電力系統(tǒng)分析五新

1、電力系統(tǒng)分析第五章 電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整第五章 電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施第五章 電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整 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。 供應有功功率和電能，必須消耗能源；但無功功率電源一旦設置后，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

2、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。凡此種種，使電力系統(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。5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡1、電壓偏移的基本概念：電網(wǎng)中各節(jié)點運行電壓值對額定 值偏移的大小，即：一、電壓偏移及調(diào)整電壓的必要性2、造成電壓偏移的原因： （1）設備及線路壓降 （2）負荷波動 （3）運行方式改變 （4）無功不足或過剩5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡4、我國規(guī)定的允許電壓偏移： 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：+5% 10% 220kV及以上樞紐變電所一次側母線：5%0%3、電壓調(diào)整的必要性（電壓偏移

3、的影響）： （1）效率下降，經(jīng)濟性變差； （2）電壓過高，照明設備壽命下降，影響絕緣； （3）電壓過低，電機發(fā)熱； （4）系統(tǒng)電壓崩潰。5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡1、無功功率負荷： 各種用電設備中，除相對很小的白熾燈照明負荷只消耗 有功功率、為數(shù)不多的同步電動機可發(fā)出一部分無功功 率外，大多數(shù)都要消耗無功功率。因此，無功功率負荷 一般以滯后功率因數(shù)運行，其值約為0.60.9。 二、電力系統(tǒng)無功功率負荷和無功功率損耗2、無功功率損耗： 5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡1）變壓器的無功功率損耗： 勵磁支路空載損耗 和 繞組漏抗中無功損耗假定一臺變壓器的空載電流I0%=2.5，短路電壓US%=10

4、.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。5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡2）輸電線路中的無功功率損耗：電力線路上的無功功率損耗也分兩部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗。并聯(lián)電納中的損耗與線路電壓的平方成正比，呈容性；串聯(lián)電抗中的損耗與負荷電流的平方成正比，呈感性。5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡三、電力系統(tǒng)的無功功率電源發(fā)電機只有在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)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。無功功率電源有發(fā)電機、同步調(diào)相機、靜電電容器及靜止補償器，后三種裝置又稱

5、為無功補償裝置。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：5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡同步調(diào)相機：相當于空載運行的同步電動機在過勵磁運行時：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：從系統(tǒng)吸取感性無功功率而起無功負荷的作用，可降低系統(tǒng)電壓。同步調(diào)相機能根據(jù)裝設地點電壓的數(shù)值平滑改變輸出或吸取的無功功率，因而調(diào)節(jié)性能較好。靜電電容器：只能向系統(tǒng)提供無功功率，它所供應的無功功率與其端電壓平方成正比。即5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡缺點：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 可分散安裝；且每單位容量的投資費用

6、較小，運行時 功率損耗亦較小，維護方便。 靜止補償器：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。 靜止補償器屬“靈活交流輸電系統(tǒng)”范疇的無功功率電源，全稱為靜止無功功率補償器(SVC)，有各種不同型式：5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡靜止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;5.1 電力系統(tǒng)無功功率的平衡四、電力系統(tǒng)無功功率的平衡系統(tǒng)中無功電源發(fā)出的無功功率與系統(tǒng)總的無功負荷（包

7、括負荷所需的無功功率和網(wǎng)絡中的無功損耗兩部分）相平衡；即：其中：無功電源發(fā)出無功網(wǎng)絡中的無功損耗注：進行無功功率平衡計算時，必須保證電力系統(tǒng)的電壓水平 正常；如果無功平衡不能保證正常電壓水平，則電能質(zhì)量 不能保證。 5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布無功功率最優(yōu)分布分為：無功功率電源的最優(yōu)分布 無功功率負荷的最優(yōu)補償 有功功率損耗P與系統(tǒng)中各點的注入功率有關，而在有 功功率最優(yōu)分配方案確定之后，各節(jié)點的PiPGiPLDi 是 已知的，且各節(jié)點的負荷無功QLDi是已知的，則 P與各 無功功率電源發(fā)出的無功QGi有關 。 一、無功功率電源的最優(yōu)分布 1、目的：在有功負荷最優(yōu)分配方案確定后，調(diào)整各無

8、功功 率電源的出力，使全網(wǎng)中總的有功功率損耗 P 最小 ， 這就是無功功率電源最優(yōu)分布的目標函數(shù)。5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布目標函數(shù)：等式約束條件：不等式約束條件：忽略不等式約束，構造拉格朗日目標函數(shù)：2、無功功率電源的最優(yōu)分布原則等網(wǎng)損微增率準則5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布求解可得：不計無功網(wǎng)損時： 這就是等網(wǎng)損微增率準則，此時系統(tǒng)總有功損耗最小。 5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布 計及網(wǎng)損時，上述準則照樣成立：其中：表示有功網(wǎng)損對第i個無功電源的微增率； 無功功率網(wǎng)損修正系數(shù)表示無功網(wǎng)損對第i個無功電源的微增率。 實際計算時，當QGi出現(xiàn)越限的情況，即逾越它的上限 QGim

9、ax或下限QGimin時，可取QGiQGimax或QGiQGimin。5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布例題52：某60kV的簡化等值網(wǎng)絡如圖所示：各線段電阻已標注在圖中， 。設無功功率補償設備的總容量為17Mvar，在不計無功功率網(wǎng)損的條件下，試確定這些無功功率補償設備容量的最優(yōu)分布。 5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布解：設各無功功率補償設備的 容量為QC1、QC2、QC3、 QC4，不計無功功率網(wǎng)損 時，無功功率流動引起的 有功功率網(wǎng)損P為：5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布 網(wǎng)損微增率為： 5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布經(jīng)校驗， 越下限0Mvar，因此，置 ，重新進行分配計算： 按

10、網(wǎng)損微增率相等分配各無功功率補償設備的容量：解之得：等式約束條件為：按網(wǎng)損微增率相等重新分配剩余各無功功率補償設備的容量，聯(lián)立等式約束條件：5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布網(wǎng)損微增率為： 解之得： 經(jīng)校驗，均滿足要求。5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布作業(yè)題：已知某簡單電力系統(tǒng)如圖所示，現(xiàn)準備投資在系統(tǒng)中裝設18Mvar的并聯(lián)電容器進行無功補償。試確定電容器的最優(yōu)分布方案（不計無功功率網(wǎng)損）。5.2 電力系統(tǒng)無功功率的最優(yōu)分布二、無功負荷的最優(yōu)補償目標函數(shù)：最優(yōu)網(wǎng)損微增率準則：5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理一、電力系統(tǒng)電壓管理的基本概念1、電壓中樞點： 指那些能夠反映和控制整個系統(tǒng)電壓水平的節(jié)點

11、(母線)。電壓中樞點的選擇：1）大型發(fā)電廠的高壓母線； 2）樞紐變電所的二次母線； 3）有大量地方性負荷的發(fā)電廠母線。 2、電壓管理： 對電壓中樞點的電壓進行調(diào)整和控制，使其母線電壓變化 限制在某一給定的范圍內(nèi)，滿足負荷電壓要求。 5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理1、電壓波動：二、電壓波動及限制措施 當負荷發(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。 對于沖擊性負荷引起的電壓波動需進行限制。2、限制措施： 以專用母線或線路單獨向波動負荷供電； 在波動地點和電源之間設置串聯(lián)電容器，以抵消感抗； 在

12、波動負荷附近設置調(diào)相機； 在波動負荷供電線路上設置靜止補償器。5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理三、中樞點的電壓管理 1、中樞點電壓的允許變動范圍：UiminUi Uimax 中樞點電壓曲線的編制方法：通過負荷點電壓的允許變 化范圍，確定中樞點電壓的允許變動范圍。 設有下圖所示簡單網(wǎng)絡，中樞點1向負荷2、3供電：需綜合考慮負荷2、3對電壓中樞點1的要求，若要同時滿足兩個負荷對電壓質(zhì)量的要求，中樞點電壓的允許變動范圍減小。5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理負荷2對中樞點電壓的要求圖e：負荷3對中樞點電壓的要求圖f：5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理 同時考慮 2、3 兩個負荷對1點的要求，即將

13、圖 e 和圖 f 取交集可得圖 g，中樞點電壓曲線所示的允許變動范圍有公共部分，則控制和調(diào)整中樞點電壓在允許的公共變動范圍內(nèi)，就可以滿足各負荷點的調(diào)壓要求； 5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理 在實際電力系統(tǒng)中，由同一中樞點供電的負荷可能很多，且 中樞點到負荷處線路上的電壓損耗大小和變化規(guī)律的差別可 能很大，完全可能出現(xiàn)在某些時段內(nèi)(如圖h中816h 內(nèi))， 中樞點電壓取任何值均不能滿足要求，即中樞點電壓曲線所 示的允許變動范圍沒有公共部分，這時須采取其他措施。5.3 電力系統(tǒng)的電壓管理1）逆調(diào)壓：在最大負荷時適當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），最小負荷時線路上電

14、壓損耗減小，降低中樞點電壓為UN； 適用于供電線路較長，負荷波動較大的中樞點。2、中樞點的調(diào)壓方式：逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓 2）順調(diào)壓：按自然規(guī)律作出調(diào)壓要求，最大負荷時允許電壓可以略低一些，但不低于1.025UN，最小負荷時允許電壓可以略高一些，但不高于1.075UN；適用于負荷變動小，供電線路不長的中樞點。3）常調(diào)壓：在任何負荷情況下基本中樞點電壓保持不變，樞點電壓維持在允許電壓偏移范圍：1.025UN 1.05UN；適用于負荷變動小，供電線路電壓損耗也較小的中樞點。 5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施引言：電壓調(diào)整的基本原理要求對負荷點b的電壓進行調(diào)整，則調(diào)整措施為：1）利用發(fā)電機進行調(diào)壓（

15、改變UG）；2）改變主變壓器變比或分接頭調(diào)壓（改變k1、k2）；3）利用各種補償設備進行調(diào)壓（改變Q）。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施一、利用發(fā)電機調(diào)壓通過自動勵磁調(diào)節(jié)裝置 If Eq UG，不需另增設備，簡便可行且經(jīng)濟。在線路較長，供電范圍較大，發(fā)電機經(jīng)多級變壓向負荷供電時，僅借發(fā)電機調(diào)壓往往不能滿足負荷對電壓質(zhì)量的要求，這時需借助其他措施。（圖5-9） 由發(fā)電機不經(jīng)升壓直接向用戶供電的簡單系統(tǒng)，如果供電線路不長，線路上電壓損耗不大，改變發(fā)電機端電壓實行逆調(diào)壓，可滿足負荷點電壓質(zhì)量的要求。（圖5-8）5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施圖58：發(fā)電機不經(jīng)升壓直接向用戶供電的簡單系統(tǒng)（逆調(diào)壓） 5.

16、4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施圖5-9 多級變壓供電系統(tǒng)的電壓損耗分布 即電壓變動范圍為21，由發(fā)電機逆調(diào)壓可縮小為16，此電壓變動范圍已不能滿足一般負荷的要求，需借助其他無功補償措施。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施二、改變變壓器變比調(diào)壓（分接頭選擇） 1、分接頭說明： 1）普通雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高、中壓 繞組一般有3個或5個分接頭（抽頭）； 即UN、UN5UN或UN、UN2.5UN，UN5UN； 2）目前我國暫定，110kV級的有載調(diào)壓變壓器 有7個分接頭， 即UN、UN32.5%UN； 220kV級的有9個分接頭，即UN、UN42.0%UN。 對用于UN的分接頭為主抽頭；普

17、通變壓器只能在停電情況 下才可以改變分接頭，因此必須在投運前選擇好合適的分 接頭以滿足各種負荷要求；而有載調(diào)壓變壓器可以在運行 中調(diào)整分接頭選擇。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施2、雙繞組變壓器分接頭選擇（高壓繞組） 降壓變壓器： U2為實際要求的低壓側電壓，U2為U2歸算至高壓側的電 壓；最大負荷運行時，所有參數(shù)下標為max；最小負荷運 行時，所有參數(shù)下標為min；k為降壓變壓器變比。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施最大負荷運行時高壓側分接頭選擇： 最小負荷運行時高壓側分接頭選擇：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施 為使最大、最小負荷兩種情況下變電所低壓母線實際電壓 偏離要求的 U2max，U2mi

18、n 大體相等，對普通變壓器而言， 分接頭電壓選擇：根據(jù)Ut1 選擇一個最接近的分接頭，然后按選出的分接頭校驗最大、最小負荷時低壓母線上的實際電壓是否滿足要求。 采用有載調(diào)壓變壓器時，根據(jù)最大負荷算得的Ut1max值和最 小負荷算得的Ut1min 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。解： 經(jīng)判斷調(diào)壓方式為順調(diào)壓，則:5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施例題5-3：一臺降壓變壓器，其容量為31.5MVA，歸算至高壓側的參數(shù)為RT+jXT=2.44+j40，變比為（11022.5）/6.3kV。最大、最小負荷時高壓母線電壓為 U1max=110kV、 U1m

19、in=113kV，通過變壓器的功率是Smax=28+j14MVA、 Smin=10+j6MVA ；低壓母線的電壓允許變動范圍為6.0-6.6kV，試選擇變壓器的分接頭。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施最大、最小負荷時變壓器的電壓降落分別為： 最大、最小負荷時低壓側實際 電壓為：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施 可得：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施按照所選擇的分接頭校驗低壓側母線實際電壓：均滿足要求，即選定的實際變比為107.25/6.3kV。選擇最接近的2.5分接頭，即：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施作業(yè)題：某降壓變電所變壓器歸算到高壓側的阻抗為 ，變比為 ，最大、最小負荷運行時流過變壓器的功率為

20、 ，最大、最小負荷時高壓側母線電壓分別為 113kV 和 115kV，低壓側母線電壓允許變化范圍為1011kV，試選擇變壓器的分接頭。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施 升壓變壓器： U1為實際要求的低壓側電壓，U1為U1歸算至高壓側的電壓； 最大負荷運行時，所有參數(shù)下標為max；最小負荷運行時， 所有參數(shù)下標為min；k為升壓變壓器變比。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施最大、最小負荷運行時高壓側分接頭選擇： 對普通變壓器而言，分接頭電壓選擇：根據(jù)Ut2選擇一個最接近的分接頭，然后按照選出的分接頭校驗最大和最小負荷時低壓母線上的實際電壓是否負荷要求。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施例題5-4：一臺升壓

21、變壓器，其容量為31.5MVA，歸算至高壓側阻抗參數(shù)為:RT+jXT=3+j48，變比為（12122.5）/6.3kV。最大、最小負荷時高壓母線電壓為U2max=120kV、U2min=114kV ，通過變壓器的功率是Smax=25+j18MVA、Smin=14+j10MVA ；低壓母線的電壓允許變動范圍為6.0-6.6kV，試選擇變壓器的分接頭。解：U2max=120kV、U2min=114kV 經(jīng)判斷調(diào)壓方式為逆調(diào)壓，則:5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施最大、最小負荷時變壓器的電壓降落分別為：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施 最大、最小負荷時低壓側實際 電壓為： 可得：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整

22、的措施按照所選擇的分接頭校驗低壓側母線實際電壓：均滿足要求，即選定的實際變比為124.025/6.3kV。選擇最接近的2.5分接頭，即：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施3、三繞組變壓器分接頭選擇： 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雙繞組變壓器的方法分兩步進行：1）根據(jù)低壓母線的調(diào)壓要求在高低壓繞組之間進行計算， 選取高壓繞組的分接頭電壓即變比UtH /UNL；2）根據(jù)中壓母線調(diào)壓要求及選取的高壓繞組接頭電壓 UtH， 在高中壓繞組 之間進行計算，選取中壓繞組的分接頭 電壓UtM；即變比為：UtH /UtM /UNL。5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施1、并聯(lián)補償設備的調(diào)節(jié)方式： 并聯(lián)電容器：不能調(diào)節(jié)，只能分組投切； 調(diào)相機：改變勵磁電流If，連續(xù)調(diào)節(jié)； 靜止補償器：改變的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)。三、利用無功功率補償設備調(diào)壓2、并聯(lián)補償設備容量的選擇：5.4 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的措施補償前： 補償后：忽略電壓降落