电力系统分析五新

1、电力系统分析第五章 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调整5.1 电力系统无功功率的平衡5.2 电力系统无功功率的最优分布5.3 电力系统的电压管理5.4 电力系统电压调整的措施第五章 电力系统无功功率和电压调整 电力系统中的有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机；无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机和静止补偿器等，分散在各变电所。 供应有功功率和电能，必须消耗能源；但无功功率电源一旦设置后，就可随时使用而不再有其它经常性耗费。系统中无功功率损耗远大于有功功率损耗。 正常稳态运行时，全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只有调整原动机功率一种。电压水平则全

2、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。凡此种种，使电力系统的无功功率和电压调整与有功功率和频率调整有很大不同。5.1 电力系统无功功率的平衡1、电压偏移的基本概念：电网中各节点运行电压值对额定 值偏移的大小，即：一、电压偏移及调整电压的必要性2、造成电压偏移的原因： （1）设备及线路压降 （2）负荷波动 （3）运行方式改变 （4）无功不足或过剩5.1 电力系统无功功率的平衡4、我国规定的允许电压偏移： 35kV及以上电压供电负荷：5% 10kV及以下电压供电负荷：7% 低压照明负荷：+5% 10% 220kV及以上枢纽变电所一次侧母线：5%0%3、电压调整的必要性（电压偏移

3、的影响）： （1）效率下降，经济性变差； （2）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘； （3）电压过低，电机发热； （4）系统电压崩溃。5.1 电力系统无功功率的平衡1、无功功率负荷： 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，无功功率负荷 一般以滞后功率因数运行，其值约为0.60.9。 二、电力系统无功功率负荷和无功功率损耗2、无功功率损耗： 5.1 电力系统无功功率的平衡1）变压器的无功功率损耗： 励磁支路空载损耗 和 绕组漏抗中无功损耗假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压US%=10

4、.5，在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的13%。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值是相当可观的。5.1 电力系统无功功率的平衡2）输电线路中的无功功率损耗：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。并联电纳中的损耗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。5.1 电力系统无功功率的平衡三、电力系统的无功功率电源发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。无功功率电源有发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器，后三种装置又称

5、为无功补偿装置。发电机： 发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：5.1 电力系统无功功率的平衡同步调相机：相当于空载运行的同步电动机在过励磁运行时：向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时：从系统吸取感性无功功率而起无功负荷的作用，可降低系统电压。同步调相机能根据装设地点电压的数值平滑改变输出或吸取的无功功率，因而调节性能较好。静电电容器：只能向系统提供无功功率，它所供应的无功功率与其端电压平方成正比。即5.1 电力系统无功功率的平衡缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又 可分散安装；且每单位容量的投资费用

6、较小，运行时 功率损耗亦较小，维护方便。 静止补偿器：由静电电容器与电抗器并联组成电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。 静止补偿器属“灵活交流输电系统”范畴的无功功率电源，全称为静止无功功率补偿器(SVC)，有各种不同型式：5.1 电力系统无功功率的平衡静止无功补偿器的原理图 (a) 可控饱和电抗器型； (b) 自饱和电抗器型；(c) 可控硅控制电抗器型；(d) 可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型;5.1 电力系统无功功率的平衡四、电力系统无功功率的平衡系统中无功电源发出的无功功率与系统总的无功负荷（包

7、括负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗两部分）相平衡；即：其中：无功电源发出无功网络中的无功损耗注：进行无功功率平衡计算时，必须保证电力系统的电压水平 正常；如果无功平衡不能保证正常电压水平，则电能质量 不能保证。 5.2 电力系统无功功率的最优分布无功功率最优分布分为：无功功率电源的最优分布 无功功率负荷的最优补偿 有功功率损耗P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PiPGiPLDi 是 已知的，且各节点的负荷无功QLDi是已知的，则 P与各 无功功率电源发出的无功QGi有关 。 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

8、功功 率电源的出力，使全网中总的有功功率损耗 P 最小 ， 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目标函数：等式约束条件：不等式约束条件：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等网损微增率准则5.2 电力系统无功功率的最优分布求解可得：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。 5.2 电力系统无功功率的最优分布 计及网损时，上述准则照样成立：其中：表示有功网损对第i个无功电源的微增率； 无功功率网损修正系数表示无功网损对第i个无功电源的微增率。 实际计算时，当QGi出现越限的情况，即逾越它的上限 QGim

9、ax或下限QGimin时，可取QGiQGimax或QGiQGimin。5.2 电力系统无功功率的最优分布例题52：某60kV的简化等值网络如图所示：各线段电阻已标注在图中， 。设无功功率补偿设备的总容量为17Mvar，在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。 5.2 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 容量为QC1、QC2、QC3、 QC4，不计无功功率网损 时，无功功率流动引起的 有功功率网损P为：5.2 电力系统无功功率的最优分布 网损微增率为： 5.2 电力系统无功功率的最优分布经校验， 越下限0Mvar，因此，置 ，重新进行分配计算： 按

10、网损微增率相等分配各无功功率补偿设备的容量：解之得：等式约束条件为：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：5.2 电力系统无功功率的最优分布网损微增率为： 解之得： 经校验，均满足要求。5.2 电力系统无功功率的最优分布作业题：已知某简单电力系统如图所示，现准备投资在系统中装设18Mvar的并联电容器进行无功补偿。试确定电容器的最优分布方案（不计无功功率网损）。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目标函数：最优网损微增率准则：5.3 电力系统的电压管理一、电力系统电压管理的基本概念1、电压中枢点： 指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点

11、(母线)。电压中枢点的选择：1）大型发电厂的高压母线； 2）枢纽变电所的二次母线； 3）有大量地方性负荷的发电厂母线。 2、电压管理： 对电压中枢点的电压进行调整和控制，使其母线电压变化 限制在某一给定的范围内，满足负荷电压要求。 5.3 电力系统的电压管理1、电压波动：二、电压波动及限制措施 当负荷发生波动时，使得线路上传送的无功功率发生 波动，相应的各节点电压也随之波动。 对于生活、生产、气象等变化引起的周期长、波及面 大的电压波动需进行调整。 对于冲击性负荷引起的电压波动需进行限制。2、限制措施： 以专用母线或线路单独向波动负荷供电； 在波动地点和电源之间设置串联电容器，以抵消感抗； 在

12、波动负荷附近设置调相机； 在波动负荷供电线路上设置静止补偿器。5.3 电力系统的电压管理三、中枢点的电压管理 1、中枢点电压的允许变动范围：UiminUi Uimax 中枢点电压曲线的编制方法：通过负荷点电压的允许变 化范围，确定中枢点电压的允许变动范围。 设有下图所示简单网络，中枢点1向负荷2、3供电：需综合考虑负荷2、3对电压中枢点1的要求，若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。5.3 电力系统的电压管理5.3 电力系统的电压管理负荷2对中枢点电压的要求图e：负荷3对中枢点电压的要求图f：5.3 电力系统的电压管理 同时考虑 2、3 两个负荷对1点的要求，即将

13、图 e 和图 f 取交集可得图 g，中枢点电压曲线所示的允许变动范围有公共部分，则控制和调整中枢点电压在允许的公共变动范围内，就可以满足各负荷点的调压要求； 5.3 电力系统的电压管理 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(如图h中816h 内)， 中枢点电压取任何值均不能满足要求，即中枢点电压曲线所 示的允许变动范围没有公共部分，这时须采取其他措施。5.3 电力系统的电压管理1）逆调压：在最大负荷时适当提高中枢点电压以补偿增大的电压损耗，比线路UN高5（即1.05UN），最小负荷时线路上电

14、压损耗减小，降低中枢点电压为UN； 适用于供电线路较长，负荷波动较大的中枢点。2、中枢点的调压方式：逆调压、顺调压和常调压 2）顺调压：按自然规律作出调压要求，最大负荷时允许电压可以略低一些，但不低于1.025UN，最小负荷时允许电压可以略高一些，但不高于1.075UN；适用于负荷变动小，供电线路不长的中枢点。3）常调压：在任何负荷情况下基本中枢点电压保持不变，枢点电压维持在允许电压偏移范围：1.025UN 1.05UN；适用于负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的中枢点。 5.4 电力系统电压调整的措施引言：电压调整的基本原理要求对负荷点b的电压进行调整，则调整措施为：1）利用发电机进行调压（

15、改变UG）；2）改变主变压器变比或分接头调压（改变k1、k2）；3）利用各种补偿设备进行调压（改变Q）。5.4 电力系统电压调整的措施一、利用发电机调压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。在线路较长，供电范围较大，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，这时需借助其他措施。（图5-9） 由发电机不经升压直接向用户供电的简单系统，如果供电线路不长，线路上电压损耗不大，改变发电机端电压实行逆调压，可满足负荷点电压质量的要求。（图5-8）5.4 电力系统电压调整的措施图58：发电机不经升压直接向用户供电的简单系统（逆调压） 5.

16、4 电力系统电压调整的措施图5-9 多级变压供电系统的电压损耗分布 即电压变动范围为21，由发电机逆调压可缩小为16，此电压变动范围已不能满足一般负荷的要求，需借助其他无功补偿措施。5.4 电力系统电压调整的措施二、改变变压器变比调压（分接头选择） 1、分接头说明： 1）普通双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压 绕组一般有3个或5个分接头（抽头）； 即UN、UN5UN或UN、UN2.5UN，UN5UN； 2）目前我国暂定，110kV级的有载调压变压器 有7个分接头， 即UN、UN32.5%UN； 220kV级的有9个分接头，即UN、UN42.0%UN。 对用于UN的分接头为主抽头；普

17、通变压器只能在停电情况 下才可以改变分接头，因此必须在投运前选择好合适的分 接头以满足各种负荷要求；而有载调压变压器可以在运行 中调整分接头选择。5.4 电力系统电压调整的措施2、双绕组变压器分接头选择（高压绕组） 降压变压器： U2为实际要求的低压侧电压，U2为U2归算至高压侧的电 压；最大负荷运行时，所有参数下标为max；最小负荷运 行时，所有参数下标为min；k为降压变压器变比。5.4 电力系统电压调整的措施最大负荷运行时高压侧分接头选择： 最小负荷运行时高压侧分接头选择：5.4 电力系统电压调整的措施 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 U2max，U2mi

18、n 大体相等，对普通变压器而言， 分接头电压选择：根据Ut1 选择一个最接近的分接头，然后按选出的分接头校验最大、最小负荷时低压母线上的实际电压是否满足要求。 采用有载调压变压器时，根据最大负荷算得的Ut1max值和最 小负荷算得的Ut1min 分别选择各自合适的分接头。这样就能 缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。解： 经判断调压方式为顺调压，则:5.4 电力系统电压调整的措施例题5-3：一台降压变压器，其容量为31.5MVA，归算至高压侧的参数为RT+jXT=2.44+j40，变比为（11022.5）/6.3kV。最大、最小负荷时高压母线电压为 U1max=110kV、 U1m

19、in=113kV，通过变压器的功率是Smax=28+j14MVA、 Smin=10+j6MVA ；低压母线的电压允许变动范围为6.0-6.6kV，试选择变压器的分接头。5.4 电力系统电压调整的措施最大、最小负荷时变压器的电压降落分别为： 最大、最小负荷时低压侧实际 电压为：5.4 电力系统电压调整的措施 可得：5.4 电力系统电压调整的措施按照所选择的分接头校验低压侧母线实际电压：均满足要求，即选定的实际变比为107.25/6.3kV。选择最接近的2.5分接头，即：5.4 电力系统电压调整的措施作业题：某降压变电所变压器归算到高压侧的阻抗为 ，变比为 ，最大、最小负荷运行时流过变压器的功率为

20、 ，最大、最小负荷时高压侧母线电压分别为 113kV 和 115kV，低压侧母线电压允许变化范围为1011kV，试选择变压器的分接头。5.4 电力系统电压调整的措施 升压变压器： U1为实际要求的低压侧电压，U1为U1归算至高压侧的电压； 最大负荷运行时，所有参数下标为max；最小负荷运行时， 所有参数下标为min；k为升压变压器变比。5.4 电力系统电压调整的措施最大、最小负荷运行时高压侧分接头选择： 对普通变压器而言，分接头电压选择：根据Ut2选择一个最接近的分接头，然后按照选出的分接头校验最大和最小负荷时低压母线上的实际电压是否负荷要求。5.4 电力系统电压调整的措施例题5-4：一台升压

21、变压器，其容量为31.5MVA，归算至高压侧阻抗参数为:RT+jXT=3+j48，变比为（12122.5）/6.3kV。最大、最小负荷时高压母线电压为U2max=120kV、U2min=114kV ，通过变压器的功率是Smax=25+j18MVA、Smin=14+j10MVA ；低压母线的电压允许变动范围为6.0-6.6kV，试选择变压器的分接头。解：U2max=120kV、U2min=114kV 经判断调压方式为逆调压，则:5.4 电力系统电压调整的措施最大、最小负荷时变压器的电压降落分别为：5.4 电力系统电压调整的措施 最大、最小负荷时低压侧实际 电压为： 可得：5.4 电力系统电压调整

22、的措施按照所选择的分接头校验低压侧母线实际电压：均满足要求，即选定的实际变比为124.025/6.3kV。选择最接近的2.5分接头，即：5.4 电力系统电压调整的措施3、三绕组变压器分接头选择： 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：1）根据低压母线的调压要求在高低压绕组之间进行计算， 选取高压绕组的分接头电压即变比UtH /UNL；2）根据中压母线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，选取中压绕组的分接头 电压UtM；即变比为：UtH /UtM /UNL。5.4 电力系统电压调整的措施1、并联补偿设备的调节方式： 并联电容器：不能调节，只能分组投切； 调相机：改变励磁电流If，连续调节； 静止补偿器：改变的大小，连续调节。三、利用无功功率补偿设备调压2、并联补偿设备容量的选择：5.4 电力系统电压调整的措施补偿前： 补偿后：忽略电压降落