第12章-电力系统的无功功率平衡和电压调整

1第十二章电力系统的无功功率平衡和电压调整电压是衡量电能质量的一个重要指标质量合格的电压应该在以下四个方面都能满足有关国家标准规定的要求：供电电压偏移电压波动和闪变电网谐波三相不对称程度12.0概述①对设备：△V引起效率下降、经济性能变差，影响生活质量：照明缩短寿命，甚至造成损坏：白炽灯、电动机、绝缘降低生产率，出废品、次品②对电力系统：电压降低：会使网络中功率和能量的损耗加大电压过低：有可能危及电力系统的运行稳定性电压过高：各种电气设备的绝缘可能受到损害，在超高压网络中还将增加电晕损耗等概述12.0电压合理的重要性概述12.0日本东京电力系统1987年7月23日发生电压崩溃造成大停电事故。起因是由于负荷增加过快，电压开始下降，最后发展到继电保护动作跳闸，导致三个变电所全停。1982年8月7日，华中电网因220KV联络线A相对支路放电，继电保护动作跳闸，导致系统稳定破坏，各电厂和变电站电压大幅度下降，系统解环，电网失去大量无功电源，结果使湖北地区大面积停电，武汉钢铁公司等重要用户受到很大的损害，部分设备损坏。概述严格保证电压经济上不可行，也没有必要，允许的电压偏移：35kV及以上：±5%10kV及以下：±7%低压照明：+7%，-10%农村电网：+15%，-10%（+10%，-15%）12.0合理的无功功率源配置是保证电压合理的关键本章的基本内容①为什么V和Q联系起来②调压方法：a)规划：如何确定网络参数和结构，简单设计，复杂校核b)运行点优化：利用已有资源满足调压要求c)复杂系统优化：基本概念③学习方法：注重基本概念、简单系统的解决思路12.012-1:电力系统的无功功率平衡12-2:电压调整的基本概念12-3:电压调整的措施12-4:调压措施的应用12.0目录电力系统无功功率平衡无功功率平衡无功负荷与无功电源失去平衡时，会引起系统电压的升高或下降。实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件。12.1电力系统无功功率平衡12.11.无功功率与电压的关系①无功功率对电压水平有决定性的影响，是引起电压损耗的重要因素iVjVjXRjQPI22()()ijjjjjPRQXPXQRPRQXVVVVVV0jjVV在高压网络中，XR，当Q与P可比时，电压降落的绝大部分为QX项，如果减少Q，则可以大大减少电压损耗。无功功率的远距离传输和就地平衡电力系统无功功率平衡12.11.无功功率与电压的关系②节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用EjXIVI0VV忽略R2sincossincoscossincossinEVPVIEXIXEVVQVIEVXIXXIEVjXPjQ电力系统无功功率平衡21aOQVaV222EVVPXX12.11.无功功率与电压的关系②节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用2cossinEVVQVIXX当P和E为定值时，Q与V的关系如右图：221aaOQVaVaV2211aacOQVaVaVEjXIVIIEVjXPjQ由此可见，系统无功电源充足，可以满足较高电压水平下的无功功率平衡，无功不足，则运行电压水平较低。节点电压有效值的大小对于无功功率分布起决定作用。电力系统无功功率平衡12.12.无功功率平衡①无功功率平衡计算系统无功功率平衡关系式：QGC－QLD－QL＝QresQGC：电源供应的无功功率之和QLD：无功负荷之和QL：网络无功功率损耗之和Qres：无功功率备用Qres0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用Qres0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置电力系统无功功率平衡12.12.无功功率平衡①无功功率平衡计算系统无功功率平衡关系式：QGC－QLD－QL＝Qres系统电源的总无功出力QGC包括发电机的无功功率QG∑和各种无功补偿设备的无功功率QC∑，即：QGC＝QG∑＋QG∑总无功负荷QLD按负荷的有功功率和功率因数计算。为减少网损，一般规定35kV及以上电压等级直接供电的负荷的cosφ≥0.9，其它负荷的cosφ≥0.85总无功损耗QL包括变压器的无功损耗QLT∑、线路电抗的无功损耗ΔQL∑和线路电纳的无功功率ΔQB∑，即：QL＝QLT∑＋ΔQL∑＋ΔQB∑电力系统无功功率平衡12.12.无功功率平衡②无功功率平衡的基本要求无功电源的无功输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求系统还必须配置一定的无功备用容量尽量避免通过电网元件大量的传送无功功率，应该分地区、分电压级、就地进行无功功率平衡一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方式计算无功平衡，必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡总之，无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户等各种对无功平衡有影响的因素一般无功功率按照就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电电容器；大容量的配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或SVC电力系统无功功率平衡12.12.无功功率平衡电力系统无功功率平衡12.13.无功功率负荷1）无功功率负荷QLD：以异步电动机为例说明负荷消耗无功功率的特点异步电动机是电力系统主要的无功负荷系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定RsjXmjXV0I22MmmVQQQIXXQm:励磁功率。当电压较高时，由于饱和的影响，Xm下降，Qm随V变化的曲线稍高于二次曲线。Qσ:漏抗Xσ的无功损耗，若负载功率=常数，当电压降低时，转差s增大，I增大，Qσ也增大。21PMIRss0.8OQV0.60.30.70.80.91.0在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的增减而增减。但当电压明显降低时，无功功率主要由无功损耗决定，随电压下降反而上升。β为受载系数＝实际负荷/额定负荷电力系统无功功率平衡12.13.无功功率负荷2）变压器的无功损耗222200%%()X()100100SNLTTTTNNIVVSSQQQVBSVSV△Q0：励磁损耗，与V2成正比△QT：漏抗损耗，当S不变时，与V2成反比变压器的无功损耗电压特性与异步电动机类似电力系统无功功率平衡12.13.无功功率负荷3）线路的无功损耗△QL：线路电抗的无功功率△QB：充电无功功率35kV及以下输电线的充电功率小，线路消耗无功功率110kV及以上输电线，重载时是无功负载，轻载时能成为无功源22221112212LBPQVVQQXBV1V2VjXR2Bj2Bj2BjQ1BjQ11PjQ22PjQ电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源发电机同步调相机静电电容器静止无功补偿器静止无功发生器电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源1）发电机发电机是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源sinGNGNNGNNQSPtgSGN：额定视在功率φGN：额定功率因数角QBDCAPOENINNdNjXIC为额定运行点AC正比于定子额定电流，以一定比例代表发电机的视在功率SGNAD代表PGN，AB代表QGNOC代表空载电势，正比于额定励磁电流（转子电流）改变φGN时，P、Q受定子额定电流（视在功率）、转子电流额定值（空载电势）、原动机出力（额定有功功率）的限制以AC为半径的圆弧代表额定视在功率的限制以OC为半径的圆弧代表额定转子电流的限制DC为原动机出力的限制电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源1）发电机隐极机联接在恒压母线上ENVdjXNI讨论发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功功率QBDCAPOENINNdNjXI电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源1）发电机隐极机联接在恒压母线上ENVdjXNI可见，发电机只在额定电压、电流和功率因数下运行（C点）才能达到额定视在功率，使容量得到最充分利用。降低功率因数运行时，无功受转子电流限制。发电机一般以滞后功率因数运行，必要时可以减少励磁电流在超前功率因数下运行，即进相运行，以吸收系统多余的无功功率。（系统低负荷运行时，线路电抗无功损耗明显减少，线路充电功率大量剩余，引起系统电压升高，发电机进相运行有利于调压）电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源2）同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步发电机。欠励磁时：吸收感性无功，无功负荷，QL过励磁时：供给感性无功，无功电源，QCQL=50―65%QC缺点：损耗较大：1.5-5%额定容量是旋转机械，运行维护复杂由于响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求，20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源3）静电电容器静电电容器供给的无功功率Qc与所在节点的电压V的平方成正比，即：Qc=V2/Xc损耗小，0.3-0.5%额定容量经济，维护方便装设简单，容量可大可小，可集中或分散，可通过分组，实现非连续调节调节性能比较差，电压下降时输出的无功功率减少电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源4）静止无功补偿器（SVC：StaticVarCompensator）SVC由静电电容器与电抗器并联组成，1970年以来SVC在国外已被大量采用，在我国电力系统中1990年以来也逐步得到了广泛应用。饱和电抗器型：利用饱和特性晶闸管控制电抗器型(TCR)：利用触发角控制，调节基波无功晶闸管投切电容器型(TSC)TCR和TSC组合型能快速、平滑地调节无功，能满足动态无功补偿的需要运行维护简单功率损耗小，响应时间短FACTS电力系统无功功率平衡12.14.无功功率电源5）静止无功发生器（SVG：StaticVarGenarator）又称为：STATCOM（静止同步补偿器）、STATCON（静止调相机）SVG是一种更为先进的静止型无功补偿装置，其主体是电压源型逆变器。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与SVC比较，SVG具有响应速度更快、运行范围更宽、谐波电流含量更少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流。FACTS总之，无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户等各种对无功平衡有影响的因素一般无功功率按照就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电电容器；大容量的配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或SVC电力系统无功功率平衡12.1(40+j30)MVA2×100kmLGJ－185T－1SLDT－212(40+J30)MVASGS1ZLS2S’LDSL’’jΔQB1ΔS01ΔS02jBL/2jΔQB2－j10MVA5.例12-1电力系统无功功率平衡12.1电压调整的基本概念电压是电能质量的重要指标之一。电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有重要的影响。因此电压调整具有一定的重要性。12.2电压调整的基本概念12.21.允许电压偏移指标严格保证电压经济上不可行，也没有必要，允许的电压偏移：35kV及以上：正负偏移的绝对值之和不超过额定电压的10%10kV以下三相供电电压：±7%低压照明（220V单相供电）：+7%，-10%农村电网：+15%，-10%（+10%，-15%）电压调整的基本概念12.22.中枢点电压管理1)中枢点：电力系统中重要的供电点（电压支撑点）。电力系统中负荷点数目众多又很分散，有必要选择一些有代表性的节点，这些点的电压质量符合要求，其它各点的电压质量也能基本满足要求。如：①区域性水、火电厂高压母线②有大量地方负荷的发电机电压母线③枢纽变电所的二次母线电压调整的基本概念1