电力系统运行状况的优化和调整.ppt

基本概念： 电力系统无功功率平衡，电压中枢点，调压方式，调压措施；频率调整，有功功率平衡，有功功率-频率静态特性，频率的一次调整，频率的二次调整。 重点：电力系统无功功率平衡，中枢点电压的调整方式及调整措施；有功功率平衡及其对系统频率的影响，频率的一次调整和二次调整过程 难点：电压调整的分析计算；频率的一次调整和二次调整过程,第四章 电力系统运行状况的优化和调整,第一节 电力系统无功功率的平衡和电压调整,电压偏移的影响 电力系统的电压需要经常调整。由于电压偏移过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起系统性的“电压崩溃”，造成大面积停电。,影响电力系统电压的主要因素是无功功率。,无功功率与电压的关系,所谓优化，是指对系统中有功功率和无功功率的优化分配。 所谓调整，是指调整系统中的电压和频率,2、变压器的无功功率损耗 变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。其中励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流的百分值，约为1一2；绕组漏抗中损耗,在变压器满载时，基本上等于短路电压UK的百分值，约为10。,一、电力系统 无功功率的平衡,（一）、无功功率负荷和无功功率损耗 1、无功功率负荷 无功功率负荷是以滞后功率因数运行的用电设备（主要是异步电动机，特别是当异步电动机轻载时，所吸收的无功功率较多。 ）所吸收的无功功率。一般综合负荷的功率因数为0.6-0.9。,电力线路的无功损耗也分两部分：并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。 并联电纳中的无功损耗又称充电损耗，与电力线路电压的平方成正比，呈容性。 串联电抗中的无功功率与负荷电流的平方成正比，呈感性。 对线路不长，长度不超过100Km，电压等级为220Kv电力线路，线路将消耗感性无功功率； 对线路较长，其长度为300Km左右时，对220Kv电力线路，线路基本上既不消耗感性无功功率也不消耗容性无功功率，呈电阻性； 线路大于300Km时，线路为电容性的。,3、电力线路的无功损耗,（二）无功功率电源 电力系统的无功功率电源包括发电机、调相机、并联电容器和静止补偿器等。 1、发电机 发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：,图4-1 发电机的P-Q极限,当系统中无功电源不足，而有功备用容量又较充足时，可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数运行，多发无功功率以提高电力系统的电压水平。但是发电机的运行点不应越出P-Q极限曲线的范围。 发电机供给的无功不是无限可调的,2. 同步补偿机（调相机）,它是专门用来生产无功功率的一种同步电机。在过励磁、欠励磁的不同情况下，它可分别发出或吸收感性无功功率。而且，只要改变它的励磁，就可以平滑地调节无功功率输出，单机容量也可以做得较大。通常，它可以直接装设在用户附近就近供应无功功率，从而减少输送过程中的损耗。但由于它是旋转电机，故有功功率损耗较大。,静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的平方成正比，即：,缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。 优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使 用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。,3、并联电容器,4. 静止补偿器,静止补偿器是20世纪60年代起发展起来的一种新型可控的静止无功补偿装置，它简称为SVC。其特点是：利用晶闸管电力电子元件所组成的电子开关来分别控制电容器组与电抗器的投切，这样它的性能完全可以做到和同步补偿机一样，既可发出感性无功，又可发出容性无功，并能依靠自身装置实现快速调节，从而可以作为系统的一种动态无功电源，对稳定电压、提高系统的暂态稳定性以及减弱动态电压闪变等均能起着较大的作用。,（1） FC-TCR型静止补偿器,（2）TSC-TCR型静止补偿器,补偿器的原理接线图,图 TSC-TCR型静止,图 FC-TCR型静止,（3） 饱和电抗器型静止补偿器,（三)无功功率的平衡 电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。,0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用； 0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。,要保持节点的电压水平就必须维持无功平衡，因而保持充足的无功电源是维持电压质量的关键。 由于负荷的综合功率因数一般在0.60.9之间，多数在0.70.8之间，加之线路无功损耗约为总无功负荷的25%，变压器的总无功损耗最多可达总无功负荷的75%。因而，需要由系统中各类无功电源所供给的无功负荷最多可达系统总无功负荷的两倍左右，而从数量级上看甚至与有功负荷的两倍相接近。 绝大多数电力系统必须采取专门的无功功率补偿措施，才能达到维持电压水平的目的。,三、电力系统的电压管理,电力系统进行调压的目的，就是要采取各种措施，使用户处的电压偏移保持在规定的范围内。 由于电力系统结构复杂，负荷较多，如对每个用电设备电压都进行监视和调整，不仅不经济而且无必要。因此，电力系统电压的监视和调整可通过监视、调整电压中枢点电压来实现。 电压中枢点是指那些可以反映和控制整个系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所母线。因为很多负荷都由这些中枢点供电，如能控制住这些电的电压偏移，也就控制住了系统中大部分负荷的电压偏移。于是，电力系统电压调整问题也就转变为保证各中枢点的电压偏移不超出给定范围的问题。,1、电压中枢点的选择,顺调压：负荷变动小，供电线路不长，大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的102.5；小负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的107.5的调压模式。可以采用这种调压方式。,常调压（恒调压）：负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电压维持在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内（如1.025UN1.05UN），就可保证各负荷点的电压质量。这种调压方式在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变。,逆调压：在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方式。在最大负荷时可保持中枢点电压比线路额定电压高5，在最小负荷时保持为线路额定电压。供电线路较长、负荷变动较大的中枢点往往要求采用这种调压方式。,2、中枢点的调压方式 分为逆调压、顺调压和恒调压三类。,中枢点的调压方式,拥有较充足的无功功率电源是保证电力系统有较好的运行电压水平的必要条件，但是要使所有用户的电压质量都符合要求，还必须采用各种调压手段。 现以下图为例，说明常用的各种调压措施所依据的基本原理：,电压调整的基本原理,电压调整原理图,四、电力系统电压调整的措施,（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压VG； （2）改变变压器的变比k1、k2； （3）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗V 变化； （4）改变网络参数R+jX（主要是X），改变电压损耗 V。,电压调整的措施：,对于发电机不经升压直接供电的小型电力系统，供电线路不 长，线路上电压损耗不大，借改变发电机端电压的方法，实 行逆调压，就可以满足负荷点要求的电压质量。,1、改变发电机机端电压调压,这种调压手段是一种不需要耗费投资，且是最直接的调压方法，应首先考虑采用。,不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的,对由发电机经多级变压向负荷供电的大中型电力系统，线路较长，供电范围大，从发电厂到最远处的负荷之间的电压损耗和变化幅度都很大。这时，单靠发电机调压是不能解决问题的。发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求，即发电机采用逆调压方式。对于远处负荷电压变动，只能靠其它调压方式来解决。 对有若干发电厂并列运行的大型电力系统，利用发电机调压，会出现新的问题。首先，当要提高发电机的电压时，则该发电机就要多输出无功功率，这就要求进行电压调整的电厂的母线电压，会引起系统中无功功率的重新分配，这还可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助的调压措施。,改变变压器的分接头或采用专门的调压变压器来调压,通常，改换变压器分接头的方式有两种：一种是在停电的情况下改换分接头，以兼顾在最大、最小两种运行方式下电压偏移不超出允许波动范围,称为无励磁调压（以往称为“无载调压”）。,另一种调压方式称为有载调压，它可以在不停电的情况下去改换变压器的分接头，从而使调压变得很方便。有载调压变压器的关键部件是有载调压的分接开关。一般的变压器只要配用有载分接开关后，就可以作成有载调压变压器。,2、改变变压器变比调压,普通双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组都留有几个抽头供调压选择使用，一般容量为6300KVA及以下的变压器有3个抽头，抽头电压分别为1.05UN、UN、0.95UN,调压范围为+-5%,在UN处引出的抽头称为主抽头。容量在8000KVA及以上的变压器有5个抽头，抽头电压分别为1.05UN、 1.025UN、 UN、 0.975UN、 0.95UN,调压范围为+-2*2.5%。,（1）降压变压器分接头的选择,降压变压器,式中， 是变压器的变比，即高压绕组分接头电压 和低压绕组额定电压 之比。将k代入上式，得高压侧分接头电压 当变压器通过不同的功率时，可以通过计算求出在不同负荷下为满足低压侧调压要求所应选择的高压侧分接头电压,普通变压器在运行中不能倒换接头，只有停运时才能调整，因此，必须在投运前选择好合适的接头以满足各种负荷要求。,为使最大、最小负荷两种情况下变电所低压母线实际电压偏离要求的Uimax，Uimin大体相等，分接头电压应取的平均值。,计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压,根据UtI选择一最接近的分接头，再按选定的分接头校验低压母线上的实际电压能否满足要求。,根据最大和最小负荷的运行情况，求出其一次侧电压 和 ，以及通过变压器的负荷 ， 求取 变压器的电压损耗 。 套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择,基本步骤如下 ：,选择邻近的接头作为所选择的接头,取其算数平均值,套用低压侧电压计算公式进行验算,P121例4-1,（ 2 ）升压变压器分接头的选择,选择升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同,升压变压器,由于升压变压器中功率方向是从低压侧送往高压侧的，故公式中VT前的符号应相反，即应将电压损耗和高压侧电压相加。因而有 式中， V2为变压器低压侧的实际电压或给定电压； V1为高压侧所要求的电压。例,例：升压变压器的额定容量为31.5MVA、变比为121+-2*2.5%/6.3KV，通过变压器的功率分别为Smax=25+j18MVA,Smin=14+j10MVA,高压侧的要求电压分别为V1max=120kV,V1min=114kV。发电机电压的调整范围是（6.06.6）kV, 试选择变压器分接头。,（3）三绕组变压器分接头的选择, 将高低绕组看作双绕组，确定高绕组接头； 将高中绕组看作双绕组，确定中绕组分接头位置。 注意：功率分布,（4）有载调压变压器,有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头而且调节范围也比较大，一般在15%以上。 目前我国暂定，110kV级的调压变压器有7个分接头，即VN32.5%；220kV级的有9个分接头即VN42.0%。,采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的V1tmax值和最小负荷算得的V1tmin 分别选择各自合适的分接头。这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。,有载调压变压器接线图,上述的调节发电机端电压或调节变压器分接头的调压方式，只有在电力系统无功电源充足的条件下才是行之有效的。,3、改变电力网无功功率分布调压,因此，当电力系统的无功电源不足时，就必须在适当的地点装设新的无功电源对所缺的无功进行补偿，只有这样才能实现调压的目的，别无其他选择。,当系统无功电源不足时，为了防止发电机因输出过多的无功功率而严重过负荷，往往不得不降低整个电力系统的电压水平，以减少无功功率的消耗量，这时如采用调节变压器分接头等方法尽管可以局部地提高系统中某些点的电压水平，但这样做的结果反而增加了无功功率的损耗，迫使发电机不得不进一步降压运行，以限制系统中总的无功功率消耗，从而导致整个系统的电压水平更为低落，形成了电压水平低落和无功功率供应不足的恶性循环，甚至导致电压崩溃。,按调压要求选择无功补偿设备容量,并联无功补偿调压的基本原理,按调压要选择补偿量的基本原理,U2为补偿前归算到高压侧的变电所低压母线电压,第二项很小,于是有, 根据调压要求，按最小负荷时没有补偿确定变压器变比, 按最大负荷时的调压要求选择补偿容量, 校验实际电压是否满足要求,选用并联电容器 通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时全部退出。,由于减小电阻将增加导线材料的消耗，加之QX/U这一项对电压损耗的影响更大，所以目前一般都着眼于减低电抗X以降低电压损耗。,（1）改变R：增大导线截面积，可降低电压损耗，同时降低网 损. 用于10kv及以下线路。 （2）改变X：串联电容，多用于35kv及以上线路.,减少线路电抗的一种有力的措施是采用串联电容补偿，它的原理可示意如图所示。,从电压损耗的计算公式可知，改变输电线路电阻R和电抗X，都可以达到改变电压损耗的目的。,（四）改变输电线路的参数进行调压,利用下式求出所需串联的电容器的电抗值为,相应的电容器组的容量为,图 串联电容补偿原理,（1）要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的参数。 （2）改变发电机励磁，可以改变发电机输出的无功功率和发电机的端电压 。 （3）根据无功功率平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的分配。 （4）当系统的无功功率供应比较充裕时，各变电所的调压问题可以通过选择变压器的分接头来解决。,（5）在整个系统无功不足的情况下，不宜采用调整变压器分接头的办法来提高电压。 （6）对于10kV及以下电压等级的电网，由于负荷分散、容量不大，按允许电压损耗来选择导线截面是解决电压质量问题的正确途径 。,五、各种调压措施的合理应用,小结 通过改变电网电压水平实现调压： 1 改变发电机端电压调压 ：用于地方性电网. 2 改变变压器变比调压 ：用于系统无功充足时。 其实质时改变电压无功分布调压. 3 增设无功补偿设备调压：当系统无功不足时采用： 可提高系统运行电压水平 可降低电网有功损耗 4 改变输电线路参数调压： 用于功率因数较低、负荷波动较大的1035kv配电线路,第二节 电力系统有功功率的优化分配及频率调整,电力系统是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题，是我们考虑的重点问题之一。 衡量电能质量的指标包括：频率质量、电压质量和波形质量，分别以频率偏移、电压偏移和波形畸变率表示。,一 概述,频率是电力系统运行的一个重要的质量指标，直接影响着负荷的正常运行。负荷要求频率的偏差一般应控制在（0.2 0. 5）Hz的范围内。,对用户的影响 产品质量降低 生产率降低 对发电厂的影响 汽轮机叶片谐振 对系统的影响,频率不稳定给运行中的电气设备带来的危害：,引起频率偏移的原因,2.有功功率的平衡,1.电力系统频率调整的必要性,电力系统中，在任何时候，所有发电厂发出的有功功率的总和 ，而 包括所有用户的有功功率 、所有发电厂厂用电有功负荷 和网络的有功损耗 ，即,为保证可靠供电和良好的电能质量，电力系统的有功功率平衡额定运行参数下确定。而且，还应具有一定的备用容量，也就是在系统最大负荷情况下，系统电源容量大于发电负荷的部分称系统的备用容量。 系统备用容量一般分负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。,（1）负荷备用：是指调整系统中短时的负荷波动并担负计划外的负荷增加而设置的备用。负荷备用容量的大小应根据系统负荷的大小、运行经验并考虑系统中各类用电的比重确定。一般为最大负荷的2一5，大系统采用较小数值，小系统采用较大数值 （2）事故备用：是使电力用户在发电设备发生偶然性事故时不受严重影响，维持系统正常供电所需的备用。事故备用容量的大小应根据系统容量、发电机台数、单位机组容量、机组的事故概率、系统的可靠性指标等确定，般约为最大负荷的5一10 ，但不得小于系统中最大机组的容量。,（3）检修备用：为保证系统的发电设备进行定期检修时，不致影响供电而在系统中留有的备用容量。所以发电设备运行一段时间以后，都必须进行检修。检修分大修和小修。一般大修时分批分期安排在一年中最小负荷季节进行。小修则利用节假日进行，以尽量减少因检修停机所需的备用容量。 （4）国民经济备用：是考虑到工农业用户的超计划生产，新用户的出现等而设置的备用容量，其值根据国民经济的增长情况而确定，一般约为系统最大负荷的3%5% 负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用归纳起来以热备用和冷备用的形式存在于系统中。而不难想见，热备用中至少应包括全部负荷备用和一部分事故备用,二 负荷的频率静特性和电源的频率静特性,(一）电力系统负荷的频率静态特性 当频率变化时，电力系统中的有功功率负荷也将发生变化。当电力系统处于稳态运行时，系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的有功功率-频率静态特性。 电力系统综合负荷的有功功率与频率的关系用数学式表示为 式中， 为电力系统频率为 时，整个系统的有功负荷， 为电力系统频率为额定值 时，整个系统的有功负荷， 为上述有功负荷占 的百分数。,式子表明，当电力系统频率降低时，电力系统负荷的有功功率也将随之降低,发电机的频率调整是由原动机的调速系统来实现的，当系统有功功率平衡遭到破坏、引起频率变化时，原动机的调速系统将自动改变原动机的进汽（水）量，相应增加或减少发电机的出力。,原动机调速系统有很多类型，下面介绍广为应用的离心飞摆式机械调速系统，其原理示意如图所示。,(二)发电机组的有功功率频率静态特性,1、自动调速系统,如右图所示：调速系统由四个部分组成：1为转速测量元件（飞摆）；2为放大元件（错油门）；3为执行机构（油动机）；4为转速控制机构（调频器）。,概念介绍 发电机的单位调节功率：发电机组原动机或电源频率特性的斜率。 标志着随频率的升降发电机组发出功率减少或增加的多寡。,2、发电机组的有功功率频率静态特性,发电机是调差系数：单位调节功率的倒数。 发电机的单位调节功率与调差系数的关系： 一般来说发电机的单位调节功率是可以整定的： 汽轮发电机组 =35或 =33.320 水轮发电机组 =24或 =5025,负荷的单位调节功率：综合负荷的静态频率特性的斜率。 一般而言：,1、有功功率的变动及其调整 电力系统有功功率负荷（以下简称负荷）时刻都在作不规则变化，如右图所示。对系统实际负荷变化曲线的分析表明，系统负荷可以看作是由三种具有不同变化规律的变动负荷所组成：第一种视变化幅度很小，变化周期短，负荷变动有很大的偶然性；第二种是变化幅度大，变化周期较长；第三种是变化缓慢的持续变动负荷。,三、电力系统中的频率调整,负荷的变化将引起频率的相应变化，电力系统的有功功率和频率调整大体上分一次、二次、三次调整三种。 频率的一次调整（或称为一次调频）指由发电机组的调速器进行的，是对第一种负荷变动引起的频率偏移作调整。 频率的二次调整（或称为二次调频）指由发电机组的调频器进行的，是对第二种负荷变动引起的频率偏移作调整。 频率的三次调整（或称为三次调频）是对第三种负荷变动引起的频率偏移作调整。将在有功功率平衡的基础上，按照最优化的原则在各发电厂之间进行分配。,简述：由于负荷突增，发电机组功率不能及时变动而使机组减速，系统频率下降，同时，发电机组功率由于调速器的一次调整作用而增大，负荷功率因其本身的调节效应而减少，经过一个衰减的振荡过程，达到新的平衡。 数学表达式： KS：称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。表示原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。,（一） 频率的一次调整,注意： 取功率的增大或频率的上升为正； 为保证调速系统本身运行的稳定，不能采用过大的单位调节功率； 对于满载机组，不再参加调整。 对于系统有若干台机参加一次调频： 具有一次调频的各机组间负荷的分配，按其调差系数即下降特性自然分配。,（二）频率的二次调整,当负荷变动幅度较大（0.5%1.5%），周期较长（几分钟），仅靠一次调频作用不能使频率的变化保持在允许范围内，这时需要籍调速系统中的调频器动作，以使发电机组的功频特性平行移动，从而改变发电机的有功功率以保持系统频率不变或在允许范围内。 数学表达式 如果 ，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量，则 ，即所谓的无差调节。 对于N台机，则：,当系统负荷增加时，由以下三方面提供： 二次调频的发电机组增发的功率 ； 发电机组执行一次调频，按有差特性的调差系数分配而增发的功率 ； 由系统的负荷频率调节效应所减少的负荷功率 。,频率调整图,P142例4-5,电力系统中的发电厂主要有以下三类 水力发电厂 火力发电厂 原子能发电厂（核电厂） 各类发电厂由于其设备容量、机械特性、使用的动力资源等不同，而有着不同的技术经济特性。必须结合它们的特点，合理地组织这些发电厂的运行方式，恰当安排它们在电力系统日负荷曲线和年负荷曲线中的位置，以提高电力系统运行的经济性。,1、火力发电厂的主要特点 （1）要支付燃料及运输费用，不受自然条件的影响。 （2）有功出力最小限制，启停时间长且启停费用高。 （3）效率与蒸汽参数有关，高温高压设备效率最高，低温低压设备效率最低。 （4）热电厂总效率较高，但与热负荷相应的输出功率是不可调节的强迫功率。,（一）各类发电厂的特点,2、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量强迫功率。 （2）出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简单。 （3）不需燃料费，但一次投资大，抽水蓄能，水电厂的运行依水库调节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响。,3、原子能发电厂的特点 （1）最小技术负荷小，为额定负荷1015。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。,原则（1）充分利用水源。 （2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。 （3）尽量降低火力发电成本。 根据上述原则，在夏季丰水期和冬季枯水期各类电厂在日负荷曲线中的安排示意图，见图5-2。,（二）各类发电厂的合理组合,各类发电厂组合顺序示意图 （a）枯水季节 （b）丰水季节,夏季丰水期，水量充足，水电厂应带基本负荷以避免 弃水、节约燃煤。在此期间，可抓紧时