第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术

电压控制：电压就是控制目标，即通过控制电力系统中的各种因素，使电力系统电压满足用户、设备和系统运行的要求。无功功率控制：指的是控制手段，即通过控制无功功率的分布，实现某种控制目标。一般是“电压水平合格”，“提高电网稳定性”，“提高经济性”。,第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术,第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术,频率调整:1全系统频率相同2调发电机3消耗能源4集中控制5调进汽量,电压调整：1电压水平各点不同2调发电机、调相机、电容器和静止补偿器等3不消耗能源4电压控制分散进行5调节手段多种多样,1、控制电压的必要性A：从用户角度，影响用户设备的安全，降低用电设备效率和性能，影响用户的生产、生活。异步电动机的转矩与端电压的平方成正比。电压下降转矩下降转速下降滑差增大输出功率下降电流上升发热增加，同时还可能带来产品质量下降等问题；电炉功率与电压的平方成正比，电压下降功率不足；照明设备：电压过高寿命缩短，电压过低发光能力下降；变压器等电磁设备：电压过高磁通饱和激磁电流上升过流发热。电压过高，造成绝缘击穿，影响设备的使用寿命。,B：从系统角度，可能影响系统安全稳定，影响整个系统运行的经济性：负荷中的异步电动机在电压降低时，滑差增大，功率因数降低，使吸收无功功率增加，导致电压进一步降低。这样的一个反馈过程，有可能造成电压失稳问题。,电压水平影响电网损耗：传输相同的有功功率，电压下降电流升高线损增加；因此，无功功率控制是实现电力系统经济调度的一个重要方面。随着电力市场的逐步推进，供电企业角色的转变，不仅要连续供电，而且要供好电，用户对供电质量的要求越来越高，电能质量也将逐步成为供、用电双方合同内容的一部分，而电压是电能质量最重要的指标之一。,2、电力系统的无功电源:电力系统的无功电源，除了发电机之外，还有同步调相机，静电电容器、静止无功补偿装置和静止无功发生器。,（1）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。发电机在额定状态下运行时，可发出的无功功率,（2）调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。当它的转子励磁电流刚好为某一特定值时，它发出的无功功率恰好为零。这时仅从电网中吸收少量的有功功率用来克服机械旋转阻力，维持同步速度空转。当转子励磁电流大于此特定值时，称为过励磁。向系统供给感性无功功率起无功电源的作用。在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率起无功负荷作用。同步调相机运行维护比较复杂，一次性投资较大。它的有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的1.5%5%，容量越小，百分值越大。,（3）静电电容器静电电容器只能向系统供给无功功率。所供无功功率QC与所在节点的电压U的平方成正比。当节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小。因此，当系统发生故障或由于其他原因而导致系统电压下降时，电容器的无功输出反而比平常还少，这将导致电压继续下降。调节能力较差。,（4）静止无功补偿器静止补偿器(StaticVarCompensator,SVC)，由电力电容器与电抗器并联组成。,电容器可发出无功功率,电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置,就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。,1.由饱和电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器,2.由晶闸管控制电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器(TCR+FC),3.由晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器并联组成的静止补偿器(TCR+TSC),(1)电压降低时，SVC输出无功电流减小，而STATCOM仍然可以产生较大的电容性电流，即STATCOM输出的无功电流与电压无关；(2)STATCOM有较大过负荷能力，GTO开断容量可达120%180%稳态额定容量。(3)可控性能好，其电压幅值和相位可快速调节。(4)STATCOM的谐波含量可以比同容量SVC的低。,（5）静止无功发生器使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿器称为静止补偿器(StaticCompensator，STATCOM)，或称为静止无功发生器(SVG)。,3、电力系统中的无功负荷和无功损耗（1）电力系统的无功负荷包括异步电动机、同步电动机、电炉和整流设备等。其中异步电动机占的比重较大、消耗的无功功率较多，也就是说，系统中大量的无功负荷是异步电动机，因此，系统无功负荷的电压特性，主要取决于异步电动机的无功静态电压特性。,（2）电力系统的无功损耗a.变压器的无功损耗,b.输电线路的无功损耗输电线路的无功功率损耗包括并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的无功功率与线路电压的平方成正比，呈容性，又称为线路的充电功率；串联电抗中的无功功率损耗与负荷电流的平方成正比,呈感性。这两部分功率是互为补偿的。线路是呈容性以无功电源状态运行，还是呈感性以无功负载状态运行，应视具体情况而定。,4、影响电力系统电压的主要因素（1）电力系统的无功电压关系无功功率平衡方程：QGQDQLQG无功功率电源QD无功功率负荷QL无功功率损耗电力系统中，上述关系式在任何时候都是成立的，关键是成立时的电压水平如何。,A、电源的无功电压关系同步发电机是系统中最主要的电源设备，故电力系统无功电源与电压的静态特性可由同步发电机的无功电压特性获得：,同步发电机输出的无功功率和电压关系简化公式：,注：U为负荷电压。Eq为感应电动势，由发电机励磁电流决定。为发电机功角，一般很小,q,异步电动机负荷在电力系统无功负荷中占很大的比重，故电力系统的无功负荷与电压的静态特性主要由异步电动机决定。异步电动机的无功消耗为Qm异步电动机激磁功率，与异步电动机的电压平方成正比Q异步电动机漏抗X的无功损耗，与负荷电流平方成正比。,B、负荷的无功电压关系,说明：曲线1、2的交点确定了节点的电压值UA，电力系统在此电压水平下达到无功功率平衡。无功负荷功率增加，使曲线1转移至1，曲线交点变为A，电压下降；若提高UG，则使曲线2转移至2，达到新平衡点为C。与A相比，新平衡点电压相同，但是发电机无功出力增加，机端电压升高。,C、运行电压分析,电力系统和无功功率电压的静态特性,（2）影响电力系统电压的主要因素,以一个单机单负荷的简单系统为例，推导负荷侧电压公式,b,假设系统不含变压器，以负荷侧电压Ub为正方向，推导线路末端的电压降落：,其中，为电压降落的纵分量。,为电压降落的横分量。,相量图为：,电流的有功功率分量在感抗上产生的电压PX/Ub和无功分量在电阻上产生的电压QR/Ub，均与受端电压Ub垂直，两者之和等于横分量，由于两者方向相反，相互抵消后再与Ub垂直相加，故对电压Ub的影响较小；,而电流的无功功率分量在感抗上产生的电压QX/Ub和有功分量在电阻上产生的电压PR/Ub，均与受端电压Ub同向，两者之和等于纵分量，由于两者均与Ub同向，所以能够最大程度地影响Ub。,G,考虑变压器后，经过同样的推导，负荷端的电压公式如下：,近似计算及结论：由上可知，电压损耗主要由电压降落的纵分量决定，受横分量影响较小，故工程上近似计算时常常略去横分量不计，即：,由于在高压电网中的各元件阻抗（发电机，变压器，输电线路）均是感抗远大于电阻，通常在简化分析与计算中，将电阻忽略而只考虑感抗的作用，即：,从上述分析可得，影响负荷端电压的因素有：发电机端电压UG或Eq变压器变比K1,K2负荷节点的有功、无功负荷PjQ电力系统网络中的参数RjX,因此，为了有效控制电力系统中的电压，就可以针对上述因素进行设计。其中，根据前面推导过程得出的结论，无功功率的分布起着决定性的作用。,5、电力系统电压控制的主要方法概述注意：这里所指的电压控制，主要指控制负荷点的电压。（1）控制原则：无功功率分层、就地、就近平衡；超高压电网中，XR，因此I2XI2R，即无功损耗要远远大于有功损耗，而无功负荷和无功损耗又是造成电压下降的主要原因。因此，无功功率是无法远距离传输和跨越变压器补偿的，这就决定了无功功率必须遵循分层、就地、就近平衡的原则。,无功功率就地平衡就是无功功率分层、分区就地平衡，是指在按电压等级所形成的层面内，各个分区范围内无功功率都要实现自给自足，与相邻的区域没有无功功率交换。,任何一个负荷点电压的调整都应当依靠当地的无功功率资源进行，不应当依靠相邻站点的无功功率支援。具体的办法是在各负荷点装设电容器组、调相机、静止补偿器等无功功率电源，尽量使无功功率就地平衡。当无功功率就地平衡不能实现时，则应考虑无功功率就近平衡的原则。,确保稳定性：深入分析负荷特点，做好负荷预测，通过运行计划优先利用动态响应慢的控制手段，将快速控制手段留作备用。兼顾经济性：合理安排电网中的无功电源和补偿装置的配置及运行计划，降低整个系统运行时的线损，提高系统运行的经济性。,5、电力系统电压控制的主要方法概述（2）控制手段简介：针对各种影响节点电压的因素，电压控制方法无非以下几种：控制发电机端电压UG：通过控制励磁电流控制发电机端电压。同步发电机是电力系统的主要无功电源，通过调节发电机的励磁电流可以调节发电机的端电压及其输出的无功功率。,控制变比K1和K2：通过变压器分接头变化，主要分为普通变压器和有载调压变压器：普通调压变压器：变压器绕组的分接抽头变化必须在停电时进行。一般情况下，容量为6300kVA及以下的变压器有三个分接头;容量为8000kVA及以上的变压器有五个分接头。普通三绕组变压器一般在高、中压绕组有分接头可供选择使用。高、中压侧分接头选择方法：根据变压器的运行方式分别地或依次地逐个进行。一般先按低压侧调压要求，由高、低压侧确定好高压绕组的分接头；然后再用选定的高压绕组的分接头，考虑中压侧的调压要求，由高、中压侧选择中压绕组的分接头。,采用固定分接头的变压器进行调压，不能改变电压损耗的数值，也不能改变负荷变化时二次电压的变化幅度；如果电压的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(如逆调压时)，依靠选普通变压器的分接头的方法将无法满足调压要求。可采用有载调压变压器或其他调压措施。,在调节分接头时，先断开接触器KM1，将可动触头Q1切换到另一分接头上，然后接通KM1。另一可动触头Q2也采用同样的步骤，移到这个相邻的分接头上，这样进行移动，直到Q1和Q2都接到所选定的分接头位置为止。当切换过程中Q1、Q2分别接在相邻的两个分接头位置时，电抗器L限制了回路中流过的环流大小。,利用无功补偿：利用无功功率补偿降低负荷侧对系统的无功负荷需求，控制线路传输的无功功率Q，主要包括：普通并联电容器：包括固定式电容器和分组投切电容器。并联电抗器：也称高抗，包括固定式电抗器和分组投切电抗器。SVC和SVG：利用电力电子技术的新型并联无功补偿装置。,改变线路参数：在线路上串接电容器或其他补偿装置：串联电容：包括固定式电容器和分组投切电容器。可控串补（TCSC）：利用电力电子技术的新型串联补偿装置。需要注意的是，装设串联电容、可控串补等装置，主要目的是提高线路的输送能力，提高系统稳定水平，电压控制仅是其具备的功能。利用高压线路充电功率：高压输电线路的对地电容电流也是系统中非常可观的无功电源。需求侧管理（DSM）：这是电网通过经济手段调动用户积极参与电网运行的一种手段。目前，在调压方面，主要针对系统中的主要无功负荷源“异步电动机”进行，通过直接在“异步电动机”端装设电容器，减小无功负荷提高功率因数，从而达到调压的目的。,各种控制措施评价综上所述，电力系统的电压调整有多种方法可供使用：发电机调压主要适用于近距离调压。在系统无功功率充裕时，首先应考虑采用改变变压器变比调压。无功功率的就地补偿虽需增加投资，但这样不仅能提高运行电压水平，还能通过减少无功功率在网络中的传输而降低网络的有功功率损耗。串联电容补偿可用于配电网的调压，但近年来，串联电容补偿用于超高压输电线带来的对潮流控制、系统稳定性的提高等方面的综合效益已日益引起人们的关注。,6、电力系统电压的综合控制,现分析G1和G2控制的电压U1和U2、变压器变比K、补偿容量q这些控制措施对节点3母线电压U3的影响。,由图知，由此可以解得由此可以分析各种电压控制措施对节点电压和无功功率Q的影响以及各种控制措施配合的效果。,将节点3电压U3、无功功率Q定义为状态变量，发电机母线电压U1、U2以及变压器变比K和无功补偿量q定义为控制变量。,结论：改变变压器变比K和改变发电机G1的母线电压对节点3电压控制效果相同，并且可以使无功功率Q增加，而且参数比值X1/X2越小，电压控制效果越显著。改变发电机G2的母线电压U2对节点3的母线电压U3的影响与参数比值X1/X2有关，比值越小，影响越显著。,当X2越大，即G2离节点3的距离相对较远时，改变发电机G1的母线电压U1对节点3的电压影响较大，会使无功功率Q增加。反之，当X1越大，即G1离节点3的距离相对远一些时，改变发电机G2的电压U2对节点3的电压影响较大，会使无功功率Q减少。控制节点3的无功补偿容量q的效果与等效电抗X1X2/(X1+X2)有关；等效电抗越大，控制电压U3效果越好。节点3的无功补偿输出容量q按与输电线路电抗成反比的关系向两侧流动，其结果使无功功率Q减少。,无功功率电源的最优控制目的在于控制各无功电源之间的分配，使有功功率网络损耗达到最小。电力网中的有功功率网损可以表示为所有节点注入功率的函数则无功功率电源最优控制的数学表达式为，在满足的条件下，P达到最小，式中Q是电力网中的无功功率损耗，QDi是电力网中的无功负荷。,6、电力系统无功功率电源的最优控制,应用拉格朗日乘数法，构造拉格朗日函数：将L分别对QGi和取偏导数并令其等于零，有,6、电力系统无功功率电源的最优控制,于是可以得到无功功率电源最优控制的条件为式中，P/QGi是网络中有功功率损耗对于第i个无功功率电源的微增率；Q/QGi是无功功率网损对于第i个无功功率电源的微增率。上式的意义是：使有功功率网损最小的条件是各节点无功功率网损微增率相等。,在无功电源配备充足、布局合理的条件下，无功功率电源最优控制方法如下：根据有功负荷经济分配的结果进行功率分布的计算；利用以上结果，可以求出各个无功电源点的值。经过又一次的功率分布计算，可以算出总的网络有功损耗，网络损耗的变化实际上都反映在平衡发电机的功率变化上。因此，如果控制无功功率电源的分配，还能够使平衡机的输出功率继续减少，那么这种控制就应该继续下去，直到平衡机输出功率不能再减少为止。,6、电力系统无功功率电源的最优控制,在电力系统中某节点i设置无功功率补偿设备的前提条件是：一旦设置补偿设备，所节约的网络有功损耗费用应该大于为设置补偿设备而投资的费用。数学表达式可以表示为式中，表示由于设置了补偿设备而节约的网络有功功率损耗的费用。表示为了设置补偿设备而需要投资的费用,6、电力系统无功功率电源的最优控制,所以，确定节点i的最优补偿容量的条件是具有最大值设置补偿设备而节约的费用Fe就是因设置补偿设备每年可减少的有功功率损耗费用，其值为式中，为以元/乏小时表示的单位电能损耗价格；P0、P分别为以千乏表示的设置补偿设备前后电力网最大负荷下的有功功率损耗；max为电力网最大负荷损耗小时数。,6、电力系统无功功率电源的最优控制,为设置补偿设备QCi而需要投资的费用包括两部分：一部分为补偿设备的折旧维修费，另一部分为补偿设备投资的回收费，其值都与补偿设备的投资成正比，即式中，、分别为折旧维修率和投资回收率，KC为以元/千乏表示的单位容量补偿设备投资。,6、电力系统无功功率电源的最优控制,将上三式，可以得到对上式QCi求偏导并令等于零，可以解出上式表明，对各补偿点配置补偿容量时，应该使每一个补偿点在装设最后一个单位的补偿容量时网络损耗的减少都等于(+)KC/max，按这一原则配置，将会取得最大的经济效益。,6、电力系统无功功率电源的最优控制,7、电力系统自动电压控制（AVC）,1）AVC的概述2）变电站AVC典型控制策略和控制对象3）AVC协调控制,1）AVC的概述（AutomaticVoltageControl）基本概念：自动电压控制：是通过实时采集电网参数，采用计算机自动控制技术和数字信号处理技术，自动控制各种设备参数改善电网电压水平，使电网处于最佳的运行状态。主要作用：提高电网的电压合格率，降低电网运行损耗，提高电网安全运行水平，减轻值班人员的劳动强度。AVC有时也称为AVQC，即自动电压无功控制,AVC的分层和分级从AVC系统所处的地点，可以将AVC系统分为：厂站AVC调度中心AVC欧洲通行的三级电压控制体系分为：就地控制（变电站AVC）、区域控制和全局控制。其中，后两级就类似于调度中心AVC。,电压无功控制已成为电力系统运行控制的一个极为重要的方面，在国内外发展都极为迅速，必将成为EMS系统中的必备功能。,一级电压控制（PVC，就地控制）：基于就地测量，对电力系统个别的或有限数量的设备进行自动操作，通常是快速反应的闭环控制。典型响应时间从几毫秒到大约一分钟。由负荷波动、电网切换和事故引起的快速电压变化，基本都是由一级电压控制进行自动调整的。但是由于一级电压控制根据本地信息采取控制措施，有时对电力系统的电压稳定性可能产生消极作用。一级电压控制通常设置在各厂站中，主要由机组的励磁调节实现，其次靠LTC变压器的自动分接头。,二级电压控制（SVC，区域控制）：基于在电力系统规定的范围内的控制设备的协调动作，目的在于维持系统的安全性（对抗电压稳定）。典型的响应时间是一分钟到几分钟之间，一般也是自动闭环控制。采集区域内各厂、站信息，在调度中心侧进行综合分析，再根据总体的要求进行相应的控制。由于信息的传输、命令的执行均需一定的时间，因此动态过长较长。协调区域各就地一级控制设备的工作，并将个电压安全监视信息送给控制值班人员。二级电压控制通常设置在系统枢纽点或区域控制中心，控制的对象主要是该区域内被选为“控制机组”的部分机组所吸收或发出的无功功率，以及大容量的高压电容器组。,三级电压控制（TVC，全局控制，无功实时优化）：基于实时测量，在一个电力公司、联营公司或地区范围内用于经济和/或安全性优化的协调动作。典型响应时间大约为10分钟或更长。除了安全监视和控制外，经济问题主要在三级控制中考虑，通常要求按安全和经济准则优化运行状态。通常设置在调度中心。,国外电压无功控制发展情况,2）变电站AVC典型控制策略和控制对象经典九区图控制在变电站（降压变）的电压调节中,传统的方法是按电压上、下限（+、-）,无功总负荷（QL-QC）上、下限（+、-）将运行区域划分为九个区,如图所示,根据九区进行控制如下:,0区:电压、无功均合格,不控制；1区：电压合格,无功越上限,发投电容器组指令;2区：电压越下限,无功越上限,先发投电容指令,再发升压指令;3区：电压越下限,无功补偿合适,发升压指令;4区：电压越下限,无功越下限,先发升压指令,再发切电容指令;5区：电压合格,无功越下限,发切电容的指令;6区：电压越