电力系统电压控制.pptx

电力系统电压控制 电力系统电压控制 2 3 4 5 6 电力系统电压 无功的基本理论 电力系统中的无功电源 负荷 电力系统中的电压管理 电压 无功优化自动控制 AVC 电力系统中的电压调节方法 1 电力系统电压控制的意义 7 电压稳定性及其控制 有效的电压调节方法充足的无功功率电源 A 湖南电网电压 无功优化系统 一电力系统电压控制的意义 额定电压设置的意义 电力系统电压控制的意义 电力系统电压控制的意义 电压中枢点电网中重要的电压支撑点 显然电压监测点一定是电压中枢点 编制中枢点电压曲线并调控中枢点电压合格 是电网调度运行部门的一项重要工作 电压监测点考核电压质量的节点 电力系统电压控制的目标 电压监测点选择的原则 与主网 220kV及以上电压电网 直接相连的发电厂高压母线 各级调度 界面 处的220kV及以上的变电站的一次母线和二次母线 所有变电站10kV或6kV母线 带本地负荷的发电厂10kV或6kV母线 A类电压监测点 4 供电公司选定一批具有代表性的用户作为电压质量考核点 用户侧电压监测点选择的原则 110kV及以上供电的和35kV 或63kV 专线供电的用户 其它35kV 63kV 和10kV 6kV 用户 每1万kW负荷至少要设一个母线电压监测点 其应包括对电压有较高要求的重要用户 以及各变电站10kV或6kV母线供出有代表性线路的末端用户 低压 380 220 用户至少每百台配电变压器设置一个电压监测点 且应考虑有代表性的线路首端或末端重要用户 供电公司还应对所辖电网的10kV用户和公用配电变压器 小区配电室以及有代表性的低压配电网线路首 末端用户的电压进行巡回检测 检测周期不应少于每年一次 每次连续监测时间见不应少于24h 中枢点电压的管理 编制中枢点电压曲线 利用各种调压措施 用户电压符合要求 确定中枢点电压范围 调控中枢点电压 电压在规定范围变化 电压允许偏差值范围 二电力系统电压 无功的基本理论 维持电网正常电压水平下的无功功率平衡 是保证电网电压质量的基本条件 二电力系统电压 无功的基本理论 电能损耗线路输送无功率减少 线路有功损耗会减少 线路电流也相应减少 同样粗的导线就能传送更多的有功功率 设备利用率和电网输送能力就提高了 电压损耗线路上不传送无功功率或传送数量甚少 则线路压降就可以大为减少 无功补偿 三电力系统中的无功电源 负荷 相当于空在运行的同步电动机 调相机能发能吸 可连续平滑调节 是相当好的无功电源 但由于其一次投资较大 运行维护费用较高 限制其广泛使用 安装在枢纽变电站中 一般不安装容量小于5Mvar调相机 唯一有功电源 同时也是基本的无功电源 一般功率因数0 8 滞后 所发的无功功率为有功功率的75 如 10万kW发电机 再发有功10万kW 其无功出力7 5万kvar 并联电抗器 静止补偿器 静电电容器 调相机 发电机 价格便宜 安装简单 损耗小 占地少 维护方便 实际中广泛使用 他不能连续调节 只能分组投切 无功调节能力较差 配置原则 分级补偿 就地平衡 电容器只发出感性无功 而电抗器只吸收感性无功 如将二者结合 并对他们的容量加以控制 起作用就可以类似于调相机 与电容器的调节特性差相仿 无源元件无法克服的一个缺点 就感性无功功率而言 并联电抗器显然是不是电源而是负荷 但某些电力系统中的确装有这种调压设施 用以吸收轻载或空载线路过剩的感性无功功率 抑制电压过分升高 而对高压远距离输电线路而言 并联电抗器还有提高输送能力等作用 三电力系统中的无功电源 负荷 电力系统中的无功负荷 无功主要消耗者 异步电机满载时 其功率因数可达0 8 轻载时 功率因数甚至只有0 2 0 3 这时消耗的无功大许多 额定电压附近 额定电压70 80 时电压特性 异步电动机 损耗可正可负 线路电抗 对地电容 线路较短 线路电容较小 发出的无功功率也小 长线路 高电压 线路可能发出无功功率 输电线路 损耗可观 满载 空载电流为额定电流的2 4 短路电压为额定值得10 5 无功消耗可达变压器额定容量的13 如果从电源到用户经4级变压 则这些变压器的总无功损耗将达通过视在功率的50 60 而不满载时比例更大 变压器 异步电动机及综合负荷的无功电压特性 不同电压等级线路的无功功率损耗 消耗无功功率的 架空线路可能正 可能负 充电功率相当大 以致要装高压电抗器加以吸收 否则电压会升高到不允许的数值 四电力系统电压管理 电压管理规划设计阶段 电压波动的限制措施 中枢点电压管理 以负荷变化时 中枢点电压自然的变化规律作为比较的基础 在高峰负荷时升高中枢点电压 例如在高负荷时 将电压调为1 05UN 在低谷负荷时调低中枢点电压 如UN 常用于供电线路较长 负荷变动较大的中枢点 在高峰负荷时 允许中枢点电压低一些 但不允许低于1 025UN 在低谷负荷时允许高些 但不超过1 075UN 该种调压方式成本较低 常用于供电距离较近 负荷变动不大的变电站母线 在任何负荷时 中枢点电压始终基本不变 如在1 02 1 05UN 在事故时 可允许适当降低 通常允许正常时再降低5 电力系统的电压调节方法 调节励磁电流以改变发电机的端电压 调整变压器的分接头以改变变压器的变比 调整系统中各无功电源的出力 D 调整输电线路的参数 直接方法间接方法 E 综合调压 发电机调压方法 不经升压直接以发电机电压向用户供电的简单电网络 如采用逆调压 只能满足发电厂附近负荷的调压要求 多级升压 线路较长 供电范围大 综合调节 结合其它调压措施 多级并联运行 受电端负荷中心 送电端 如无当负荷 考虑充电功率 高功率因数 滞后0 95以上 或进相运行 调节变压器分接头调节电压 主要目的调整电压 辅助目的改变无功功率在电网中的分布 只能分级调压 调压不够平滑 在无功缺乏的配电网中 会加剧配电网中其它地区无功不足的情况 调整电压 辅助改变无功 有时是电压崩溃的罪魁祸首 改变系统无功功率分布调压 并联补偿 改变线路参数 串联电容补偿调压 电力系统综合调压 备用容量达7 8 总无功负荷 四种方式 无功电源充足 综合利用各种调压手段 各地区分散自动调压和集中自动控制调压相结合 1 重要枢纽节点电压在给定范围内 2 所控制的电力系统网损最小 3 所有调节设备的运行状态都没有越限 1 发电机 调相机 电容器 SVC 2 OLTC 无功充裕 3 并联电抗器 4 线路500kV 220kV 110kV等 35kV电缆 OLTC有载分接开关OLTC on loadtap changer 六电压 无功优化自动控制 AVC 变电站内实现 调度中心或集控中心 局部AVC 区域AVC 维持供电电压在规定范围内 各级供电母线电压的运行波动范围 以额定电压为基准 500 330 kv变电站的220kv母线 正常时0 10 事故时 5 10 200kv变电站110kv母线 正常时 3 7 事故时 10 配电网10kv母线 10 0 10 7kv保持电力系统稳定和合适的无功平衡 在电压合格的条件下实现使电能损耗最小 电压和无功控制的调控目标 特殊情况下调控注意事项 可能运行方式 变电站的概况 建立简单电力网络中电压与负荷功率之间的关系 假设条件1 已知负荷功率PL jQL2 忽略线路阻抗 变压器阻抗上的功率损耗3 忽略对地导纳 降压变电站简化模型 电压调节对无功率影响 调节变压器 电压纵分量 暂不考虑电容器 考虑RT XT忽略PLRTQL n 1 U2D XT 结论 1 变压器向系统吸收的无功与电压的平方U2D成正比 2 负荷所需无功随电压升高而增加 随电压降低而减少 投退电容器对电压的影响 结论 1 投入电容器组后 变压器负荷侧电压升高2 退出电容器组后 变压器负荷侧电压降低3 防止电容器的影响 造成负荷侧电压过高 电压 无功综合控制电压无功综合控制的实现方法 采用硬件装置 就地VQC 注意一进一出 采用软件VQC对VQC综合调节的要求 电压 无功 损耗 何谓综合控制 电压无功综合控制的实现方法 MVR III型微机电压 无功综合控制装置硬件结构 9区域电压 无功优化自动控制 AVC 基本知识 单参数越限 双参数越限 1 利用无功 电压将母线运行划分为9个状态2 调节中注意无功是否充足 实现方法 1 采用硬件装置 称为就地AVC 或VQC 可靠性高2 在监控子系统基础上 采用软件实现 成本低 AVC VQC 安装于变电站内 进行局部的VQC控制 逆时针调节 电压 无功九区域域控制图 改进的电压 无功综合控制的策略 软件VQC功能 多功能模块处理电压与无功功率的上下限值动态变化调节方式的多样性实现远方控制VQC闭锁条件相关信号上送调度并列运行 拒动 滑档等登录操作 电压 无功控制软件功能 全网优化 AVC 实现的流程 利用 调度自动化平台 中的 四遥 功能 进行实时数据采集 和实时控制 确保安全前提下 以各节点电压 电网关口功率因数合格最为约束条件 从全网角度进行电压无功优化控制 最终形成电压调节控制命令 分接头调整 无功设备投切命令 利用调度自动化 四遥 功能 通过SCADA执行控制 实现集中检视 集中管理和集中控制 实现地区电网AVC的闭环控制和电压无功优化运行 优化目标 无功分层就地平衡 电压合格率最高 无功补偿设备投入最合理 主变压器分接开关调节次数最少 输电网网损最小 直接通过调度自动化系统的SCADA应用实现数据采集和远方控制 集中决策 分层分区决策 全网优化 AVC 实现一般功能特点 AVC功能特点 全网电压优化功能 全网无功优化功能 实现逆调压 无功电压综合优化功能 建立在调度自动化系统平台上 其它 地区电网无功 电压控制实例 泰州地区电网 泰州地区电网集控中心管理7个无人值守变电站 其中OLTC13台 补偿电容器9组 电压等级220kV 110kV 35kV 10kV 1 仅11变电站10kV电压越限 2 若11 12 13变电站10kV母线电压越限3 11 12 13 14 15 16 10kV母线越限4 电压合格 当流过15变电站D点的无功功率加上变压器空载损耗 大于本所10kV电容器容量一半 比例可调 泰州地区电网运行效益 1 降低线损2 用户电压合格率上升 七电压稳定性及其控制 电压稳定性研究的发展过程电压稳定的相关概念电压稳定性的分类电压不稳定事件的特征 电压失稳的一般解释静态电压崩溃机理解释动态电压崩溃机理解释 一级电压控制二级电压控制三级电压控制系统在不同状态下的电压控制 电压稳定性研究的发展过程 从马尔科维奇提出第一个判据到20世纪70年代中期 是电压稳定问题未引起足够重视的阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 从20世纪70时年代末到20世纪80年代中期 是注重静态研究的阶段 从20世纪80年代中期到现在 是以动态机理的探讨为基础的全面研究阶段 电力系统是一个动态系统 电力系统电压稳定性是整个电力系统稳定性的一个分支 最早在20世纪40年代 前苏联学者H M 马尔科维奇再研究负荷稳定性时 提出第一个电压稳定判据 故电压稳定性有时也称为负荷稳定性 电压稳定性的相关概念 电压稳定性 电压失稳 电压崩溃 电力系统在正常运行或经受干扰后维持所有节点电压为可接受值的能力 扰动引起的持续且不可控制的电压下降过程 伴随着电压失稳的一系列事件导致系统的部分电压低到不可接受的过程 目前就下列概念仍未有一个统一的定义 电压稳定性分类 研究的时间范畴 0 1s 主要研究感应电动机和直流高压输电系统的快速负荷恢复特性所引起的电压失稳 特别是短路后电动机由于加速引起的失稳或由于网络弱联系引起的异步机失步的电压稳定问题 扰动后或暂态后电压稳定 时间范畴1 5min 包括OLTC 电压调节器及发电机最大励磁电流限制的作用 20 30min 主要相关因素是输电线过负荷时间极限 负荷恢复特性的作用 各种控制措施 如甩负荷 电压不稳定事故及其特征 电压崩溃的起因 某个偶然事件 事故从起始到系统崩溃经历的时间较长 这点和角度失稳不同 崩溃前电压可视为临界电压 各系统不同 事故造成的损失都很大 电压崩溃的一般过程 1 负荷转移 无功备用减少 2高压侧电压下降级联跳闸 3OLTC调整高压侧电压下降 4备用耗尽电压崩溃 电力系统经受非正常运行工况 接近负荷中心的大发电机组退出运行 导致某些高压传输线路负荷加重 网络损耗增加 使无功备用资源处于最小 继电保护动作 跳开重负荷线路 负荷装移到其它的临近线路 临近线路中的无功损耗急速增加 电压降低 引起线路级联跳闸 超高压和高压电网电压的降低反过来影响配电系统 使其二次侧电压降低 这时 变电站的OLTC 自动调节 将力图恢复配电电压 变压器分接头每一次动作 都使得高压侧线路上的负荷增加 从而在几分钟内使负荷达到故障前的水平 同时线路损耗也增加 反过来又引起高压侧线路电压进一步下降 随着每一次分接头动作 整个系统中发电机的无功输出将增加 慢慢地发电机就一台接一台达到它的无功容量极限 受转子最大允许电流的限制 当第一台发电机达到磁场电流极限时 失去电压控制作用 电压就要降落 因为发电机固定有功输出 所以电压降低必导致电枢电流增加 要保持电枢电流在允许限制内 就要进一步减少无功的输出 该发电机分担的无功就转移到其它发电机 导致越来越多的发电机过负荷和失去电压控制 从而系统遭受电压不稳定 最终导致电压崩溃 还可能导致发电机失去同步和大面积停电 电压崩溃的一般特征 电压崩溃前的系统往往处于重负荷运行状态 系统运行备用 特别是无功 紧张 传输线潮流接近最大功率极限 电压崩溃起因多样 如系统负荷持续增加 大的突然扰动 失去发电机组 线路重负荷 运行人员处理非正常工况下的误操作 电压崩溃问题的核心是系统满足无功需求的不稳定 通常电压崩溃包括系统具有重负荷线路的情况 当从邻近区域传输无功功率发生困难时 再要增加无功功率支持就可能导致电压崩溃 D 低电压情况下 线路距离保护动作 使并行输电线相继跳闸 发电机励磁限制器动作 引起发电机级联跳闸 OLTC动作 恢复二次侧负荷 使一次系统电压进一步跌落 这些是电压崩溃的重要机理 电压崩溃的一般特征 电压崩溃通常表现为慢的电压衰落 电压崩溃过程可持续几分钟量级 这是许多电压控制设备和保护系统作用的积累 并相互作用 的结果 但有些时候 这通常是由不利的负荷成分 感应电动机 直流换流器 引起的 这种电压不稳定的时间框架与转子角不稳定时间框架相同 许多情况下 电压不稳定和转子角不稳定是互相耦合的 电压崩溃可能因过分使用并联电容器而恶化 只有通过并联电容器 静止补偿器和同步调相机的何时选择和协调 才能使无功补偿最有效 继电保护 低频减载等各自为战 缺乏协调 也是导致电压不稳定发展的重要原因 电压失稳的机理解释 电压稳定最初被认为是一个静态问题 即系统在负荷小扰动时应有一定的无功裕度 否则 在无功功率不足 系统电压水平较低的系统中 很可能由于两者互相影响 激化 形成恶性循环 引起电压崩溃事故 电压失稳的机理解释 分析的方法 假设有一微小的 瞬时出现但又立即消失的扰动 观察这扰动产生的后果 a点可承受小扰动 b点在不同扰动下 表现不同特性 电压崩溃动态机理 1 2 3 1 假定电动机械负荷为恒功率负荷 端电压的降低导致电动机定子电流的增加 2 定子电流的增加 增大了输电线上的电压降落 进一步降低了电动机的端电压 3 端电压的下降引起线路电容充电无功功率的减小 使系统中无功更加短缺 另外 电动机定子电流的增加 导致发电机输出电流的增加 在发电机励磁电流已达极限不能在增加后 由于电枢反应将引起气隙磁通的减少 导致发电机内电动势的减小 从而降低发电机端电压 同时减少了发电机无功输出 使系统各节点电压进一步降低 如此形成恶性循环 引起电压的持续下降 直至电压崩溃 这一动态机理说明了电压失稳和电压崩溃的发展过程 但还没有考虑系统中动态设备对电压稳定影响 除发电机外 影响电压稳定的主要由负荷特性 OLTC 自动调节有载调压变压器 特性 SVC及HVDC特性等 电压崩溃包括电压失稳和崩溃两个阶段 一般在崩溃之前都有较缓慢的电压失稳过程 随着对电压失稳研究的深入 有学者提出了电压崩溃新的动态机理解释 认为发电机与网络 包括电压调节器及电压控制元件 的相互影响导致电压崩溃 考虑系统中发电机 励磁系统及电动机的动态作用 假设系统稳定运行于临界点附近 发电机励磁电流已接近于极限状态 如果此时系统中有一小扰动 使电动机端电压减小 则可分析出下列一连串的不良后果 电压控制分类 电压控制 电压 无功控制通常采用分层分区控制的原则 按空间和时间划分 电压控制有三个等级 即一级电压控制 二级电压控制 三级电压控制 此外还有一个安全预测级 控制按时间和空间分开 可以防止各级控制之间交互作用而造成的震荡以及不稳定 设置在发电厂 用户或各供电点的以及电压控制 就地控制 通常是快速反应的闭环控制 响应时间一般在1s至几秒内 这种一次控制是分散的 自动的 往往根据当地电压高低而动作 其目的是维持节点电压在一定范围内 由负荷的自然波动 电网切换和偶然事故造成的快速随机电压变化 通常可由一级电压控制进行调整 二级电压控制协调控制一个地区的无功电源 使其作用达到最优化 有些较大扰动仅靠一级控制不能奏效 需要二级控制来协调处理 这对于防止电压崩溃是非常重要的 设置在系统枢纽节点的二级电压控制 是自动闭环进行的 响应时间一般为3 5min以内 这样可以留出时间让值班人员进行干预 以安全和经济准则 优化电压的运行状态 对各二级电压控制区进行协调 设置在系统调度中心的二级电压调节器 控制位于各个地区调度所的二级电压调节器 目前这种高层次的自动控制功能尚未实现 则只能对值班人员的干预进行指导 例如 在法国三级控制是按国家调度中心电话的要求手动进行的 进行电压稳定性控制的三种运行方式 在正常运行方式下 调度员应运用各种无功电源及控制手段 达到如下目标 1 电网运行点一定要离电压稳定的临界运行条件有一定的安全距离 2 输电系统的输送能力必须充分用于传输有功功率 尽量减少无功传输 3 有功功率损耗和无功功率损耗都是最小的 安全被消弱指的是发生线路故障开断 即n 1 的情况 开断前必将运行在一种很不经济的方式 现在的一种趋势是在 n 1 短时间内允许出现过负荷等现象 但通过校正控制可以使系统回到一个非扰动的状态 指由于一系列事件 包括不可预见的开断 电网出现过负荷 电压 不稳定等情况 目标 使系统恢复到正常状态 或者把扰动限制在局部地区内 有些时候可以切负荷等措施 一级电压控制的实现方法 同步发电机的无功功率输出 SVC和SVG 可投切并联或串联电容器组 可投切并联电抗器 就地或远方切负荷 OLTC 一级电压控制实在电压变化时首先响应的控制系统 一般就地实施闭环控制 也可以接受二级控制信号 如改变定值 1 2 3 将超高压电网分成不同电压控制区域 每一区域保持一个大体平稳的电压水平 且每一个区域内有一个或数个特殊的 控制节点 PilotNode 控制节点上的电压波动代表着整个控制区域内的电压波动 二级电压控制协调控制一个地区的无功电源 使其作用达到最优化 有些较大扰动仅靠一级控制不能奏效 需要二级控制来协调处理 这对于防止电压崩溃是非常重要的 设置在系统枢纽节点的二级电压控制 是自动闭环进行的 响应时间一般为3 5min以内 这样可以留出时间让值班人员进行干预 二级电压控制系统协调一个区域内所有就地一级控制设备的工作 控制设备根据控制节点电压水平进行调整 二级电压控制的实现方法 二级电压的控制目标 二级电压控制目标 二级电压控制闭环系统的暂态特性是不带超调量的无静差调整 时间常数为1 2min 各控制电压的闭环互不相联 一个控制电压的修改不影响其它回路 在正常和事故情况下 各区域电压保持接近于调度中给定的整定值 控制系统根据各个发电机的工作范围