稳态第六章2.doc

第六章 电力系统的无功功率和电压调整 第二节 电力系统中无功功率的最优分布 一、负荷功率因数的提高 异步电动机的无功功率： 提高异步电动机的负荷率，限制电动机的空载运行 同步电动机代替异步电动机 异步电动机同步化 二、无功功率最优分布的内容和前提 内容1) 无功电源的最优分布2) 无功负荷的最优补偿 前提1) 系统的有功分配已经完成，即认为在无功优化过程中，除平衡节点外，各节点的有功不变 2) 系统电网结构确定 3) 节点电压的改变对系统频率及负荷的影响可忽略，即认为在无功功率电源最优分布过程中，系统频率和负荷不发生变化 三、无功功率电源的最优分布（无功优化） 等网损微增率准则 目标函数优化无功功率电源分布的目的在降低网络中的有功功率损耗，因此，这里的目标函数就是网络总损耗P ，在除平衡节节外其它各节点的注入有功功率Pi已结定的前提下，可以认为，这个网络总损耗仅与各节点的注入无功功率，从而与各无功功率电源的功率有关。这里的既可理解为发电机发出的感性无边功率，也可理解为无功功率补偿设备电容器、调相机或静止补偿器供应的感性无功功率。固它们在改变网络总损耗方面的作用相同。于是，分析无功功率电源最优分布时的目标函数可写作： 约束条件等式约束： 不等式约束： 拉格朗日函数： 无功功率电源的最优分布给定除平衡节点外的各节点的有功功率Pi(固定常量)和PQ节点的无功功率 (优化变量) 、PV节点的电压大小 (优化变量) 。潮流计算和网损微增率的计算 根据求得的、各无功电源节点修正后的有功网损微增率调整 和，调整的原则是网损微增率大的节点应减小和，目的是减少该节点的无功注入。网损微增率小的节点应增大和，目的是增加该节点的无功注入。按调整后的和再作潮流计算，并再次求取网损微增率。而这种调整是否恰当还可从平衡节点有功功率的变化中考察。因平衡节点有功功率的增减也就是网损P的增减。这样反复若干次，直至网损P不能再减小为止。应该指出，网损P不能再减小时，各节点的网损微增率未必能全部相等。因在调整过程中，有些节点的和可能已抵达它们的上限或下限。而不难想见，只有在限额内的节点，网损微增率才相互相等；的节点，网损微增率总小于这个数值； 的节点，网损微增率总大于这个数值。 最优网损微增率准则 1) 无疑，系统的无功资源越丰富，就可能节约越多的网损，但也可能会使电网的建设投资增大。2) 在进行电网规划时，希望以较小的投资，节约较多的网损，所以无功规划的目标函数不能只考虑网损，也不能只考虑投资，需要考虑将来一个时间段内电网的综合效益最好。3) 无功规划时，需要使用电网远景规划数据（电网结构、负荷预测），这些数据都不可能精确，从而无功规划不需要追求严格。4) 所谓无功功率负荷的最优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。5) 无疑，在系统中某节点设置无功功率补偿设备的先决条件是由于设置补偿设备而节约的费用大于为设置补偿设备而耗费的费用。以数学表示式表示则为6)7) 式中：表示由于设置了补偿设备而节约的费用（节约网损）；表示为设置补偿设备而需耗费的费用（投资）。8) 也无疑，确定节点i最优补偿容量的条件(目标函数)就是：9)其中：=于是=极值条件：上式就是确定节点最优补偿容量的具体条件。由于式中等号左侧是节点的网损微增率，等号右侧相应地就称最优网损微增率，其单位为，且常为负值，表示每增加单位容量无功补偿设备所能减少的有功损耗。最忧网损微增率也称无功功率经济当量。 四、无功功率负荷的最优补偿（无功规划最优网损微增率准则这个等式的物理含义是：确定无功补偿容量时，应使每一补偿点装设最后一个单位补偿容量得到的年网损节约费恰好等于单位补偿设备所需的年支出费用，此时系统取得的经济效益最大。这准则表明，只应在网损微增率具有负值，且小于的节点设置无功功率补偿设备。设置的容量则以补偿后该点的网损微增率仍为负值，且仍不大于为限。而设置补偿设备节点的先后，则以网损微增率的大小为序，首先从网损微增率最小的节点开始。 无功功率负荷的最优补偿 1) 作最大负荷（预测）时的无功电源最优分布计算，充分利用现有的无功资源。2) 根据以上计算，选择系统的无功分点，并计算它们的网损微增率。因网损微增率最小的节点总是系统中某一个无功功率分点。而且，这无功功率分点多半也是系统中最低电压点。3) 根据这一计算结果，又可选出网损微增率最小的无功功率分点，例如节点。在该节点设置一定容量的无功补偿设备，重作潮流分布计算，并求取在新情况下各无功功率分点的网损微增率。每隔几次如上的计算，应穿插一次本节第一小节中介绍的无功电源最优分布计算，即调整一次已有无功电源的运行方式。因经过无功补偿后，无功电源的分布已不可能仍为最优。当所有节点的网损微增率都约略等于时，还应校验一次节点电压是否能满足要求。如发现某些节点电压过低，可适当增大，即适当减小它的绝对值，重作如上计算。显然，这实质上是为兼顾电压质量的要求而增大补偿容量，因而求得的已不再是经济上最优的补偿方案。如需确定无功补偿设备的调整范围，还应按本节第一小节中介绍的方法，作一次最小负荷时无功电源最优分布的计算。某节点按最大负荷应设置的与按最小负荷应投入的补偿设备容量的差额，就是这个节点的补偿设备应有的调整范围。 无功补偿方案 1. 变电站集中补偿方式 要平衡输电网的无功功率，可在变电站进行集中补偿，见上图4中的方式1。在这种方式下，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数，提高终端补偿装置一般连接在变电站的10 kV母线上，优点是管理容易、维护方便，缺点是对配电网的降损起不到什么作用。 为了调整变电站的电压，通常利用无功补偿装置(一般是并联电容器组)结合有载调压抽头来调节。通过两者的协调来进行电压和无功功率的控制，且这一方面的技术在国内已经积累了丰富的经验，我局绝大部分变电站均采用无功自投切装置(VQC)来实现。VQC装置就是依据设定好的数据的顺序，自动投停电容器组及调整主变压器分头，以此来实现电压和无功功率的控制。2. 低压集中补偿方式目前，国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式，是在配电变压器380V侧进行集中补偿，见图4中的方式2。在这种方式下，补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百几千不等，它是根据用户负荷水平的波动，投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变压器用户的功率因数，实现无功功率的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定作用，也保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户承担。对配电系统来说，除了专用变压器之外，还有许多公用变压器，而面向广大家庭用户及其他小型用户的公用变压器，其通常安装在户外的杆架上，进行低压无功功率集中补偿则是不现实的，难维护、控制和管理，容易成为生产安全隐患。3. 杆上无功补偿方式 由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，补偿度受到限制。由此造成很大的无功功率缺口需要由变电站或发电厂来填，大量的无功功率沿线传输，配电网网损居高难下。因此可以把10 kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆）的方法来进行无功补偿（见图4中的方式3），以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置，控制成本高，维护工作量大，受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。因此，杆上无功功率优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行： 补偿点宜少。一条配电线路上宜采用单点补偿，不宜采用多点补偿。 控制方式从简。杆上补偿不设分组投切。 补偿容量不宜过大。补偿容量太大，将会导致配电线路在轻载时过电压和过补偿现象。杆上空间有限，太多的电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热。建议按重载补偿后电源节点功率因数不超过0.95和轻载时功率因数达到1左右即可的方法去处理。接线宜简单。最好是每相只配置一台电容器装置，以降低整套补偿设备的故障率。 保护方式也要简化。分别用熔丝和氧化锌避雷器分别作为过流保护和过电压保护。 防止电容器安装后产生谐振现象。 显然，杆上无功补偿主要是针对10kV馈线上沿线的公用变压器所需无功功率进行补偿，这种补偿方式具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长距离配电线路，但是因负荷经常波动，而该补偿方式又是长期固定补偿，适应能力较差，主要是补偿了无功基荷，在线路重载情况下，补偿度一般是不能达到0.95。 用户终端分散补偿方式 目前，在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功功率需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿，见图4中的方式4，将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。GB500521995供电系统设计规范指出，容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备，无功负荷宜单独就地补偿。这样，对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿；针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并能满足智能型控制、免维护、体积小、易安装、功能完善、造价较低等的要求。 与上述3种补偿方式相比，用户终端分散补偿方式更能体现以下优点： 1) 线损率可减少20； 2) 减小电压损失，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件； 3) 提高线路供电能力。 缺点是低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功功率需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的非同时性造成大量电容器在较轻载时闲置，设备利用率不高。 4种补偿方式的综合比较 补偿方式补偿对象降低损耗有效范围改善电压效果单位投资大小设备利用率变电站集中补偿变电站无功需求变电站主变侧及输电线路较好较大较高低压集中补偿配电变电器无功需求配电变压器侧及输配电网较好较大较高柱上无功补偿10kV线路无功需求10kV线路及输电网较好较小很高用户终端分散补偿终端用户无功需求整个电网最好较大较低 低压无功补偿遇到的问题无功功率倒送的问题：无功功率倒送是电力系统所不允许的现象，因为它会增加线路和变压器的损耗，加重线路的负担。虽然生产厂家都强调自己的设备不会造成无功功率的倒送，但是实际情况并非如此。因为对于接触器控制的补偿柜，补偿量是三相同调的；对于晶闸管控制的补偿柜，虽然三相补偿量可以分调，但是很多生产厂家为了节约成本，往往只选择一相做采样及无功功率分析。于是在三相负荷不平衡的时候，就有可能造成无功功率倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户，则可能在负荷低谷时造成无功功率倒送。 量测的问题：目前10kV配电网线路上的负荷点一般无表计，维护人员的技术水平和管理水平又参差不齐，表计记录的准确性和同时性无法保证。这对配电网的潮流计算和无功优化计算带来很大困难。要争取带专用变压器房用户的支持，使他们能按一定要求进行记录。380V终端用户处通常只装有有功电能表，要实现功率因数的测量是不可能的，这也是低压无功补偿难于广泛开展的原因所在。 谐波的问题：电容器本身具备一定的抗谐波能力，但同时也有放大谐波的副作用。谐波含量过大时，会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏，由于电容器对谐波的放大作用，将使系统的谐波干扰更严重；另外，动态无功补偿柜的控制环节容易受谐波干扰影响，造成控制失灵，因而做无功补偿时必须考虑谐波治理，在有较大谐波干扰，又需要补偿无功功率的地点，应考虑增加滤波装置。 优化的问题：无功功率优化配置的目标是在保证配网电压水平的同时，尽可能