第四章電力系統(tǒng)電壓及無(wú)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(wú)功功率控制技術(shù)和無(wú)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(wú)功功率平衡與電壓的二、電力系統(tǒng)的無(wú)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(wú)功功率電源的最優(yōu)控制五、電力系統(tǒng)無(wú)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(wú)功功率控制技術(shù)無(wú)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(jī)3.消耗能源4.集中控制5.調(diào)進(jìn)汽量電壓調(diào)整：1.電壓水平各點(diǎn)不同2.調(diào)發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、電容器和靜

2、止補(bǔ)償器等3.不消耗能源4.電壓控制分散進(jìn)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(wú)功功率控制技術(shù)無(wú)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(biāo)。電壓降低的不良影響：1.功率：減少發(fā)電機(jī)所發(fā)有功功率。2.溫度： 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率將增大，電流也將增大，溫升將增加。當(dāng)轉(zhuǎn)差增大、轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其輸出功率將迅速減少。 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程將大為增加，啟動(dòng)過(guò)程溫度過(guò)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(yùn)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(wú)功功率第二節(jié)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡與電壓的關(guān)系平衡與電壓的關(guān)系無(wú)功功率

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

4、電力系統(tǒng)的無(wú)功功率電源有：（1）同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)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(wú)功功率電源。（2）同步調(diào)相機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)同步調(diào)相機(jī)是特殊運(yùn)行狀態(tài)下的同步電動(dòng)機(jī)，可視為不帶有功負(fù)荷的同步發(fā)電機(jī)或是不帶機(jī)械負(fù)荷的同步電動(dòng)機(jī)。（3）靜電電容器（4）靜止無(wú)功功率補(bǔ)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(wú)功功率第二節(jié)電力系統(tǒng)的無(wú)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(fù)荷點(diǎn)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(jī)勵(lì)磁電流，以改變發(fā)電機(jī)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(jī)控制調(diào)壓 控制同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，可以改變發(fā)電機(jī)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(lái)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(méi)有

6、分接抽頭的。一般可先按高壓、低壓側(cè)的電壓要求來(lái)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(lái)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(fù)荷、分抽頭已標(biāo)明，高壓側(cè)最大負(fù)荷時(shí)的電壓為110KV，最小負(fù)荷時(shí)的電壓為113KV，相應(yīng)的負(fù)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(jì)算最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時(shí)變壓器的電壓損耗： 假定變壓器在最大負(fù)荷和最小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(yàn)是否滿足低壓負(fù)荷母線的實(shí)際電壓。 可見(jiàn)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(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備調(diào)壓 1、無(wú)功功率的產(chǎn)生基本上是不消耗能源的，但是無(wú)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(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備和容量以改變電力網(wǎng)絡(luò)的無(wú)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(fù)荷用戶的電壓質(zhì)量。 3、并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備有調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器、電容器，它們的作用都是在重負(fù)荷時(shí)發(fā)出感性無(wú)功功率，補(bǔ)償負(fù)荷的需要，減少由于輸送這些感性無(wú)功功率而在輸電線路上產(chǎn)生的電壓降落。提高負(fù)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(lì)磁支路和輸電線路對(duì)地電容均被忽略，節(jié)點(diǎn)1歸算到高壓側(cè)的電壓為118kV，且維持不變，負(fù)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(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備容量：電容器；同步調(diào)相機(jī)。 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(jī)首端電壓已知，因此可按末端功率來(lái)計(jì)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(fù)荷時(shí)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(fù)荷時(shí)降壓變壓器歸算到高壓側(cè)的低壓母線電壓：按最小負(fù)荷時(shí)電容器全部退出運(yùn)行來(lái)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(fù)荷求電容器補(bǔ)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(jī)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(bǔ)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(jī)調(diào)壓。對(duì)無(wú)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(duì)無(wú)功功率電源不足的電力系統(tǒng)，首先應(yīng)該解決的問(wèn)題是增加無(wú)功功率電源，因此以采用并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)或靜止補(bǔ)償器為宜。同時(shí)，并聯(lián)電容器或調(diào)相機(jī)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(jī)G1和G2具有自動(dòng)勵(lì)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，它可以是靜電電容器、同步調(diào)相機(jī)和靜止無(wú)功補(bǔ)償器?，F(xiàn)分析G1和G2控制的電壓U1和U2、變壓器變比K、補(bǔ)償容量q這些控制措施對(duì)節(jié)點(diǎn)3母線電壓U3的影響。由于電壓與無(wú)功功率分布密切相關(guān)，所以改變電壓的同時(shí)也會(huì)對(duì)無(wú)功功率Q產(chǎn)生影響。將節(jié)點(diǎn)3電壓U3、無(wú)功功率Q定義為狀態(tài)變量，發(fā)電機(jī)母線電壓U1、U2以及變壓器變比K和無(wú)功補(bǔ)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(duì)節(jié)點(diǎn)電壓和無(wú)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(guò)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(jī)G1的母線電壓對(duì)節(jié)點(diǎn)3電壓控制效果相同，并且可以使無(wú)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(jī)G2的母線電壓U2對(duì)節(jié)點(diǎn)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(dāng)X2越大，即G2離節(jié)點(diǎn)3的距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，改變發(fā)電機(jī)G1的母線電壓U1對(duì)節(jié)點(diǎn)3的電壓影響較大，會(huì)使無(wú)功功率Q增加。反之，當(dāng)X1越大，即G1離節(jié)點(diǎn)3的距離相對(duì)遠(yuǎn)一些時(shí)，改變發(fā)電機(jī)G2的電壓U2對(duì)節(jié)點(diǎn)3的電壓影響較大，會(huì)使無(wú)功功率Q減少。 控制節(jié)點(diǎn)3的無(wú)功補(bǔ)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(diǎn)3的無(wú)功補(bǔ)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(dòng)，其結(jié)果使無(wú)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(wú)功功率電源的最優(yōu)控制目的在于控制各無(wú)功電源之間的分配，使有功功率網(wǎng)絡(luò)損耗達(dá)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(diǎn)注入功率的函數(shù) 則無(wú)功功率電源最優(yōu)控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式為，在滿足 的條件下， P達(dá)到最小，式中Q是電力網(wǎng)中的無(wú)功功率損耗，QDi是電力網(wǎng)中的無(wú)功負(fù)荷。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)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(duì)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(wú)功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)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(wú)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(duì)于第i個(gè)無(wú)功功率電源的微增率；Q/QGi是無(wú)功功率網(wǎng)損對(duì)于第i個(gè)無(wú)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(diǎn)無(wú)功功率網(wǎng)損微增率相等。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功功率電源的最優(yōu)控制源的最優(yōu)控制GiGiQQQL11* 在無(wú)功電源配備充足、布局合理的條件下，無(wú)功功率電源最優(yōu)控制方法如下： 根據(jù)有功負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配的結(jié)果進(jìn)行功率分布的計(jì)算； 利用以上結(jié)果，可以求出各個(gè)無(wú)功電源點(diǎn)的值。 經(jīng)過(guò)又一次的功率分布計(jì)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(shí)際上都反映在平衡發(fā)電機(jī)的功率變化上。因此，如果控制無(wú)功功率電源的

18、分配，還能夠使平衡機(jī)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(jī)輸出功率不能再減少為止。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)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(diǎn)i設(shè)置無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的前提條件是：一旦設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備，所節(jié)約的網(wǎng)絡(luò)有功損耗費(fèi)用應(yīng)該大于為設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備而投資的費(fèi)用。數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為 式中， 表示由于設(shè)置了補(bǔ)償設(shè)備 而節(jié)約的網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗的費(fèi)用。 表示為了設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備 而需要投資的費(fèi)用第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)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(diǎn)i的最優(yōu)補(bǔ)償容量的條件是 具有最大值設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備而節(jié)約的費(fèi)用Fe就是因設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備每年可減少的有功功率損耗費(fèi)用，其值為式中，為以元/乏小時(shí)表示的單位電能損耗價(jià)格； P0、P分別為以千乏表示的設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備前后電力網(wǎng)最大負(fù)荷下的有功功率損耗；max為電力網(wǎng)最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)。 第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功功率電第五節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)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(bǔ)償設(shè)備QCi而需要投資的費(fèi)用包括兩部分：一部分為補(bǔ)償設(shè)備的折舊維修費(fèi)，另一部分為