电气工程基础-第11章

1,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,第十章 无功功率补偿与电压调整 本章主要内容,无功功率负荷电压机制无功功率电源与无功功率负荷间的平衡无功不足补偿与无功补偿电源的类型电力系统的电压管理与电压调整方法,2,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,一、无功功率负荷电压机制 电力系统必须发出足够的无功功率满足用户与网络的需要。 有功功率平衡是全系统的平衡，且全系统只有一个频率；而无功功率平衡要满足众多的结点电压的要求，除了对全系统需要平衡以外，地区系统也需要平衡。,第一节 无功功率负荷电压机制,3,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,下面分析电压变化与无功功率变化的关系。设一个简单电力系统的等值电路如图所示。,4,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,用隐函数求导,5,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,对于高压网， rx, dUPdUQ,故 电网结点电压的变动主要由无功功率变动引起。,6,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,其中：L为负载的UQ特性曲线 S为电力系统的UQ特性曲线,7,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,二、电压偏移的影响 当运行电压偏离额定值较大时，技术经济指标就会恶化，例如照明负荷的白炽灯，如果电压降低5%，光通量减至82%，如果降低10%，光通量减至70%；如果电压高于额定值的5%，则灯的寿命减少一半，当运行在额定值的10%时，寿命减少67%。 负荷中占主要比例的感应电动机的转矩与端电压的平方成正比，当电压降低时，若负载力矩不变，电压降低使滑差增大，绕组中的电流增大，温升增加，效率降低，寿命缩短。变压器的运行电压偏低，若负载功率不变，致使输出电流增加，使绕组过热。电压偏高，励磁电流增大，铁芯损失增加，温升增高，严重情况下引起高次谐波共振。 由于局部地区无功不足，运行电压严重低下，一些变电所在负荷的微小扰动下会出现电压大幅度下滑，以至失压，即所谓电压崩溃 。,8,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,三、负荷分类及其对电压影响的控制 电力系统中负荷的变动以及由此而引起的变电所母线电压变动可以分为两类：,由生产、生活和气象变化引起的负荷功率的变化。,电压偏移（周期性）,调节变压器分接头，投切电容器调节发电机母线电压,负荷功率具有冲击性或间歇性（如电焊机等）,电压波动,安装静止无功补偿器一类的动态补偿器安装串联电容,后果,改善,后果,改善,9,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,电力系统中无功功率电源不足，系统结点电压就要下降。电力系统必须具备足够的无功电源才能维持所要求的电压水平，以满足系统安全稳定运行的要求，以下对电力系统中的无功负荷构成、无功电源构成、电力系统无功功率平衡问题以及为改善系统无功功率不平衡而采取的补偿措施等方面进行阐述。,第二节 电力系统中无功功率的平衡与补偿,10,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,一、电力系统中的无功负荷与无功损耗 包括： 1、用户与发电厂厂用电的无功负荷 （主要是异步电动机） 2、线路和变压器的无功损耗 3、并联电抗器的无功损耗,异步电动机,11,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,变压器：励磁损耗与绕组漏抗损耗，后者与受载大小有关。 励磁： 漏抗：,12,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,电力线路 ：串联电抗中的无功功率损耗（感性）与并联电纳中的充电功率（容性）。,线路无损 无功电源无功负荷,13,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,二、电力系统中的无功电源同步发电机以及过激运行的同步电动机无功补偿电源包括电容器、静止无功补偿器和同期调相机110KV及以上电压线路充电功率。,14,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,同步发电机,15,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,同步调相机 运行于电动机状态，但不带机械负载，只向电力系统提供无功功率的同步电机。又称同步补偿机。用于改善电网功率因数，维持电网电压水平。 有正常激磁、过激与欠激三种不同运行状态。,16,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,同步调相机的特点:过励磁运行可作无功电源运行；欠励磁运行可作无功负荷运行；可平滑无级地改变无功功率的大小和方向，达到调整系统运行电压的目的；无功功率的输出受端电压的影响不大；运行维护较复杂，有功功率损耗较大；单位容量的投资费用较大，只宜集中安装。,17,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,静电电容器 向系统提供感性无功功率。静电电容器损耗小，投资省，运行灵活，适宜于分散使用。但具有负调节效应，此外需用真空开关成组投切， 投切次数依赖于这种开关的性能。,18,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,静电电容器的特点：运行维护方便；有功功率损耗小；单位容量投资小且与总容量的大小几乎无关；既可集中安装，也可分散布置；无功功率调节性能差，输出无功功率受端电压影响较大；只能阶跃式的调压。,19,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,静止无功补偿器 静止无功补偿器（Static Var Compensation, SVC）属于灵活交流输电系统（FACTS）的家族，是一种动态无功补偿装置。 晶闸管控制的电抗器固定电容型（TCRFC） 晶闸管开关电容器型（TSC） 饱和电抗器（SR）型优点：运行维护简单，功率损耗小，响应时间较短，对于冲击负荷有较强的适应性，TCR和TSC型还可以分相补偿，以适应不平衡的负荷变化。缺点：含TCR的静止补偿器需装设滤波器以消除高次谐波。,20,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,1）TCR-FC型补偿器,其中：为可控硅的导通角。,21,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,2）TSC型补偿器是用可控硅投切的电容器组（Thyristor Switched Capacitor）。,22,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,3）SR型补偿器是用直流电流控制的饱和电抗器（D.C. Control Saturable Reaction）与固定电容器的并联组合。,23,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,4）高压MCR型（Magnetically Controlled Reactor磁控电抗器）动态无功补偿装置由并联固定电容器组(兼滤波)和先进的磁控电抗器（MCR）组成。,24,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,高压MCR型动态无功补偿装置特点：磁控电抗器为21世纪高新技术产物，性能优良。MCR磁控电抗器较相控电抗器（TCR）和高阻抗变压器（TCT）具有输出谐波小、结构简单、可靠性高、价格低廉、占地面积小等优点。能在任何恶劣电网工作环境下（如电压波形畸变、幅值波动大等）稳定、可靠的工作。可直接运行于任何电压等级电网(6500kV)，且安装简单（与普通变压器类似）、调试方便。无功补偿容量无级调节，使补偿效果达到最佳。MCR型SVC动态无功补偿系统的性价比高。,25,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,高压输电线路的充电功率 高压及超高压线路是一种数量可观的无功功率电源，其充电功率与线路电压的平方成正比。,26,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,三、电力系统的无功平衡与补偿 电网有功功率不足，引起频率下降，间接影响电压。而且，电力系统的无功功率比有功功率大许多。一般发电机的功率因数大于0.8，而负荷的功率因数小于0.8。因此，无法平衡无功功率，需要进行补偿。 无功补偿容量的配置应取分区平衡、分级补偿原则。,27,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,无功补偿装置和电网相连时：无功补偿装置都可连接于需要进行无功补偿的变电所或直流输电换流站的母线上；负荷密集的供电中心集中安装大、中型无功补偿设备；配电网中，根据无功功率就地平衡的原则，安装中、小型电容器组进行就地补偿。,28,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,无功功率管理的具体措施包括： （1）安装功率因数补偿器，使电力用户的功率因数达到0.95以上；（2）分散安装电容器，就地供无功功率。（3）在一次及二次变电所的低压母线上安装电容器，枢纽变电安装调相机。在有无功冲击负荷的变电所以及超高压送电线末端宜安装静止无功补偿器；（4）对于水、火联合电网，枯水期利用水电机组调相运行，丰水期利用火电机组调相运行，供出感性无功功率；（5）同步电动机过激运行，供出感性无功功率。,29,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,（6）我国的电力技术导则规定：330550kV电网应按无功分层就地平衡的基本要求配置高、低压并联电抗器。一般情况下，并联电抗器的总容量应达到超高压线路充电功率的90以上。较低电压等级的配电网络要配置必要的并联电容补偿。,30,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,发电厂和有调压能力的变电所按调度所规定的电压曲线调整无功功率和电压。 地区调度所监控地区网络的电压、用户电压及其功率因数。实现无功功率就地平衡。 中心调度所着重监控主网的电压水平。协调全网有广泛影响的调压措施，合理分配无功出力和调整无功潮流。 协调配合，统一调度与分散控制相结合,第三节 电力系统中的电压管理与调整方法,31,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,电压控制的目的 （1）保持电网枢纽点电压水平，保证电力系统稳定运行；（2）保持供电电压的正常范围，保证用户的供电质量；（3）减少网络损耗；（4）在偶然事故下快速强行励磁，防止电力系统瓦解,32,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,一、中枢点电压管理 一般选择下列母线为电压中枢点： （1）区域性水、火电厂的高压母线； （2）枢纽变电站二次母线； （3）有地方负荷的发电厂母线。,33,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,中枢点电压变动范围,34,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,三种电压调节方式： （1）逆调整高峰负荷时升高中枢点母线电压，低谷时降低中枢点母线电压。适用于供电线路较长，负荷变动较大的中枢点； （2）顺调整高峰负荷时允许中枢点母线电压略低，低谷时允许中枢点母线电压略高。适用于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点；（3）恒调整中枢点母线电压基本不变，适用于线路长度、负荷变动情况介于上述两者之间的情况。,35,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,二、电压调整方法与应用 电压调整的方法改变变压器的变比调压；改变发电机的励磁电流调压；改变网络的无功功率分布调压；改变网络的参数调压。,36,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,二、电压调整方法1.改变变压器变比调压先决条件 :电网的无功电源容量充裕 对负荷变化不大的变电所可适当选择变压器的分接头进行电压调整。对于负荷变化较大的一次及二次变电所采用负荷调整分接头的变压器，其切换装置在不能适应频繁操作要求时，应限制动作的次数。,37,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,降压变压器,升压变压器,38,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,降压变压器,39,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,有载调压变压器,40,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,2.改变发电机及调相器励磁电压 改变发电机励磁调压 在直接用机压母线供电的小型系统中，改变发电机的励磁电流可实现逆调压，是一种最经济、最直接的调压手段。 改变发电机励磁电压可以改变发电机的内的电势，从而可以调节发电机发出电压的高低，这部分的可调范围大约为5%。 在多级电压供电系统中，发电机调压只能作为一种辅助调压措施。,41,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,改变调相机励磁调压 改变调相机的励磁电压实际是调节网络的无功功率分布来达到调节电压的目的。它是通过补偿负荷所需的无功功率，改变输电线路的无功功率。,42,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,3.投切电容器组调压 静止电容器只能产生感性无功功率。小负荷时切除全部电容器，而大负荷时确定电容器的容量。4.静止无功补偿器调压 静止无功补偿器是静电电容与可控电抗器的组合,43,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,5.串联电容调压 在长线路中，特别是负荷功率因数较低、无功负荷大时效果明显。串联电容器组用来补偿输电线路的电感，以提高线路的输电能力和稳定性。串联电容器还可以调整并联线路的负荷分配。说明： 能自动跟踪负荷调压； 用于负荷经常波动、功率因数不高的配电网中； 安装地点与负荷、电源的分布有关； 超高压电网中主要用于提高高压电力网的输送容量和稳定性。,44,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,提高线路输电能力 改善系统稳定性 降低系统损耗 改善线路电压分布,串联电容调压优点,45,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,串联电容组,46,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,串联电容的合理安装,电压分布尽可能均匀，而且各负荷点的电压都在允许范围内;负荷集中在末端时，电容串接在末端；沿线有多个负荷时，可将电容串接在补偿前产生二分之一线路电压损耗处,47,电气工程基础 无功功率补偿与电压调整,工程实际中，常用串联补偿度kc来衡量串联电容的补偿性能。补偿度等于串联电容器的容抗