电力系统的无功功率和电压调整资料PPT课件

1、无功和电压管理的目的：保证电压质量，降低有功损耗无功和电压的管理方法电压波动限制电压调整电压调整手段手段方式方式目标目标条件条件条件手段计算方法计算方法可预见性的电压变动发电机、变压器、无功补偿设备中枢点电压满足要求逆调压、顺调压、常调压随机冲击性的电压波动变压器、无功补偿设备接大系统并联电容器并联调相机并联饱和电抗器无功平衡与优化第1页/共66页 有功电源：只有发电机组，单一性。无功电源：发电机组，无功补偿装置（电容器组、电抗器组、调相机、静止补偿器等）（变电站），多样性。 有功电源供应有功功率和电能需要消耗一次能源。无功电源不消耗一次能源。 全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只

2、有调整原动机功率一种。电压水平则全系统各点不同，而且电压调整可分散进行，调压手段也多种多样。 电压无功调整的基本原则电压无功调整的基本原则：分层分区分层分区调整与无功的就地平衡调整与无功的就地平衡 电网中，无功损耗远大于有功损耗无功损耗远大于有功损耗。 第2页/共66页无功损耗远大于有功损耗222PQPRU222PQQXUPQRX第3页/共66页 基本概念常用的无功电源有哪几类？各自有何主要特点（范围、控制方式、与电压的关系、单位投资、维护费用、反应速度）？- -无功补偿的作用第4页/共66页6.1.1 6.1.1 无功负荷和无功损耗无功负荷和无功损耗无功负荷无功负荷 照明、电热，消耗感性无功

3、QL小。 同步电动机，有励磁绕组，通过励磁电流的调节，可以调节其输出无功的大小。过激运行，发QL ；欠激运行，吸收QL 。在综合负荷中比例小。 异步电动机，消耗QL ，在综合负荷中比例很大。 综合负荷功率因素，0.60.9，滞后（感性无功）第5页/共66页6.1.1 6.1.1 无功负荷和无功损耗无功负荷和无功损耗无功损耗无功损耗1 22220 =0 0 LLLNLLPQj QjXUj QjblUSQQQSS 线路电抗消耗的感性无功 线路对地电容消耗的容性无功线路传输功率自然功率自然功率自然功率01001002kNTZTNTYTNTU %SSQ()SI %Q =S绕组：激磁: 线线路路变变压压

4、器器感感性性无无功功12%10%单个单个7%额定负载额定负载五级变压五级变压50%多电压级网络，变压器的无功损耗很大，远大于有功损耗多电压级网络，变压器的无功损耗很大，远大于有功损耗第6页/共66页公式解释：1002kNTZTNTU %SSQ()S变压器漏抗2100kTNU %UXS对应什么磁场？有什么作用？漏抗上消耗的无功23ZTTQXI2()33ZTTNNQSXU第7页/共66页 发电机与并联电容器 并联电抗器与调相机 静止无功补偿器（SVC）Static Var Compensator 静止调相机（STATCON）Static Condenser 电容器、调相机、静止补偿器的比较 见书P

5、age-223第8页/共66页 发电机：通过改变励磁电流，可连续调节无功，且可吸可发感性无功，不需额外投资。 PSNQNPNQ0,发QLl并联电容器： QCBCU2 ， 输出无功与电压有关，电压越高，输出无功越大，不利于无功调节；只发感性无功，投资小，经济性好。不可连续调节，不能过载，可以组成滤波器减少母线电压畸变，不能限制工频过电压，存在合闸涌流和操作过电压的问题，无噪音第9页/共66页并联电容器若干问题（补充）1合闸涌流2操作过电压3谐振的危险4接线形式的选择 (1)避免传输无功5容量的确定 （2）抬高电压 6配套设备的选择7弱点（输出和电压成正比，容易受高频电流影响,需要考虑电网处的背景

6、谐波）Eg：异步电动机的无功补偿第10页/共66页并联电抗器与调相机 并联电抗器：输出无功与电压有关，只发容性无功，用于超高压、长距离、轻载线路。投资小，经济性好。不可连续调节，不能作为动态无功电源。噪音小 调相机：过激运行，发感性无功；欠激运行，吸收感性无功。输出无功与U无关（电压下降10%以上，无功输出与电压成正比例下降），可连续调节，但投资大，运行维护困难（附属设备多），噪音大，不允许三相不平衡运行，不能限制工频过电压，高次谐波含量高时也不能用！第11页/共66页 SVC TSCSR C T R：晶闸管开关电容器型： 饱和电抗：晶闸管控制电抗器型器型SVC：Static Var Comp

7、ensator；TCR：Transistor Controlled ReactorTSC ：Transistor Switched Capacitor； SR ：Saturated Reactor能能有有效效抑抑制制工工频频过过电电压压第12页/共66页CLfC（a）TCR型（b）TSC型CLfCSRCSC（b）SR型不可控，限制电压波动晶闸管代替机械开关滤波器第13页/共66页只有只有TCR时时消耗无功消耗无功UminILmax0ICmax只有只有C时时UI0ICUn=1n=2n=3ILSRUminIL0ICCUISR+CSCTSCTCRSR会产生高次谐波（铁芯饱和）不会产生高次谐波Csc调

8、节SR的伏安特性线很平第14页/共66页 输出无功仍然与电压有关，但可连续快速调节，可作为动态无功电源。 TCR：通过TCR 中晶闸管开关的控制，连续调节其吸收的IL；结合电容器，可吸可发IL 。投资大，主要用于500kV电网，以提供动态无功电源。 TSC：通过晶闸管开关的切换，调节其吸收的IC（即输出IL ），可频繁投切；只能输出IL 。用得很少。 SR：根据SR的伏安特性，自动调节其吸收的IL。结合电容器，可吸可发IL 。用得很少。LUIU吸收第15页/共66页k：1逆变器CAak：1LjX静止调相机静止调相机/ /静止无功发生器静止无功发生器/ /静止无功同步补偿器静止无功同步补偿器St

9、atcon / SVG / Statcom Statcon / SVG / Statcom 输出输出Q与与U无关，可快速连续调节感性或容性无功无关，可快速连续调节感性或容性无功；投；投资大，技术不成熟资大，技术不成熟。IIaUAU第16页/共66页IUSXUUkjjXUUkIALAaLAa)(跟踪接入点电跟踪接入点电压相位，调节压相位，调节逆变器输出电逆变器输出电压幅值，实现压幅值，实现感性或容性无感性或容性无功调节。功调节。第17页/共66页 有功电源不足，相应的有功平衡，意味着频率的下降 无功电源不足，相应的无功平衡，意味着电压的下降PLff1fNKGKCPGNPGA、B两平衡点，两平衡点

10、， B点电源不足，点电源不足，频率（电压）频率（电压）小于额定值小于额定值ABQ0UUUNQL+Q QGCQGCNAB2mQUX用户需要的无功第18页/共66页- -无功补偿的作用无功补偿的作用 已知线路末端负荷和首端电压，根据首端功率因数的要求(也可以根据末端电压调整量的要求)，确定末端无功补偿的容量；无功补偿的功率因数调节（降损）和电压调节的双重作用 书上方法比较近似：为了满足电源功率因数要求，则负荷功率因数应该比电源功率因数大（因为无功损耗比有功损耗大），但具体补偿量的确定是采用经验的试探法。比如电源要求为0.85，则负荷功率因数为0.9，其中没有严格的定量关系。第19页/共66页- -

11、无功补偿的作用无功补偿的作用222222()()CjjijNjjCijCNQQQPQQXQUPQPR PUijPj+j QjQCR+j XPi , Qi , cos 2()jjjiNCPRQXVQVU无功调节无功调节电压调节电压调节有功损耗调节有功损耗调节第20页/共66页作业 某变电所的负荷为30MW，功率因数为0.8，今要增加新用户，其负荷功率为10MW，功率因数为0.85，欲使变电所的总功率因数提高到0.9，求需装设的电容器容量？第21页/共66页 无功功率电源的最优分布和无功功率负荷的最优补偿，即无功的运行优化问题和规划问题。无功优化：通过现有无功电源和调压设备（变压器分接头）的控制，

12、使无功的潮流分布合理，以降低有功网损，提高电压质量等。无功规划：通过规划无功电源和调压设备的位置、容量、调节能力，以满足无功平衡、电压质量、电压稳定和投资成本的要求。 负荷的自然功率因数大约为0.60.9。负荷中比例最大的异步电动机，其负荷率愈低，功率因数愈低。当其轻载或空载运行时，其功率因数甚至低于0.2。 提高负荷功率因数的措施：(1)(1)尽量使电动机的容量与其机械负载匹配。(2)(2)限制电动机的空载运行。(3)(3)同步电动机不需系统供应无功功率，甚至还可向系统输出无功功率, ,因此尽量以同步电动机代替异步电动机或将绕线式异步电动机同步化（调速困难）。第22页/共66页 电压调整时负

13、荷变动及其引起电压的偏移分类有几种？具体是什么？ 限制冲击性负荷引起的电压波动的主要措施及其作用原理是什么？ 电压调整针对的电压变动产生的原因是什么？ 什么是电压中枢点？ 中枢点电压的调整方式有那些？什么是逆调压、顺调压和常调压？ 电压调整的主要手段有那些？（发电机、变压器、无功补偿及其组合调压等）？ 变压器分接头调压或者电容器调压的计算方法？第23页/共66页 （考虑最大最小两种负荷状态的单一变压器变比调压）（考虑最大最小两种负荷状态的单一变压器变比调压）第24页/共66页 电压偏移过大，影响生活、生产、产品质量和产量，损坏设备，甚至大面积停电。 电压过高，设备绝缘受损，同时变压器、电动机等

14、的铁芯损耗增大，稳升增加，寿命缩短。 电压过低，功率一定时，发电机、电动机和变压器的绕组电流增大，也会损坏设备，影响寿命。 电压波动，影响照明设备的效率，冶炼产品的的质量和产量，而对枢纽变电站，严重时可能引起“电压崩溃”，造成大面积停电。 2mQUX用户需要的无功第25页/共66页 负荷变动及其引起电压的偏移分类负荷变动及其引起电压的偏移分类（1 1）大系统专用母线或线路单独供电）大系统专用母线或线路单独供电（2 2）设置串联电容器）设置串联电容器（3 3）设置调相机和电抗器）设置调相机和电抗器（4 4）设置静止补偿器）设置静止补偿器第26页/共66页负荷变动及其引起电压的偏移分类负荷变动及其

15、引起电压的偏移分类 频率调整时将有功负荷的变动及其引起的频率偏移分成三种（对应着三次调频），而电压调整时，将有功和无功负荷的变动及其引起的电压偏移分成两类。 （1 1）周期长、波及面大，主要由生产、生活、气象变化等引起的负荷和电压变动。电压调整的负荷变动特点 （2 2）冲击性或者间歇性负荷引起的电压波动。这类负荷主要有往复式泵（压缩机）、电弧炉（电焊机）、卷扬机（起重机）、通风设备。电压波动限制的负荷变动特点 第27页/共66页一般负荷一般负荷冲击负荷冲击负荷电源电源输电系统输电系统CS电源电源输电系统输电系统一般负荷一般负荷冲击负荷冲击负荷（2）调相机补偿调相机补偿：提供波动负荷所需的波动无

16、功功率，减：提供波动负荷所需的波动无功功率，减小电压波动幅度。小电压波动幅度。串联电抗器串联电抗器：隔离波动负荷，维持公用：隔离波动负荷，维持公用母线电压的恒定。母线电压的恒定。（1）串联电容器串联电容器：抵消线路电抗，限制电压波动幅度：抵消线路电抗，限制电压波动幅度第28页/共66页电源电源输电系统输电系统一般负荷一般负荷冲击负荷冲击负荷（3）饱和电抗器（）饱和电抗器（SR）补偿：随电压的波动）补偿：随电压的波动快速快速提供提供波动的无功功率，从而维持公用母线供电电压的恒定。波动的无功功率，从而维持公用母线供电电压的恒定。第29页/共66页第30页/共66页 电压调整所针对电压变动的原因：（

17、1）生产、生活、气象变化引起的负荷变动。（2 2）个别设备因故障而退出运行造成的网络阻抗变化；（3 3）系统结线方式改变引起的功率分布和网络阻抗变化。 电压调整的目标：保证各电压中枢点的电压偏移不越限。 电压中枢点：指某些可反应系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电站母线。第31页/共66页iUikUijjk(a)081624Sj(b)hour0816 24Sk(c)hour日负荷曲线日负荷曲线负荷点位置负荷点位置负荷大小和距离不同，导致各线路各时段的电压损耗不一样负荷大小和距离不同，导致各线路各时段的电压损耗不一样第32页/共66页081624Uij(d)hour0.04UN0.10UN2408

18、16Uikhour0.01UN0.03UN0816 24Uhour1.05UN0.95UNUN日电压损耗曲线日电压损耗曲线允许电压偏移允许电压偏移(e)第33页/共66页 0.99 1.0910.96 1.06(0.99)iNNNiNNNiiiNU jUUUU kUUUUU jU kU（）（0.951.05）0.04（ ）（0.951.05）0.0 （） （ ）1.06(1.05)iNiNiNU jUU kUUU（）（1.051.15）（ ）（0.961.06）1.06(1.05)iNiNiNU AUU BUUU（ ）（1.051.15）（ ）（0.981.08）1.0816162424点点

19、0 08 8点点 8 81616点点 第34页/共66页0.98UN1.06UN24hour1.09UN081.15UN1.08UN1.05UNUN0.99UN0.96UNUi16中枢点电压曲线第35页/共66页 逆调压: :高峰负荷时升高电压、低谷负荷时降低电压的中枢点电压调整方法。01.021.05 NNUUU10%iU l顺调压：高峰负荷时允许中枢点电压略低；低谷负荷时允许中枢点电压略高。l常调压：在任何负荷下都保持中枢点电压为一基本不变的数值。l故障时的允许电压偏移较正常时再增大5%第36页/共66页：发电机、变压器和其它无功补偿设备（如并联电容器/电抗器和SVC等）、直流输电系统：（

20、1）调节发电机的端电压，（2）调节变压器的分接头，（3）调节无功补偿设备的无功投切容量，（4）发电机、变压器与无功补偿设备的组合调压。：单个发电厂变电站的VQC控制，多个厂站的AVC控制，全局的综合无功优化三级控制。：单个时段（单一负荷水平）的静态控制、多个时段（多种负荷水平的动态控制）。 调压的时间范围第37页/共66页UG12k: 1LPjQ调相机或调相机或SVC两组电容器两组电容器两组电抗器两组电抗器QC变压器分接头档位的信息：UT1Nnd%/ /UT2N12(1%/100)T NTNUdkiU R+jXR+jX2()()/DDCGP RQQXUUkU第38页/共66页220kV升压变压

21、器降压变压器第39页/共66页 Umin2=2.4%UGUmax=10%Umin=4%Umax=4%Umin=1.6%Umax2=6%k*:1maxSminS5%0-4%-5%-5.6%-9%+4.4%+1%+2%-5%UG逆逆调调压压k*=1/1.1的意义的意义低 压 侧 升 压低 压 侧 升 压10%第40页/共66页 是一种最直接的最经济的调压方式，不需新增投资，只需改变发电机励磁电流。 对于多级供电网络，如果沿线电压损耗过大，或者负荷端电压的变化过大，则仅靠发电机调压，不能满足电压质量要求。 第41页/共66页 有载调压变压器与普通（无载）调压变压器 变压器的分接头电压与实际变比 变压

22、器的实际变比计算 降压变压器分接头选择的示例（考虑大小两种负荷的单个变压器低压侧电压控制要求） 升压变压器分接头的选择（不要求）（书上内容不符合实际，因为升压变压器低压侧常常直接接发电机，其低压侧电压即为发电机机端电压，不需要变压器调节，而变压器分接头电压的调节是为了满足高压侧的调压目标而不是书上的满足低压侧的调压目标）第42页/共66页 有载调压变压器与普通（无载）调压变压器maxmaxminminTTSUUS3 2.5 17TNUU7个4 29个8 1.25个 5% 32 2.5% 5TNUU个个有载调压变压器，有载调压变压器，可带负荷调压，分接头多。可带负荷调压，分接头多。无载调压变压器

23、无载调压变压器，不可带负荷调压，分接头少。，不可带负荷调压，分接头少。降压变压器分接头信息：UT1Nnd%/ /UT2NmaxmaxminminTTSUUS高压侧额定分接头电压分接头电压级差最大/小档位数低压侧额定分接头电压分接头总数第43页/共66页107.25 1(12.5%) 110 (12.5%)110 0112.75 1TNifiUiiifiifi THHTLLUUUUUTN：额定分接头电压（或主抽头电压）额定分接头电压（或主抽头电压）变压器的实际变比：变压器的实际变比：变压器的分接头电压与实际变比等于其高低压侧分接头电压等于其高低压侧分接头电压之比也等于其理想变压器高之比也等于其理

24、想变压器高低压侧实际电压之比低压侧实际电压之比 第44页/共66页 变压器变比的计算变压器阻抗为低压侧归算值变压器阻抗为低压侧归算值12k：1图图6-4-11TZ12k：1图图6-4-2TZ2变压器阻抗为高压侧归算值变压器阻抗为高压侧归算值111222 TTUifUUkUUifU（图6-4-1）（图6-4-2）高压侧高压侧低压侧低压侧高压侧高压侧低压侧低压侧高压侧分接头高压侧分接头电压电压(空载空载)与与低压侧低压侧空载空载电电压之比压之比理想变压器高低压侧实际电压之比第45页/共66页降压变压器分接头选择的示例 已知条件及计算要求 画等值电路 电压损耗计算 分接头电压计算 分接头电压计算值的

25、归档 变比的确定 变比选择的效验 降压变变比选择中的几个问题第46页/共66页降压变压器分接头选择的示例已知条件及计算要求 已知最大与最小负荷时的系统电压U0、负荷点2 2的功率，线路阻抗ZL，变压器的阻抗ZT、抽头型号UT1Nnd%/ /UT2N =1102 22.52.5% %/11/11。要求通过变压器分接头的调节来满足负荷点2 2在最大与最小负荷状态时的调压目标（逆调压），并确定变压器的变比。012TL图图6-4-3 简单系统简单系统maxmaxminminPjQPjQ第47页/共66页降压变压器分接头选择的示例等值电路012k：1ZLZTPmax+jQmaxPmin+jQmax图图6

26、-4-4 简单系统的等值电路简单系统的等值电路RjXU2理想变压器理想变压器0U2U2U忽略线路的对地导纳和变压器的激磁导纳忽略线路的对地导纳和变压器的激磁导纳近似简化计算，重点是掌握变压器分接头调压的原理近似简化计算，重点是掌握变压器分接头调压的原理第48页/共66页降压变压器分接头选择的示例电压损耗计算maxmaxmax0minminmin0NNPRQXUUPRQXUU2max0max2min0minUUUUUU理想理想变压变压器高器高压侧压侧实际实际电压电压计算计算忽略电压降落的横分量，近似简化计算忽略电压降落的横分量，近似简化计算第49页/共66页降压变压器分接头选择的示例分接头电压计

27、算理想变压器高低压侧抽头电压之比等于其实际电压之比。1max1min12TTTUUU无载变，只能有一个分接头电压有载调压变压器，两种负荷水平选择不同的变比第50页/共66页降压变压器分接头选择的示例抽头电压计算值的归档 如：本例中，抽头型号1101102 22.52.5% %/11/11，相应的标准抽头电压有104.5104.5、107.25107.25、110110、112.75112.75、115.5115.5。若抽头电压计算值UT1=106=106，则UT1标=107.25=107.25；即选择最接近UT1的一个标准抽头电压来进行归档。第51页/共66页降压变压器分接头选择的示例变比的确

28、定maxmin21max21maxmin21min / /TNTTNTTNTifkkUUkUUifkUU标标标无载变 有载变 第52页/共66页降压变压器分接头选择的示例2max2maxmax/UUk2max2 max2min2 mind%2ddUUUU标准化误差不可能使允许偏差平均误差2min2minmin/UUk本例：本例：U2dmin=U2N=10kV，U2dmax=1.05U2N=10.5 kV，d=2.5，则允许误差为则允许误差为1.25%。即：。即： 2max2N2N2min2N2N100%(5)%(3.756.25)%2100%(0)%( 1.251.25)%2UUdUUUdU

29、第53页/共66页降压变压器分接头选择的示例 电压损耗的计算，没有考虑功率损耗和压降横分量，没有考虑线路和变压器对地导纳，且采用额定电压进行计算。maxmaxminminmaxmin00; NNPRQXPRQXUUUUl变压器的阻抗计算，没有考虑分接头电压变化的影响第54页/共66页习题见电力系统稳态分析习题11022.5%/6.3kVkV第55页/共66页6.4 电力系统的电压调整第56页/共66页 并联补偿设备的调压原理：重负荷时（负荷的端电压低），输出感性无功，就地补偿负荷的感性无功需求，从而减小输电线路中的感性无功功率及其产生的电压损耗，以提高负荷的端电压。轻负荷时（负荷的端电压高），

30、吸收感性无功，增大输电线路中的感性无功需求及其产生的电压损耗，进而降低负荷的端电压。 并联（开关）电容器/电抗器：只能成组投切，不能连续调节。 调相机：调节其励磁电流进而调节其输出的感性或容性无功功率，可以工作于定电压或定功率控制方式。定电压控制时，其输出无功与励磁电流成线性关系。 饱和电抗器：不可控，其输出无功与端电压成反比关系。 晶闸管控制电抗器型静止补偿器：调节晶闸管触发角以改变电抗器吸收的感性无功功率，从而调节其输出的感性或容性无功功率。端电压给定时，其输出无功与触发角呈余弦关系。第57页/共66页第58页/共66页 已知系统电压Ui，负荷节点j j的功率P Pj j+ +jQjQj j，线路和变压器阻抗，变压器变比，要求通过补偿设备的容量QC调节，使负荷点的电压满足调压目标要求Ujc=Uj