第六章電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整

1、第六章第六章 電力系統(tǒng)的無功功率和電電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整壓調(diào)整第六章的思路第六章的思路v提出問題：電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標提出問題：電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標之一。電壓的波動超過允許范圍，對電力系之一。電壓的波動超過允許范圍，對電力系統(tǒng)的影響很大。統(tǒng)的影響很大。電壓為什么會經(jīng)常波動？電壓為什么會經(jīng)常波動？v分析問題：電壓的波動是由于系統(tǒng)中無功功分析問題：電壓的波動是由于系統(tǒng)中無功功率的不平衡引起的。系統(tǒng)中感性無功過剩，率的不平衡引起的。系統(tǒng)中感性無功過剩，則電壓升高；感性無功不足，則電壓下降。則電壓升高；感性無功不足，則電壓下降。v解決問題：無功補償，無功電源的最優(yōu)分布解決問題：

2、無功補償，無功電源的最優(yōu)分布第一節(jié)第一節(jié) 電力系統(tǒng)中無功功率的平衡電力系統(tǒng)中無功功率的平衡v一、無功功率負荷和無功功率損耗一、無功功率負荷和無功功率損耗1.無功功率負荷無功功率負荷2.變壓器中的無功功率損耗變壓器中的無功功率損耗3.電力線路上的無功功率損耗電力線路上的無功功率損耗v二、無功功率電源二、無功功率電源1.發(fā)電機發(fā)電機2.電容器和調(diào)相機電容器和調(diào)相機3.靜止補償器和靜止調(diào)相機靜止補償器和靜止調(diào)相機4.并聯(lián)電抗器并聯(lián)電抗器無功功率負荷無功功率負荷v大多數(shù)用電設(shè)備是異步電大多數(shù)用電設(shè)備是異步電動機，消耗感性無功功率。動機，消耗感性無功功率。功率因數(shù)為功率因數(shù)為0.60.9。v右圖是綜合負

3、荷的靜態(tài)電右圖是綜合負荷的靜態(tài)電壓特性。感性無功多，則壓特性。感性無功多，則電壓升高；感性無功不足，電壓升高；感性無功不足，則電壓下降。則電壓下降。變壓器中的無功功率損耗變壓器中的無功功率損耗v勵磁支路勵磁支路(BT)的損耗和的損耗和繞組漏抗繞組漏抗(XT)中的損耗，中的損耗，都是消耗感性無功功率。都是消耗感性無功功率。v一臺變壓器或一級變壓一臺變壓器或一級變壓器中損耗并不大，約為器中損耗并不大，約為額定容量的百分之幾；額定容量的百分之幾；而多電壓級網(wǎng)絡(luò)，則損而多電壓級網(wǎng)絡(luò)，則損耗很可觀。耗很可觀。1I1UTRLZTjX2UmITGTjB2I五級變壓的網(wǎng)絡(luò)變壓器無功損耗所有變壓器都所有變壓器都

4、滿載滿載所有變壓器所有變壓器都半載都半載變壓器的勵磁支路損耗變壓器的勵磁支路損耗7%7%變壓器繞組漏抗中損耗變壓器繞組漏抗中損耗50%12.5%變壓器中總損耗變壓器中總損耗57%19.5%變壓器損耗變壓器損耗/變壓器負荷變壓器負荷57/10039/100電力線路上的無功功率損耗電力線路上的無功功率損耗v串聯(lián)電抗中的無功功率消耗感性無功，與負串聯(lián)電抗中的無功功率消耗感性無功，與負荷電流的平方成正比；荷電流的平方成正比；v并聯(lián)電納中消耗容性無功功率，或者說發(fā)出并聯(lián)電納中消耗容性無功功率，或者說發(fā)出感性無功功率，也叫感性無功功率，也叫充電功率充電功率，與線路電壓，與線路電壓的平方成正比；的平方成正比

5、；無功功率電源無功功率電源v1.發(fā)電機：發(fā)電機：同步發(fā)電機發(fā)出感性無功同步發(fā)電機發(fā)出感性無功有時進相運行吸收感性無功有時進相運行吸收感性無功發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的相量圖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的相量圖 QP, P q qE dx I j 0 2/ U I Q d 圖2-1 隱極式發(fā)電機的相量圖 圖2-2 隱極式發(fā)電機的功角特性曲線圖 電壓與電流的關(guān)系電壓與電流的關(guān)系功角與有功，無功的關(guān)系功角與有功，無功的關(guān)系隱極式發(fā)電機功率特性方程隱極式發(fā)電機功率特性方程 ddqdqxUxUEQxUEP2cossin坐標軸變化坐標軸變化-端電壓變?yōu)樗捷S端電壓變?yōu)樗捷S長度變化長度變化所有相量乘以所有相量乘以UN/Xd決

6、定隱極式發(fā)電機組運行極限的因素決定隱極式發(fā)電機組運行極限的因素v定子繞組溫升約束定子繞組溫升約束取決于發(fā)電機的視在取決于發(fā)電機的視在功率。以功率。以O(shè)點為圓心點為圓心，以，以O(shè)B為半徑的圓為半徑的圓弧弧S。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 圖 2-4 隱極式發(fā)電機組運行極限圖 勵磁繞組溫升約束勵磁繞組溫升約束。取決。取決于發(fā)電機的空載電勢。以于發(fā)電機的空載電勢。以O(shè)點為圓心，以點為圓心，以O(shè)B為半為半徑的圓弧徑的圓弧F。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 圖 2-4

7、 隱極式發(fā)電機組運行極限圖 原動機功率約束原動機功率約束。即。即發(fā)電機的額定功率。發(fā)電機的額定功率。直線直線BC。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 圖 2-4 隱極式發(fā)電機組運行極限圖 C其他約束其他約束。當(dāng)發(fā)電。當(dāng)發(fā)電機以超前功率因數(shù)機以超前功率因數(shù)運行的場合。綜合運行的場合。綜合為為圓弧圓弧T。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 圖 2-4 隱極式發(fā)電機組運行極限圖 發(fā)電機運行極限發(fā)電機運行極限總結(jié)總結(jié) P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI

8、F )(dNNxUU O O Q NI 圖 2-4 隱極式發(fā)電機組運行極限圖 發(fā) 電 機 運 行 極 限是:OA,AB,BC,虛線TACv2.電容器：電容器：發(fā)出感性無功，成組投切發(fā)出感性無功，成組投切v3調(diào)相機：調(diào)相機：只發(fā)無功的發(fā)電機只發(fā)無功的發(fā)電機過激運行發(fā)出感性無功過激運行發(fā)出感性無功欠激運行吸收感性無功欠激運行吸收感性無功逐漸被淘汰。逐漸被淘汰。無功功率電源無功功率電源無功功率電源無功功率電源v3.靜止補償器和靜止調(diào)相機靜止補償器和靜止調(diào)相機屬于靈活交流輸電范疇屬于靈活交流輸電范疇靜止補償器簡稱靜止補償器簡稱SVCv4.并聯(lián)電抗器：并聯(lián)電抗器：吸收過剩的感性無功吸收過剩的感性無功用在

9、高壓空載或輕載的線路用在高壓空載或輕載的線路能提高輸送能力，降低過電壓能提高輸送能力，降低過電壓無功功率平衡無功功率平衡0QQQLGC這個平衡是在一定電壓水這個平衡是在一定電壓水平下的平衡平下的平衡無功備用：最大無功功無功備用：最大無功功率負荷的率負荷的7%8%第二節(jié)第二節(jié) 電力系統(tǒng)中無功功率的最優(yōu)分布電力系統(tǒng)中無功功率的最優(yōu)分布v提高負荷的自然功率因數(shù)，可以降低負荷從提高負荷的自然功率因數(shù)，可以降低負荷從電網(wǎng)中取用的無功，減少網(wǎng)損；電網(wǎng)中取用的無功，減少網(wǎng)損；負荷的自然功率因數(shù)是負荷的自然功率因數(shù)是0.60.9，電動機的負荷，電動機的負荷率越低，功率因數(shù)越低；率越低，功率因數(shù)越低；將異步電動

10、機同步化運；將異步電動機同步化運；第二節(jié)第二節(jié) 電力系統(tǒng)中無功功率的最優(yōu)分布電力系統(tǒng)中無功功率的最優(yōu)分布v一、無功功率一、無功功率電源的最優(yōu)分布電源的最優(yōu)分布v二、無功功率二、無功功率負荷的最優(yōu)補償負荷的最優(yōu)補償無功功率電源的最優(yōu)分布無功功率電源的最優(yōu)分布v研究的是：在無功電源總量是定值時，每個研究的是：在無功電源總量是定值時，每個節(jié)點安裝多少無功電源，使全網(wǎng)的節(jié)點安裝多少無功電源，使全網(wǎng)的有功損耗有功損耗最少最少？v等網(wǎng)損微增率準則等網(wǎng)損微增率準則無功功率負荷的最優(yōu)補償無功功率負荷的最優(yōu)補償v如何確定無功補償容量、補償設(shè)備的分布使如何確定無功補償容量、補償設(shè)備的分布使無功補償獲得的無功補償獲

11、得的收益最大收益最大？v最優(yōu)網(wǎng)損微增率準則最優(yōu)網(wǎng)損微增率準則一、無功功率電源的最優(yōu)分布一、無功功率電源的最優(yōu)分布v目標：目標：網(wǎng)損最小網(wǎng)損最小v約束：約束：無功功率平衡（等約束）無功功率平衡（等約束）節(jié)點無功電源范圍（不等約束）節(jié)點無功電源范圍（不等約束）節(jié)點電壓范圍（不等約束）節(jié)點電壓范圍（不等約束）等網(wǎng)損微增率準則等網(wǎng)損微增率準則v目標函數(shù)：目標函數(shù)：v約束條件：約束條件：v構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：GiQPmin011QQQniLiniGininiLiGiGiQQQQPC11*1122111111110GGGGG nG nnnG iLiiiPQQQPQQQPQQQQQQ 二、無

12、功功率負荷的最優(yōu)補償二、無功功率負荷的最優(yōu)補償v補償容量的確定補償容量的確定、最優(yōu)補償設(shè)備的分布和最、最優(yōu)補償設(shè)備的分布和最優(yōu)補償順序的選擇優(yōu)補償順序的選擇v目標：該節(jié)點進行無功補償，效益最大目標：該節(jié)點進行無功補償，效益最大減少的電減少的電能損耗費能損耗費設(shè)備設(shè)備投資投資ciccieQCQCmaxv節(jié)省的電能費：節(jié)省的電能費：v設(shè)備投資：設(shè)備投資：為補償后的有功損耗。為補償前的有功損耗，為各節(jié)點無功補償容量價格，為單位無功補償設(shè)備的護率和投資回收率，備年度折舊維分別表示為無功補償設(shè)，數(shù)，為年最大負荷損耗小時為每度電價，PPQKCiC0max0maxeciC QPPcicciCQKQC最優(yōu)網(wǎng)損

13、微增率0maxmaxccicicciCPPK QQKPQ 對上式求極值，即對求偏導(dǎo)：最優(yōu)網(wǎng)損微增率eqcciKQPmax第三節(jié)第三節(jié) 電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整v一、調(diào)整電壓的必要性一、調(diào)整電壓的必要性v對電力用戶的影響對電力用戶的影響va.因為所有用電設(shè)備均按照在額定電壓下運行而設(shè)因為所有用電設(shè)備均按照在額定電壓下運行而設(shè)計，故當(dāng)其端電壓偏離其額定電壓時，用電設(shè)備的計，故當(dāng)其端電壓偏離其額定電壓時，用電設(shè)備的性能將會受到影響，有時甚至縮短用電設(shè)備的壽命。性能將會受到影響，有時甚至縮短用電設(shè)備的壽命。vb.因為異步電動機的轉(zhuǎn)矩（即輸出功率）與其端電因為異步電動機的轉(zhuǎn)矩（即輸出功率）與

14、其端電壓的平方成正比，所以端電壓下降過多，引起電力壓的平方成正比，所以端電壓下降過多，引起電力用戶的電動機停止運轉(zhuǎn)或不能啟動，影響電力用戶用戶的電動機停止運轉(zhuǎn)或不能啟動，影響電力用戶的正常工作。的正常工作。vc.電力系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定，將會影響電熱和電子設(shè)電力系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定，將會影響電熱和電子設(shè)備的使用壽命和使用效率。備的使用壽命和使用效率。v對電力系統(tǒng)本身的影響對電力系統(tǒng)本身的影響va.發(fā)電機：發(fā)電機：電力系統(tǒng)電壓降低后，發(fā)電機的定子電流將因其功率因電力系統(tǒng)電壓降低后，發(fā)電機的定子電流將因其功率因數(shù)的增大而增大，為使發(fā)電機定子繞組不致過熱，不得數(shù)的增大而增大，為使發(fā)電機定子繞組不致過熱，不得

15、不降低發(fā)電機的輸出功率；不降低發(fā)電機的輸出功率；vb.變壓器：變壓器：電力系統(tǒng)電壓降低后，變壓器的勵磁電流也增大，為使電力系統(tǒng)電壓降低后，變壓器的勵磁電流也增大，為使變壓器鐵芯不致過熱，不得不降低變壓器的負荷功率；變壓器鐵芯不致過熱，不得不降低變壓器的負荷功率；vc.輔機：輔機：發(fā)電廠的廠用機械大都是異步電動機，系統(tǒng)電壓降低后，發(fā)電廠的廠用機械大都是異步電動機，系統(tǒng)電壓降低后，電動機的轉(zhuǎn)差增大，轉(zhuǎn)速下降，輸出功率迅速減小，影電動機的轉(zhuǎn)差增大，轉(zhuǎn)速下降，輸出功率迅速減小，影響發(fā)電廠鍋爐、汽機的工作，進而影響發(fā)電機的輸出功響發(fā)電廠鍋爐、汽機的工作，進而影響發(fā)電機的輸出功率；率；vd.絕緣：絕緣：電

16、力系統(tǒng)電壓過高將使所有電氣設(shè)備的絕緣受損，且變電力系統(tǒng)電壓過高將使所有電氣設(shè)備的絕緣受損，且變壓器、電動機等的鐵芯要飽和，損耗增大，溫升增加，壓器、電動機等的鐵芯要飽和，損耗增大，溫升增加，壽命縮短。壽命縮短。異步電動機的電壓特性異步電動機的電壓特性照明負荷的電壓特性照明負荷的電壓特性電壓崩潰現(xiàn)象電壓崩潰現(xiàn)象電壓崩潰實例電壓崩潰實例v20世紀世紀70年代以來，世界上許多國家的電力年代以來，世界上許多國家的電力系統(tǒng)相繼發(fā)生了電壓崩潰事故，造成了巨大系統(tǒng)相繼發(fā)生了電壓崩潰事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。的經(jīng)濟損失和社會影響。1978年年I2月月19日法國電力系統(tǒng)發(fā)生的電壓崩潰事日法國電力系統(tǒng)

17、發(fā)生的電壓崩潰事故，失去負荷故，失去負荷29 GW和和100GWh，直接經(jīng)濟損失，直接經(jīng)濟損失達達2億到億到3億美元億美元;1987年年7月月23日東京電力系統(tǒng)的電壓崩潰事故，日東京電力系統(tǒng)的電壓崩潰事故，導(dǎo)致失去導(dǎo)致失去8168 MW的負荷，涉及的負荷，涉及2800多萬用戶，多萬用戶，二、電壓波動和電壓管理二、電壓波動和電壓管理v將電壓的變化分兩類將電壓的變化分兩類（1）電壓波動：指）電壓波動：指幅度小，周期短，如沖擊性幅度小，周期短，如沖擊性或間歇性負荷；或間歇性負荷；（2）電壓調(diào)整：針對幅度大，周期長，如生產(chǎn)、）電壓調(diào)整：針對幅度大，周期長，如生產(chǎn)、生活和氣象變化引起的。生活和氣象變化引

18、起的。限制電壓波動的措施限制電壓波動的措施v電容器：抵償線路的電電容器：抵償線路的電抗，限制電壓波動；抗，限制電壓波動；v電抗器：維持母線電壓電抗器：維持母線電壓v調(diào)相機：給波動的負荷調(diào)相機：給波動的負荷提供波動的無功提供波動的無功v靜止補償器：可以消除靜止補償器：可以消除電壓的波動電壓的波動2 電壓管理電壓管理v電壓中樞點：指那些能夠反映系統(tǒng)電壓水平電壓中樞點：指那些能夠反映系統(tǒng)電壓水平的主要發(fā)電廠或樞紐變電所的電壓母線。的主要發(fā)電廠或樞紐變電所的電壓母線。v電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整問題實質(zhì)上就是保證電電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整問題實質(zhì)上就是保證電力系統(tǒng)各電壓中樞點的電壓偏移不超過允許力系統(tǒng)各電壓中樞點的

19、電壓偏移不超過允許范圍的問題范圍的問題 電壓中樞點一般選擇為以下地點電壓中樞點一般選擇為以下地點v區(qū)域性水、火電廠的高壓母線；區(qū)域性水、火電廠的高壓母線；v樞紐變電所的二次母線；樞紐變電所的二次母線；v有大量地方性負荷的發(fā)電廠母線；有大量地方性負荷的發(fā)電廠母線；v城鎮(zhèn)直降變電所的二次母線。城鎮(zhèn)直降變電所的二次母線。電壓中樞點的調(diào)壓方式電壓中樞點的調(diào)壓方式 （調(diào)壓規(guī)則）（調(diào)壓規(guī)則）v逆調(diào)壓逆調(diào)壓v順調(diào)壓順調(diào)壓v常調(diào)壓。常調(diào)壓。 逆調(diào)壓（逆調(diào)壓（逆著電壓降落的自然規(guī)律逆著電壓降落的自然規(guī)律）v逆調(diào)壓是指在最大負荷時提高電壓中樞點的電壓，逆調(diào)壓是指在最大負荷時提高電壓中樞點的電壓，在最小負荷時降低中

20、樞點的電壓的調(diào)壓方式。在最小負荷時降低中樞點的電壓的調(diào)壓方式。v適用于電力線路較長、負荷變動較大且各負荷變適用于電力線路較長、負荷變動較大且各負荷變動規(guī)律大致相同的中樞點。動規(guī)律大致相同的中樞點。v這種調(diào)壓方式在最大負荷時提高電壓中樞點的電這種調(diào)壓方式在最大負荷時提高電壓中樞點的電壓（一般為線路額定電壓的壓（一般為線路額定電壓的105），用以抵償最），用以抵償最大負荷引起的電壓損耗增大，在最小負荷時降低大負荷引起的電壓損耗增大，在最小負荷時降低中樞點的電壓（一般為線路額定電壓），用以防中樞點的電壓（一般為線路額定電壓），用以防止負荷點電壓過高。止負荷點電壓過高。 順調(diào)壓（順順調(diào)壓（順著電壓降落

21、的自然規(guī)律著電壓降落的自然規(guī)律）v所謂順調(diào)壓是指在最大負荷時允許中樞點所謂順調(diào)壓是指在最大負荷時允許中樞點電壓略低，在最小負荷時允許中樞點電壓電壓略低，在最小負荷時允許中樞點電壓略高的調(diào)壓方式。略高的調(diào)壓方式。v適用于電力線路不長、負荷變動不大的中適用于電力線路不長、負荷變動不大的中樞點。樞點。v這種調(diào)壓方式在最大負荷時中樞點電壓允這種調(diào)壓方式在最大負荷時中樞點電壓允許不低于線路額定電壓的許不低于線路額定電壓的102.5，在最小，在最小負荷時中樞點電壓允許不高于線路額定電負荷時中樞點電壓允許不高于線路額定電壓的壓的107.5。常調(diào)壓常調(diào)壓v所謂常調(diào)壓（又稱恒調(diào)壓）是指在任何負所謂常調(diào)壓（又稱恒

22、調(diào)壓）是指在任何負荷下，中樞點電壓基本保持一恒定值的調(diào)荷下，中樞點電壓基本保持一恒定值的調(diào)壓方式，這是一種介于逆調(diào)壓和順調(diào)壓要壓方式，這是一種介于逆調(diào)壓和順調(diào)壓要求之間的調(diào)壓方式。求之間的調(diào)壓方式。v適用于負荷變動甚小、線路電壓損耗也很適用于負荷變動甚小、線路電壓損耗也很小的的中樞點。小的的中樞點。v這種調(diào)壓方式，在任何負荷下，中樞點電這種調(diào)壓方式，在任何負荷下，中樞點電壓基本保持在線路額定電壓的壓基本保持在線路額定電壓的102105 三、借改變發(fā)電機端電壓調(diào)壓三、借改變發(fā)電機端電壓調(diào)壓太遠，發(fā)電機調(diào)壓效果不好太遠，發(fā)電機調(diào)壓效果不好四、借改變變壓器的變比調(diào)壓四、借改變變壓器的變比調(diào)壓v變壓器的分接頭或分接開關(guān)：一般安裝在變變壓器的分接頭或分接開關(guān)：一般安裝在變壓器的高壓側(cè)。壓器的高壓側(cè)。v用變壓器調(diào)壓，就是改變分接頭的位置用變壓器調(diào)壓，就是改變分接頭的位置10.5/242(1+22.5%)11/220(1+22.5%)變壓器的分接頭（抽頭）變壓器的分接頭（抽頭）v各種補償設(shè)備的調(diào)節(jié)方法：各種補償設(shè)備的調(diào)節(jié)方法：并聯(lián)電容器：不能調(diào)節(jié)，只能成組投切并聯(lián)電容器：不能調(diào)節(jié)，只能成組投