電力系統(tǒng)無功平衡計(jì)算及分析

1、武漢理工大學(xué)電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計(jì)說明書目錄1基本原理21.1無功功率平衡21.2無功功率平衡的基本要求31.3無功功率對(duì)電壓的影響32. 無功功率電源52.1同步發(fā)電機(jī)52.2 靜止電容器52.3 靜止無功補(bǔ)償器52.4靜止無功發(fā)生器63.補(bǔ)償計(jì)算63.1系統(tǒng)參數(shù)63.2系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算63.3估算補(bǔ)償法83.3.1無補(bǔ)償?shù)墓β势胶庥?jì)算83.3.2補(bǔ)償后的功率平衡計(jì)算93.3.3補(bǔ)償結(jié)果分析103.4潮流計(jì)算法103.4.1 無補(bǔ)償?shù)墓β势胶庥?jì)算103.4.2補(bǔ)償后的功率平衡計(jì)算113.4.3補(bǔ)償結(jié)果分析123.5補(bǔ)償結(jié)果比較和分析124.總結(jié)體會(huì)13參考文獻(xiàn)141基本原理1.1無功功率平衡電壓是

2、電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，電壓質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定及電力設(shè)備安全運(yùn)行、線路損失、工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、用電單耗和人民生活用電都有直接影響。無功電力是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素，電壓質(zhì)量與無功是密不可分的，電壓問題本質(zhì)上就是一個(gè)無功問題。解決好無功補(bǔ)償問題，具有十分重要的意義。無功功率：電路中感性元件中的電磁場(chǎng)能與電路中的電能相互轉(zhuǎn)化所需的功率?；蛘哒f電網(wǎng)的無功功率就是交流與電感或者電容電流的互相交換的過程。無功功率平衡的基本原理是：把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償。 電網(wǎng)中的許多用電設(shè)備

3、是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的。它們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)換過程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率叫無功功率。電力系統(tǒng)中，不但有功功率平衡，無功功率也要平衡。 有功功率、無功功率、視在功率之間的關(guān)系為：S=P+jQ=S(cos+sin)圖2 各功率幾何關(guān)系其中：S為視在功率，kVA；P為有功功率，KW；Q為無功功率，kVRA；角為功率因數(shù)角，。由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，功率因數(shù)越小，所需的無功功率越大。若無功功率不是由電容器提供，則須由輸電系統(tǒng)供給，為滿足用電的要求，供電線路和變壓器的容量需要增大。這樣，不僅增加投資、降低設(shè)備的利用率，也將增加線路損耗。因此，對(duì)無功功

4、率進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償對(duì)節(jié)約電能，提高運(yùn)行質(zhì)量都具有非常重要的意義。 1.2無功功率平衡的基本要求電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求是：系統(tǒng)中的無功電源可能發(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)中的無功損耗之和。為了保證運(yùn)行可靠性和適應(yīng)無功負(fù)荷的增長，系統(tǒng)還必須配置一定的無功備用容量。令QGC為電源供應(yīng)的無功功率之和，QLD為無功負(fù)荷之和，QL為網(wǎng)絡(luò)無功損耗之和，Qres為無功功率備用，則系統(tǒng)中無功功率的平衡關(guān)系式為：QGC-QLD-QL=Qres （2）Qres0表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的備用；Qres0表示系統(tǒng)中無功功率不足，應(yīng)該考慮加設(shè)無功補(bǔ)償裝置。1.3無功功率對(duì)電壓的

5、影響在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，要求電源的無功出力在任何時(shí)刻都同負(fù)荷的無功功率和網(wǎng)絡(luò)無功損耗之和相等。即：QGC=QLD-QL （3）現(xiàn)以一發(fā)電機(jī)經(jīng)過一段線路向負(fù)荷供電來說明無功電源對(duì)電壓的影響。略去各元件電阻，用表示發(fā)電機(jī)電抗與線路電抗之和，等值電路如圖3所示：圖3 無功功率和電壓關(guān)系的解釋圖由圖3得出發(fā)電機(jī)的無功輸出與電壓的關(guān)系：由 Esin=XIcos可得 （4）又由 Ecos=U+IXsin可得 （5）考慮cos=1-sin2，當(dāng)P為一定值時(shí)，得 （6）圖4表示按系統(tǒng)無功功率平衡確定的運(yùn)行電壓水平。曲線1表示系統(tǒng)等值無功電源的無功電壓靜態(tài)特性，曲線2表示系統(tǒng)等值負(fù)荷的無功電壓靜態(tài)性。圖4 按無功

6、功率平衡確定電壓當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷增加時(shí)，其無功電壓靜態(tài)特性如曲線所示，如果系統(tǒng)的無功電源沒有相應(yīng)增加，電源的無功特性仍然是曲線1，這時(shí)曲線1和曲線的交點(diǎn)就代表了新的無功平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行電壓為，顯然，負(fù)荷點(diǎn)的電壓偏高。由此可見，系統(tǒng)中無功電源對(duì)電壓的影響為無功電源充足時(shí)，能滿足較高電壓水平下的無功平衡需要，系統(tǒng)就有較高的運(yùn)行電壓水平；反之，無功不足就反映為運(yùn)行電壓水平偏低。因此，應(yīng)該力求實(shí)現(xiàn)在額定電壓下的系統(tǒng)無功功率平衡。2. 無功功率電源電力系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)無功功率在額定電壓下的平衡，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無功功率平衡和實(shí)現(xiàn)各區(qū)域無功功率平衡，保證電壓質(zhì)量，滿足用戶的用電要求，必須對(duì)系統(tǒng)中的無功功率和

7、電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之在允許的偏移范圍內(nèi)。從目前國內(nèi)外無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用情況看，無功補(bǔ)償裝置主要有同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和靜止無功補(bǔ)償器等。2.1同步發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，為無功電源; 欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)，起無功負(fù)荷作用。其優(yōu)點(diǎn)：裝有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的同步調(diào)相機(jī)能根據(jù)裝設(shè)地點(diǎn)電壓的數(shù)值平滑改變輸出（或吸收）無功功率。特別是有強(qiáng)行勵(lì)磁裝置時(shí)，在系統(tǒng)故障情況下，能調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)：同步調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜；有功功率損耗大；投資費(fèi)用較大（宜于大容量集中使用）；相應(yīng)速度慢，難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)無功控制的要求。2.2 靜止電容器 靜電電容器從電力系統(tǒng)中吸收容性的無功功率，也就是說可以向電力

8、系統(tǒng)提供感性的無功功率，因此可視為無功功率電源。其優(yōu)點(diǎn)：供給無功功率；安裝方便靈活（容量大小、集中分散），可就地提供無功功率，以降低網(wǎng)絡(luò)的電能損耗; 單位容量投資費(fèi)用較小，且與容量的大小無關(guān); 維護(hù)方便；運(yùn)行時(shí)功率損耗較小。其缺點(diǎn)：正調(diào)節(jié)效應(yīng)（無功功率受節(jié)點(diǎn)電壓影響），調(diào)節(jié)性能較差（不連續(xù)）。2.3 靜止無功補(bǔ)償器靜止無功補(bǔ)償器是近年來發(fā)展起來的一種動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。它是將電力電容器與電抗器并聯(lián)起來使用，電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結(jié)合起來，再配以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就成為能夠平滑地改變輸出（或吸收）無功功率的靜止補(bǔ)償器。靜止補(bǔ)償器有四種不同類型，即可控飽和電抗器型，自飽和

9、電抗器型，可控硅控制電抗器型，以及可控硅控制電抗器和可控硅投切電容器組合型靜止補(bǔ)償器。電壓變化時(shí)，靜止補(bǔ)償器能快速地、平滑地調(diào)節(jié)無功功率，以滿足動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男枰?。與同步調(diào)相機(jī)比較，運(yùn)行維護(hù)簡單，功率損耗較小，能作到分相補(bǔ)償以適應(yīng)不平衡的負(fù)荷變化，對(duì)于沖擊負(fù)荷也有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在我國電力系統(tǒng)中它將得到日益廣泛的應(yīng)用。2.4靜止無功發(fā)生器靜止無功發(fā)生器是新型無功補(bǔ)償設(shè)備。傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備是基于改變參數(shù)的原理。 STATCOM則是采用基于電壓變換器的原理，在原理上較傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備是一個(gè)重大進(jìn)步。其優(yōu)點(diǎn)：靜止補(bǔ)償器相比，響應(yīng)速度快，運(yùn)行范圍寬，諧波電流含量少；電壓較低時(shí)仍可向系統(tǒng)注入較大的無功電流

10、，它的儲(chǔ)能元件（如電容器） 容量遠(yuǎn)比它所提供的無功容量要小。如果直流側(cè)與超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置連接，還可以向系統(tǒng)注入(或吸收)有功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.補(bǔ)償計(jì)算3.1系統(tǒng)參數(shù)發(fā)電機(jī)、：，變壓器：，變壓器、：，線路：,線路：,3.2系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算變壓器T1兩臺(tái)并聯(lián)： 變壓器T2、T3： 線路L1： 線路L2： 由以上計(jì)算可畫出系統(tǒng)的等值電路如圖4所示：圖4 系統(tǒng)等值電路圖由于對(duì)于計(jì)算發(fā)電機(jī)端的輸電系統(tǒng)總功率需求有兩種算法，所以考慮到對(duì)兩種方法結(jié)果進(jìn)行比較，于是以下分別列出了估算和精確計(jì)算兩種方法，以便計(jì)算后進(jìn)行比較分析。3.3估算補(bǔ)償法3.3.1無補(bǔ)償?shù)墓β势胶庥?jì)算 作為初步估算，先用負(fù)荷功率計(jì)算變壓

11、器繞組損耗和線路損耗。線路L1的阻抗及相關(guān)損耗：線路L2的阻抗及相關(guān)損耗： 累計(jì)到發(fā)電機(jī)端的輸電系統(tǒng)總功率需求為： 若發(fā)電機(jī)在滿足有功需求時(shí)按額定功率因數(shù)運(yùn)行，其輸出功率為此時(shí)無功缺額達(dá)到54.368-38.768MVA=15.6MVA根據(jù)以上對(duì)無功功率缺額的初步估算，擬在變壓器T-2和T-3側(cè)設(shè)置7.5Mvar補(bǔ)償容量。補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)為，補(bǔ)償后可提高到。計(jì)及補(bǔ)償后線路和變壓器繞組損耗還會(huì)減少，發(fā)電機(jī)能在額定功率因數(shù)附近運(yùn)行。3.3.2補(bǔ)償后的功率平衡計(jì)算補(bǔ)償后負(fù)荷功率為各節(jié)點(diǎn)流過的功耗大小如下：輸電系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)的輸出功率為 此時(shí)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為3.3.3補(bǔ)償結(jié)果分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在變

12、壓器T-2和T-3側(cè)設(shè)置7.5Mvar補(bǔ)償容量。補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)為，補(bǔ)償后可提高到。按照這種補(bǔ)償方案進(jìn)行實(shí)際補(bǔ)償后進(jìn)行校驗(yàn)，可以得到發(fā)電機(jī)此時(shí)的功率因數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，所選補(bǔ)償量偏小，該方法存在較大的誤差。3.4潮流計(jì)算法已知供電點(diǎn)電壓和負(fù)荷功率，可根據(jù)潮流計(jì)算的方法求得輸電系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)的輸出功率，從而求得無功缺額計(jì)算補(bǔ)償，計(jì)算過程如下。3.4.1 無補(bǔ)償?shù)墓β势胶庥?jì)算輸電系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)的輸出功率為若發(fā)電機(jī)在滿足有功需求時(shí)按額定功率因數(shù)運(yùn)行，其輸出功率為SG=64.201+64.201tan=39.788此時(shí)無功缺額達(dá)到60.859-39.788MVA=21.070MVA根據(jù)以上對(duì)無功功率

13、缺額的初步估算，擬在變壓器T-2和T-3側(cè)設(shè)置10Mvar補(bǔ)償容量。補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)為，補(bǔ)償后可提高到。計(jì)及補(bǔ)償后線路和變壓器繞組損耗還會(huì)減少，發(fā)電機(jī)能在額定功率因數(shù)附近運(yùn)行。3.4.2補(bǔ)償后的功率平衡計(jì)算補(bǔ)償后負(fù)荷功率為各節(jié)點(diǎn)流過的功耗大小如下：輸電系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)的輸出功率為 到 此時(shí)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為3.4.3補(bǔ)償結(jié)果分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在變壓器T-2和T-3側(cè)設(shè)置10Mvar補(bǔ)償容量。補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)為，補(bǔ)償后可提高到。按照這種補(bǔ)償方案進(jìn)行實(shí)際補(bǔ)償后進(jìn)行校驗(yàn)，可以得到發(fā)電機(jī)此時(shí)的功率因數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，所選補(bǔ)償量是適宜的。3.5補(bǔ)償結(jié)果比較和分析估算法在T-2和T-3側(cè)設(shè)置補(bǔ)償容量為7

14、.5Mvar。補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)為0.8，補(bǔ)償后可提高到0.894。實(shí)際補(bǔ)償后校驗(yàn)，得到發(fā)電機(jī)此時(shí)的功率因數(shù)0.836。精確計(jì)算法在T-2和T-3側(cè)設(shè)置10Mvar補(bǔ)償容量。補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)為0.8，補(bǔ)償后可提高到0.923。實(shí)際補(bǔ)償后校驗(yàn)，得到發(fā)電機(jī)此時(shí)的功率因數(shù)0.871。4.總結(jié)體會(huì)在這次課程設(shè)計(jì)中，我熟悉電力系統(tǒng)的分析放法和計(jì)算的思路。當(dāng)看到一個(gè)電力系統(tǒng)連線圖后能轉(zhuǎn)換成等值電路圖，熟悉了各種電力元件的等效參數(shù)的計(jì)算，為后續(xù)計(jì)算提供便利。使用估算法和潮流計(jì)算法，可以是計(jì)算相互驗(yàn)證，我使用了兩組不同的補(bǔ)償容量，在算出結(jié)果后，可以看出兩個(gè)負(fù)載的補(bǔ)償量不一樣時(shí)，通過計(jì)算可以知道系統(tǒng)的功率因數(shù)基本上還是維持在0.85左右，不會(huì)有太大的波動(dòng)。通過這次課設(shè)，我對(duì)系統(tǒng)無功平衡有了更加全面的認(rèn)識(shí)，在實(shí)際生活中通過采用合適的無功補(bǔ)償措施，對(duì)電力系統(tǒng)分地區(qū)、分電壓等級(jí)地進(jìn)行無功平衡，能夠有效地改善電壓質(zhì)量，使用戶處的電壓接近額