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电力系统分析基础
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《电力系统分析基础》配套教学课件,电力系统分析基础,电力,系统分析,基础,配套,教学,课件
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North China Electric Power University2014年秋季电力系统分析基础任建文Email: Tel：0312-7522808Power System Analysis BasisPower System Analysis Basis（六）（六）第六章第六章 电力系统的无功功率与电压调整电力系统的无功功率与电压调整本章主要内容：本章主要内容：1 1、无功负荷和无功电源及无功功率平衡无功负荷和无功电源及无功功率平衡2 2、电压降落（损耗、偏移）、功率损耗的计算、电压降落（损耗、偏移）、功率损耗的计算3 3、无功功率的经济分布；无功电源的最优分布；无功功率的经济分布；无功电源的最优分布；无功负荷的最优补偿无功负荷的最优补偿 频率调整和电压调整的相同和不同之处频率调整和电压调整的相同和不同之处调频调频频率唯一频率唯一集中调整集中调整只能调原动机功率只能调原动机功率调压调压电压水平各点不同电压水平各点不同调整分散调整分散手段多样（有多种无功电源）手段多样（有多种无功电源）由上可以看出：维持电压稳定，应该尽量减少无由上可以看出：维持电压稳定，应该尽量减少无功的传输，采取就地平衡。功的传输，采取就地平衡。 分析无功功率和电压分布之间的关系分析无功功率和电压分布之间的关系无功损耗无功损耗 有功损耗有功损耗; ;电压降受无功功率的影响较大电压降受无功功率的影响较大; ;无功功率的流动从无功功率的流动从UhUL4 4、电力系统的、电力系统的电压调整电压调整第六章第六章 电力系统的无功功率与电压调整电力系统的无功功率与电压调整第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡一、概念性问题:无功功率无功功率无功电源无功电源Q QG G无功负荷无功负荷Q QL L无功损耗无功损耗Q Q无功无功功率功率平衡平衡运行中的平衡：运行中的平衡：Q QG G= =Q QL L+ +Q Q规划中的平衡：规划中的平衡：无功容量无功容量= =无功电源功率无功电源功率+ +备用无功电源功率（备用无功电源功率（7 78%8%）二、无功功率负荷和无功功率损耗1 1、无功功率负荷、无功功率负荷1)1) 负荷在端电压变化时，出力、效率影响较大负荷在端电压变化时，出力、效率影响较大发 光 效 率发 光 效 率寿命 白炽灯的电压特性白炽灯的电压特性效 率效 率电流 异步电机的电压特性异步电机的电压特性转矩转矩U U2 2, ,UU带不动带不动启动不了启动不了烧电机烧电机第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡2)2) 吸收无功（异步电机）吸收无功（异步电机）对于对于Q QX X，当，当UU转动力矩增大，转动力矩增大，SrSr2 2（1 1- -s s）/sI Q/sI QX X对于对于Q QU U，由于，由于X XU U的饱和，的饱和， X XU U Q QU UQQUX QU异步电机的无功功率特性异步电机的无功功率特性QP综合无功负荷的静态特性综合无功负荷的静态特性第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡2 2、变压器的无功功率损耗、变压器的无功功率损耗 励磁支路励磁支路空载电流空载电流I I0 0的百分比值，约的百分比值，约1 1- -2%2% 绕组漏抗绕组漏抗满载时基本上等于短路电压满载时基本上等于短路电压U UK K的百分的百分比值，约比值，约10%10% 对多级电压网对多级电压网相当可观，可达负荷的相当可观，可达负荷的57%57%3 3、电力线路上的无功功率损耗、电力线路上的无功功率损耗 并联电纳并联电纳充电功率充电功率U U2 2，容性容性 并联电抗并联电抗感性感性I I2 2 35KV35KV及以下及以下感性无功感性无功 110KV110KV及以上及以上传输功率较大时传输功率较大时感性无功感性无功传输功率较小时传输功率较小时容性无功容性无功第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡三、无功功率电源定子绕组不超定子绕组不超过额定电流过额定电流励磁绕组不超励磁绕组不超过额定电流过额定电流受原动机出力限制受原动机出力限制进相运行时受定进相运行时受定子端部发热限制子端部发热限制留稳定储备留稳定储备发电机、调相器发电机、调相器静静止止电容器、静止补偿器电容器、静止补偿器1 1、发电机、发电机 发电机只有在额定电压、电流、功率因数下运行时，发电机只有在额定电压、电流、功率因数下运行时，视在功率才能达到额定值，其容量才能最充分地利用视在功率才能达到额定值，其容量才能最充分地利用 系统中有功功率备用容量充裕时，可使靠近负荷中心系统中有功功率备用容量充裕时，可使靠近负荷中心的发电机在降低有功负荷的条件下运行，这时发电机的发电机在降低有功负荷的条件下运行，这时发电机的视在功率虽较额定值小，但可利用的无功功率却较的视在功率虽较额定值小，但可利用的无功功率却较在额定有功负荷下大。在额定有功负荷下大。第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡 实质上是只发无实质上是只发无功功率的发电机功功率的发电机2 2、同步调相机、同步调相机不带有功负荷的同步发电机不带有功负荷的同步发电机不带机械负荷的同步电动机不带机械负荷的同步电动机 运行运行过激运行过激运行向系统发出无功向系统发出无功欠激运行欠激运行向系统吸收无功（容量为过激的向系统吸收无功（容量为过激的50%50%） 优点优点平滑调节平滑调节既发无功，又可吸收无功既发无功，又可吸收无功装有励磁调节装置时，维持系统电压不变装有励磁调节装置时，维持系统电压不变装有强磁时，故障情况下，调整电压，维持稳定装有强磁时，故障情况下，调整电压，维持稳定 缺点缺点消耗一定的有功，容量越小，比重越大消耗一定的有功，容量越小，比重越大(1.5(1.5- -5%)5%)小容量单位投资费用大，宜集中使用小容量单位投资费用大，宜集中使用水轮机有时作调相运行，汽轮机较难水轮机有时作调相运行，汽轮机较难损耗大损耗大内部发热内部发热内部膨胀内部膨胀增大系统中短路时的短路电流增大系统中短路时的短路电流第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡3 3、静电电容器、静电电容器Q QC C=U=U2 2/X/XC C，只能向系统提供无功，不能吸收无功，只能向系统提供无功，不能吸收无功可集中使用，可分散使用可集中使用，可分散使用功耗小，功耗小，0.3%0.3%-0.5%0.5%（额定容量）（额定容量）调节不是连续的，不平滑，调节范围小调节不是连续的，不平滑，调节范围小电压下降时，电压下降时， Q QC C下降，导致下降，导致U U进一步下降进一步下降单位容量投资比调相机便宜单位容量投资比调相机便宜4 4、静止补偿器、静止补偿器电容与电抗并联，配以调接装置，可平滑地改变输出电容与电抗并联，配以调接装置，可平滑地改变输出7070年代开始使用，有前途的三种类型为：年代开始使用，有前途的三种类型为：类型类型直流助磁饱和电抗器型直流助磁饱和电抗器型可控硅控制电抗器型可控硅控制电抗器型自饱和电抗器型自饱和电抗器型第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡共同点：电共同点：电容支路容支路同步频率下感性无功功率电源同步频率下感性无功功率电源C C和和LfLf构成谐振，兼作高次谐波滤波器构成谐振，兼作高次谐波滤波器不可控不可控不同点：不同点： 电电抗器支路抗器支路可控硅可控硅直流助磁直流助磁自饱和自饱和不可控不可控饱和电抗器饱和电抗器可控的可控的不饱和不饱和第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡优点优点极好的调节性能极好的调节性能可用于冲击性负荷的无功补偿可用于冲击性负荷的无功补偿维护简单维护简单原理：原理：自饱和型自饱和型损耗小，不超过损耗小，不超过1%1%应用越来越多应用越来越多第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡四、无功功率的平衡系统中功率平衡：系统中功率平衡：QQGCGC- - QQL L- - QQ=0=01)1) 电源：电源：QQGCGC=Q=QG G+Q+QC C=Q=QG G+ Q+ QC1 C1 + Q+ QC2 C2 + Q+ QC3C3发电机发电机调相机调相机电容器电容器静止补偿器静止补偿器2)2) 负荷：负荷：未改善未改善 COSCOS=0.6=0.6- -0.90.9规程规定不低于规程规定不低于0.9,0.9,可按此取可按此取Q QL L3)3) 损耗：损耗： QQ = Q= QT T + Q+ QX X + Q+ Qb b 变压器变压器线路电抗线路电抗线路电纳线路电纳4)4) 无功备用无功备用: :为最大无功负荷的为最大无功负荷的7%7%-8%8%注意：注意：系统中无功率平衡的前提是系统的电压水平正常系统中无功率平衡的前提是系统的电压水平正常无功不足时应就地补偿无功不足时应就地补偿第一节第一节电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡第二节电力系统无功功率的经济分布第二节电力系统无功功率的经济分布一、无功功率电源的最优分布无功经济分布无功经济分布无功电源的最优分布无功电源的最优分布等网损微增率等网损微增率无功负荷的最优补偿无功负荷的最优补偿无功经济当量无功经济当量目标函数：目标函数：PP=P=P(Q(QGiGi) ) 目的：降低网络中的有功损耗目的：降低网络中的有功损耗等约束条件：等约束条件：不等约束条件：不等约束条件：拉格朗日函数：拉格朗日函数：最优分布最优分布求拉格朗日函数的极值：求拉格朗日函数的极值：可改写为：可改写为：无功网损微增率无功网损微增率有功网损微增率有功网损微增率二、如何进行无功功率最优分布的计算第二节电力系统无功功率的经济分布第二节电力系统无功功率的经济分布一般的原则是：一般的原则是：1)1) 计算计算潮流潮流分布分布按有功最优分布结果给出各节点（除平衡节按有功最优分布结果给出各节点（除平衡节点外）的点外）的P P给出给出P P、Q Q节点的节点的Q Q给出给出P P、U U节点的节点的U U2)2) 计算计算网损网损微增微增率率由潮流计算得各无功电源点的由潮流计算得各无功电源点的值值000时，减少该电源的时，减少该电源的Q Q，可降低网损，可降低网损进行调整进行调整3)3) 重设电源节点的无功重设电源节点的无功Q QGiGi和和PUPU节点的电压，进行潮流计节点的电压，进行潮流计算，求总网损、网损微增率，判断平衡节点的算，求总网损、网损微增率，判断平衡节点的P P，直，直到到P P最小最小4)4) 当当PP不再减小时，各节点网损微增率未必相等，因不再减小时，各节点网损微增率未必相等，因为受不等条件限制为受不等条件限制第二节电力系统无功功率的经济分布第二节电力系统无功功率的经济分布例题：如图，有功功率两电厂均分，求最优无功分配例题：如图，有功功率两电厂均分，求最优无功分配解：解：QP11j QP22j 第二节电力系统无功功率的经济分布第二节电力系统无功功率的经济分布按网损等微增率准则确定无功功率分配：按网损等微增率准则确定无功功率分配：由功率平衡条件得：由功率平衡条件得：联合求解得：联合求解得：Q Q1 10.2480.248，Q Q2 20.6880.688不计无功网损修正时：不计无功网损修正时：得：得：Q Q1 10.2680.268，Q Q2 20.6700.670第二节电力系统无功功率的经济分布第二节电力系统无功功率的经济分布三、无功功率负荷的最优补偿 负荷的自然功率因数负荷的自然功率因数电动机容量不能太大（重要措施）电动机容量不能太大（重要措施）限制电动机的空载运行限制电动机的空载运行同步电机代替异同步电机（收、发）同步电机代替异同步电机（收、发）( (补偿前补偿前0.60.6- -0.9)0.9) 最优补偿最优补偿补偿容量的确定补偿容量的确定补偿设备的分布补偿设备的分布补偿顺序的选择补偿顺序的选择规划阶段规划阶段 年节约费用年节约费用: :为单位电能损耗价格为单位电能损耗价格( (元元/kw/kw h),h),maxmax最大负荷损耗小时数最大负荷损耗小时数 装设补偿设备的投资费用装设补偿设备的投资费用: :为折旧维修率为折旧维修率, ,投资回收率投资回收率, ,K KC C为单位为单位 容量补偿设备投资容量补偿设备投资( (元元/kvar)/kvar)第二节电力系统无功功率的经济分布第二节电力系统无功功率的经济分布 结论结论最有网损微增率（也称无功经济当量）最有网损微增率（也称无功经济当量）最优网损微增率准则：最优网损微增率准则：只有在网损微增率具有负值且小于只有在网损微增率具有负值且小于r reqeq的节点设置的节点设置先后顺序：以网损微增率的大小为序，首先从先后顺序：以网损微增率的大小为序，首先从最小的开始最小的开始第二节电力系统无功功率的经济分布第二节电力系统无功功率的经济分布第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整一、电力系统电压偏移的原因及影响无功充足无功充足电压水平较好的必要条件，不是充分条件电压水平较好的必要条件，不是充分条件调压调压合理分布无功，维持电压质量合理分布无功，维持电压质量1.1. 原因（随运行方式的改变而改变）原因（随运行方式的改变而改变）由于由于R R很小，很小，U U主要受主要受Q Q的影响的影响负荷大小的变化负荷大小的变化电力网阻抗参数的变化（设备故障或检修退出）电力网阻抗参数的变化（设备故障或检修退出）电力系统接线的改变电力系统接线的改变2.2. 偏移的影响偏移的影响 电压过低电压过低发电机：发电机：U U ，I I发电机过热发电机过热异步电机：异步电机：U U ，转差率转差率，各绕组各绕组I I，温升温升， ，寿命寿命，出力出力P P ，起动过程长起动过程长烧电机烧电机电炉：电炉：PUPU2 2电灯：亮度和发光效率大幅下降电灯：亮度和发光效率大幅下降 电压过高电压过高设备绝缘受损设备绝缘受损变压器、电动机铁芯饱和，损耗变压器、电动机铁芯饱和，损耗，寿命寿命白炽灯寿命大为缩短白炽灯寿命大为缩短 严重时，无功不足，严重时，无功不足，电压崩溃电压崩溃第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整3.3. 电力系统允许的电压偏移电力系统允许的电压偏移35KV35KV及以上电压供电的负荷及以上电压供电的负荷5%5%10KV10KV及以下电压供电的负荷及以下电压供电的负荷7%7%低压照明负荷低压照明负荷+5%+5%- -10%10%农村电网农村电网+5%+5%- -10%10%事故状态下，允许在上述基础上再增加事故状态下，允许在上述基础上再增加5%5%，但正偏，但正偏移不超过移不超过+10%+10%二、中枢点的电压管理1.1. 电压中枢点的选择电压中枢点的选择集中负荷的母线作为电压中枢点集中负荷的母线作为电压中枢点大型发电厂的高压母线大型发电厂的高压母线枢纽变电所的二次母线枢纽变电所的二次母线有大量负荷的发电厂母线有大量负荷的发电厂母线II第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整2.2. 中枢点电压与负荷的关系中枢点电压与负荷的关系适应：线路长，负荷变化大适应：线路长，负荷变化大方式：方式：难易程度：实现较难难易程度：实现较难有时中枢点电压不能满足要求，见书上有时中枢点电压不能满足要求，见书上P226P226- -227227的例子的例子3.3. 中枢点电压调整方式中枢点电压调整方式逆调压逆调压最大负荷时提高中枢点电压最大负荷时提高中枢点电压1.05U1.05UN N最小负荷时降低中枢点电压最小负荷时降低中枢点电压1.00U1.00UN N适应：线路不长，负荷变化不大适应：线路不长，负荷变化不大方式：方式：难易程度：最易实现难易程度：最易实现顺调压顺调压最大负荷时允许中枢点电压低一些最大负荷时允许中枢点电压低一些1.025U1.025UN N最小负荷时允许中枢点电压高一些最小负荷时允许中枢点电压高一些1.075U1.075UN N适应：中型网络，负荷变化较小适应：中型网络，负荷变化较小方式：保持在较线路额定高方式：保持在较线路额定高2%2%- -5%5%难易程度：较易实现难易程度：较易实现常调压常调压三、电力系统的电压调整忽略：线路对地电容、变压器励磁支路参数、横向压降忽略：线路对地电容、变压器励磁支路参数、横向压降调压比调频复杂，频率系统为一，电压不为一调压比调频复杂，频率系统为一，电压不为一改变改变电压电压水平水平调调压压措措施施利用发电机调压利用发电机调压U UG G改变励磁电流改变励磁电流改变变压器分接头改变变压器分接头k k1 1，k k2 2改变改变电压电压损耗损耗改变功率分布（主要是改变功率分布（主要是Q Q）使使U U减少减少改变线路参数改变线路参数R+jXR+jX（主要是（主要是X X）减少减少U U第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整1.1. 改变发电机端电压调压改变发电机端电压调压发电机电压发电机电压U UG G可在可在5%5%的范围内保持发额定功率的范围内保持发额定功率发电机直接供电系统（线路不长，损耗不大）发电机直接供电系统（线路不长，损耗不大）调节励磁，改变机端电压，实现逆调压满足电压的要求调节励磁，改变机端电压，实现逆调压满足电压的要求1122例：例：最大负荷时：最大负荷时：UUmaxmax=20%=20%，最大负荷时：最大负荷时：UUminmin=8%=8%UUmaxmax- -UUminmin=12%=12%，发电机逆调发电机逆调5%5%故最终相差故最终相差7%7%，在，在10%10%的范围内的范围内第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整 调节原理：调节原理：转子电压负反馈的转子电压负反馈的作用是提高调节系作用是提高调节系统的稳定性，它的统的稳定性，它的输出正比于转子电输出正比于转子电压的变化率压的变化率例：发电机经多级电压向负荷供电，不能保证电压质量要求例：发电机经多级电压向负荷供电，不能保证电压质量要求最大负荷时：最大负荷时：UUmaxmax=34%=34%，最大负荷时：最大负荷时：UUminmin=14%=14%UUmaxmax- -UUminmin=20%=20%，发电机逆调发电机逆调5%5%故最终相差故最终相差15%15%，超出，超出10%10%的范围内的范围内第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整2.2. 改变变压器分接头进行调压改变变压器分接头进行调压1)1) 双绕组变压器分接头选择双绕组变压器分接头选择最大负荷时：最大负荷时：U UImaxImax，UUImaxImax， U Uimaximax， U Uimaximax为已知为已知双绕组变压器高压侧双绕组变压器高压侧6300KVA6300KVA以下三个分接头以下三个分接头U UN N 5%5%三绕组变压器高、中压侧三绕组变压器高、中压侧8000KVA8000KVA以上五个分接头以上五个分接头U UN N 2*2.52*2.5% %装有装有3 3- -5 5个分接头个分接头最小负荷时：最小负荷时：第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整选一接近值作分接头选一接近值作分接头 U UtImaxtImax，U UtImintImin，U UtItI对于升压变压器：对于升压变压器：因正常运行时，变压器分接头不能调整，故取平均值因正常运行时，变压器分接头不能调整，故取平均值返回校验返回校验求低压母线电压求低压母线电压计算电压偏移计算电压偏移% %第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整选分接头选分接头110KV110KV例子：例子：U UI I在在113113- -115KV115KV时，允许时，允许U Ui i在在1010- -11KV11KV，求变压器分接头，求变压器分接头校验：校验：解：解：第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整2)2) 普通三绕组变压器分接头的选择普通三绕组变压器分接头的选择高、中压侧有分接头，低压侧没有高、中压侧有分接头，低压侧没有高、低压侧高、低压侧确定高压绕组的分接头（低压侧要求）确定高压绕组的分接头（低压侧要求）高、中压侧高、中压侧确定中压绕组的分接头确定中压绕组的分接头例题：例题：P233P233，例，例8 8- -3 33)3) 有载调压变压器调整分接头有载调压变压器调整分接头带电调整，允许最大、最小负荷时分设不同抽头带电调整，允许最大、最小负荷时分设不同抽头计算方法同双绕组，可分设计算方法同双绕组，可分设调整范围大调整范围大15%15%以上以上110KV110KV，U UN N 3 32.5%2.5%（七级）（七级）220KV220KV，U UN N 4 42.5%2.5%（九级）（九级）三绕组三绕组高压侧装有载调压分接头高压侧装有载调压分接头低压侧装有普通分接头低压侧装有普通分接头第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整无功功率充足无功功率充足时，采用有载时，采用有载调压可满足一调压可满足一般的调压要求般的调压要求长线供电长线供电负荷变化大负荷变化大联络线两端联络线两端某些发电厂的变压器某些发电厂的变压器无功功率无功功率充足时充足时并补并补串补串补有载调压原理有载调压原理第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整3.3. 利用并联补偿设备调压利用并联补偿设备调压调相机调相机作用作用发无功，就地补偿，减少压降发无功，就地补偿，减少压降1)1) 各种补偿设备的调节方式各种补偿设备的调节方式截面积小截面积小RXRX，不可用，不可用并补并补截面积大截面积大RXRX，明显，明显静止补偿器静止补偿器电容器电容器调相机调相机改变励磁电流改变励磁电流i if f静止补偿器（直流助磁）静止补偿器（直流助磁）改变助磁电流改变助磁电流i if f电容全部投入电容全部投入电容全部退出电容全部退出静止补偿器（可控硅）静止补偿器（可控硅）改变可控角改变可控角第三节电力系统的电压调整第三节电力系统的电压调整2)2) 补偿设备容量的确定补偿设备容量的确定 补偿前：补偿前： 补偿后：补偿后： 补偿容量补偿容量Q QC C与补偿前后低压母线电压与补偿前后低压母线电压U Ui i，U Uicic有关：有关：第三节电力系统的电压调整第三
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