无功电压优化.ppt

1、张东院 积成电子股份有限公司 电网自动化事业部 2020年10月8日星期四,电网无功电压优化,什么是无功功率?,具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容的电场在一个周期内的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源。在整个周期内平均功率为零，也就是没有能量消耗。但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的。能量交换率的瞬时最大值叫做无功功率。,系统中无功功率不足（经验值120%-150%），开始时电压缓慢下降，由于电网中异步电动机占绝对比重，电压下降引起电磁力矩减小，滑差变大，从而引起无功功率的进一步增大。 电压大幅下降 大批电动机停转 发生电压崩溃 系统瓦解,无功功率不足引发的

2、问题,无功补偿的意义,发电厂的发电机需要增加无功出力，如容量不足时需要增加调相机，变电站需要安装无功补偿装置。 这些向用户输送的无功功率不仅造成了电能的损耗，还占用了线路、变压器的容量。 输送无功造成电压损失，必须进行电压调节。,无功功率的调节,对于无功问题可以和有功问题相比较 有功功率调节有：调频、调峰、备用容量（保证频率质量），低频减载（防止频率崩溃）。 无功功率调节有：调压、备用容量（保证电压质量），低压减载（防止电压崩溃）。 有功损耗10%，无功损耗一般可以达到50%，控制的好可以达到30% 频率和电压区别： 频率是全网统一的，电网中任何一点的有功出力或者有功负荷都对频率产生影响 电压

3、是区域性的，各点的无功出力或无功负荷对电压的影响都是就地的，因而必须分层，分区，就地平衡，平衡度高，电压水平就高，平衡度低，电压水平就低。,交流电感电路,交流电容电路,复合电路(一),复合电路(二),无功负荷,感应电动机（65%） 变压器（20%） 同步电机 感应电炉与电弧炉 电焊机与电焊变压器 （15%） 其他（整流设备等）,负荷的无功电压静态特性,异步电动机静态特性,输电线路或电容器的静态特性,无功电源,发电机的无功出力 发电厂调相机 变电站的电容器/电抗器 变电站调相机 输电线路的充电功率 静止补偿器,无功备用容量为最大无功负荷的7%-8%,无功功率出力必须大于有功功率出力的120%-1

4、50%，系统才能维持正常运行。,发电机的无功电压静态特性,无功调节原则,电力系统安全稳定导则（2001版）： 2.3无功平衡及补偿 2.3.1 无功功率电源的安排应有规划，并留有适当裕度，以保证系统各中枢点的电压在正常和事故后均能满足规定的要求。 2.3.2电网的无功补偿应以分层分区和就地平衡为原则，并应随负荷（或电压）变化进行调整，避免经长距离线路或多级变压器传送无功功率， 330kV及以上等级线路的充电功率应基本上予以补偿。,为什么不能长距离传输无功？,如果线路两端电压相角相差比较大，即使两端电压幅值再大，也不可能通过线路传输无功。 减少线路的有功和无功损耗，保证经济运行。 减小由于甩负荷

5、造成的线路短时过电压，其中最严重的就是突然打开线路受端开关，而送端还处于激励状态。 占用设备容量。,假设线路是无损耗的。有功和无功的传输取决于线路两端的电压幅值 和相角。其中可计算受电端有：,同样送电端有：,可以观察到最大的传输功率发生在=900。对于典型的功率传输和功率角，当很小时有Sin，可近似写作PPMAX 。因此，我们常说有功传输主要取决于功率角度。如果V1=V2，这时两端发电机同时担任传输有功功率时所需用的无功功率。当很小时有Cos1，,因此，我们说无功传输主要联决于电压幅值,以上结论对于重载线路将不适用！,假设输电线路送端电压VS等于1.0Pu，受端电压VR等于0.9Pu,两端相角

6、差300,则,线路两端有10%的压降，但是在受端却没有无功功率流出，线路成了消耗无功功率的元件。,线路的功率损耗,为使线路的功率损耗最小，必须使线路传输的无功功率最小，同时还要保持高的电压水平。,打开线路末端开关时，与电压V同相位的电压增量和传输的无功功率有关，开关打开后，线路电流为零，线路各处电压均等于ES,线路的短时过电压在很大程度上取决于无功传输的大小。,无功调节手段,发电机励磁 电容器/电抗器 变压器分接头,总体平衡与局部平衡相结合； 电力补偿与用户补偿相结合； 分散补偿与集中补偿相结合； 降损与调压相结合，以降损为主。 无功补偿应尽量分层(按电压等级)和分区(按地区)补偿，就地平衡，

7、避免无功电力长途输送与越级传输。,发电机励磁调节,发电机的外特性 发电机的调节特性,转速= 额定值 励磁电流=C 功率因数 =C,发电机外特性,发电机调整特性,转速 = 额定值 机端电压=额定值 功率因数 =C,励磁电流减小,电动势E0就相应的减小,极限功率也相应减小,当励磁电流减小到一定程度时,功率极限达到原动机的功率,此时功角等于900,工作点移到功角特性的临界点,稍有外来干扰,发电机就会失去静态稳定。,当 与U同相，即 =1。此时发电 机向电网输出的全部功率都是有功功率， 无功功率为零，此时的电枢电流为最小值， 所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流， 此时组成的是一个直角三角形。,发电机

8、励磁调节,增加励磁电流，则空载电动势E0相应增加，看图可见，电枢电流由, 电动势变化到E02，此时整个系统出现了无功电流，并且是滞后，即此时发电机将向外输出滞后性的无功功率，整个状态我们称之为过励磁。,发电机励磁调节,减小励磁电流，则电动势亦减小（在正常励磁电流对应的情况下），由图可见，此时电流超前，即向外输出超前性质的无功功率的电流，整个状态我们称之为欠励磁。,发电机励磁调节,调节发电机的励磁电流可以有效的实现对无功功率的调节。,并联在无穷大电网上，不论输入机械功率、励磁电流和负载如何变化，则输出电压保持为额定电压。 与大电网并联时，负载由电网供给，发电机担负的有功由其原动机的功率大小决定；

9、担负的无功功率决定于发电机的励磁电流，过激时功率因数滞后，欠激时超前。,发电机无功调节,发电机无功调节,发电机无功调节,发电机无功调节,有载变压器调节,配变变压器。 影响负荷的动态特性 高/中压变压器。 联络变压器,超高压/高压变压器。 发电机升压变。 影响网络特性，LTC的电压控制作用是缩短电源和负荷的电气距离。,变压器分接头调节,有效的缩短电源和负荷之间的电气距离。分接头上调后电压升高，用户设备无功损耗增加，因而无功增加，分接头下调后电压下降，同时用户无功损耗减少，无功减少。,变压器分接头调节,改变LTC变压器的分接头是调压的一种手段，但是只是在系统有充足无功的前提下，分头调节不能改变无功

10、的平衡状态，如果系统无功缺额很大，但是又要保证低压母线的电压而调节分接头，势必将无功缺额转嫁到高压网中，使主网电压严重下降。 高压网电压高于0.95Pu时,功率因数优先，高峰时一般功因95%，低谷时98%,先调功率因数，然后再调分头。主网电压0.95Pu时，停止调节分头，投入电容器。,并联补偿电容器调节,电路的总电流减小，总功率因数提高，视在功率减小。 感性支路的功率因数不变，电流不变。 电路的总有功功率不变。,并联补偿电容的计算,并联补偿电容的补偿原则,个别补偿 针对单独的用电设备，就地补偿，避免无负荷时的过补偿，容量一般为电动机的30%,变压器视在功率的5%-8%。 集中补偿 集中安装在变

11、电站的一次或者二次母线上，负荷较轻时有可能造成过补偿，需要无功自动控制装置配合，电容器操作较频繁。 分散补偿 安装在车间配电室或者变电站出线上，10kV线路安装在线路末端的1/3处，容量不超过150kVar.,国内无功优化现状,分区控制 安装在主站或者站端，根据预先定义的控制规则进行控制，无法实现优化控制和协调控制。 局部优化控制 以保证电压、功率因数合格为目标，兼顾优化调节，减少电网损耗。 全网协调控制 协调省调、地调、电厂、500kV变电站进行全网优化控制。,国内无功优化现状（分区控制）,1区：电压超下限，无功负荷超上限。设定电容器投入或电抗器切除容量，并发出电容器投入或电抗器切除指令，当

12、无功合格后，电压仍低于U下时，发出升机端电压的指令，若机端电压升至上限后，电压仍低于U下，则发出变压器分接头升压调节指令。,国内无功优化现状（分区控制）,2区：电压合格，无功超上限。发出电容器投入指令。 3区：电压超上限，无功超上限。发出降低机端电压的指令，若机端电压调至下限后，仍运行在该区，则发出变压器分接头降压调节指令，电压合格后，或无功负荷仍越上限，则发出投电容器指令。,国内无功优化现状（分区控制）,4区：电压超上限，无功合格。发出降低机端电压的指令，若机端电压调至下限后，仍运行在该区，则发出变压器分接头降压调节指令。 5区：电压超上限，无功超下限。发出电容器切除或投电抗器指令，当无功指

13、标合格后，电压仍高于U上时，再发出降机端电压指令，若还不能满足要求，则发出变压器分接头降压调节指令。,国内无功优化现状（分区控制）,6区：电压合格，无功超下限。发出电容器切除或电抗器投入指令。 7区：电压超下限，无功超下限。发出升机端电压指令，若机端电压升至上限后，电压仍不满足要求，则发出变压器分接头升压调节指令，当电压合格后，若无功仍越下限，再发出电容器切除或电抗器投入指令。,国内无功优化现状（分区控制）,8区：电压超下限，无功合格。发出升机端电压指令，若机端电压升至上限后，电压仍不满足要求，则发出变压器分接头升压调节指令。 9区：电压、无功均合格。维持该运行点，不发调整指令。,国内无功优化

14、现状（优化控制）,灵敏度法。 根据控制变量和状态变量之间的灵敏关系，选择调整设备并计算调整量，计算迅速，不能达到最优。 整数规划法。 二次规划方法。 内点法。 遗传算法。 模拟退火算法。 禁忌搜索算法。,灵敏度法 动态分区。 计算调节设备对各个状态的灵敏度。 采用潮流计算算法，分布式计算。 结合负荷预报进行预控制，实现逆调压。 协调上下级厂站实现较优控制。 收敛性好，计算速度快。 基于动态分区的灵敏度计算，计算规模不会随着电网规模的增加呈现指数性增长。,国内无功优化现状（优化控制）,国内无功优化现状（优化控制）,二次规划法 以网损最小为目标，使用等式和不等式约束。,国内无功优化现状（全局协调控

15、制）,一级控制通常是快速反应的闭环控制，由控制速度快(30秒)的发电厂组成，主要用来控制全网的电压水平和实现电压的快速校正控制； 二级控制由地区AVC系统组成，保证地区电压质量和降低网损，同时协调省局AVC系统进行全网的无功电压控制。根据功率因数的考核进行并联补偿设备的控制，保证省局主力电厂有足够的无功备用来控制全网的电压水平和提高电压的稳定性；响应时间为分钟级； 三级控制由省调度中心的AVC系统组成，协调、优化二次控制系统，指导值班人员的干预，除安全监视及控制外，经济问题主要在三级控制中考虑，并要求按控制安全和经济运行原则优化运行状态。,由电厂组成的一级控制利用快速和安全的控制来保证全网的优

16、化电压水平，使高压输电网近似在优化状态运行。 地区AVC作为二级控制不但要提高地区电压水平和降低网损，同时通过控制功率因数保证一级控制有足够的备用容量保证全网的电压优化控制和电压稳定。 三级控制通过全网的优化进行总体的协调控制，通过控制500KV主变分接头保证220KV和500KV的总体电压水平，通过投切35KV并联电容器和电抗器来保证220KV和500KV无功的分层平衡，通过对二级控制下发功率因数指标保证一级控制的顺利实施。,省局AVC系统和地区AVC系统之间的数据交换 地区AVC系统将本地区无功电压控制设备的运行状态（包括220KV电容/抗器的投运状态，220KV主变分接头位置）、统计数据

17、（包括并联补偿的总容量、可投切容量、地区网供功率因数、各关口变电站功率因数等）发送到省局AVC系统。 省局AVC系统下发各地区网供功率因数考核范围或指标或各220KV关口（主变高压侧）功率因数控制范围或指标。,地区AVC系统和地区集控中心之间的数据交换： 将省局AVC系统下发的相关功率因数考核范围或指标发送到地区集控中心，供监视、考核、统计。 将地区AVC系统的控制指令下发到地区集控中心执行。 地区AVC系统和无人值守变电站的监控： 地区AVC系统可通过调度主站向无人职守变电站下发遥控、遥调指令，控制并联补偿设备的投切和变压器分接头的升降,省调度中心AVC山东省调,省调度中心AVC山东省调,省

18、调度中心AVC山东省调,福建中调,福建中调,福建中调,什么是电压稳定？,电力系统电压稳定是指系统在受到扰动后在系统特性和负荷特性共同作用下，维持负荷点电压运行在平衡点附近的能力。 电压稳定是系统维持电压在可接受的范围内的能力。 所谓维持电压的能力就是电压的可控性：即当向负荷节点注入无功时电压应该升高，反之为电压失稳。,系统工作点强壮时（无功充沛，线路传输功率较轻），负荷特性影响不大。但出现连续故障，系统处于较薄弱的情况，电压是否失稳至崩溃，负荷特性将起决定作用 。,关于电压稳定与功角稳定的关系,电压和角度两者本质上密不可分，但在机电暂态过程中电压不是状态变量，所以电压问题可能是局部问题，也可能

19、是全局问题，在不同情况下有不同的表现： 在无穷大电源通过长距离重载线路向局部负荷中心供电的情况下，有可能出现仅表现为电压急剧下降、功角变化不大的电压崩溃； 当大量动态、非线性负荷（如恒温负荷和空调负荷）快速增长造成全网 电压持续下降（这时并无故障，有载调压变压器起推波助澜的作用），引起输电线路逐次退出运行和振荡解列的严重后果，这是准稳态电压问题引起的功角失稳； 故障引起的功角摆开和电压下降，这种情况电压和功角必须一起考虑， 这时难以区分到底是功角的变化引起电压问题，还是电压问题引起功角问题。 以上3种情况表明，不同问题可以用不同方法、从不同角度去研究。,电压失稳是否就是电压崩溃？,电压不稳定是

20、一种状态，即系统运行在不稳定平衡点（由于负荷的变化，原来的平衡点变为不平衡）。 电压不稳定是指电压连续下降的过程。它可以有两种不同的结果：通过控制、或电压增高的小干扰，过渡到新的稳定平衡点；或导致电压崩溃。 电压不稳定这种状态不存在，不是电压稳定就是电压崩溃。 电压崩溃：“电压崩溃是指电力系统负荷点电压失去稳定后急剧下降的结果（也有一说为急剧下降的过程)。”,电压失稳的因素,电压失稳受负荷特性、电源参数和线路传输能力的限制，具体地说包括有载调压变压器、发电机励磁极限、发电机及线路保护和负荷动态。 系统特性是基本条件，在系统电压较高的情况下，一般不会有问题，但当输电网受端无功过补偿时，当电压比较

21、高的时候就有可能出现电压崩溃。在系统无功较缺乏和系统联系较弱时，负荷特性是关键，电压失稳主要受负荷状态变量的影响。,无功功率对电压稳定的影响,无功功率不是电压失稳的唯一根源,传输有功功率仍然是电力系统的主要功能，而无功功率的传输和消耗也是的电力系统的不可缺少的一部分 。在交流电力系统中，无功功率使得问题变得更复杂。,如果需求的Po 大于Pmax , 负荷电阻会下降比R更小，电压失稳就会产生。,电压崩溃,如果负荷节点电压跌落严重，感应电动机吸收的无功将会上升，将可能导致电压崩溃，除非保护、自动装置将这些电动机负荷跳开，故障切除后，如果某些电动机不能再加速启动，将趋于堵转，并导致相邻的电动机堵转，

22、在仿真研究中，负荷必须使用动态模型，此外电容器的特性会加重此类问题。 电压衰减呈非周期性单调下降，比频率衰减速度要快，因为电压衰减对于电压灵敏性负荷有较大影响，延缓了低频减载装置的动作，此外电压的降低导致了一些低频保护继电器无法正常启动，因此采用低压减载装置十分必要。,负荷模型对电压稳定的影响,负荷电压特性的描述有恒定阻抗静态负荷、恒定电流负荷、与恒功率负荷。在潮流计算过程中负荷均是以SPjQ的形式出现，实际上代表节点的注入功率。这三种负荷模型受电压的影响不同，恒定阻抗模型的SPjQ与电压的平方成正比，恒功率负荷模型的SPjQ与电压无关。是还有一种恒定电流模型，它的SPjQ与电压成正比。这三种模型只能在潮流计算的范围适用，而且电压的变动范围很小，只能在0.851.1Pu范围。,无功功率对电压稳定的影响,在研究电压稳定性时，以上三种模型均不适用。取而代之的是负荷的动态电压特性模型 其中： ，、代表有功功率的恒阻抗、横电流、恒功率百分比； 、 、 代表无功功率的恒阻抗、恒电流、恒功率百分比；、