[工学]第四章 电力系统无功功率和电压调整

第四（六）章　电力系统无功功率和电压调整主要内容:了解无功功率平衡的概念及无功功率平衡的基本要求理解系统中各无功电源的调节特性理解中枢点电压管理以及电压调整的基本原理掌握利用电容器进行补偿调压的原理与方法掌握变压器分接头进行调压时，分接头的选择计算问题1、电压偏移如何影响现代生产和生活？2、电力系统为何总存在电压偏移？允许电压偏移量？3、电力系统的电压水平取决于什么？4、控制电压的无功电源主要有哪些？分别有何特点？5、现代电力大系统的电压是如何管理的？无功平衡第一节电力系统电压偏移1.电压偏移对负荷的影响电动机、电热、照明、家用电器、系统一.调压的必要性电力设备设计：额定电压下才能有好技术经济性能异步电动机：电压低，定子电流显著增大，温升，加速绝缘老化，烧电机；电压高，破坏绝缘。电热设备：电压低，大大降低发热量。照明设备：电压低，发光不足；电压高，影响寿命。家用电器（如电视）：电压低，图像不稳定；电压高，影响显像管寿命。电子设备、精密仪器：对电压都极其敏感，要求更高，电压质量已成为现代企业投资环境的重要因素2.电压偏移对电力系统自身的影响电压低：功率损耗、电能损耗增大，危及电力系统运行稳定性电压高：破坏设备绝缘、超高压网络电晕损耗二、电力系统允许的电压偏移负荷随机变化系统运行方式经常变化不可能严格保证所有节点任何时刻都为额定电压，电压偏移不可避免，需合理规定允许的偏移范围。电压损耗随机变化电网额定电压电压允许偏移35kV及以上±5%10kV及以下±7%低压照明+5%~-10%农村照明+7.5%~-10%事故时再加5%，正偏移不能超过10%如何使电压偏移在合理的范围内？首先要解决的问题是：电力系统的电压水平取决于什么？三.电压水平的确定　　　负荷的无功——电压静态特性电压水平的确定系统的无功——电压静态特性电压水平到底取决于什么负荷无功负荷无功—电压静态特性（曲线族）系统无功系统无功—电压静态特性（曲线族）结论：无功平衡水平决定电压水平，实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件，即要求无功电源充足。第二节　电力系统中无功功率的平衡一.无功功率负荷和无功功率损耗１.无功负荷：　　　　以滞后功率因数运行的用电设备（主要是异步电动机）所吸收的无功部分。一般综合负荷的功率因数为0.6~0.9各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功率。因此，无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行，其值约为0.6~0.9，其中，较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合。负荷取用的无功约为其有功的0.5～1.3。无论是电力系统的运行或设计部门，一般都不编制无功功率负荷曲线而只编制无功功率平衡或各枢纽点电压曲线。而且，这些表格或曲线也只是隔一段时间制作一次。对无功功率管理之所以与对有功功率不同，原因仍在于无功功率与有功功率本身性质的不同。２.电力系统中的无功损耗：（1）线路消耗QL（感性）提供QC（充电功率）电力线路上的无功功率损耗电力线路上的无功功率损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的这种损耗又称充电功率，与线路电压的平方成正比，呈容性。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。消耗QL消耗QC（2）变压器消耗QL变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流I0的百分值，约为1％~2％；绕组漏抗中损耗。在变压器满载时，基本上等于短路电压Uk的百分值，约为10％。但对多电压级网络。变压器中的无功功率损耗就相当可观。以一个五级变压的网络为例：由此可见，系统中变压器的无功功率损耗占相当大比例，较有功功率损耗大得多。二.无功功率电源１.发电机发电机是目前唯一的有功电源，又是基本的无功电源功率因数一般为0.85～0.9，额定无功约为其有功的0.5～0.6发电机在正常运行时，其定子和转子电流都不应超过额定值。在额定状态下，发电机容量得到最充分的利用。发QG的能力与同时发出PG有关,由发电机的PQ极限曲线决定定子绕组温升约束励磁绕组温升约束原动机功率约束其它约束PQ极限曲线２.并联电容器电容器可按三角形和星形接法并联接在变电所母线上，只能提供无功功率，不能吸收无功功率。优点：组合灵活，可分散、集中，可分相补偿；投资少、有功损耗少(额定容量的0.3~0.5%)缺点：电压下降时急剧下降,不利于电压稳定可将电容器同可控电抗器并联使用（静止补偿器），可按负荷变化调节输出无功功率的大小和方向。国外已广泛使用，我国也开始试用。系统中有备用有功电源时,可将负荷中心的发电机降低功率因数运行，少发有功、多发无功,有利于无功的局部平衡，提高系统电压水平。3.同步调相机同步调相机是特殊状态下的同步电机可视为不发PG的同步电机或不带PD的同步电机过激运行时发出QC（无功电源)欠激运行时吸收QC（无功负荷）调相机实质上是只能发无功功率的发电机。它在过激运行时向系统供应感性无功功率，欠激运行时从系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为过激运行时容量的50%。这些也就是作为无功功率电源的调相机的运行极限。优点：调节平滑、系统故障时也能调、可作无功负荷。缺点：损耗大(额定容量的1.5~5%)，投资大、维护量大。4.静止补偿器静止无功补偿器优点:调节能力强，反应速度快，特性平滑,可分相补偿,维护简单,损耗小。缺点:最大补偿量正比于电压平方,电压低时补偿量小；谐波对电力系统产生污染。5.并联电抗器（消耗无功）　对高压远距离输电线路而言，它有提高输送能力，降低过电压等作用．三.无功功率的平衡规划设计：运行中：电源负荷损耗备用设备无功补偿：设置除发电机以外的无功电源以满足　　　　　　　　　系统电压要求原因：实际的负荷功率因数低（０.７左右），而发电机的高（０.８～０.９）网损中无功损耗＞有功损耗无功功率不能远距离输送所以：就地进行补偿，另装无功电源无功平衡要求：　全系统平衡(运行、规划设计)　局部地区基本平衡、避免无功远距离输送。现代电力系统的电压是如何管理和控制的？负荷节点：现代大型电力系统中符合节点数多且分散，不可能对所有负荷节点的电压进行监视和控制。我们该怎么办？一.中枢点电压管理电压中枢点就是那些反映系统电压水平的主要发电厂的高压母线、枢纽变电所低压母线或有大量地方负荷的发电机母线。第二节电力系统的电压管理中枢点:大型发电厂的高压母线、大型变电所的二次母线、有大量地方负荷的发电厂母线、城市直降变电所二次母线1、中枢点的电压偏移中枢点电压和所代表的负荷电压的关系？根据负荷对电压的要求，任何时刻应满足：认为：只要控制好中枢点电压，其它母线的电压就能满足要求。问题是：中枢点是否能真正具有代表性？需综合考虑A、B对电压中枢点O点的要求。要同时满足两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变动范围减小。在实际电力系统中，由同一中枢点供电的负荷可能很多，且中枢点到负荷处线路上的电压损耗的大小和变化规律的差别可能很大，完全可能出现在某些时段内，中枢点电压取任何值均不能满足要求，这时须采取其他（如在负荷处进行无功补偿，改变变压器变比等）。因为很多负荷都由这些中枢点供电,并且中枢点至各负荷点在最大最小负荷时电压损耗之差不能大于负荷点允许上下限电压之差,所以如能控制住这些点的电压偏移就能控制系统中大部分负荷的电压偏移.问题1.中枢点电压的控制方式有哪些？2.电力系统电压控制主要措施有哪些？3.如何利用发电机进行电压控制？4.如何利用变压器变比进行电压控制？5.如何利用电容器进行电压控制？6.如何利用调相机进行电压控制？2、中枢点电压的调压（控制）方式（原则）逆调压（难）：对于供电线路较长，各负荷的变化规律大致相同，且负荷波动较大的网络，考虑在最大负荷时线路上的电压损耗增加，这时适当提高中枢点电压，比线路UN高5％（即1.05UN）以补偿增大的电压损耗；最小负荷时线路上电压损耗减小，降低中枢点电压为UN。顺调压（易）：负荷变动小，供电线路不长，在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内，最大负荷时电压可以低一些，但≥1.025UN，最小负荷时电压可以高一些，但≤1.075UN。常调压（恒调压）：负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电压维持在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内（如1.025UN~1.05UN），就可保证各负荷点的电压质量。这种在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变的调压方式。（3）调整电压的基本原理使Ub变化的措施：　1．调整UG；　2．调整变比K1、K2；3．改变功率分布(以Q为主)；4．改变网络参数R+jX(以X为主);怎么实现？要求对负荷点b的电压进行调整可能有几种控制措施？一、借改变发电机端电压调整通过自动励磁调节装置→If→Eq→UG，不需另增设备，简便可行且经济。由发电机不经升压直接供电的地方负荷，实行逆调压。第三节电力系统的几种调压措施两个问题:①对于较长线路、多电压级输电,此时仅靠调节发电机不能满足要求②多机系统中,与无功备用、无功的经济分配有矛盾。①适用于小系统、线路不长；②易于实现逆调压③此调压仅作辅助措施结论：发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满足负荷对电压质量的要求(If≤IfN），这时需借助其他措施。二、借改变变压器变比调压双绕组变压器的高压绕组和三绕组的高、中压绕组有若干分接头可供选择，如有UN±5％、UN±2×2.5％或UN±4×2％。其中对应于UN的分接头常称主接头或主抽头。合理选择变压器的分接头也可调压。分接头通常设在高压或中/高压绕组侧，如：110±2×2.5%/10.5kV，主接头？分接头几个？变比分别是多少？110（1+2.5%/10.5kV如何选择分接头？1.对于双绕组降压变压器i(1)分接头电压的计算及选择UIZTP+jQUtI/UtiUi普通变压器在运行中不能倒换接头，只有停运时才能调整，因此，必须在投运前选择好合适的接头以满足各种负荷要求。为使最大、最小负荷两种情况下变电所低压母线实际电压偏离要求的U’imax，U’imin大体相等，分接头电压应取UtImax，UtImin的平均值。根据UtI选择一最接近的分接头，再按选定的分接头校验低压母线上的实际电压能否满足要求。(2)分接头电压的校验　　误差应小于半个分接头电压。　如不合格,一是改变UtI；二是采用两个分接头——带负荷调分接头(一般用于逆调压)2.对于双绕组升压变压器g(1)分接头电压的计算及选择(2)分接头电压的校验对于三绕组变压器三绕组变压器除高压绕组有抽头外，一般中压绕组也具有抽头可供选择。对高、中压绕组都具有抽头的三绕组变压器，各绕组接头电压的确定仍按上述双绕组变压器的方法分两步进行。首先。根据低压母线的调压要求在高—低压绕组之间进行计算，选取高压绕组的接头电压即变比UtH/UNL；然后根据中压的调压要求及选取的高压绕组接头电压UtH，在高—中压绕组之间进行计算，选取中压绕组的接头电压UtM。确定的变比即为UtH/UtM/UtL。有载调压变压器如果选定的分接头不能兼顾不同负荷水平，则需要有载调压变压器（工作原理，在不同负荷下，可不停电选不同分接头，而且调节范围比较大，一般在15%）在切换过程中限制两个分接头间的短路电流加压调压变压器依电源变、串联变的不同接法，功能有所不同，可具有复数变比，有：纵向调压、横向调压、混合型调压3中加压调压变压器例：发电厂装有两台容量为31.5MVA、额定变比为121/10.5kV的变压器。由变压器输出的最大负荷为50+j40MVA、最小负荷为25+j15MVA。要求高压母线电压UH维持116kV恒定不变，且发电机母线须实行逆调压(Umax为1.05UN，及Umin为1.0UN)以满足地方负荷电压的要求。并联运行变压器归算至高压侧的等值阻抗为1.47+j24.4Ω。试确定变压器的变比。解：变压器的电压损耗（忽略电压降落横分量）最大负荷时：最小负荷时：根据发电机母线逆调压要求，该母线期望电压U'dmax=1.05UN=1.05×10=10.5kV，U'dmin=1.0UN=1.0×10=10kV选取最接近的接头电压121(1+2.5%)=124.02kV校验：对网络额定电压的偏移：对网络额定电压的偏移：因接头电压之间的距离为2.5％，计算电压偏移和要求的电压偏移相差不超过±1.25％是允许的。从计算结果看出，所确定的变比124.02/10.5满足要求。强调：不要死记公式，中学物、数解题的基本思路即可，记住了当然更好，做作业的时候直接套用书上的公式，而是从头直接去推导所需要的公式，从基本概念出发，如高中的数学我们都只记基本的定理和推理，从来不记太多的具体结论。三.改变网络中无功功率分布调压（借补偿设备调压）当无功电源不足时，就不能单靠改变变压器的变比来调压。无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。合理的配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的电压质量各种补偿设备的调压方式补偿设备容量的计算简化简化补偿设备容量的计算实践中进行简化最小补偿设备容量的确定按调压要求，在确定这些补偿设备容量时，须先确定变压器变比。选择补偿容量的基本原则：在满足各种运行方式下的调压要求下，与其它调压方式配合，使补偿容量最小。（1）补偿设备为静电电容器通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时全部退出。并联电容器确定其容量分二步：一步：在Smin时，全部切除，确定变压器分接头；根据UtJmin选择一最接近的分接头UtJ二步：在Smax时，全部投入，确定电容器容量。最后：校验实际电压是否满足要求（2）补偿设备为同步调相机调相机的特点是既能过励磁运行，又能欠励磁运行。如果调相机在最大负荷时按额定容量过励磁运行，在最小负荷按（0.5～0.65）额定容量欠励磁运行，那么，调相机的容量将得到最充分的利用。变压器变比的选择应兼顾这两种情况调相机在Smax时，过激运行，发无功，确定QCN；在Smin时，欠激运行，吸无功，确定QLN=(0.5~0.6)QCN。在Smax时，满发QCN：在Smin时，吸QLN=(0.5~0.6)QCN：做无功电源！为无功负荷！利用无功功率补偿调压（1）电压损耗△V＝（PR＋QX）/V中包含两个分量：一个是有功负荷及电阻产生的PR/V分量；另一个是无功负荷及电抗产生的QX/V分量。利用无功补偿调压的效果与网络性质及符合情况有关（2）在低压电网中，△V中有功功率引起的PR/V分量所占的比重大；在高压电网中，△V中无功功率引起的QX/V分量所占比重大。在这种情况下，减少输送无功功率可以产生比较显著的调压效果。反之，对截面不大的架空线路和所有电缆线路，用这种方法调压就不合适。求出k，规格化，然后求QCN，再规格化后校验。（4）改变线路电抗参数（串联电容器）在线路上串联接入静电电容器，利用电容器的容抗补偿线路的感抗，使电压损耗中QX/V分量减小，从而可提高线路末端电压适用范围:　　　用于电压波动频繁、功率因数低的场合说明:(1)在考虑各种调压措施时，要兼顾经济性等要求。在高压线路中，串补还是提高稳定性的措施之一。(2)在离需要调整电压的中枢点附近的调压设备的调节效应好。一般分散调节，在此基础上集中控制。未串联电容器时的电压损耗串联电容器后补偿度①为减少同样大小的电压损耗，需设置的串联电容器容量仅为并联电容器容量的17~25%串联电容器具有负值的电压降落，起直接抵偿电力线路电压降落的作用；而并联电容器借减少电力线路上流通的无功功率减少线路电压降落。串联电容器适用于电压波动频繁的场合，并联电容器则不适用。②串补带来的特殊问题：串补的过电压保护，继电保护的复杂化，投入有饱和铁芯设备的次谐波振荡，异步电动机的自励磁等问题。③运用，110kV以下电压等级，长度特别大，或有冲击负荷的架空线路上例题:简单系统接线如下图所示.降压变电所低压侧母线要求常调压,保持10.5kv.试确定下列无功补偿设备时的设备容量：(１)补偿设备采用电容器;(2)补偿设备采用调相机解法解:设置补偿前,最大负荷时变电所低压侧归算至高压侧的电压为最小负荷时为1补偿设备采用电容器时按常调压要求确定最小负荷时补偿设备全部退出运行条件下应选用的分接头电压:选用110+2.5﹪即112.75kv的分节头，按最大负荷时的调压要求确定验算电压偏移:最大负荷时补偿设备全部投入低压母线实际电压为最小负荷时补偿设备全部退出,已知可得低压侧实际电压为最大负荷时电压偏移为最小负荷时电压偏移为可见选择的电容器容量能满足常调压的要求．2．补偿设备采用调相机时首先确定应选用的变比解得k=9.91，从而选用主接头110kv，按最大负荷时调压要求确定QC选用容量为7.5MVA的调相机.验算电压偏移:最大负荷时调相机过激满载运行,输出7.5Mvar感性无功功率低压侧实际电压为最小负荷时,调相机欠激满载运行,吸取3.75Mvar感性无功功率低压母线实际电压为最大负荷时的电压偏移为最小负荷时电压偏移为可见选用的调相机容量是恰当的.最小负荷时适当减小吸取的无功功率就可使低压母线电压达到10.5kv.换言之,选用的调相机容量还有一定的裕度.返回阻抗为R+jX=13.5+j12（Ω）的35kV电力线路，输送功率4MW，功率因数0.7，装设串联电容器前线路末端电压为30.4kV，要求借串联电容器将其提高为32kV。试求（1）串联电容器组的容量；（2）为达到同样的调压要求所需设置的并联电容器容量，并比较两种补偿的功率损耗。第四节电力线路导线截面的选择一、按经济电流密度选择导线经济电流密度的概念（电能损耗、线路投资）1、电力网年运行费（为维护电力网正常运行每年所付出的费用，以及网络中电能损失的折价）（1）设备折旧费Md1（2）设备的小修费和维护管理费Md2（3）电能损耗费（网损费MR和电晕损耗费MA）2、经济电流密度Jj与τmax也即Tmax有关（见表6-3）3、按经济电流密度选择导线截面二、按机械强度的要求选择导线最小容许截面见表6-4三、按导线的长期发热条件选择见表6-5四、按电晕临界电压选择见表6-6五、按容许电压损耗选择导线截面电压损耗分成两个部分假定沿线导线截面相同，且型号相同R1+jX1R2+jX2Rn+jXnRn-1+jXn-1六、选择导线截面基本方法的应用1.工厂电力网输电距离短，电压损耗不严重。持续容许电流（电缆）或经济电流密度（导线）2.中、低压配电网：年最大负荷利用小时数小电力线路长：容许的电压损耗电力线路段：持续容许电流3.农村电网：电力线路较长，容许的电压损耗4.区域电力网：输送距离远，输送功率大，年最大负荷利用小时数大小结1、基本概念：①Q与V的关键、无功消耗元件及其特性，功发出元件及及其特性、无功功率平衡、中枢点、中枢点调压方式。(逆，顺，恒)②并补的适用场合。③串补的适用场合。2、基本计算：①中枢点电压选择。②无功功率平衡计算③变压器抽头选择④并联电容补偿容量与变压器抽头的联合选择。⑤串补偿量选择。