电力系统自动化 15 电力系统无功功率和电压调整(四)

1、电力系统分析电力系统分析第五章第五章 电力系统无功功率和电压调整电力系统无功功率和电压调整第五章 电力系统无功功率和电压控制5.1 5.1 电力系统无功功率的平衡电力系统无功功率的平衡5.2 5.2 电力系统无功功率的最优分布电力系统无功功率的最优分布5.3 5.3 电力系统的电压管理电力系统的电压管理5.4 5.4 电力系统电压调整的措施电力系统电压调整的措施5.4 电力系统电压调整的措施()()1C12C2C11UU - UU U-UX =QQ四、线路串联电容补偿改善电压质量四、线路串联电容补偿改善电压质量111P R + Q XU =U未加串联电容前：未加串联电容前：()11CC1P R

2、 + QX - XU=U加了串联电容后：加了串联电容后：补偿前后补偿前后U1保持不变，负荷端电压由保持不变，负荷端电压由U2U2C，可得：，可得：因此，根据线路末端电压需要提高的数值因此，根据线路末端电压需要提高的数值（V-Vc）， 就可求得需要补偿的电容器的容抗值就可求得需要补偿的电容器的容抗值X XC C。 如果如果每台每台电容器的电容器的额定电流额定电流为为I INCNC，额定电压额定电压为为V VNCNC，额定容量额定容量为为Q QNCNC= =V VNCNCI INCNC，则可根据通过的最大负荷，则可根据通过的最大负荷电流电流I Icmaxcmax和所需的容抗值和所需的容抗值X XC

3、 C分别计算电容器串、并分别计算电容器串、并联的台数联的台数n n，m m以及三相电容器的总容量以及三相电容器的总容量Q QC C。 串联电容器组串联电容器组 确定线路上串联接入的电容器的个数：确定线路上串联接入的电容器的个数：串联串联 分压分压并联并联 分流分流三相总共需要的电容器台数为三相总共需要的电容器台数为3mn。安装时，。安装时，全部电容器串、并联后装在绝缘平台上。全部电容器串、并联后装在绝缘平台上。 NCNCNCCImnVmnQQ33nVNCICmaxXCmINCICmax 串联电容补偿前后的沿线电压分布串联电容补偿前后的沿线电压分布（a a）负荷集中在线路末端）负荷集中在线路末端

4、 （b b）沿线路有若干个负荷）沿线路有若干个负荷电容器安装地点的选择：使沿线电压尽可能均匀电容器安装地点的选择：使沿线电压尽可能均匀串联电容器提升的末端电压的数值串联电容器提升的末端电压的数值QXC/V( (即调即调压效果压效果) )随无功负荷增大而增大、无功负荷随无功负荷增大而增大、无功负荷的减小而减小，的减小而减小，恰与调压的要求一致恰与调压的要求一致。这是。这是串联电容器调压的一个显著优点。串联电容器调压的一个显著优点。但对负荷功率因数高但对负荷功率因数高( (coscos0.95)0.95)或导线截面小或导线截面小的线路，由于的线路，由于PR/V分量的比重大，串联补偿的分量的比重大，

5、串联补偿的调压效果就很小。调压效果就很小。 补偿所需的容抗值补偿所需的容抗值XC和被补偿线路原来和被补偿线路原来的感抗值的感抗值XL之比之比kc=XC/XL称为称为补偿度补偿度。在配电网络中以调压为目的的串联。在配电网络中以调压为目的的串联电容补偿，其补偿度常接近于电容补偿，其补偿度常接近于1 1或大于或大于1 1。电力线路采用串联电容补偿，也带来一些特电力线路采用串联电容补偿，也带来一些特殊问题，因此作为改善电压质量的措施，串联电殊问题，因此作为改善电压质量的措施，串联电容器只用于容器只用于110kV以下电压等级、长度特别大或以下电压等级、长度特别大或有冲击负荷的架空分支线路上。有冲击负荷的

6、架空分支线路上。 10kV及以下电及以下电压的架空线路，由于压的架空线路，由于RL/XL较大，所以使用串联较大，所以使用串联电容补偿是不经济和不合理的。电容补偿是不经济和不合理的。 220kV以上电压等级的远距离输电线路中采以上电压等级的远距离输电线路中采用串联电容补偿，其作用在于提高运行稳定性和用串联电容补偿，其作用在于提高运行稳定性和输电能力。输电能力。 输送功率为7+j6(MVA),线路首端电压为35kV.欲使线路末端电压33kV,试确定串联补偿容量.11)(QVVVXcc解题思路分析：需要计算V及Vc题目已给出:V1=35kV,Q1=6MVar据:maxImICN CXImaxnVCN

7、 n,m校验计算只涉及到最大负荷状态.注意V2c33kV解:11jQP jXR1V2VVS11jQP jXR1VCV2CVCjXSZ=(10+j10),S=7+j6(MVA),V1=35kV7 106 103.7135kV 补偿前电压损失补偿后电压损失Vc按题目要求:V2c33kVVc=V1-V2c=35-33=2kV已知:111VXQRPV)( 1 .1521035367103322312121maxAVQPI11)(QVVVXcc将数据代入:V1=35kV,V=3.71kV, Vc=2kV,Q1=6MVar其中:35(3.712)9.98()6cX计算选择电容器:VcN=0.6kV,QcN

8、=20kvar由此得:2033.33()0.6cNNccNQIAV60018()33.33cNNccNVXI额定值选择串联电容器的个数m,nmaxImnCCXImax(nVCN)(ICN)mI/max实际值说明:mI/maxICN CXImaxnVCN 56. 433.331 .152maxcNIIm53. 260098. 91 .152maxcNcVXIn取m=5,n=3则:53NcNcdCXmnXXvar900203533kmnQQNcdCd:实际值校验由计算知:补偿电容器组(m=5,n=3)的容抗8 .10dCX将此电容器组串联到线路上,计算Vd2进行校验1SjXR1V2dVdCjX11

9、1112)(VXXQRPVVVVdcddkV14.3335)8 .1010(61073533kV所选电容器组满足要求5.4 电力系统电压调整的措施五、几种调压措施的比较分析五、几种调压措施的比较分析该调压手段是一种不需要耗费资该调压手段是一种不需要耗费资 金、且最直接的调压方法，因而是在几种常见的调压措施金、且最直接的调压方法，因而是在几种常见的调压措施 中中；改变发电机端电压调压通常采用；改变发电机端电压调压通常采用 的是的是。 该调压手段是借助改变变压器的分该调压手段是借助改变变压器的分 接头进行调压的调压方法。接头进行调压的调压方法。 如果系统无功功率电源不足，仅如果系统无功功率电源不足

10、，仅 靠前两靠前两 种调压方法都无法满足调压要求，此时必须种调压方法都无法满足调压要求，此时必须，用以减，用以减 少电力线路上流动的无功功率，从而减少电力线路功率损少电力线路上流动的无功功率，从而减少电力线路功率损 耗和电压损耗，进而提高各负荷点的电压。耗和电压损耗，进而提高各负荷点的电压。 jQP XjR11)(qQjPXjR22qTG1G21U2U3UK:1图 4-13 电力系统电压的综合控制 jQP XjR11)(qQjPXjR22qTG1G21U2U3UK:1图 4-13 电力系统电压的综合控制 控制变量U1、U2、K、q； 状态变量：Q、U3； 参数：P、U3n、R、X31113 n

11、22323 n+-+-UP RQ XUUKP RQqXUUU33113 n2323 n-+-UKUKQ XUUKQqXUUU 3112321-1-11+-1UKQ XUQqXUU 131322-+=-=+UUKQ XUUQqX jQP XjR11)(qQjPXjR22qTG1G21U2U3UK:1图 4-13 电力系统电压的综合控制 =ijijijijijijijijiUKjqjjLiUKjqjjiLiXXjjUAAKAqQBBKBqUQABXXUU主干电网主干输电线和环网的无功功率分布中枢点（发电厂母线、枢纽变电站母线）的电压设定值协调各地区的电压水平本区域电网电压的调节控制就地无功功率平衡

12、（2）综合调压的原则无功不足时根据就地平衡就地平衡补偿原则，先投入电压最低点附近的无功电源；再考虑分区、分层分区、分层补偿，投入远处的无功电源和集中补偿的无功电源。无功充足时考虑选择变压器分接头进行调整，以充分发挥各种设备的调压效果。23（3）改变电网运行方式调压 当地区调度员采取上述几种基本的调压措施后，仍不能达到规定电压的范围时，应立即报告上级调度员采取措施改善地区电压水平。2425主电网局部小电网局部小电网如图所示：因检修方式安排，某局部小电网与主网只有两回线路联系，且局部小电网内部没有大 的电源点即没有大电厂。电网负荷高峰时，局部小电网电压偏低，作为值班调度员，如何调整电压？ B站C站

13、A站线路B线路C220kV35kV110kV36.310kV10.3210.3510.42P:50.2Q:20.3P:30.1Q:13.5P:20.3Q:9.5265.2 电力系统无功功率的最优分布无功功率最优分布分为：无功功率最优分布分为：无功功率电源的最优分布无功功率电源的最优分布 无功功率负荷的最优补偿无功功率负荷的最优补偿 有功功率损耗有功功率损耗P与系统中各点的注入功率有关，而在有与系统中各点的注入功率有关，而在有 功功率最优分配方案确定之后，各节点的功功率最优分配方案确定之后，各节点的PiPGiPLDi 是是 已知的，且各节点的负荷无功已知的，且各节点的负荷无功QLDi是已知的，是

14、已知的， 一、无功功率电源的最优分布一、无功功率电源的最优分布 1、目的：在有功负荷最优分配方案确定后，调整各无功功、目的：在有功负荷最优分配方案确定后，调整各无功功 率电源的出力，使率电源的出力，使 这就是无功功率电源最优分布的目标函数。这就是无功功率电源最优分布的目标函数。5.2 电力系统无功功率的最优分布nnG1G2GnGiLDii=1i=1L= P (Q ,Q,Q)- Q-Q- QG1G2GnP (Q,Q,Q)min目标函数：目标函数：nnGiLDii=1i=1Q-Q- Q = 0等式约束条件：等式约束条件：;iminiimaxGiminGiGimaxUUU QQQ不等式约束条件：不等

15、式约束条件：忽略不等式约束，构造拉格朗日目标函数：忽略不等式约束，构造拉格朗日目标函数：2、无功功率电源的最优分布原则、无功功率电源的最优分布原则等网损微增率准则等网损微增率准则5.2 电力系统无功功率的最优分布nnG1G2GnGiLDii=1i=1L= P (Q ,Q ,Q)- Q -Q- QGiGiGinnGiLDii=1i=1PQL=- 1-= 0QQQL=Q-Q- Q = 0G1G2GnPPP= QQQ求解可得：求解可得：不计无功网损时：不计无功网损时： 这就是等网损微增率准则，此时系统总有功损耗最小。这就是等网损微增率准则，此时系统总有功损耗最小。 5.2 电力系统无功功率的最优分布

16、GiGiP1 =QQ1-Q 计及网损时，上述准则照样成立：计及网损时，上述准则照样成立：其中：其中：GiPQ表示有功网损对第表示有功网损对第i个无功电源的微增率；个无功电源的微增率； 无功功率网损修正系数无功功率网损修正系数GiQQ表示无功网损对第表示无功网损对第i个无功电源的微增率。个无功电源的微增率。 GiGiGiPQL=- 1-=0QQQ 实际计算时，当实际计算时，当QGi出现越限的情况，即逾越它的上限出现越限的情况，即逾越它的上限 QGimax或下限或下限QGimin时，可取时，可取QGiQGimax或或QGiQGimin。无功功率电源最优控制方法 在无功电源配备充足、布局合理的条件下

17、，无功功率电源最优控制方法如下： 根据有功负荷经济分配的结果进行功率分布的计算 利用以上结果，可以求出各个无功电源点的值。 经过又一次的功率分布计算，可以算出总的网络有功损耗，网络损耗的变化实际上都反映在平衡发电机的功率变化上。因此，如果控制无功功率电源的分配，还能够使平衡机的输出功率继续减少，那么这种控制就应该继续下去，直到平衡机输出功率不能再减少为止。5.2 电力系统无功功率的最优分布例题例题52：某：某60kV的简化等值网络如图所示：各线段电阻已的简化等值网络如图所示：各线段电阻已标注在图中，标注在图中， 。设无功功率补偿设备的总容量为。设无功功率补偿设备的总容量为17Mvar，在，在不

18、计无功功率网损的条件下，试确定这些无功功率补偿设备不计无功功率网损的条件下，试确定这些无功功率补偿设备容量的最优分布。容量的最优分布。LD1LD2LD3Q= 10Mvar , Q=7Mvar , Q= 5Mvar , LD4 Q= 8Mvar5.2 电力系统无功功率的最优分布解：设各无功功率补偿设备的解：设各无功功率补偿设备的 容量为容量为QC1、QC2、QC3、 QC4，不计无功功率网损，不计无功功率网损 时，无功功率流动引起的时，无功功率流动引起的 有功功率网损有功功率网损P为：为：()()()() ()()2422iiLD2C2LD1C1LD2C222i=1NN22LD4C4LD3C3L

19、D4C422C2C1C22Q1P =R =30 Q-Q+20 Q-Q+Q-QUU +20 Q-Q+20 Q-Q+Q-Q 1 =30 7 -Q+20 17 -Q-Q60 ()() 22C4C3C4 +20 8-Q+20 13-Q- Q 5.2 电力系统无功功率的最优分布 网损微增率为：网损微增率为： ()()()()()()C1C22C1C2C1C22C2C3C42C3C4C3C42C4P40=17QQQ60P1=607Q4017QQQ60P40=13QQQ60P1=408Q4013QQQ60()()()() 22C2C1C2222C4C3C41P =30 7 -Q+ 20 17 -Q-Q60

20、+ 20 8 -Q+ 20 13-Q-Q 5.2 电力系统无功功率的最优分布C1C2C3C4PPPP= QQQQ经校验，经校验， 越下限越下限0Mvar，因此，置，因此，置 ，重新进行分配计算：重新进行分配计算：-C3Q= 1.5Mvar C3Q=0 Mvar 按网损微增率相等分配各无功功率补偿设备的容量：按网损微增率相等分配各无功功率补偿设备的容量：-C1C2C3C4Q= 3.5Mvar ; Q=7Mvar ; Q= 1.5Mvar ; Q=8Mvar解之得：解之得：C1C2C3C4Q+ Q+ Q+ Q17Mvar等式约束条件为：等式约束条件为：()()()() ()()()()2422ii

21、LD2C2LD1C1LD2C222i=1NN22LD4C4LD3LD4C4222C2C1C2C422C4Q1P =R =30 Q-Q+20 Q-Q +Q-QUU +20 Q-Q+20 Q- +Q-Q 1 =30 7-Q+20 17-Q -Q+20 8-Q+02 600 13-Q按网损微增率相等重新分配剩余各无功功率补偿设备的容量，按网损微增率相等重新分配剩余各无功功率补偿设备的容量，联立等式约束条件：联立等式约束条件：5.2 电力系统无功功率的最优分布()()()()()C1C22C1C2C1C22C2C4C42C4P40=17QQQ60P1=607Q4017QQQ60P1=408Q4013Q

22、Q60C1C2C4Q+ Q+ Q17Mvar网损微增率为：网损微增率为： C1C2C3C4Q= 3Mvar ; Q=7Mvar ; Q=0Mvar ; Q=7Mvar 解之得：解之得： 经校验，均满足要求。经校验，均满足要求。5.2 电力系统无功功率的最优分布二、无功负荷的最优补偿二、无功负荷的最优补偿目标函数：目标函数：eCiCCiC = C (Q)-C (Q)max最优网损微增率准则：最优网损微增率准则：ceqCim ax( + )KP-= QCmax: - - -K- - -/kvar - - -/(kW h)- - -其其中中、分分别别为为折折旧旧维维修修率率和和投投资资回回收收率率单

23、单位位容容量量补补偿偿设设备备投投资资，元元单单位位电电能能损损耗耗价价格格，元元全全网网最最大大负负荷荷损损耗耗小小时时数数eCiCiCCiCi:C (Q ):QC (Q ):Q 其其中中设设置置补补偿偿设设备备后后每每年年可可减减小小的的电电能能损损耗耗费费用用设设置置补补偿偿设设备备而而需需耗耗费费的的费费用用38四、四、AVCAVC介绍介绍(一）AVC的概念 在自动装置的作用和给定电压约束条件下，发电机的励磁、变电站和用户无功补偿装置的出力以及变压器的分接头都能按指令自动进行闭环调整，使其注入电网的无功逐渐接近电网要求的最优值，从而使全网有接近最优的无功电压潮流，这个过程叫自动电压控制

24、，简称AVC。(二）AVC基本功能主要功能：全网无功优化控制，全网电压优化调节，控制全网关口力率，全网控制自动协调，优化动作次数，安全运行措施，分析及统计确定无功补偿点。作用：保证电网安全稳定运行；保证电压和电网关口功率因数合格；优化网络无功分配，即尽可能减少线路无功传输、降低电网因无功潮流不合理引起的有功损耗。3940调度AVC主站电厂AVC装置变电站AVC装置变电站低压电容器/电抗器投退、主变有载分接头调整电厂机组励磁系统或DCS电网AVC系统控制示意图(三）AVC工作过程41AVC工作流程图工作流程图 变电站调压一般采用有载调压变压器（OLTC）和无功补偿设备（通常并联电容器组）。 有载

25、调压变压器可以在带负载的情况下切换分接头位置，从而改变变压器的变比，起到调整电压和和降低损耗的作用。变电站九区图控制策略介绍1、有载调压与无功补偿的区别42 控制无功补偿设备的投切，可改变网络中无功功率的分布，改善功率因数，减少网损和电压损耗，改善用户的电压质量。 以上两种调节和控制的措施，都有调整电压和改变无功分布的作用，但它们的作用原理和后果有所不同。43 利用改变有载调压变压器的分接头位置进行调压时，调压措施本身不产生无功功率，但系统消耗的无功功率与电压水平有关，因此在系统无功功率不足的情况下，不能用改变变比的办法来提高系统的电压水平，否则电压水平调的越高，该地区的无功功率就越不足，反而

26、导致恶性循环。所以在系统缺乏无功的情况下，可以利用补偿电容器进行调压。44 因此，必须把调节分接头与无功补偿设备的投、切两者结合起来，进行合理的调控，才能起到既改善电压水平，又降低网损的效果。452、九区图的基本原理 简单系统接线图 46 九区图控制策略是按照固定的电压和无功功率（或功率因数）上下限将电压-无功平面划分为9个区域。4748 根据变电站电压无功综合控制（VQC）的调控要求，应将受控母线（即主变低压侧母线）电压控制在规定的电压上下限之间，确保电压合格；同时尽量将无功功率（或功率因数）控制在规定的无功功率（或功率因数）上下限之间；若不能使电压、无功功率（或功率因数）同时满足要求，则优

27、先保证电压合格。49 2区：电压越上限，无功功率越上限，先升档降压至电压合格；若分接头档位已上调至最高档，而电压仍高于上限，则强切电容。 3区：电压正常，无功功率越上限，投入并联电容器组；若无电容器组可投，则维持。 4区：电压越下限，无功功率越上限，先投入并联电容器组使无功功率合格；若无电容可投或电容器组投完后而电压仍低于下限，则再降档升压至电压合格。50 5区：电压越下限，无功功率合格，降档升压至电压合格；若分接头档位已调至最低档，而电压仍低于下限，则强行投入并联电容器组（强投电容）。 6区：电压越下限，无功功率越下限，降档升压至电压合格；若分接头档位已调至最低档，而电压仍低于下限，则强投电容。 7区：电压合格，无功功率越下限，切除并联电容器组；若无并联电容器组可切，则维持。51 8区：电压越上限，无功功率越下限，先切除并联电容器组；若无电容可切或电容器组切完后而电压仍高于上限，则再升档降压至电压合格。 九区图的电压、无功上下限一般某个负荷时段取固定值（可将1天分为12、24或48个负荷时段分别整定上下限值），并按逆调压原则自动调整电压下限值。52 变电站负荷越大、电压下限值越高，即在高峰负荷时适当提高运行电压，将电压下限值提高；同理，在低谷负荷时适当降低运行电压，将电压下限值降低。5