电力系统电能质量与功率平衡分解.ppt

1、第三章 电力系统电能质量与功率平衡,主讲：李辉 三峡电力职业学院,第三章 电力系统电能质量与功率平衡,3.1 电力系统电能质量 3.2 电力系统有功功率平衡 3.3 电力系统有功功率最优分配 3.4 电力系统频率特性 3.5 电力系统频率调整 3.6 电力系统中的无功功率平衡 3.7 电力系统的电压管理 3.8 电力系统无功功率 3.9 电力系统的电压调整,概述,衡量电能质量的主要指标是频率、电压和波形,频率：电力系统交流电压、电流的额定频率是50HZ，容许偏移值为/0.20.5HZ。 电压：电力系统用于控制与调整电压的母线，称为中枢母线。 中枢母线电压容许偏移范围应不超过以下范围： 35KV

2、及以上供电网： /5% 10KV及以下电压供电网： /7% 低压照明网： 10%5 % 农村电网： 10%7.5 % 波形：消除谐波（1）增加整流电路相数（2）降低铁芯磁通饱和度（3）用谐振电路并联电容器,这些事故状况下，允许基础上再增加5%，正偏移不超过+10%,概述,三相不平衡：电力系统公共接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。 公共电网谐波：总谐波畸变率0.38KV为5%，610KV为4%，3566KV为3%，110KV为2%。 波动 ：公共供电点的电压波动允许值10KV及以下为2.5%，35110KV为2%，220KV及以上为1.6%。 电压闪变主要表征人眼对灯闪主观感觉

3、的参数。,电力系统中有功功率的平衡,一、频率变化对负荷和电力系统的影响,频率变化会引起工业用户异步电动机转速变化，将会影响产品质量。 频率波动会影响电子设备的准确性和性能。 频率下降将会使汽轮机叶片的振动变大，缩短其使用寿命。 频率下降到47-48Hz时，会使火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机）的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降，这种趋势若不能及时制止，将会引起频率崩溃。 当频率降到一定数值时，会使核电厂中的反应堆冷却介质泵自动跳开，从而使反应堆停止运行。,2. 有功功率平衡和备用容量,电力系统的有功功率平衡可用下式表示：,线路和变压器的总有功功率损耗,发电机发出的总有功

4、功率,系统中所有用户的有功负荷,所有发电厂的厂用电有功负荷,为了维持频率的稳定，电力系统装设的发电机的额定容量必须大于当前的发电负荷容量，即必须装设备用容量。,电力系统中有功功率的平衡,频率下降将会使异步电动机和变压器的励磁电流增加，使无功消耗增加，引起系统电压下降，增加电压调整的困难。当频率下降到一定值时，可能出现电压雪崩现象。,备用容量按用途分，有以下几种：,电力系统中有功功率的平衡,负荷备用：为满足系统中短时的负荷波动和计划外的负荷增加而设置的备用。一般为系统最大负荷的2%5%。 事故备用：在发电设备发生偶然性事故时，为使电力用户不受严重影响，维持系统正常供电所需的备用。一般约为最大负荷

5、的510。 检修备用：为保证发电设备的定期检修而设置的备用。 国民经济备用：考虑到国民经济超计划增长而设置的备用，一般约为最大负荷的3%5%。,上述四种备用容量一般占最大负荷的1525。,电力系统中有功功率的平衡,热备用（机组处于旋转状态）：运转中的发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差（旋转备用）。热备用包括部分事故备用和全部负荷备用。 冷备用（机组处于停机转态）：未运转的、但能随时启动的发电设备可以发的最大功率。冷备用包括部分事故备用和全部检修备用及国民经济备用。,备用容量按投入时间分，有热备用和冷备用两种：,3. 各类发电厂的特点及合理组合,火电厂特点,需要支付燃料及运输费用，但不受自然

6、条件影响。 火力发电设备的效率与蒸汽参数有关。,电力系统中有功功率的平衡,火力发电厂有功出力受锅炉、汽轮机最小技术负荷的限制，调整范围比较小，负荷增减速度慢。 机组投入和退出的运行时间长，承担急剧负荷响应时间长，耗能量多，易损坏设备。 热电厂由于采取抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，称为强迫功率。,水电厂特点,不需要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。 水轮发电机的出力调节范围大，增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷。,电力系统中有功功率的平衡,决定发电量的除水量外还有水位差。 水利枢纽兼顾发电、航运、防洪、灌溉、渔业、旅游，不一定与电力负荷适应，所以必须

7、与火电配合。 维持航运、灌溉需一定水量，这部分为强迫功率。,核电厂特点,核电厂反应堆的负荷基本上没有限制，其技术最小负荷主要取决于汽轮发电机。 核电厂的反应堆和汽轮机退、投、增、减负荷时也要消耗能量、花费时间，易损坏设备，因此，在运行中核电厂不宜带急剧变动的负荷。 一次投资大，运行费低。,电力系统中有功功率的平衡,各类发电厂的合理组合,充分利用水力资源，避免弃水。 降低火力发电的单位煤耗，发挥高产机组作用。 减少火电成本，多烧劣质煤、本地煤、少烧油。 考虑发电成本（燃料价格、管理水平、机组效率等），充分利用资源。,在丰水期和枯水期各类发电厂在日负荷曲线中的安排如图5-2所示。其基本原则是：基荷

8、由具有强迫功率、不可调功率或高效率的热电厂、火电厂、核电厂、迳流式水电厂、泄洪灌溉等水电厂承担；峰荷由具有调节水库的水电厂、燃气轮机发电厂和中温中压火电厂等承担。,电力系统中有功功率的平衡,图5-2 各类发电厂组合顺序示意图 (a)枯水期 (b)丰水期,一、负荷的有功功率频率静特性,电力系统的有功负荷与频率的关系可归纳为:,与频率变化无关：照明、电阻炉、整流负荷等； 与频率一次方成正比：球磨机、切削机床、往复式水泵、压缩机、卷扬机等； 与频率二次方成正比：变压器的涡流损耗等； 与频率三次方成正比：通风机、静水头阻力不大的循环水泵等； 与频率高次方成正比：静水头阻力很大的水泵等。,电力系统负荷及

9、电源的频率静态特性,负荷的功率频率特性可表示为：,若以标幺值表示，则,当 ， 时，有：,式中， 为额定频率时系统有功负荷； 为上述各类负荷占 的百分数。,在额定频率附近，负荷的静态频率特性近似为直线，如图5-6所示。,负荷的静态频率特性曲线的斜率称为负荷的频率调节效应系数或单位调节功率，即：,（MW/Hz）,用标么值表示为：,图5-6 负荷的功频静特性曲线,电力系统负荷及电源的频率静态特性,书本P91,关于KL*的几点说明：,负荷的频率调节效应系数表征负荷的频率调节特性，即表征随着频率的升高或降低负荷消耗功率增加或减少的多少。 负荷的频率调节效应系数是不能控制的，其大小取决于全系统各类负荷所占

10、的比重，不同系统或同一系统不同时刻的 KL*值可能不同。在实际系统中， 一般取13。 负荷的频率调节效应系数是反映系统进行一次调整性能的一个重要数据，它是调度部门确定按频率减负荷方案以及低频事故切负荷来恢复频率的计算依据。,二、发电机组的有功功率频率静特性,发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。 通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率频率特性或调节特性。,1. 自动调速系统（图5-7）,检测部件（离心飞摆） 放大部件（错油门） 执行部件（油动机） 转速控制部件（调频器）,说明：调速器由前三者组成，完成频率的一次调整；调频器加入转速控制部件，完成频率的二次

11、调整。,图5-7 离心飞摆式调速系统示意图,发电机组的P-f静态特性调速器,蒸汽,A,O,B,D,E,发电机组的P-f静态特性,蒸汽,A,O,B,D,E,发电机组的P-f静态特性,蒸汽,A,O,B,D,E,调速系统的工作原理：利用杠杆的作用调整汽轮机或水轮机的导向叶片，使其开度增大，增加进汽量或进水量。,一次调频： 的位置较B高， 的位置较A略低，相应的机组转速较原来略低有差调节。,二次调频：在外界信号作用下，调频器动作将D点抬高，最后使 回到位置A，频率恢复到额定频率无差调节。,2. 发电机组的有功功率频率静特性,根据发电机调速系统的调节原理，即负荷增大时，发电机出力增加，频率降低；负荷减少

12、时，发电机出力减少，频率增加，可得到发电机组的有功功率频率静态特性如图5-8所示。,发电机的单位调节功率：指发电机组的功率频率静态特性的斜率，即,用标么值表示为：,发电机的单位调节功率表征随着频率的升高或降低发电机组有功出力减少或增加的多少。,图5-8 发电机组的功频率静特性,它与发电机的单位调节功率的关系如下：,当取 时，其标么值为：,上式说明：调差系数的倒数就是机组的单位调节功率。,发电机的调差系数：指发电机由空载运行到额定运行时频率偏移的大小，即,说明：发电机组的调差系数或与之对应的单位调节功率是可以整定的。但受机组调速机构的限制，其整定范围是有限的。在整定范围内，调差系数越小（即单位调

13、节功率越大），频率偏移也越小。,汽轮发电机组： 水轮发电机组：,或,或,电力系统的频率调整,二、电力系统的有功功率平衡,1. 有功功率负荷的变动及其调整,电力系统的负荷随时间变动的规律分为三种（见图5-1）：,第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动有很大的偶然性（P1）。 第二种变动幅度较大，周期也较长，如电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷变动（P2） 。,第三种负荷变动幅度最大，周期也最长，是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动，这种负荷变动基本上可以预计（P3） 。,因此，电力系统的有功功率和频率调整大体上也可分为三种：,一次调整：指由发电机组的调速器进行的、对第一种负荷

14、变动引起的频率偏移的调整。 二次调整：指由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整。,图5-1 有功功率负荷的变动,三次调整：指按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。,频率的一次调整,以系统中只有一台发电机带一个综合负荷为例进行分析。图5-9为频率的一次调整示意图。,当系统负荷增加 时，负荷的功频静特性向上移至 ，一方面发电机组转速变化引起频率下降，调速器动作，发电机出力增加 ，另一方面由于负荷本身的调节效应减少 ，经过一个过程，达到新的平衡点 。,频率变化为:,图5-9 频率的一次调整,发电机的功率增量为：,负荷本身的调节作用下

15、降了：,（f为负值）,其中，KS称为系统的单位调节功率，单位Mw/Hz。,用标幺值表示为：,几点说明：,系统的单位调节功率标志了系统负荷增加或减少时，在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多少。因此，当KS已知时，可以根据允许的频率变化范围求取系统能够承受多大的负荷增减。即KS越大，系统承受负荷的变化越大。,在上述推导过程中，取功率的增大或频率的上升为正，因此，上式等号右侧的负号表示，随着负荷的增大，系统的频率将下降。 由KS=KG+KL可见：系统的单位调节功率取决于发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功率。由于负荷的单位调节功率KL不可调，因此，系统的单位调节功率K

16、S的调整只能通过调整发电机的单位调节功率KG或调速器的调差系数来实现。 电力系统的单位调节功率不能过大。,若KS过大 KG过大，即调差系数过小，将不能保证各发电机组调速系统运行的稳定性。,使系统中总的发电机单位调节功率下降。,当系统中有多台发电机组时，发电机组满载后，受调速机构的限制，发电机组不再具有调频能力，即此时它们的单位调节功率为零，调差系数为无限大，从而使全系统发电机组的等值调差系数增大。,假设调差系数整定为零，这时，虽然负荷的变动不会引起频率的变动，似乎可确保频率恒定，但这样将会出现负荷变化量在各发电机组间的分配无法固定，从而出现各发电机组的调速系统不能稳定工作的问题。,例如，设系统

17、中有n台发电机组，n台机组都参加调整时有：,当n台机组中只有m台机组都参加调整，即m+1、m+2、 n台机组不参加调整时有,显然,即系统中总的发电机单位调节功率下降了。,可见，频率的一次调整是有差调整，即调整后的频率不可能回到原来的值。因此，一次调频只能适应负荷变化幅度小、周期短的不规则变化情况。,频率的二次调整,频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机组的功频静特性平行移动，从而改变发电机的有功功率，以保持系统频率不变或在允许范围内。如图5-10所示。,当系统负荷增加 时，如不进行二次调整，运行点转为 ，系统频率为 ，频率变化为 。,二次调频通过调频器的作用将发电机的功频静特性移到

18、，运行点移到 ，系统频率为 ，频率变化,图5-10 频率的二次调整,由图5-10可知，系统负荷增量 由三部分组成：,由于调速器的调整作用而增大的发电机组功率：,（一次调整）,由于调频器的调整作用而增大的发电机组功率：,（二次调整）,由于负荷负荷本身的调节作用而减少的负荷功率：,（f为负值）,当时，即二次调频增发的功率与系统的负荷增量相等时，则，频率将始终不变，亦即实现了无差调节。无差调节如图5-10中虚线所示。,若系统中有n台机组且由第n台机组担负二次调整任务，即只有一台机组进行二次调整、n台机组进行一次调整，则有：,经比较可见，由于n台机组的单位调节功率KGN远大于一台机组的单位调节功率KG

19、，因此，在同样的功率盈亏 下，系统的频率变化要比仅有一台机组时小得多。,需要指出：电力系统中各发电机均装有调速器，因此每台机组都参与一次调频（除机组满载）；而二次调频只有极少数的发电厂（调频厂）参与。,调频厂应满足的条件：,调频厂的选择原则：,系统中有水电厂时，选择水电厂做调频厂； 当水电厂不能做调频厂时，选择中温中压火电厂做调频厂。,调整的容量应足够大； 调整的速度应足够快； 调整范围内的经济性能应该好； 注意系统内及互联系统的协调问题。,1. 同步发电机,发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率为,下图为发电机额定运行时的相量图。图中：,转子电流（ 代表空载电动势） ；,定子电流（ 代表电

20、压降 ） ；,电力系统的无功功率电源,在不同功率因数下，发电机发出的P和Q受到以下限制： 以A为圆心，AC为半径的圆弧表示受定子额定电流的限制； 以O为圆心，OC为半径的圆弧表示受转子额定电流的限制； 水平线DC表示受原动机出力的限制。,当功率因数较小时，可多发Q，但受转子电流的影响，只能按BC调节，此时SSN ；当功率因数较大时，可多发P，但受汽轮机额定功率的限制，只能沿CD调节，此时定、转子电流均未到额定电流，SSN 。,可见，发电机只有在额定电压、电流、功率因数下运行时，视在功率才能达额定值，其容量才能最充分利用。 当系统中无功电源不足时，可利用发电机降低功率因数运行，多发无功以提高电压

21、水平，但发电机的运行点不能超过P-Q极限图的范围。,2. 同步调相机,同步调相机实质上是只能发出无功功率的发电机。 过励磁运行时，向系统供给无功功率，起无功电源的作用；欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，起无功负荷作用。 欠励磁运行时的容量是过励磁运行容量的5060。,说明：装有自动调节励磁装置的调相机可以平滑调节无功功率的大小和方向来维持系统的电压，但由于它的有功损耗损耗大（约为额定容量的1.55%），响应速度较慢，投资大，维护量大，现已逐渐被静止无功补偿装置所取代。,3. 并联电容器（静电电容器）,并联电容器只能向系统供应感性无功功率。 它所供应的感性无功与其端电压的平方成正比，即,当系

22、统发生故障电压下将时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。因此，电容器的无功功率调节性能比较差。,优点：运行方式灵活 （既可集中使用，又可分散安装），单位容量投资较少，维护检修方便，有功功率损耗小（约为额定容量的0.30.5%）。,4. 静止无功补偿器（SVC）,静止无功补偿器由静电电容器与电抗器并联组成。 它利用电容器可发出感性无功功率，电抗器可吸收感性无功功率的特点，再配以适当的调节装置，即可成为平滑调节输出无功功率的装置。 常用的静止无功补偿器有可控饱和电抗器型、自饱和电抗器型、可控硅控制电抗器，其电路原理图如图6-8所示。 SVC的工作原理：调节电抗器的无功功率，使之随负荷的变化能

23、作相反方向的变化，以维持电网供给的无功功率恒定，从而使母线电压保持不变。,优点：能快速调节无功功率以适应动态无功补偿的需要；调节连续平滑，对系统不会引起大的波动；滤波电路可以消除高次谐波对负荷的干扰；运行维护方便，功率损耗小；对不平衡的负荷变动有较高的补偿能力，可以做到分相补偿；对冲击性负荷的适应性较强。,图6-8 静止无功补偿器 (a)可控饱和电抗器型 (b)自饱和电抗器型 (c)可控硅控制电抗器,一、无功功率负荷和无功功率损耗,无功功率负荷：主要是异步电动机。,其消耗的无功功率为,为励磁电抗消耗的无功功率,为漏抗消耗的无功功率,由电动机的无功功率电压特性曲线可知：在额定电压附近，电动机的无

24、功功率随电压的升降而增减；当电压明显低于额定值时，无功功率随电压的下降而增大。,5.2 电力系统的无功功率平衡,励磁无功损耗：,绕组漏抗中的无功损耗：,输电线路的无功损耗,并联电纳中的无功损耗：又称充电功率，与线路电压的平方成正比，呈容性。,串联电抗中的损耗：与负荷电流的平方成正比，呈感性。,无功功率损耗：,变压器的无功损耗：,三、无功功率平衡,电源供应的无功功率之和，它包括发电机的无功功率和各种无功补偿设备供给的无功功率,负荷消耗的无功功率之和，可按负荷的有功功率和功率因数计算,网络无功功率损耗之和，它包括变压器、线路电抗和线路电纳中的无功功率损耗,无功功率平衡计算的前提是系统的电压水平正常

25、。如果不能在正常电压水平下保证无功功率平衡，系统的电压质量就不能保证。 和有功功率一样，系统中的无功功率也应有一定的备用容量，否则，当负荷增大时，电压质量将无法保证。,几点说明：,为改善电压质量和降低网损，应尽量避免通过电网输送大量的无功功率。 无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。不仅要考虑总的无功功率平衡，还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路的充电功率、网损、线路改造、新变压器投运及大用户对无功平衡的影响。 应根据无功功率平衡的计算结果，确定补偿设备的容量，并按就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电电容器；大容量的配置在系统中枢点的无功补偿 则宜采用同

26、步调相机或SVC。,电力系统的电压偏移与电压管理,一、电力系统电压偏移的原因及影响,电力系统电压偏移的原因：负荷大小的改变；个别设备的检修或故障退出，造成电力网阻抗参数改变，引起电压损耗改变；电力系统接线方式的改变。 电力系统电压偏移的影响：设备的损坏，产品质量和产量的降低，系统性“电压崩溃”，造成大面积停电。 （1）异步电机发热，寿命降低。（2）电炉降低生产率。 （3）电压降低时，照明灯发光不足，影响人的视力和工作效率；电压偏高时，寿命会减短。 （4）电压降低时，功率损耗加大；电压升高时，电气设备的绝缘受到损害。,电力系统的电压偏移与电压管理,二、中枢点的电压管理,电力系统进行电压调整的目的

27、，就是要采取各种措施，使用户处的电压偏移保持在允许的范围之内。 电力系统电压的监视和调整可以通过监视、调整电压中枢点的电压而实现。 电压中枢点是指某些可以反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所的母线。,1.电压中枢点的选择,区域性水、火电厂的高压母线； 枢纽变电所大型的二次母线；,有大量地方负荷的发电厂母线； 城市直降变电所的二次母线。,2. 中枢点的调压方式,逆调压： 最大负荷时升高中枢点电压，但不超过线路额定电压的105%，最小负荷时降低中枢点电压，但不低于线路的额定电压。适用于供电线路较长、负荷变化较大的中枢点。 顺调压：最大负荷时允许中枢点电压降低，但不低于线路额定电压的102.5%

28、 ，最小负荷时允许中枢点电压升高，但不高于线路额定电压的107.5%。 适用于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点。,常调压：中枢点电压保持基本不变，一般为线路额定电压的102105， 适用于线路长度、负荷变动情况介于上述两者之间的情况。 这三种调压方式中，逆调压方式要求最高，实现较难，常调压次之，顺调压较容易。,线路额定电压,电源电压,电压降,负荷功率,线路损耗,由上式可见，调整负荷节点b的电压可以采取以下措施：,调节发电机励磁电流以改变发电机端电压 UG 进行调压 ； 选择适当变压器变比K进行调压 ； 改变输电线路的参数R和X进行调压 ； 改变无功功率Q的分布进行调压 。,由图可知：负荷节点

29、b的电压为：,一、改变发电机端电压调压,改变发电机端电压调压是一种不需耗费投资而且最直接的调压方法。 大中型同步发电机都装有自动励磁调节装置，根据运行情况调节发电机励磁电流以改变发电机端电压可以达到调压的目的。 对于不同类型的供电网络，发电机调压所起作用不同：,由孤立的发电厂不经升压直接供电的小型电力网，改变发电机端电压就可以满足荷点的电压质量要求，不必另外再增加调 压设备。,对供电线路较长、供电范围较大的多电压等级电网，由于不同运行方式下电压损耗的变化幅度太大，单靠发电机调压不能满足负荷点电压的需求。此时发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求。 对于由若干发电厂并列运行的电力系统

30、，进行电压调整的电厂需有相当充裕的无功容量储备，利用发电机调压一般不易满足要求。另外调整个别发电厂的母线电压，会引起无功功率重新分配，可能同无功功率的经济分配发生矛盾。此时发电机调压只能作为一种辅助性的调压措施。,3. 有载调压变压器,当最大、最小负荷时电压变化幅度超过了分接头的调整范围(5)，或者调压要求的变化趋势与实际的相反(例如逆调压)时，则利用普通变压器将无法满足调压要求，这时可采用有载调压变压器。 有载调压变压器的高压侧除主绕组外，还有一个可调分接头的调压绕组，它可以在带负荷情况下切换分接头，调压范围也比较大，一般在15%以上。 目前我国110kV电压级的有载调压变压器有七个分接头，调压范围为11032.5，220kV电压级的有载调压变压器有九个分接头，调压范围为22042.5。,图为具有调压绕组有载调压变压器的接线图。,用于在切换过程中限制两个分接头间的短路电流,它的主绕组上连接一个具有若干分接头的调压绕组，依靠特殊的切换装置可以带负荷改变分接头。切换装置有两个可动触头，改变分接头时，先将一个动触头移到选定的分接头上，然后再将另一个动触头移到该分接头上，这样在分接头切换过程中才不致使变压器开路。,图 有载调压变压器接线图,三、改变网络中无功功率分布进行调压,