（电气工程专业论文）包钢供用电系统节电技术及应用研究.pdf

华北电力人学i ：科硕士学位论文摘要 摘要 本文针对包钢供用电系统存在的节电方面的问题，从供电网、变电站无功补偿、 变压器、终端用电设备、电动机调速系统五个方面，对节电技术作了研究。并对各 方面设计了变电站v q c 技术，变压器经济运行，电动机经济运行，s v c 技术及电动 机变频调速、变压调速、变极调速等先进的节电技术方案。然后对各方案作了技术 经济评价。在变电站电压无功综合控制的方案设计中，应用了 m a t l a b 7 0 s i m u l i n k 6 0 仿真软件进行了仿真分析，作出了技术经济评价。最后， 通过对包钢供用电系统的整体节电方案的经济技术评价，得出该设计方案在实际应 用中可以创造可观的经济效益和社会效益的结论。 关键词：供电网，终端用电设备，变压器，电动机调速系统，v q c a b s t r a c t i t lv i e wo fm a n yp r o b l e m si n v 0 1 v i n gt h ep o w e rs a v i n gt e c h n 0 1 0 9 yo fb a o g a n gp o w e r s y s t 锄，t h ep a p e rm a k e sad e t a i l e ds t u d yo ft h ep o w e rn e t w o r k、t h ew a t t l e sp o w e r c o m p e n s a t i o n 、t r a n s f o m l e r s 、 m o t o r sa 1 1 dt e m i n a le l e c t r i c a le q u i p m e n t 、m o t o r ss d e e d c o n t r o l i no r d e rt or e f i n et h ep o w e r s a v i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o n ，t h en e w s d l e r i l e sh a v eb e e nd r o w nu pf o rm o r es a v i n gp o w e ra n de v a l u a t e de c o n o m i c a l lv e s p e c i a l l yt h en e ws c h e m eo ft h es u b s t a t i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o n t m li sa n a l v z e d e m u l o u s l yb ym a t l a b 7 o s i m u l i n k 6 0 t h ep a p e rt o u c h e su po nt h e s ea d v a n c e d t e c l l o l o 西e sl i k et h es u b s t a t i o nv q ct e c l l n o l o 星、 m o t o r ss p e e dc o n t r o la n de c o n o m i c a l o p e r a t i o no fp o w e rn e t w o r l ( 、 t r a n s f o h n e r s 、m o t o r sa n dt e n n i n a le l e c t r i c a le q u i p m e n t t h e a d v a n c e dp o w e rs a v i n gt e c l l l l o l o g yi sc r e a t i v e l yu s e di nt h en e wd e s i 印p l a j l sf o rb a o g a n g p o w e rs y s t 锄t h r o u 曲e v a l u a t i o n ，w ec a i lc o n c l u d et h a tt h e s en e wp l a n sc a na c h i e v e e n o m o u se c o n o m i cb e n e f i t sa n dh u 2 es o c i a lb e n e f l t s z h a n gy u ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f ) ( u y r u q i n k e yw o r d s ： e l e c t r i cn e 帆o r kt e r i i i i n a le l e c t r i c a i e q u i p m e n t ，t r a n s f o r m e r s ， m o t o r ss p e e dc o n t r o is y s t e m ，v q c 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢供用电系统节电技术及应用研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：致玺 日 期：邶2 a l 嘲 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期：绝蹬翊! 涸 导师签名：纶垮 华北电力入学j 【：释硕+ 学位论文 第一章引言 1 1 课题的意义 随着中国经济持续高速的增长，人民生活水平的提高，我国用电量正以年均5 的速度增长n ，电力紧缺现象越来越严重。再加上气候环境日趋恶劣，导致随机性 缺电，使电力供应雪上加霜。今年年初，我国南方遭遇了5 0 年来未遇的冰雪灾害， 造成南方电网大面积瘫痪，经济损失非常严重。这件事至今仍令人心有余悸。 电力能源对经济发展的制约作用越来越大。因此必须加快电力建设的步伐。缓 解电力紧张还有另外一条绿色通道一节电。我国电网综合损失率为1 0 左右。而发 达国家在6 左右，美国只有5 心1 。按照2 0 0 3 年全国发电量1 9 0 0 0 多亿千瓦时计算， 我国一年输变电系统的不合理损失约为4 8 0 千瓦时；在终端用户方面，电能损失更 是惊人。据统计分析，国内各类电机效率比国外低近l o 。这些造成我国终端用电 年浪费约l5 0 0 亿千瓦时。两方面加起来，全国因电能利用效率低下造成电力浪费 年约2 0 0 0 亿千瓦时。当三峡电站2 6 台7 0 万千瓦水轮机发电机组全部运行时，年 均发电量约8 5 0 亿千瓦时。 也就是说，我国一年因电能利用效率低下造成的浪费，相当于2 3 个三峡电站 的发电量口1 。因此，节约电能，采用节电技术和节电设备，在中国不仅仅是各行业 提高能源利用率，提高自身效应的事情，而且是国家整个能源环境的大势所趋。 包钢是具有五十多年历史的大型国有钢铁企业。随着钢铁产量及相关产品产量 的逐年递增，用电量越来越大，用电成本已经仅随物料成本和人工成本之后的第三 大开支。电费仅仅是用电成本的一部分，用电成本同时包括安全用电的成本，设备 维护成本，设备更新成本及系统扩容成本。具体到本企业，包钢供用电系统，由于 存在大量冲击性负荷，造成电网质量变差，导致电费高，其它用电成本也居高不下。 因此对包钢供用电系统进行研究，引进先进的节电技术，对包钢供电网，终端用电 设备，电动机的拖动系统进行全面节电方案分析，为整个供用电系统全面节电提供 技术支持。同时也为其他钢铁企业节能工作提供有益的参考。 1 2 节电技术背景 在国外，节电产业的发展已经有几十年的历史。第一代节电技术为电容补偿技 术，产生于2 0 世纪5 0 年代，此种方法危害小见效大，目前已广泛应用于电网的节 电方面；第二代节电技术为可控硅斩波技术，产生于2 0 世纪7 0 年代，节电效果明 显，但危害很大，主要是产生谐波分量，近年来有被淘汰的趋势。第三代节电技术 为变频技术，产生于2 0 世纪8 0 年代，节电效果良好，内部电子可靠性一般，在电 动机的调速领域应用很广；第四代节电技术为抑制浪涌技术，可清洁电路。第五代 节电技术为电磁转换和补偿，产生于2 0 世纪9 0 年代，节电效果明显、可清洁电路。 华北电力人学i ：程硕十学位论文 能实现节电与电网质量的完美结合。有源滤波器a p t 是改善电能质量的一项关键技 术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到高度重视和同益广泛的应用。特别 是冶炼、钢铁等具有较大谐波源的企业，它的节电及谐波滤除效果特别明显。 国内最新推出很多适合于钢铁企业节电技术。如广泛应用于风机节能和恒压供 水领域的先进变频调速技术和智能控制技术变频器，在重钢高炉除尘风机上，应用 该技术年效益达5 3 万元人民币；大型轧机主传动交流调速系统，运用交交变频器 在轧机轧制过程中解决无功补偿和谐波治理问题。该技术在攀枝花钢铁公司，热轧 厂应用节约电能1 5 ，改善了设备状态，提高了产品质量。电弧炉变压器经济运行 技术的应用，充分发挥电弧炉变压器的能力，在用电弧炉炼钢的企业中，该项技术 的应用，节电效果明显。普通变压器的经济运行技术的应用，也同样有效。鞍钢矿 山公司仅在部分变电所推广变压器经济运行节电技术，全年节电3 0 9 万度。另外， 优化电网的经济运行方式，能节约用电卜2 ，这项技术在国内正处在软件开发阶段。 变电站电压无功综合控制v q c 技术，实现了局部优化，提高了变电站的电压质量和 降低了局部网损。现在v q c 技术正在向全网的最优控制方向发展。 1 3 包钢供电系统现状及节电问题 包头钢铁公司是内蒙西部电网较大用户。现在包钢供电系统已形成生产钢铁双 7 0 0 万吨供电能力。年供电量3 1 亿千瓦时，每吨钢耗电量4 4 2 8 6 千瓦时吨。 包钢生产系统主要工序有焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢以及辅助工序，如制 氧、动力、运输等。包钢电力负荷大户主要有大型轧机、电弧炉、大量风机与水泵 等设备。其中大量风机与水泵类负载运行效率较低，比国外效率低5 一1 0 ，这是 因为常用的控制手段是调节风门、挡板开度的大小来调速受控对象。这样，不论生产的 需求大小，风机都要安全运转，而运行工况的变化则使得能量以风门，挡板的节流损失 消耗掉了。许多电动机单机选型匹配不当，长期轻载运行也是电量消耗大的原因。 另外，包钢存在大量冲击性负荷，如：电弧炉，大型轧机等设备。电弧炉是电网主 要谐波源之一。而且功率因数也低，造成电网三相电压及电流不平衡，不仅影响电 能质量而且增加了电能损失。 包钢供电系统配电网在提供电力的同时自身也有电能损失。当配电网处于高效 运行状态时，网损率就低，而处于低效运行状态时，网损率就高。包钢电网在节电 方面存在的主要问题有( 1 ) 电网结构仍不合理，部分地区供电能力不足，供电半 径过长，电压质量差，线损大，用电可靠性低。( 2 ) 电网的无功优化和自动调压技 术不先进。电压合格率需进一步提高，影响线损较高，这也是电网运行不经济的主 要原因。( 3 ) 变压器运行不合理，变压器匹配不合理，“大马拉小车现象广泛存 在，不能根据负荷变化及时调整变压器容量，使得变压器损耗大，供电效率降低。 从供电管理角度来看，包钢供电系统节电工作存在的问题主要表现在( 1 ) 节 电工作只是局部进行，没有在供电系统普遍展开，比如某机修厂由于功率因数低， 2 华北电力人学j r 程硕+ 学位论文 每年电费被罚几十力元，于是就开始对该厂进行无功补偿。而包钢电力系统，从电 网到终端用电设备，再到电力拖动系统的整体节电工作，没有整体规划。只能“头 痛医头，脚痛医脚”。( 2 ) 节电管理工作，没有形成制度。包钢节电工作只停留在 某一时期的短时行为，而没有形成长期持久开展下去的局面。 1 4 本文主要工作 针对包钢供用电系统节电方面存在的问题，找出节电工作的重点主要是两点。 一点是包钢供电网的节电方面存在的问题；另一点是包钢电力负荷节电方面存在的 问题。为了解决这两个重点问题，分别对包钢供电网和包铡电力负荷节电项目进行 研究并制定节电技术方案。而包钢供电网的节电技术与方案设计包含了三部分内 容：电网结构降损技术；变电站电压与无功优化技术v q c ：变压器经济运行技术。 包钢电力负荷的节电技术与方案设计包含了两部分内容：电力终端负荷节电技术： 电动机调速系统节电技术。其中包含了s v c 技术，变频调速技术等节电技术。 在论文最后，对包钢供用电系统节电技术方案总体节约电能指标，引用函数 y = a + b( 1 1 ) a = a l + a 2 + - a 3 ( 1 - 2 ) b = b 1 + b 2( 1 3 ) 式中y 为供用电系统总节电量；a 为供电网节电量；b 为电力负荷侧节电量；a l 为电网结构降损节电量；a 2 为v q c 技术节电量：a 3 为变压器经济运行节电量；b l 为终 端电力负荷节电量；b 2 为电动机调速系统节电量。 在进行总体方案经济评价的同时，并对v o c 技术和s v c 技术对包钢供电网电能质 量改善程度作了技术评价。得出包钢供用电系统总体节电技术方案在实际应用中可以 创造可观的经济效益和社会效益的结论。 供用电系统节电 供电网节电 电网结构降损 技术 变压器经济运行 技术 负荷侧节电 v q c 技术 ii 电动机节电技术ii 交频调速技术 ii 电焊机节电技术ii 变压调速技术 jl 电弧炉节电技术jl 变极调速技术 图卜1 论文结构图 3 华北电力人学一 程硕士学位论文 第二章包钢供电网结构降损技术及应用研究 2 1 前言 2 1 1 配电网经济运行的概念及意义 所谓配电网的经济运行，是指在合理的电网结构和布局下，一方面要把用电负 荷组织好，调整的尽量合理( 当前以防止长时间小负荷的轻载运行为主) 长期线路 及设备在一定途径时间内，所输送的负荷尽量合理；另方面通过一定途径，按季 节调节电网运行电压水平，使其接近或达到合理值。也就是说，电力部门供用电管 理工作中，要充分合理地利用“调荷”和“调压 这两个途径，使电网处于经济合 理运行状态，以实现“安全、经济、多供、少损”，提高企业经济效益的目的。 配电网电能的损失，一般占总用电量的2 一1 0 ，网损率时高时低。如果采取一 些有效的措施降低配电网的损失，使配电网达到经济运行，那样必将提高社会的经 济效益，促进配电网运行管理走向定量化，择优化，有序化的现代管理。 因此在电力系统中推广电网经济运行降损措施，其节电潜力巨大，经济效益显 著，具有现实意义。 2 1 2 配电网经济运行的技术措施 2 1 2 1 合理规划，完善电网结构 电网结构是电网经济运行的决定因素，要抓住电网改造的机遇，正确估计县域 工农业发展的潜力，准确预测社会用电需要和负荷增长特点，科学合理的进行电网 规划设计，进一步完善电网结构和布局啼1 。 变电站的选址应尽量位于负荷中心，减少供电半径；网架结构，尽量保证方式 调整灵活和运行可靠；主变配置应充分考虑供电区域的负荷情况，避免出现“大马 拉小车 现象，可根据负荷波动特性及随季节波动的负载，采用大容量和小容量相 结合的配置方式；避免或减少输电线路的交错，重叠和迂回供电；导线选择应按经 济电流密度优化合理选择，并考虑留有一定的发展裕度。 2 1 2 2 变压器的经济运行 变压器经济运行的实质就是变压器节电运行。首先，要在确保变压器运行和保 证供电质量的基础上，通过合理计算变压器经济负载系数，绘制主变压器经济运行 曲线，确定出变压器最佳经济运行区域。使变压器处于最佳的经济运行区运行。当 负荷小于临界负荷时，一台变压器运行，负荷大于临界负荷时，两台变压器运行。又 要根据实际运行情况，及时调整变压器三相负荷，提高变压器三相平衡度，降低变压 器损耗。 关于变压器节电技术方案第四章详述研究。 4 华北电力人学：i j 程硕士学位论文 2 1 2 3 配电网无功补偿优化技术 系统无功供给不足或无功分布不合理是影响电压质量的主要原因。若系统无功 供给不足，会降低运行电压并增加网损；若系统无功供给过剩，则会提高运行电压， 影响设备使用寿命和系统的安全稳定性，使系统输送容量降低，不利于电网的运行 调度。因而保证无功补偿和无功平衡是提高电压质量的基本前提。而实现无功的分 层，分区就地平衡也是降低网损的主要原则和重要手段。 配电网无功补偿优化技术及其节电技术方案设计在第三章中讨论。 2 1 2 4 合理分配负荷 要做到电网的经济调度，关键在于电网运行方式的管理。调度部门要合理的制 定电网年度，季度运行方式，把各种输变电设备有机的结合起来，充分挖掘输变电 设备的潜力减少网络损耗，提高供电的可靠性，并根据电网的实际潮流变化，及时 合理的调整电网运行方式，做好无功平衡，改善电压质量，定期组织负荷实测和理 论计算，使电网线损与运行方式紧密结合，实现电网运行的最大经济效益。 另外，在运行当中，要强化用电符合管理，合理调度电力负荷，削峰填谷，提 高负荷率，并及时调整三相不平衡电流，提高三相负荷平衡率，从而实现降损节能。 2 2 包钢供电网概况 包头钢铁公司是内蒙西部电网较大用户。包钢供电系统目前已形成生产钢铁双 7 0 0 万吨供电能力。年供电量3 1 亿千瓦时，最大负荷4 5 万千瓦，综合功率因数o 9 ， 配电损失率达5 的水平。包钢供电系消耗电力约占包头地区负荷和电量的二分之 一，约占内蒙西部电网负荷和电量的四分之一。其基本任务是负责管理包钢厂区输 配电系统，确保公司各厂矿企业安全，可靠，经济，合理的电力供应。包钢供电系 统的运行情况，直接影响着公司的生产和经济效益，是公司生产的动力命脉。 包钢电力网电源来自包头地区。分四个电压等级供电 ( 1 ) 包头第一热电厂1 0 k v 直配系统直接供电 供电厂1 4 个变电所的电源引自一电厂1 0 k v 系统 ( 2 ) 1 1 0 k v 供电系统 轧钢区1 1 0 k v 系统由包头第一热电厂和麻池变电站供电；张家营变电所送7 1 # 冶炼总降变电所，带四台6 3 0 0 0 k v a 变压器。供电炼铁喷煤，4 # 高炉，上炼钢及尾 矿区用电，属一般负荷变电所。 ( 3 ) 2 2 0 k v 供电系统 2 2 0 k v 变电所电源来自张家营变电站的张五i 回、张五i i 回开关区。两台 1 8 0 0 0 0 k v a 变压器( 2 2 0 1 1 0 k v ) ，其中张五i i 回线和2 # 变压器待送电。供无缝厂、 薄板厂、给水总排，稀土一厂及氧气厂用电，属一级负荷变电所。 气 华：i 匕电力人学：i ：程硕士! 学位论文 ( 4 ) 3 5 k v 供电系统 由桥西变3 5 k v 系统直配6 0 # ，6 1 # ，5 3 # 变电所。其中5 3 # 变电所带l 台1 0 0 0 0 k v a 变压器，供黄河水源地用电，属一级负荷变电所。 ( 5 ) 事故电源 由于冶金企业生产的特殊性，有些工作电源突然中断，将造成人身伤亡或重 大设备事故，为此设置了电源线四条。另外，还有1 3 条事故联络线。 包钢供电系统如图2 1 所示。 6 华北电力人学1 ：程硕士学位论文 图2 1 包钢供电系统图 7 一 变 电 所一广jw!慷惋1 一高 新 变一 华北电力人学工程硕： 学位论文 2 3 包钢供电网结构降损的应用研究 2 3 1 优化电价，合理完善电网结构 目前包钢执行的是两部制电价，其中电度电价的制定原则是：电源点电压等级 越高，电价越低阳3 。基于这一高电压等级电能综合价优的原则，分别将7 4 4 ，4 0 4 变 电所电源点迁移至2 2 0 k v 电压供电，从而降低了供电成本。 高线和巾1 8 0 m m 小无缝生产线的电源原来由5 1 。变电所供电，现改由南部总降变 电所提供电力供应。改造前5 1 。变电所同时还为初轧，轨梁，线材，无缝供电，设 备负荷已近满载。为了保证各条轧线生产的安全稳定运行，同时兼顾最优化电价原 则，新建一座1 1 0 k v 变电所南部总降，以缓解5 14 变电所负荷压力。 将年用电量在1 6 亿k w h 以上的4 0 变电所电源点由桥西变( 1 0 k v ) 迁到7 3 。变电 所。7 3 4 变电所两台主要分别由5 14 变电所( 1 1 0 k v ) 和8 0 4 变电所2 2 0 k v 供电，以提高供 电电压等级。仅这项电网改造项目为公司年降低供电成本达4 5 0 万元。 2 3 1 1 电网升压的节电效果分析 假设升压前后，电网输送的功率不变，则升压后线损降低的百分数即 rr 厂2 、 p 9 6 = il 一i 10 0 ( 2 1 ) lu 2 式中，u 。一电网升压前的电压等级； u ：一电网升压后的电压等级； p 一电网升压后线损降低的百分数。 由上式可计算电网升压与线损降低的关系数值表，如表2 1 所示。 表2 1 电网升压与线损降低的关系数值表 升压前的电压等级k v 361 03 51 1015 4 升压后的电压等级k v 1 02 03 511 02 2 0 升压后比升压前线损 9 l6 47 59 1 8 48 9 8 87 55 1 降低的百分数 电网升压运行的节电效果为 a _ j ： a p g + a p gy 】 a - 一a ，6 kw h ( 2 2 ) 式中，a i 一电网升压运行年节电量，kwh ； a p g 一电网升压改造前年供电量，kw h ； y 一电网升压改造前年供电量递增率； a 。一电网升压改造前年均线损率； 6 一电网升压运行线损率降低百分数。 由上式可计算出通过电网提升电压，年可降低电网电能损失近9 0 0 万kwh 。 r 华北电力大学：r 程硕十学位论文 2 3 2 淘汰高耗能变压器 淘汰高耗能变压器降低变压器损耗。选择空载损耗及负载损耗低的节能型变压 器可以达到降低变压器损耗的目的。7 2 4 、7 3 4 变电所两台4 0 5 0 0 k v a 主变是2 0 世纪 6 0 年代产品，已属于严重的超期服役，运行性能同渐衰减，能耗大，可靠性也下降， 因此，公司将这两台耗能变压器更换为节能型变压器。具体参数见表2 2 。其两项 重要耗能指标：空载损耗和负载损耗都大大降低。 表2 2 新旧变压器参数对照表 主变 p o k w p k k w i o u i ( u n k vs n k v a 新 5 12 7 7 0 6 o 2 8 1 4 1 1 06 3 0 0 0 旧 1 0 3 2 3 5 1 3 71 71 1 04 0 5 0 0 新旧变压器节能计算如下： p = p 。+ ( s s n ) 2 p 。= 5 1 + ( 1 0 2 0 0 6 3 0 0 0 ) 2 2 7 7 0 6 = 5 8 2 6k w p 。= p 。+ ( s 。s 。) 2 p 。= 1 0 3 + ( 1 0 2 0 0 4 0 5 0 0 ) 2 2 3 5 = 11 7 9k w q = q 。 + ( s s n ) 2 q k = 2 8 6 3 0 0 0 1 0 ( 1 0 2 0 0 6 3 0 0 0 ) 2 1 4 6 3 0 0 0 1 0 = 4 0 7 6k v a r q b = q o b + ( s b s 舳) 2 q k b = 1 3 7 4 0 5 0 0 1 0 2 + ( 1 0 2 0 0 4 0 5 0 0 ) 2 1 7 4 0 5 0 0 10 = 9 9 1 5 6k v a r 共节电为：p b 一p + 0 0 1 ( q b 一q ) = 6 5 5 7 9 6k w 上式中0 0 1 为无功经济当量值。一年按8 6 4 0 小时计算，年节约电量损失5 6 6 6 万k w h ，按目前综合电价0 5 元k w h 计算，年创效益2 8 3 3 万元。 2 3 3 包钢自备电厂的利用 随着公司生产力的不断提升，对电网的供电能力和供电可靠性提出了更高的要 求为了充分发挥包钢自发电能力，降低供电成本，我公司制定了选矿，烧结区供电 系统改造及负荷平衡方案，并利用有限资对北部电网2 14 ，2 2 。，2 6 。，3 0 。，3 1 。，3 7 。， 3 8 。等相关变电所电源进行迁移改造。同时将集中负荷在3 8 。变电所作为热电新，老 系统的负荷调整点，依靠运行方式的改变最大程度地消化包钢自发电。 通过以上电网结构调整和系统负荷的合理分配：减少了包钢外购电量8 0 0 0 万 k w h ，为公司年节省电费支出4 0 0 0 万元。 2 4 本章小结 本章先对配电网经济运行的概念和意义作了介绍，然后对配电网经济运行采取 的技术措施作了分析，最后根据包钢配电网的具体情况分析了三种配电网结构降损 的节电方案，并对三种方案的节电量和节省电费情况做了评价。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章变电站v o c 技术及其节电分析 3 1v q c 技术概述 供电电压的稳定对于保证国民经济的生产，延长生产设备的使用寿命有着重要 的意义，而降低网损、经济供电又是每一个供电部门的工作重点。因此，变电站随 着负荷的波动对其电压与无功调节需求往往很频繁，如果由人进行调节干预，一方 面增加值班员的负担，另一方面靠人去判断操作很难做到调节的合理性。近年来， 随着变电站的综合自动化能力的提高，系统的采样精度与信号响应速度均有很大的 改善，各种方式接入的信号范围较以往的系统有很大的扩展，因此在现有的当地监 控系统中，用软件模块的控制来实现电压与无功的自动调节在理论上所需的条件已 经具备。v q c 是具有电压无功综合控制功能装置的简称。随着电网的发展和v q c 技 术产品的成熟，电压无功综合控制装置( 硬件或软件) 的应用越来越广泛，它对保证 电压质量、优化电网无功潮流和电网经济运行等发挥了较大作用。v q c ( 硬件或软件) 发展到今天，已进入成熟、实用阶段h 1 。 3 1 1v o c 技术的工作原理 对于变电站来讲，为了使电压与无功达到所需的值，通常采用改变主变分接头 档位和投切电容器组来改变系统的电压和无功。分接头的变化不仅对电压有影响， 而且对无功也有一定的影响，同样，电容器组的投切对无功影响的同时也对电压有 着一定的影响。在很多地方的供电系统中，不是考虑无功而是考虑功率因数作为调 节依据。在实际应用中，主变分节头调节主要用于电压的调节，电容器的投切主要 用于无功的调节，同时也用于电压的调节。v q c 电压无功综合控制装置适用于1 1 0 k v 一5 0 0 k v 变电站，它通过实时采集电网参数，自动控制主变有载调压分接开关和补 偿电容器，使主变有载调压分接丌关和电容器组处于最佳状态。以满足电网无功功 率供需平衡，达到改善供电电压质量，减少电能损耗的目的。 3 1 2v o c 技术的具体措施 v q c 装置运行整定原则随着运行经验的积累，各地供电部门对v q c 装置的认识 及对其实际功能需要日趋成熟并渐趋一致。事实上，各地电网对v q c 的运行要求和 整定方式基本相似，v q c 运行整定的原则总概括为阴1 ：各站点根据负荷变化规律合 理、适时按原则地调整主变分接头档位及投退电容器组( 电抗器组) ，以确保母线的 电压质量和无功就地平衡。具体大约可总结为： 1 优先保证电压质量合格。1 1 0 k v 变电站必须保证1 0 k v 母线电压合格；2 2 0 k v 变电站在保证1 1 0 k v 母线电压合格的同时，尽量兼顾1 0 k v 母线电压合格。有的地 区因大多数1 1 0 k v 变电站都实现有载调压，所以其2 2 0 k v 变电站仍以保证1 0 k v 母 l o 华北电力火学 ：科硕十学位论文 线电压合格为主，尽量兼顾1 1 0 k v 母线电压合格。 2 无功考核( 控制参考) 点在变压器高压侧，在保证电压质量合格的前提下，无 功就地平衡也就是主变高压侧无功功率越接近于零越好。一般要求：1 】0 k v 侧的瞬 时功率因数c o s 0 9 5 0 9 8 2 2 0 k v 侧的瞬时功率因数c o s 中0 9 5 0 9 8 3 详细 整定应按照站内主结线运行方式、负荷率及负荷曲线，以及分接头开关和无功投退 开关运行情况等因素，用九域图控制原理进行具体参数的设定并确定保护、闭锁条 件阳3 。到目前为止，各地对v q c 功能的要求和使用只考虑满足所在安装站站内的电 压无功控制目的，而且只能实现调控变压器某一侧的母线电压，同时兼顾另一侧母 线电压水平的电压调控方式( 但难以很好地兼顾) ，并且运行v q c 的各站点其电压无 功控制调节是相互独立的；如果要实现对变压器各侧电压无功的调控，现有v q c 的 控制原理及功能必须作出较大修改，例如除本站点控制条件更为复杂之外，还须考 虑对各站点进行联网统调等措施；此外，要实现这些功能还须要进一步完善电网电 压无功的调控手段，如配备足够、可调的无功电源( 分组合理的电容器组和电抗器 组，以及可调控无功出力的火力及水力机组等等) ，所以电网各级的总体电压无功 综合优化控制的实现应该是下一步的目标，而在此之前还要花相当的时间去做大量 的准备工作0 i 。请登陆：输配电设备网浏览更多信息 3 2v q c 的控制策略 从控制理论的角度，变电站电压无功综合控制是一个多限值，多目标的最优控制 问题，其控制策略经历了一个不断完善发展的过程。目前较多的v q c 产品采用基于 “九区图”的控制策略。 九区图控制策略是典型的电压，无功双参数控制策略，它是根掘变电站运行中 电压和无功均存在合格，过高和过低3 种状态，而将二维坐标平面分为九个区域， 见图3 1 。电压无功综合控制的基本原理是实时采集变压器系统侧输入无功功率q 和低压侧母线电压u ，然后根据调节判据得出不同区域的控制方法，通过调节有载 变压器分接头位置或投切电容器。保证电压合格和无功基本平衡2 | 。 其控制目标是使电压和无功控制9 区，首要目标是将被测母线的电压控制在规 定的u 上限和u 下限之间，保证电压合格。同时要尽量使无功功率控制在q 上限和 q 下限之间，如果电压无功不能同时达到要求，则优先保证电压合格。控制装置根 据电压、无功、时间、负载率，调压分接头和电容器所处状态，等诸因素进行判别： 根据实时数据判断当前的运行区域，再按照一定的控制方案，闭环地控制站内并联 补偿电容器的投切及有载调压变压器分接头的调节，以最优的控制顺序和最少的动 作次数使运行点进入到第9 区( 正常工作区) 。 华北! 乜力人学ji ：程硕十学位论文 876 一一 一l l 59 4 一 一 一一卜一u l 32 ：1 qlqh 图3 1 九区图 具体来讲，传统九区图的控制规律为：调节主变分接头及控制切电容器组，使 主变尽量运行于区域9 。在另外八个区域调节控制中，如果纯电压偏差，无功功率 正常( 第2 ，7 区域) 就只调电压；单纯无功功率越限，电压正常( 第4 ，5 区域) 就只投退电容器。如果电压和无功功率越限，若先调分接头升降电压，会造成无功 功率越限得更多时( 第1 ，8 区域) 应先调无功功率为原则，后根据集体情况再调 分接头；同理对于( 第3 ，6 区域) 应先调分接头再投切电容器。其中电压的上下 限主要是由该变电站的运行要求决定，无功功率的上下限之差应大于至少一组电容 器的容量。 3 3v q c 技术限值理论存在的问题及解决的方法 3 3 1v q c 限值理论存在的问题 虽然用于变电站的电压无功控制装置有很多，从控制原理来讲大体可以分为以 下几种：时间顺序控制法、测量电压控制法、测量无功控制法、测量功率因数及电 压控制法、测量电压和无功控制法。目前在国内运行的电压无功综合控制装置大多 是按第5 种控制原理设计的，即九区理论。并在此基础上，又引申出十七区理论， 但基本原理不变。 在九区理论中，电压限值采用主变低压侧线电压，无功功率限值采用主变高压 侧无功，在不同时间段内，可设定不同的电压、无功功率限值，从而满足负荷高低 时，对电压、无功功率的不同需求。v q c 装置按照限值区域，通过对分头、电容器 和电抗器的控制，实现电压和无功功率运行在9 区内。 九区理论的核心是一个三维曲线：时间、电压和无功功率。是以时间为基准， 在不同的时间段，设定不同的电压无功限值，而在同一时问段内，电压无功限值是 定值，不可变。这就导致在限值整定时，时间段的设置必须尽量满足负荷峰、谷、 平曲线，而负荷曲线在不同季节、不同地区存在较大差别，使得v q c 装置在运行中， 经常出现负荷爬升及高峰时，电压却运行在下限；负荷降低及低谷时，电压却运行 在上限。对电网电能质量的改善不能起到应有的作用，在某些地区的夏季负荷高峰 时期，不得不将v q c 装置退出，采用人工调节的方式，大大降低了v q c 装置的投入 率。 为此，在管理制度中，采用了多套定值方案，包括：夏季、冬季、节假同等定 1 2 华北电力人学t 程硕士学位论文 值，定期修改更换，但此办法同时给运行维护带来了极大的不便和难度。 3 3 2 限值理论解决的方法 基于目前九区限值理论的局限性，本文提出了动态限值理论。在九区理论中引入主变高 压侧电流参数，不再将时间参数做为基准，而用电流取而代之。按照地区负荷曲线，在不同 电流数值时，设定相关的电压、无功功率限值。虽然负荷曲线在不同时期不尽相同，但在相 同负荷( 电流) 的前提下，对电压、无功功率的需求是一致的n 3 i 。 其特点如下： ( 1 ) 在任一时间段内，在负荷高峰时，提高定值的下限，使电压能够在较高的数值处 运行；在负荷低谷时，降低定值的上限，使电压在较低的数值处运行，从而使v q c 装置调节 控制更为可靠、合理。 ( 2 ) 只须设定有功、电压及无功问的数据对应关系，不必根据季节和地区设置多套定 值，减少维护人员对v q c 装置运行的日常维护工作量。 ( 3 ) 由于电压无功限值可随负荷的高低而自动改变，从而使v q c 装置对电网电能质量 的改善更为优化有效。 3 4v o c 技术电容操作存在的问题及解决的方法 3 4 1v q c 技术电容操作存在的问题 “九区图 中的电压和无功设备动作的先后顺序对控制结果影响很大，如果| 顾 序不当，会产生频繁动作，投切振荡等现象。 另外，传统的电压无功调节都是通过改变电容器投入的数量及调节主变电压分 接头开关来实现的，这势必带来两个问题：一是无论将电容器如何分组都不可能完 全适应系统感性无功的变化，只能在某一较大的范围内进行调节，不能实现细调； 二是电容器投切产生过电压，频繁操作必将严重影响电容器的使用寿命，因此，就 无法实现实时、适量的电容补偿，只能对系统或某一区域无功在某一时段内进行优 化控制。还有，电容器运行中的涌流问题，一般采用串联电抗器进行限制，这样必 然要牺牲一部分电容器用来直接补偿串联电抗器的无功损耗，增加电容器的投资， 而串联电抗器又提高了电容器的运行电压，严重影响电容器的寿命，这些问题使传 统的无功控制手段无法发挥作用，电压无功管理得不到有效的提高引。 3 4 2 电容操作问题的解决方法 针对以上问题n 钉，电压无功自动调节装置可以突破传统的无功补偿理念，采用 q = 2 氕f c u 2 的新型原理，改电容器的分组投切为一次固定接入，通过改变电容器端 电压达到改变补偿容量的目的，解决了电容器投切中的过电压和涌流等技术问题， 改滞后调节为实时调节。 1 3 华北电力人学i ：祥硕十学位论文 3 4 2 1 构成方式 在电容器组上串接台自耦变，共分1 0 档，每档可调节5 的电压，通过调节 自耦变副边电压来改变电容器的端电压，其中1 0 档时电容器端电压为最高，1 档电 压最低；对降压变同时调节主变档位来改变低压侧母线电压，对升压变同时调节主 变档位来改变高压侧母线电压，达到提高电压合格率目的。在需要对一次设备进行 调节时，由装置发命令给相应设备间隔单元的执行机构，命令发出后装置自动监测 动作的执行结果，如果在指定的时间内动作未成功，则认为动作失败6 。 3 4 2 2 应用实效分析 由于不采用投切方式，就没有投切引起的充放电问题，调节可以随系统无功变 化随时进行，不需要延时，可以实现实时调节，保证系统随时都工作在最佳状态， 有效提高功率因数，降低线损。该产品能把变电站功率因数有效提高至0 9 5 o 9 8 之间，减少发热损耗。 以调节自耦变来调节电容器的端电压，使电容器长期稳定工作在额定电压下， 延长了电容器的使用寿命，由于解决了电容器过电压问题，可以选择较低电压的电 容器，减少电容的投资7 1 。 3 5v q c 技术仿真分析与经济技术评价 3 5 1v q c 仿真分析与技术评价 u0 ui u2 l g j 1 8 5 5 0 k n 3 0 s ； j q c p 【o qld 图3 2 变电站接线图 如图3 2 所示，变电站将3 5 k v 降压至1 0 k v 供电，u 。是进线电压，3 5 k v 线路和 变压器参数：导线l g j 一1 8 5 3 0 ( 5 0 k m ) ，r 。= 0 1 7q k m ，x 。= 0 3 8q k m ，s z 7 2 5 0 0 3 5 有载调压变压器( 参考出厂数据) ，3 5 3 2 5 1 0 5 k v ，p 。= 2 4 1 5 k w ，p 。= 4 2 5 k w ，u 。= 6 5 ，i 。= 2 2 ，连接方式为y ，d 1 1 。先计算线路和变压器参数，线路：r l _ 8 5 q ；x 。= 1 9q ，l 。= 1 9 2 3 1 4 x5 0 h ，3 5 k v 线路并联电容忽略不计；变压器：r ，= r ：+ = o 0 0 4 8 3q ，l 。+ = l ：+ = 0 0 3 2 5 h ，r 。= r + = 4 5 4 5q ，r ，= 4 7 3 3 4q ，x = 3 1 8 5q ，将 s z 7 2 5 0 0 3 5 变压器的变比计算出来并列于表3 1 中。 1 4 华北电力人学1 ：样硕士学何论文 表3 1 变压器分接头与变比 变压器分接头档位分接头电压u ( k v )变比k 3 5 木( 1 + 3 半2 5 )3 7 6 2 53 5 8 3 3 3 5 术( 1 + 2 ：i c 2 5 )3 6 7 53 5 3 5 半( 1 + 1 木2 5 )3 5 8 7 53 4 1 6 7 3 53 53 3 3 3 3 3 5 爿c ( 1 2 半2 5 )3 4 1 2 53 2 5 3 5 木( 1 2 术2 5 )3 3 2 53 1 6 6 7 3 5 术( 1 3 木2 5 )3 2 3 7 53 0 8 6 3 3 该变电站最大负荷为2 1 + j 1 0 5 m v a ，最小负荷为0 4 8 + j 0 2 8 m v a 。变电站1 0 k v 母线采用恒调压方式，保持在1 0 5 k v 。3 5 k v 变电站仿真模型中的三相电源模块( 等 值电源) 容量为2 5 m v a ，线电压为3 6 7 5 k v ，电阻r s 为7 8q ，电感x s 为0 17 4 h ， 则x = x s + x l + x = 1 0 5 6 1q 。仿真模型n 4 1 如图3 3 所示： 图3 3 系统仿真模型 设置九区图电压u ：上下限为1 0 5 k v ，9 7 k v ，功率因数c o s 由。上下限为1 、o 9 ， 并联电容器组的最小补偿容器q c 可按最大负荷，最小负荷以及变电站低压母线调 压要求来确定5 1 。本设计中q c = 0 9 5 m v a r 故选择q c = l m v a r ，据q = 2 f c u 2 设定最低 电压的档位，然后分十档精细调压来调整电容容量。 在工作日上午9 点左右，负载较大，该变电站负载为1 7 5 + j 1 0 5 m a v ，假设此时 未投电容，分接头电压为3 5 k v ，则可得u 。= 9 7 2 4 9 k v 9 7 k v ；而u 。 0 9 而小于l ，及此时运行点位于 1 区，根据该区控制策略，应上调分接档位以降压，具体调节效果见表3 3 ，可见上调 分接头档位至3 6 7 5 k v ( + 2 档) 或3 7 6 2 5 k v ( + 3 档) 均可使运行点进入9 区。 从以上分析来看，无论变电站运行在9 区图的哪个区域( 9 区除外) v q c 均能提 供方案供选择，以保证运行点进入9 区。 表3 2 九区图3 区调节效果 电容器档位q c ( k v a r )u 2 ( k v )c o s 中 4 4 0 01 0 0 2 00 9 15 4 55 0 01 0 0 9 60 9 3 3 8 66 0 01 0 1 7 4o 9 5 0 6 77 0 01 0 2 5 30 9 6 5 3 88 0 01 0 3