电力系统的无功功率和电压调整.ppt

第六章电力系统的无功功率和电压调整 本章的主要内容 一 无功功率负荷与无功功率损耗无功功率负荷未经补偿的综合负荷的自然功率因数为0 6 0 9 以滞后功率因数运行 低值对应与异步电动机比例较高的负荷 高值对应于采用大容量同步电动机的场合 负荷无功功率的峰值与有功功率的不一定同时出现 其峰值出现在工业负荷最大的时刻 一般在白天 第一节电力系统中无功功率的平衡 无功功率负荷 异步电动机在无功负荷中占的比重很大 系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定 异步电动机的无功功率 具有正的调节效应 dQ dU 0 负荷的无功特性 第一节电力系统中无功功率的平衡 负荷功率因数的规定高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户功率因数 0 9 其他100kVA及以上电力用户和大 中型电力排灌站 功率因数为0 85以上 趸售和农业用电 功率因数为0 80以上 第一节电力系统中无功功率的平衡 电网功率因数的规定500 330 kV线路的充电功率应基本予以补偿 220kV变压器二次的功率因数 0 95 110kV 35kV变压器二次的功率因数 0 9 第一节电力系统中无功功率的平衡 2 变压器中的无功功率损耗励磁支路的功率损耗 其百分值基本上等于空载电流I0的百分值 约为1 2 绕组漏抗中的功率损耗 在变压器满载时 基本上等于短路电压Uk的百分值 约为10 第一节电力系统中无功功率的平衡 3 线路上的无功功率损耗并联电纳的无功功率损耗 充电功率 与线路电压的平方成正比 为容性 串联电抗的无功功率 与负荷电流的平方成正比 为感性 输送的有功功率 自然功率 二 无功功率电源发电机基本的无功功率电源 可以通过调节发电机的励磁电流来改变发电机发出的无功功率 增加励磁电流 可以增加无功功率的输出 反之 减少无功功率输出 第一节电力系统中无功功率的平衡 P Q极限图 电容器并联于变电所运行 发出的无功为具有正调节效应 dQ dU 0 特点 1 特性不理想 不能连续调节 2 运行维护简单 有功损耗小 成本低 装设灵活方便 第一节电力系统中无功功率的平衡 调相机实质上是只能发无功功率的发电机 运行方式 1 过励磁 发出无功2 欠励磁 吸收无功欠励磁容量 50 过励磁容量特点 1 能连续调节 调节范围宽 2 运行维护较复杂 有功损耗较大 成本较高 3 适用于大容量地装设于枢纽变电所 第一节电力系统中无功功率的平衡 静止补偿器和静止调相机静止补偿器和静止调相机 分别与电容器和调相机相对应而又同属 灵活交流输电系统 范畴的两种无功功率电源 特点 1 能快速平滑地调节无功 运行维护简单 损耗较小 能分相补偿 2 会产生高次谐波 第一节电力系统中无功功率的平衡 并联电抗器就感性无功功率而言 并联电抗器显然不是电源而是负荷 但在某些电力系统中的确装有这种设备 用以吸取轻载或空载线路过剩的感性无功功率 而对高压远距离输电线路而言 它还有提高输送能力 降低过电压等作用 第一节电力系统中无功功率的平衡 主要无功电源设备的比较 第一节电力系统中无功功率的平衡 三 无功功率的平衡要求 无功电源要充足无功电源的配置要合理采用一定的调节措施便可实现电压调整的目标 无功功率平衡和系统电压水平的关系 无功配置原则 电力系统的无功电源与无功负荷 在高峰或低谷时都应采用分 电压 层和分 供电 区基本平衡的原则进行配置和运行 并应具有灵活的无功调节能力与检修备用 为了控制电压在允许的范围内 必须保证有充足的无功电源 在全网平衡的基础上 留有备用的容量 电力系统的无功容量是有功容量的1 5 1 7倍 第二节电力系统中无功功率的最优分布 无功功率的最优分布包括两方面的内容 无功功率电源的最优分布无功功率负荷的最优补偿 第二节电力系统中无功功率的最优分布 一 无功功率电源的最优分布目标函数约束条件 无功功率电源最优分布的求解 拉格朗日函数极值条件 等网损微增率准则 无功功率平衡 第二节电力系统中无功功率的最优分布 二 无功功率负荷的最优补偿所谓无功功率负荷补偿是指最优补偿容量的确定 最优补偿设备的分布和最优补偿顺序的选择等问题 即解决无功补偿设备投入及运行成本与装设补偿设备后所节约的能源损耗费用二者之间的经济效益的最优化问题 第三节电力系统的电压调整 一 调整电压的必要性所有的用电设备都是按运行在额定电压时效率为最高设计的 偏离额定电压必然导致效率下降 经济性变差 电压降低将使发电机定子电流增大 引起定子绕组过热损坏 由于系统无功短缺 电压水平低下 某些枢纽变电所母线电压在微小扰动下顷刻间大幅下降 引起电压崩溃 这是严重导致系统瓦解的灾难性事故 调压的目标 电压偏移 指线路始端或末端电压与线路额定电压的数值差 35kV及以上 10 10 10kV及以下 7 7 电力系统调压的目的是保证系统中各负荷点的电压在允许的偏移范围内 用什么来调压 怎么调压 无功功率与电压的关系 一个是控制变量 一个是状态变量 节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用 无功功率对电压水平有决定性影响 电力系统当中 各种用电设备吸收的无功功率与所加电压有关 当系统出现无功功率缺额 系统所接的各负荷的电压将下降 减少其向系统吸收的无功功率 才能获得无功功率的平衡 电压的控制也就是无功控制 无功功率与电压的关系 节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用 超高压线路 无功功率与电压的关系 无功功率对节点电压有效值起决定性影响 超高压线路 第三节电力系统的电压调整 二 电压波动和电压管理电压波动由冲击性或间歇性负荷引起 习惯上所谓的电压调整仅针对周期长 波及面大 主要由生产 生活和气象变化引起的负荷和电压变动 电压调整 中枢点电压管理 电压控制的策略 电压中枢点 指某些可反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所的母线 系统电压的监视和调整可以通过监视 调整电压中枢点的电压而实现 因很多负荷都由这些中枢点供电 如能控制住这些点的电压偏移 也就控制住了系统中大部分负荷的电压偏移 中枢点电压调整 中枢点电压调整 寻求满足中枢点周围各点负荷电压质量的公共部分 中枢点电压调整的确定 根据各负荷的日负荷曲线和对电压质量的要求 进行一系列潮流计算及电压控制方式等分析研究 才能最后确定这些中枢点的允许电压偏移上下限曲线 中枢点的调压方式 逆调压高峰负荷 升高中枢点电压5 为1 05UN低谷负荷 中枢点电压为额定值 为UN适用于由该中枢点供电线路较长 负荷变化范围较大等场合 中枢点的调压方式 顺调压高峰负荷 中枢点电压不低于1 025UN或某值 低谷负荷 中枢点电压不高于1 075UN或某值 适用于用户对电压要求不高或线路较短 负荷变化不大等场合 中枢点的调压方式 常调压高峰 低谷负荷 要求在任何负荷时中枢点电压基本保持不变且略大于UN 例如1 025UN或1 02 1 05UN间的某一值 电压调整的基本原理 电压调整的基本原理 调节励磁电流以改变发电机端电压适当选择变压器的变比改变线路参数无功功率补偿 电压调整的措施 发电机 应用发电机调节电压 辅助性 发电机端电压有由自动励磁调节装置控制 可根据运行情况调节励磁电流来改变端电压 发电机端电压的调节受发电机无功功率极限的限制 当发电机输出的无功功率达到其上限或下限时 发电机就不能继续进行调压 由发电机直接供电的小系统 有可能只依靠发电机调压满足各用户的电压要求 对于大系统 尤其是线路很长且多级电压的电力网 单靠发电机调压就无法满足系统中各点的电压要求 必须与其他调压方法相配合 电压调整的措施 变压器变比 改变变压器变比调压变压器分为两种 普通变压器 分接头开关无消弧能力 只能在停电时切换 必须事先选择一个合适的分接头 有载调压变压器 具有调压绕组的有载调压变压器 能够带负载调节分接头 可随时根据需要调节变压器分接头以满足调压要求 带附加调压器的加压调压变压器 电压调整的措施 变压器变比 变压器变比的调节范围普通变压器宜选 2 2 5 10kV配变为 5 有载调压变压器63kV及以上宜选 8 1 25 1 5 35kV宜选 3 2 5 电压调整的措施 变压器变比 1 降压变压器分接头的选择 电压调整的措施 变压器变比 最大负荷时高压绕组分接头电压为 最小负荷时高压绕组分接头电压为 普通变压器最大 最小负荷下只能选用同一个分接头 例题 降压变压器分接头的选择 例 降压变压器如图所示 最大负荷时高压侧电压为110kV 最小负荷时为115kV 要求低压母线上电压不超过6 6 6kV的范围 试选择分接头 例题 降压变压器分接头的选择 解 由分接头范围 2 2 5 可知为一普通变压器1 首先求一次侧的功率2 根据一次侧的电压和功率求电压损耗 例题 降压变压器分接头的选择 3 计算分接头电压 取最大负荷时的U2max 6 0kV 最小负荷时的U2min 6 6kV则选最接近的分接头为110 2 5 110 112 75 kV 例题 降压变压器分接头的选择 4 校验实际电压符合低压母线的要求6 6 6kV 电压调整的措施 变压器变比 2 升压变压器分接头的选择 升压变压器分接头计算 RT jXT U2 1 k P jQ U1 电压调整的措施 变压器变比 最大负荷时高压绕组分接头电压为 最小负荷时高压绕组分接头电压为 普通变压器最大 最小负荷下只能选用同一个分接头 例题 升压变压器分接头的选择 例 一升压变压器和发电机直接相连 SN 31 5MVA 变比为6 3 121 2 2 5 kV 归算至高压侧的阻抗为ZT 3 j48 已知最大负荷时高压母线的电压为U2max 120kV 最小负荷时高压母线电压为U1min 114kV 发电机电压的调节范围为6 6 6kV 试选择变压器分接头 例题 升压变压器分接头的选择 解 1 计算变压器损耗2 计算分接头电压 取则 例题 升压变压器分接头的选择 从而选最接近的分接头为121 2 5 121 124 0250 kV 3 校验符合要求 电压调整的措施 变压器变比 3 三绕组变压器分接头选定 高压绕组分接头中压绕组分接头步骤 根据电压母线的要求选定高压绕组分接头由选定高压绕组分接头和中压母线的要求选定中压绕组分接头 例题 三绕组变压器分接头的选择 例 三绕组变压器的额定电压为110 38 5 6 6kV 高压绕组和中压绕组设有分接头 2 2 5 中压母线和低压母线的最大负荷示于下图等值电路中 最小负荷为最大负荷的一半 已知高压母线最大和最小负荷时的电压分别为112kV和115kV 要求最大和最小负荷时中压 低压母线的允许电压偏差为0 7 5 例题 三绕组变压器分接头的选择 等值电路 例题 三绕组变压器分接头的选择 解 1 计算功率分布 有 例题 三绕组变压器分接头的选择 2 计算电压分布 例题 三绕组变压器分接头的选择 3 首先确定高压绕组的分接头 取最大负荷和最小负荷时低压母线要求的电压分别为6kV和6 1 075 6 45 kV 则 例题 三绕组变压器分接头的选择 规格化后取110 2 5 分接头 即U1t 110 1 025 112 7 kV 校验高压侧电压 U1max 103 1030 6 6 112 75 6 0353 kV U1min 110 9474 6 6 112 75 6 4945 kV 符合要求 例题 三绕组变压器分接头的选择 4 根据中压母线的要求确定中压绕组分接头 中压母线要求的电压为最大负荷时35kV 最小负荷时35 1 075 37 625 kV U2t U2tmax U2tmin 2 37 7696 kV 因此 规格化后取38 5 2 5 分接头 即U2t 38 5 1 2 5 37 5375 kV 例题 三绕组变压器分接头的选择 校验中压侧的电压U2max 104 9640 37 5375 112 75 34 9453 kV U2min 111 8051 37 5375 112 75 37 2229 kV 可见最大负荷时略低于要求的35kV 如需完全满足要求 需采用有载调压变压器根据不同负荷情况选择不同的分接头 电压调整的措施 变压器变比 4 加压调压变压器组成 由电源变压器和串联变压器组成改变电压幅值称为纵向调压变压器改变电压相角称为横向调压变压器 电压调整的措施 并联补偿 并联补偿调压合理配置无功功率补偿设备的目的 改变电力网的无功潮流分布减少网络中有功功率损耗和电压损耗改善用户处的电压质量应用无功功率补偿设备调节电压的主要方式 静电电容器同步调相机静止补偿器 电压调整的措施 并联补偿 补偿容量的计算 Ui保持不变 电压调整的措施 并联补偿 补偿容量的计算 简化 电压调整的措施 并联补偿 1 选用电容器变压器的分接头应按最小负荷时电容器全部退出运行的条件考虑 选定后 将其代入 再按最大负荷时的调压要求确定应设置的电容器容量 可充分利用电容器的容量 使在满足调压要求前提下 使用的电容器最少 电压调整的措施 并联补偿 2 选用调相机设调相机欠激运行时的容量为过激运行时的容量的二分之一 在最大负荷时按过激容量运行 在最小负荷时按欠激容量运行 求出变比后选择分接头 按最大负荷时的调压要求就可确定应选用的调相机容量 电压调整的措施 并联补偿 2 选用调相机 电压调整的措施 并联补偿 并联无功补偿的计算步骤1 根据已知条件计算功率和电压分布 2 在最小负荷情况下确定变压器抽头k 3 在最大负荷情况下确定所需的无功补偿容量 4 电压校验 例题 并联无功补偿 例 发电机维持端电压UG 10 5kV不变 T1变比k1已选定 现用户要求实现恒调压 使U2 10 5kV 例题 并联无功补偿 解 1 求功率分布 例题 并联无功补偿 2 求电压分布 例题 并联无功补偿 3 确定T2的变比 采用电容器进行补偿 选最接近的分接头为110 2 2 5 其对应的变比为110 1 2 2 5 11 10 5 4 求电容器的补偿容量取QC 11Mvar 例题 并联无功补偿 5 电压校验最大负荷时 有最小负荷时 有 基本符合要求 例题 并联无功补偿 6 确定T2的变比 采用同步调相机进行补偿 设 0 65 有规格化 取最近的分接头为110 2 5 其变比为110 1 025 11 10 25 例题 并联无功补偿 7 求同步调相机的补偿容量查手册选TT 66 11型同步调相机 容量为QN 6Mvar 例题 并联无功补偿 8 校验电压最大负荷时最小负荷时 例题 并联无功补偿 9 若选择同步调相机的容量为15MVar最大负荷时最小负荷时 电压调整的措施 串联补偿 串联补偿调压线路串联电容补偿调压 在主电路中以减少线路电抗 从而提高线路末端电压为目的 电压调整的措施 串联补偿 补偿 补偿度 电容器串并联个数的选择对于额定电压为UNC 额定容量为QNC的电容器 有m Imax INCn ImaxXC UNC注意 m n应取偏大的整数 校验实际的补偿容量 7 25 7 24 电压调整的措施 串联补偿 串联电容器组装设地点的选择1 使负荷点电压在允许范围内 2 沿输电线电压尽可能均匀 3 故障时流过电容器的短路电流限制 电压调整的措施 串联补偿 例 如图 要求U2 35kV 1 求串联补偿容量 设选用纸质油浸电容器 额定容量QNC 20kvar 额定电压UNC 0 6kV 2 求并联补偿容量 并比较两种补偿方案的功率损耗 例题 串联补偿 解 1 采用串联补偿1 补偿前的线路末端电压为U2 U1 U 37 7 10 6 10 37 33 4965 kV 故要求补偿的电压值为35 33 4865 1 5135kV2 所需的补偿容抗为XC 1 5135 37 6 9 3333 例题 串联补偿 3 电容器组的选择其额定电流为INC QNC UNC 20 0 6 33 3333 A 其容抗为XNC UNC INC 600 33 3333 18 线路负荷最大时的电流为 例题 串联补偿 故所需的电容器串数为m Imax INC 143 8623 33 3333 4 3159取m 5 每串电容器的个数为n ImaxXC UNC 143 8623 9 3333 600 2 2379取n 3 故串联补偿容量为QC 3mnQNC 3 5 3 20 0 9 kvar 例题 串联补偿 4 电压校验实际的串补容抗为XC n XNC m 3 18 5 10 8 补偿后的线路末端电压为U2 37 37 10 6 10 10 8 37 35 2378 kV 基本符合要求 此时的补偿度为K XC X 10 8 10 1 08 例题 串联补偿 2 采用并联补偿所需的补偿容量为取QC 5 3Mvar 可见并联补偿容量比串联补偿容量大得多 例题 串联补偿 3 比较两种补偿方式的功率损耗1 补偿前 P R P2 Q2 U2 10 72 62 372 0 6209 MW 2 串联补偿后 P 10 72 62 372 0 6209 MW 3 并联补偿后 P 10 72 6 5 3 2 372 0 3615 MW 例题 串联补偿 各种调压措施的特点 发电机调压简单灵活 无需投资 应充分利用 辅助调压手段 变压器调压利用改变节点电压的高低来改变无功功率的流向和分布 不能发出或吸收无功功率 只能做细微调节 当无功缺额时无效 各种调压措施的特点 并联补偿调压无功功率分层分区平衡的主要手段 灵活方便 可减小网损 串联补偿调压调节功率因素 不能减少网损 运行维护要求较高 调节不太灵活 综合调压 并联补偿变压器调压如无功不足 发电机进相运行 电力系统什么是无功功率 无功功率的作用是什么 先做一个类比 有功是水的话 无功就是水桶 有传载的作用 有功转变为机械能 光能 热能等 无功不会转变为其他形式的能 但没有无功 有功就无法传递转化 比如电动机磁场的产生就需要消耗无功 电力系统中有许多感性负荷 如变压器 异步电机等等 它们在工作中是靠磁场来传递能量的 而这个磁场的建立就需要电源发出的无功功率来建立 电阻消耗有功 电抗 消耗 无功 这个 消耗 的意思是用来建立电磁场的意思 而无功在整个电力系统里不会增减 只会在电抗元件或和电源之间来回传送 电力系统什么是无功功率 无功功率的作用是什么 无功是无功类设备 电感 电抗 与电网进行能量交换的速率 应强调的是交换的速率 而不是交换过程中的损耗 即在交换过程中由于漏磁 介质损耗等能量的损失并不属于无功 这些是因无功过程中引起的有功损耗 再明白点说明无功的定义及与有功的分别 电网中存在电能 当电流通过负荷时 会产生机械运动 光 热能等其它能量的表现 这实际上电能转换成机械能 光成与热能等 这种转换速率我们称为有功 转换的结果就是电能的消耗 其主要特征是当电能通过负荷转换成其它型式的能量后 并