荷增加，2～5％Pmax事故備用：發(fā)電設(shè)備發(fā)生偶然事故時，使電力用戶不受嚴(yán)重影響，維持系統(tǒng)正常供電所需的備用，5～10％Pmax檢修備用：使系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備能定期檢修而設(shè)置。國民經(jīng)濟備用：著眼未來7電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配5.2電力系統(tǒng)中有功功率最優(yōu)分配有功功率電源的最優(yōu)組合有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配機組的最優(yōu)組合順序機組的最優(yōu)組合數(shù)量機組的最優(yōu)開停時間系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠的合理組合，即機組的合理開停。冷備用容量的合理分布問題熱備用容量的合理分布問題有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配：是指系統(tǒng)的有功功率負(fù)荷在各個正在運行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配。8電力系統(tǒng)最優(yōu)運行是電力系統(tǒng)分析的一個重要分支，它所研究的問題主要是在保證用戶用電需求（負(fù)荷）的前提下，如何優(yōu)化地調(diào)度系統(tǒng)中各發(fā)電機組或發(fā)電廠的運行工況，從而使系統(tǒng)發(fā)電所需的總費用或所消耗的總?cè)剂虾牧窟_到最小這樣決策問題。一、必要性頻率是電力系統(tǒng)運行的一個重要的質(zhì)量指標(biāo)，直接影響著負(fù)荷的正常運行。負(fù)荷要求頻率的偏差一般應(yīng)控制在（±0.2~±0.5）Hz的范圍內(nèi)。電網(wǎng)頻率變化會導(dǎo)致很多電氣設(shè)備無法正常運行，影響工業(yè)生產(chǎn)和生活。要維持頻率在正常的范圍內(nèi)，系統(tǒng)必須具有充裕的可調(diào)有功電源。5.3電力系統(tǒng)中的頻率調(diào)整負(fù)載變化導(dǎo)致發(fā)電機頻率變化，怎么辦？自動調(diào)速系統(tǒng)及其特性自動調(diào)速系統(tǒng)：關(guān)鍵在于利用杠桿的作用調(diào)整汽輪機或水輪機的導(dǎo)向葉片，使其開度增大，增加進汽量或進水量。當(dāng)重新穩(wěn)定后，E歸于原位。液體流動B點上升B上升帶動C上升經(jīng)過調(diào)速器調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)達到穩(wěn)定，此時的頻率將低于原有頻率當(dāng)機組轉(zhuǎn)速升高時候，有類似的分析過程，并且可以知道，經(jīng)過調(diào)速器調(diào)節(jié)后的頻率將高于原頻率自動調(diào)速系統(tǒng)及其特性“一次調(diào)整”，借助于調(diào)速器完成可以升高D點的位置E位置下移，導(dǎo)致液體流動B點上升B上升帶動C上升重新穩(wěn)定后，E仍歸于原位。但B,D,C較原來有所升高，A也升高最終頻率可以與原頻率相等，“二次調(diào)整”，借助于調(diào)頻器完成電力系統(tǒng)中的有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機；無功功率電源除發(fā)電機外，還有電容器、調(diào)相機和靜止補償器等，分散在各變電所。供應(yīng)有功功率和電能；必須消耗能源，但無功功率電源一旦設(shè)置后，就可隨時使用而不再有其它經(jīng)常性耗費。系統(tǒng)中無功功率損耗遠(yuǎn)大于有功功率損耗。正常穩(wěn)態(tài)運行時，全系統(tǒng)頻率相同，頻率調(diào)整集中在發(fā)電廠，調(diào)頻手段只有調(diào)整原動機功率一種。電壓水平則全系統(tǒng)各點不同，而且電壓調(diào)整可分散進行，調(diào)壓手段也多種多樣。因此，電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整與有功功率和頻率調(diào)整有很大不同。6.1電力系統(tǒng)的無功功率與電壓調(diào)整無功功率負(fù)荷電動機等滯后功率因數(shù)的負(fù)載變壓器電力線路無功功率電源發(fā)電機電容器和調(diào)相機靜止補償器和靜止調(diào)相機并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率。它所供應(yīng)的感性無功功率與其端電壓約平方成正比。調(diào)相機實質(zhì)上是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機。它在過激運行時向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率，欠激運行時從系統(tǒng)吸取感性無功功率。欠激運行時的容量約為過激運行時容量的50%。這些也就是作為無功功率電源的調(diào)相機的運行極限。靜止補償器和靜止調(diào)相機是分別與電容器和調(diào)相機相對應(yīng)而又同屬“靈活交流輸電系統(tǒng)”范疇的兩種無功功率電源。靜止補償器的全稱為靜止無功功率補償器(SVC)，有各種不同型式。目前常用的有晶閘管控制電抗器型(TCR型)、晶閘管開關(guān)電容器型(TSC型)和飽和電抗器型(SR型)三種TCRTSCSR靜止調(diào)相機電網(wǎng)變壓器基于GTO等全控器件的電壓源可以吸收或發(fā)出感性無功功率，運行方式靈活。6.2電壓調(diào)整的必要性電力系統(tǒng)的電壓和頻率一樣也需要經(jīng)常調(diào)整。由于電壓偏移過大時，會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞設(shè)備，甚至引起系統(tǒng)性的“電壓崩潰”，造成大面積停電。在保證系統(tǒng)中無功功率平衡的基礎(chǔ)上，如同調(diào)整控制頻率一樣．調(diào)整控制電壓，使其偏移和波動保持在允許范圍內(nèi)，是系統(tǒng)運行的一個重要問題。電壓波動和電壓管理1.電壓波動當(dāng)負(fù)荷發(fā)生波動時，使得線路上傳送的無功功率發(fā)生波動，相應(yīng)的各節(jié)點電壓也隨之波動。對于生活、生產(chǎn)、氣象等變化引起的周期長、波及面大的電壓波動需進行調(diào)整。對于沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動需進行限制。設(shè)置串聯(lián)電容器，抵償線路感抗，限制電壓波動幅度設(shè)置調(diào)相機和電抗器設(shè)置靜止補償器2.電壓管理電壓中樞點就是那些反映系統(tǒng)電壓水平的主要發(fā)電廠的高壓母線、樞紐變電所低壓母線或有大量地方負(fù)荷的發(fā)電機母線。（1）中樞點的電壓偏移根據(jù)負(fù)荷對電壓的要求，任何時刻應(yīng)滿足：ABi2.電壓管理（1）中樞點的電壓偏移需綜合考慮A、B對電壓中樞點i點的要求。要同時滿足兩個負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求，中樞點電壓的允許變動范圍減小。在實際電力系統(tǒng)中，由同一中樞點供電的負(fù)荷可能很多，且中樞點到負(fù)荷處線路上的電壓損耗的大小和變化規(guī)律的差別可能很大，完全可能出現(xiàn)在某些時段內(nèi)，中樞點電壓取任何值均不能滿足要求，這時須采取其他措施（如在負(fù)荷處進行無功補償，改變變壓器變比等）。2.電壓管理（2）中樞點電壓的調(diào)整方式逆調(diào)壓：對于供電線路較長，負(fù)荷波動較大的網(wǎng)絡(luò)，考慮在最大負(fù)荷時線路上的電壓損耗增加，這時適當(dāng)提高中樞點電壓以補償增大的電壓損耗，比線路UN高5％（即1.05UN）；最小負(fù)荷時線路上電壓損耗減小，降低中樞點電壓為UN。順調(diào)壓：負(fù)荷變動小，供電線路不長，在允許電壓偏移范圍內(nèi)某個值或較小的范圍內(nèi)，最大負(fù)荷時電壓可以低一些，但≥1.025UN，小負(fù)荷時電壓可以高一些，但≤1.075UN。2.電壓管理（2）中樞點電壓的調(diào)整方式常調(diào)壓（恒調(diào)壓）：負(fù)荷變動小，供電線路電壓損耗也較小的網(wǎng)絡(luò)，無論最大或最小負(fù)荷時，只要中樞點電壓維持在允許電壓偏移范圍內(nèi)某個值或較小的范圍內(nèi)（如1.025UN~1.05UN），就可保證各負(fù)荷點的電壓質(zhì)量。這種在任何負(fù)荷情況下，中樞點電壓保持基本不變的調(diào)壓方式。6.3借改變發(fā)電機端電壓調(diào)整通過自動勵磁調(diào)節(jié)裝置→If→Eq→UG，不需另增設(shè)備，簡便可行且經(jīng)濟。由發(fā)電機不經(jīng)升壓直接供電的地方負(fù)荷，實行逆調(diào)壓。勵磁電流空載電勢端電壓6.3借改變發(fā)電機端電壓調(diào)整G+5%-5%-9%+1%-5%-4%-5.6%+4.4%+2%發(fā)電機經(jīng)多級變壓向負(fù)荷供電時，僅借發(fā)電機調(diào)壓往往不能滿足負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求，這時需借助其他措施。變壓器二次側(cè)空載電壓較線路額定電壓高10%若最大負(fù)荷時，調(diào)為105%UN若最小負(fù)荷時，調(diào)為UN已滿足了±5%要求6.4借改變變壓器變比調(diào)壓G雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組的高、中壓繞組有若干分接頭可供選擇，如有UN±5％、UN±2×2.5％。其中對應(yīng)于UN的分接頭常稱主接頭或主抽頭。合理選擇變壓器的分接頭也可調(diào)壓。6.4借改變變壓器變比調(diào)壓（1）對于雙繞組降壓變壓器所選擇的高壓側(cè)抽頭電壓低壓側(cè)電壓已歸算到高壓側(cè)6.4借改變變壓器變比調(diào)壓（1）對于雙繞組降壓變壓器i普通變壓器在運行中不能倒換接頭，只有停運時才能調(diào)整，因此，必須在投運前選擇好合適的接頭以滿足各種負(fù)荷要求。為使最大、最小負(fù)荷兩種情況下變電所低壓母線實際電壓偏離要求的U‘imax，U’imin大體相等，分接頭電壓應(yīng)取UtImax，UtImin的平均值。根據(jù)UtI選擇一最接近的分接頭，再按選定的分接頭校驗低壓母線上的實際電壓能否滿足要求。6.4借改變變壓器變比調(diào)壓（2）對于雙繞組升壓變壓器低壓高壓高壓側(cè)分接頭電壓低壓側(cè)分電壓已歸算到高壓側(cè)一般來說，如果系統(tǒng)中無功功率不缺乏，則采用有載調(diào)壓變壓器后，可以滿足調(diào)壓要求。（3）對于三繞組變壓器三繞組變壓器除高壓繞組有抽頭外，一般中壓繞組也具有抽頭可供選擇。對高、中壓繞組都具有抽頭的三繞組變壓器，各繞組接頭電壓的確定仍按上述