电力系统分析(2).ppt

第12章电力系统的无功功率和电压调整 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供电电压偏移 电压波动和闪变 电网谐波和三相不对称程度这四个方面都能满足有关国家标准规定的要求 概述 概述 电压合理的重要性引起效率下降 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 降低生产率 出废品 次品 对电力系统 过低 使网络功率损耗加大 危及稳定运行 过高 绝缘 增加电晕损耗 概述 严格保证电压经济上下可行 也没有必要 允许的电压偏移 35kV及以上 5 10kV以下 7 低压照明 7 10 农村电网 75 10 10 15 概述 允许合理的无功功率源配置是保证电压合理的关键 本节的基本内容 为什么V和Q联系起来 调压方法 规划电如何确定网络参数和结构 简单设计 复杂校核运行电优化利用已有资源隔出调压要求 复杂系统优化 基本概念 学习方法 注重基本概念 简单系统的解决思路 做的习题一样典型的交换形式解方程 所用方法没有超出习题的范畴 12 1 电力系统的无功功率平衡 目录 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 1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 无功功率的平衡应本着分层 分区 就地平衡的原则 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 12 1电力系统无功功率平衡 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 无功功率负荷 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率损耗 变压器的无功损耗 输电线路的无功损耗 变压器的无功损耗 变压器的无功损耗QLT包括励磁损耗 Q0和漏抗中的损耗 QTQLT Q0 QT V2BT S V 2XT SN VN V 2 输电线路的无功损耗 QL QB QL QB 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率损耗 变压器的无功损耗 输电线路的无功损耗 输电线路的无功损耗 输电线路损耗 35KV及以下的架空线路 110KV及以上的架空线路 12 1电力系统无功功率平衡 12 1电力系统无功功率平衡 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 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率电源 发电机 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 12 1电力系统无功功率平衡 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 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率电源 同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步发电机 在过励磁运行时 向系统供给无功功率 起无功电源的作用 在欠励磁运行时 它吸收感性无功功率 起无功负荷作用 由于相应速度较慢 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 同步调相机 12 1电力系统无功功率平衡 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 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率电源 静电电容器 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式中 Xc 1 wc为静电电容器的电抗 当节点电压下降时 它供给系统的无功功率将减少 因此 当系统发生故障或由于其他原因电压下将时 电容器无功输出的减少将导致电压继续下降 换言之 电容器的无功功率调节性能比较差 12 1电力系统无功功率平衡 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 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率电源 静止无功补偿器 静止无功补偿器 SVC由静电电容器与电抗器并联组成 SVC在我国电力系统中将得到广泛应用 12 1电力系统无功功率平衡 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 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率电源 静止无功发生器 静止无功发生器 它是一种更为先进的静止型无功补偿装置 SVG 它的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地运行工况 使其处于容性负荷 感性负荷或零负荷状态 与SVC比较 SVG具有相应快 运行范围宽 谐波电流含量少等优点 尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流 12 1电力系统无功功率平衡 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 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率平衡 无功功率平衡的基本要求无功电源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之和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 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率平衡 系统无功功率平衡关系式 QGC QLD QL QresQGC为电源供应的无功功率之和 QLD为无功负荷之和 QL为网络无功功率损耗之和 Qres为无功功率备用Qres 0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用 Qres 0表示系统中无功功率不足 应考虑加设无功补偿装置 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率平衡 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 网络的总无功损耗QL包括变压器的无功损耗QLT 线路电抗的无功损耗 QL 和线路电纳的无功功率 QB 即QL QLT QL QB 12 1电力系统无功功率平衡 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各种对无功平衡有影响的化 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 例12 1 12 1电力系统无功功率平衡 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率平衡的讨论 1 全局平衡和分地区平衡 保证满足以上总的平衡条件 不一定满足电压要求 还必需实现局部主功功率平衡 无功功率的分层次就地平衡是一个基本原则 2 任何时候网络中实际产生和消耗和无功功率相等 3 快速无功功率 无功功率动态平衡 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率和电压的关系 无功功率平衡与电压水平的关系 12 1电力系统无功功率平衡 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率平衡与电压水平的关系 12 1电力系统无功功率平衡 无功功率平衡与电压水平的关系 总之 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 例12 2 12 1电力系统无功功率平衡 12 1电力系统无功功率平衡 例12 2 本节课后讨论 讨论 无功功率不能远距离传送 必须分区 分级 就地 平衡 动态无功功率平衡 无功功率平衡的双重含义 规划平衡和实际平衡 无功功率不够的含义 无功功率平衡和电压水平的关系 无功功率不能远距离传送 必须分区 分级 就地 平衡 动态无功功率平衡 无功功率平衡的双重含义 规划平衡和实际平衡 无功功率不够的含义 无功功率平衡和电压水平的关系 12 2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 电压偏移的危害 各种用电设备都是按额定电压设计制造的 这些设备在额定电压下运行才能取得最佳效果 电压降低 电压降低 电压过低 电压过高 会使网络中功率和能量的损耗加大 12 2电压调整的基本概念 电压偏移的危害 各种用电设备都是按额定电压设计制造的 这些设备在额定电压下运行才能取得最佳效果 电压降低 电压过低 电压过低 电压过高 有可能危机电力系统运行稳定性 12 2电压调整的基本概念 电压偏移的危害 各种用电设备都是按额定电压设计制造的 这些设备在额定电压下运行才能取得最佳效果 电压降低 电压过低 电压过高 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 12 2电压调整的基本概念 允许电压偏移指标 允许电压偏移指标 12 2电压调整的基本概念 事故分析 12 2电压调整的基本概念 事故分析 12 2电压调整的基本概念 中枢点的定义 电力系统中重要的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负荷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 中枢点的选择 区域性水 火电厂的高压母线枢纽变电所的二次母线有大量地方负荷的发电机电压母线中枢点设置数量不少于全网220KV及以上电压等级变电所总数的7 12 2电压调整的基本概念 中枢点的电压管理 12 2电压调整的基本概念 中枢点的电压允许变化范围的确定 中枢点向两个负荷点供电 中枢点向多个负荷点供电 如果中枢点是发电机母线 在任何时候 各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围都有公共部分 12 2电压调整的基本概念 中枢点向两个负荷点供电 12 2电压调整的基本概念 由图可见 尽管A B两负荷点的电压有10 的变化范围 但是由于两处负荷大小和变化规律不同 两段线路的电压损耗值及变化规律亦不相同 为同时满足两负荷点的电压质量要求 中枢点电压的允许变化范围就大大缩小 最大时为7 最小时仅有1 中枢点向两个负荷点供电 12 2电压调整的基本概念 中枢点的电压允许变化范围的确定 中枢点向两个负荷点供电 中枢点向多个负荷点供电 如果中枢点是发电机母线 在任何时候 各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围都有公共部分 中枢点向多个负荷点供电 12 2电压调整的基本概念 中枢点向多个负荷点供电 其电压允许变化范围可按两种极端情况确定 在地区负荷最大时 电压最低的负荷点的允许电压下限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最低电压 在地区负荷最小时 电压最高负荷点的允许电压上限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最高电压 12 2电压调整的基本概念 中枢点的电压允许变化范围的确定 中枢点向两个负荷点供电 中枢点向多个负荷点供电 如果中枢点是发电机母线 在任何时候 各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围都有公共部分 如果中枢点是发电机母线 12 2电压调整的基本概念 如果中枢点是发电机的电压母线 除了上述要求外 还应受厂用电设备与发电机的最高允许电压以及为保持系统稳定的最低允许电压的限制 12 2电压调整的基本概念 中枢点的电压允许变化范围的确定 中枢点向两个负荷点供电 中枢点向多个负荷点供电 如果中枢点是发电机母线 如果在任何时候 各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围都有公共部分 如果在任何时候 各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围都有公共部分 12 2电压调整的基本概念 如果在任何时候中枢点电压允许变化范围都有公共部分 那么 调整中枢点电压 使其在公共部分的允许范围内变动 就可以满足各负荷点的调压要求 而不必在各负荷点再装设调压设备 12 2电压调整的基本概念 中枢点允许变电范围确定1 弄清由中枢点调压的各负荷节点的负荷的变化和规律和电压允许的范围2 根据1 计算各负荷节点对中枢点的电压的要求3 各负荷对中枢点电压要求的公共区域 即为中枢点电压容许变化范围 反过来说 只要中枢点电压在这一范围内 即可以满足各点的调压要求 12 2电压调整的基本概念 中枢点调压模式 逆调压模式 顺调压模式 恒调压模式 在大负荷时升高电压 小负荷时降低电压的调压方式 一般采用逆调压方式 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 逆调压模式 12 2电压调整的基本概念 中枢点调压模式 逆调压模式 顺调压模式 恒调压模式 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 对于某些供电距离较近 或者符合变动不大的变电所 可以采用这种调压方式 顺调压模式 12 2电压调整的基本概念 中枢点调压模式 逆调压模式 顺调压模式 恒调压模式 介于前面两种调压方式之间的调压方式是恒调压 即在任何负荷下 中枢点电压保持为大约恒定的数值 一般较线路额定电压高2 5 恒调压模式 12 2电压调整的基本概念 电压调整的基本原理 R jX P jQ 1 K1 Vb 1 K2 VG Vb VGk1 V k2 VGk1 k2式中k1和k2分别为升压和降压变压器的变比 R和X分别为变压器和线路的总电阻和总电抗 12 2电压调整的基本概念 电压调整的基本原理 由公式可见 为了调整用户端电压Vb可以采取以下措施 1 调节励磁电流以改变发电机机端电压Vg 2 适当选择变压器的变比 3 改变线路的参数 4 改变无功功率的分布 12 3电压调整的措施 电压调整措施 发电机调压 改变变压器变比调压 利用无功功率补偿调压 线路串联电容补偿调压 电压调整措施 发电机调压 12 3电压调整的措施 发电机调压 对于不同类型的供电网络 发电机调压所起作用不同 1 由孤立的发电厂不经升压直接供电的小型电力网 改变发电机端电压就可以满足负荷点的电压质量要求 不必另外在增加调压设备 2 对于线路较长 供电范围交大 有多级变压的供电系统 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 电压调整措施 发电机调压 12 3电压调整的措施 发电机调压 3 对于由若干发电厂并列运行的电力系统 进行电压调整的电厂需有相当充裕的无功容量储备 一般不易满足 另外调整个别发电厂的母线电压 会引起无功功率重新分配 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性的调压措施 12 3电压调整的措施 电压调整措施 发电机调压 改变变压器变比调压 利用无功功率补偿调压 线路串联电容补偿调压 12 3电压调整的措施 电压调整措施 改变变压器变比调压 改变变压器变比调压 改变变压器变比可以升高或降低次级绕组的电压 改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择分接头 1 降压变压器分接头的选择 12 3电压调整的措施 1 降压变压器分接头的选择 改变变压器变比调压 VT PRT QXT V1V2 V1 VT K式中 k V1t V2N是变压器的变比 即高压绕组分接头电压V1t和低压绕组额定电压V2N之比 将k代入上式 得高压侧分接头电压V1t V1 VT V2 V2N当变压器通过不同得功率时 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 12 3电压调整的措施 1 降压变压器分接头的选择 改变变压器变比调压 普通的双绕组变压器的分接头只能在停电得情况下改变 在正常的运行中无论负荷怎样变化只能使用一个固定的分接头 这样可以计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压V1tmax V1max Vtmax V2N V2maxV1tmin V1min Vtmin V2N V2min然后求取它们的算术平均值 即V1t av V1tmax V1tmin 2根据值可选择一个与它最接近的分接头 然后根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线电压上的实际电压是否符合要求 12 3电压调整的措施 1 降压变压器分接头的选择 改变变压器变比调压 当考虑负荷变化时 分别求出最大和最小负荷时的抽头选择 然后取其算术平均值 再进行校验是否满足电压要求 基本步骤如下 1 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 2 套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择 12 3电压调整的措施 1 降压变压器分接头的选择 改变变压器变比调压 4 选择邻近的接头作为所选择的接头 3 取其算数平均值 12 3电压调整的措施 1 降压变压器分接头的选择 改变变压器变比调压 5 套用低压则电压计算公式进行验算 2 升压变压器分接头的选择 改变变压器变比调压 12 3电压调整的措施 电压调整措施 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 2 升压变压器分接头的选择 改变变压器变比调压 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V1t V1 VT V2 V2N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 12 3电压调整的措施 12 3电压调整的措施 电压调整措施 改变变压器变比调压 总结 1 采用固定分接头的变压器进行调压 不可能改变电压损耗的数值 也不能改变负荷变化时次级电压的变化幅度 通过对变比的适当选择 只能把这一电压变化幅度对于次级额定电压的相对位置进行适当的调整 2 如果计及变压器电压损耗在内的总损耗 最大负荷和最小负荷时的电压变化幅度超过了分接头的可能调整范围 或者调压要求的变化趋势与实际的相反 则此时要装设带负荷调压的变压器或采用其它调压措施 12 3电压调整的措施 改变变压器变比调压 强调 不要死记公式 中学物 数解题的基本思路即可 记住了当然更好 做作业的时候直接套用书上的公式 而是从头直接去推导所需要的公式 从基本概念出发 如高中的数学我们都只记基本的定理和推理 从来不记太多的具体结论 12 3电压调整的措施 12 3电压调整的措施 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 12 3电压调整的措施 有载调压变压器 加压调压变压器 1 有载调压变压器 加压调压变压器 2 经济快 决定其只用于枢纽变电所3 控制策略 与C SVG等联合控制结合日本东京电网4 纵向调压横向调压混合调压 12 3电压调整的措施 电压调整措施 发电机调压 改变变压器变比调压 利用无功功率补偿调压 线路串联电容补偿调压 12 3电压调整的措施 电压调整措施 利用无功功率补偿调压 利用无功功率补偿调压 无功功率的产生基本上不消耗能源 但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗 合理的配置无功功率补偿容量 以改变电力网的无功潮流分布 可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗 从而改善用户处的电压质量 12 3电压调整的措施 利用无功功率补偿调压 1 并联无功补偿调压的基本原理 2 按调压要选择补偿量的基本原理 12 3电压调整的措施 利用无功功率补偿调压 第二项很小 12 3电压调整的措施 利用无功功率补偿调压 选择补偿容量的基本原则 在满足各种运行方式下的调压要求下 与其它调压方式配合 使补偿容量最小 有补偿的变压器选择的基本原则 在满足调压的要求下 使补偿容量最小 12 3电压调整的措施 电压调整措施 利用无功功率补偿调压 1 补偿设备为静电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 12 3电压调整的措施 电压调整措施 利用无功功率补偿调压 1 补偿设备为静电电容器 根据调压要求 按最小负荷时没有补偿这样变压器变比 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 12 3电压调整的措施 电压调整措施 利用无功功率补偿调压 2 补偿设备为同步调相机调相机的特点是既能过励磁运行 又能欠励磁运行 如果调相机在最大负荷时按额定容量过励磁运行 在最小负荷按 0 5 0 65 额定容量欠励磁运行 那么 调相机的容量将得到最充分的利用 12 3电压调整的措施 电压调整措施 利用无功功率补偿调压 2 补偿设备为同步调相机 同步调相机容量选择最大负荷时调相机发出全部容性无功 最小负荷时吸收感性无功 有 两式相除 12 3电压调整的措施 电压调整措施 利用无功功率补偿调压 2 补偿设备为同步调相机 按以上公式选择k和 12 3电压调整的措施 电压调整措施 利用无功功率补偿调压 总结 利用无功功率补偿调压 12 3电压调整的措施 1 电压损耗 V PR QX V中包含两个分量 一个是有功负荷及电阻产生的PR V分量 另一个是无功负荷及电抗产生的QX V分量 利用无功补偿调压的效果与网络性质及符合情况有关 2 在低压电网中 V中有功功率引起的PR V分量所占的比重大 在高压电网中 V中无功功率引起的QX V分量所占比重大 在这种情况下 减少输送无功功率可以产生比较显著的调压效果 反之 对截面不大的架空线路和所有电缆线路 用这种方法调压就不合适 12 3电压调整的措施 电压调整措施 发电机调压 改变变压器变比调压 利用无功功率补偿调压 线路串联电容补偿调压 12 3电压调整的措施 电压调整措施 线路串联电容补偿调压 线路串联电容补偿调压 在线路上串联接入静电电容器 利用电容器的容抗补偿线路的感抗 使电压损耗中QX V分量减小 从而可提高线路末端电压 12 3电压调整的措施 电压调整措施 线路串联电容补偿调压 1 根据调压要求选择串补 12 3电压调整的措施 电压调整措施 线路串联电容补偿调压 2 电压减少百分比 定义补偿度 欠补偿 过补偿 全补偿 12 3电压调整的措施 电压调整措施 线路串联电容补偿