12第十二章 电力系统的无功功率平衡

电力系统基础湖南大学电气与信息工程学院刘光晔2011年2月华中科技大学何仰赞温增银编第十二章电力系统的无功功率平衡和电压调整12-1电力系统的无功功率平衡12-2电压调整的基本概念12-3电压调整的措施12-4调压措施的应用12-1电力系统的无功功率平衡一、无功功率负荷和无功功率损耗1.无功功率负荷变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当的比重。如：5级变压器，无功率损耗约为额定功率的（7%+50%）。2.变压器的无功损耗3.输电线路的无功损耗110kV及以上:传输功率较大时,为无功负载传输功率较小(小于自然功率)时,为无功电源负荷功率因数cos=0.6~0.9二、无功功率电源在额定状态下运行时，可发出无功功。1.发电机发电机的向量图发电机的等值图欠励运行（进相运行）时，可以吸收系统中多余的无功功率。2.同步调相机过励磁运行时，为无功电源;欠励运行时，起无功负荷作用。优点装有自动励磁调节装置的同步调相机能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸收）无功功率。特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下，能调节系统电压，有利于提高系统稳定性。缺点同步调相机是旋转机械，运行维护复杂；有功功率损耗大；投资费用较大（宜于大容量集中使用）；相应速度慢难以适应动态无功控制的要求。定子额定电流约束：有功功率变化，对无功调节影响。转子额定电流约束：有功功率变化，对无功调节影响。3.静电电容器：只能吸收容性无功供给无功功率C2CXVQ优点：单位容量投资费用较小，且与容量的大小无关;维护方便；运行时功率损耗较小。安装方便灵活（容量大小、集中分散），可就地提供无功功率，以降低网络的电能损耗;缺点：正调节效应（无功功率受节点电压影响），调节性能较差（不连续）。4.静止无功补偿器（StaticVarCompensator）SVC（静止补偿器）由静电电容器与电抗器并联组成。能够快速平滑地调节无功功率，动态性能好;结构：2．晶闸管控制电抗器TCR＋固定电容器;1．饱和电抗器＋固定电容器;3．晶闸管控制电抗器TCR＋晶闸管投切电容器TSC。优点：运行维护简单，功率损耗较小;响应时间较短，对于冲击负荷有较强的适应性;能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。常见类型：0CdQdV正调节效应，电压支撑不稳定5.静止无功发生器（StaticVarGenerator，SVG）也称为静止同步补偿器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM）优点：SVGSVC(CS用于斜率校正)对于系统中的冲击负荷，为了迅速有效调压，应优先选用那种无功补偿设备。是新型无功补偿设备。传统无功补偿设备是基于改变参数的原理。STATCOM则是采用基于电压变换器的原理，在原理上较传统无功补偿设备是一个重大进步。填空举例：或静止调相机(StaticCondencer(Converter),STATCON）AdvancedStaticVarGenerator(ASVG)灵活交流输电(FACTS)：基于电力电子技术的系统或其他静态设备，能提高可控性和传输容量的交流输电系统。由美国电力科学研究院的N.G.Hingorani博士在1986年提出。静止补偿器相比，响应速度快，运行范围宽，谐波电流含量少；电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流，它的储能元件（如电容器）容量远比它所提供的无功容量要小。如果直流侧与超导储能装置连接，还可以向系统注入(或吸收)有功功率，提高系统的稳定性。是一个重要的FACTS控制器。无功功率和电压的关系三、无功功率平衡无功平衡关系式：GCLDLresQQQQ电源损耗负荷备用（最大无功负荷的7~8%）无功功率会产生较大的电压损耗和网络功率损耗，因此，应尽量避免通过电网元件大量地传送无功功率。要求分地区分电压级地进行无功功率平衡。四、无功功率平衡和电压水平的关系LLDGCQQQsinEVPX任何时刻都有无功功率和电压的关系：以简单网络为例2cosEVVQXX力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡，并根据这个要求装设必要的功补偿装置。无功功率平衡点按无功功率平衡确定电压2cos0dQEVdVXX负调节效应，稳定性好12-2电压调整的基本概念一、允许电压偏移电压偏移过大的危害（电压调整的必要性）电压过低，影响用户正常工作；电压降低，会使网络中的功率损耗和能量损耗加大；电压过低，可能会危及电力系统运行的稳定性；电压过高，各种电气设备的绝缘可能受到损害；电压过高，在超高压网络中增加电晕损耗等。允许偏移≧35kV，±10％；≦10kV，±7％；220V单相供电，+7％~－10％。二、中枢点的电压管理中枢点区域性水、火电厂的高压母线；枢纽变电所的二次母线；有大量地方负荷的发电机电压母线。中枢点电压允许偏移范围中枢点负荷点maxASBmaxSAminSBminS两段线路的电压损耗的变化曲线A,B两处的日负荷曲线反映系统电压水平的主要发电厂或变电所母线中枢点O向两用户VA和VB供电。假定VA和VB允许变化范围：(0.95～1.05)VN。如果至两负荷节点的电压损耗变化规律不同，中枢点电压允许变化范围大大缩小。①如果至两负荷节点的电压损耗在同一时刻大于10%时，控制中枢点电压已不能满足两负荷节点电压要求。②如果中枢点无公共允许范围，则必须在负荷点增加调压设备只要简单设想便可知道：中枢点的调压方式逆调压顺调压常调压在大负荷时升高至线路额定电压以上5％，小负荷时降低至线路的额定电压的调压方式。在大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路的额定电压的102.5％；小负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的107.5％。在任何负荷下，中枢点的电压保持为大约恒定的数值，一般较线路额定电压高2%~5%。适用于供电线路较长、负荷变动较大的中枢点。不符合电压自然变化规律，不易实现适用于供电距离近，或负荷变动不大的变电所。符合电压自然变化规律，容易实现应用介于以上两者之间。三、电压调整的基本原理21G21Gb)(kVQXPRkVkVkVV可见，为了调整用户端电压Vb，可采取以下调压措施：⑴调节励磁电流以改变发电机端电压VG；⑵适当选择变压器变比；⑶改变线路的参数；⑷改变无功功率的分布。b点电压为：简单电力系统如下图，要求调节负荷节点b的电压电压调整原理解释图12-3电压调整的措施一、发电机调压条件：同步发电机可在额定电压95%~105%范围内保持额定功率运行。系统：发电机直接向用户供电，线路不长电压，损耗不大。调压方式：逆调压。特点：无需额外调压设备，经济。5%5%04%最大负荷时，电压损耗10%最小负荷时，电压损耗4%610kVLDSmaxmin10%4%VV二、改变变压器变比调压1．变压器绕分接头结构高压侧中压侧（三绕组变）有多个分接头选择，如VN±5%，VN±2×2.5%。有载调压变压器与普通变压器区别2．降变压器分接头选择已知V1、V2和P+jQ选择V1t观察理想变压器两侧电压比得到1TTTPRQXVV1122tTNVVVVV1122TtNVVVVV所以电压损耗RT+jXTV1V2P+jQRT+jXTP+jQV1V21maxmax1max22maxTtNVVVVV1minmin1min22minTtNVVVVV11max1min()/2tavttVVV最大负荷时最小负荷时取平均值选取最接近的标准分接头，并校验低压母线电压。解V2（分母V2与Vt1交换），可校验是否满足要求。V1t:V2N低压侧固定高压侧可调V1-∆VT同时满足两种状态的要求，需要折中220kV10kV209,214.5,220,225.5,231kV例：V1t:V2N=11kV三、利用无功功率补偿调压3．升压变压器分接头选择注意：高压侧可调，故本教材将高压侧总标注为1侧RT+jXTV2V1P+jQ计算V1tmax，V1tmax及V1tavRT+jXTP+jQV2V1V2N:V1tV1+∆VT1TTTPRQXVV1122TtNVVVVV同理问题：已知负荷P+jQ，节点2归算到高压侧的电压V'2及要求补偿后归算到高压侧的电压为V'2C。计算补偿容量QC=?222()CCCVQVVX'''假设补偿容量为QC得到222()CCCQXVVV'''补偿升高的电压，应近似等于注入QC产生的电压降落纵分量补偿后电压升高值为（V'2C–V'2）即R+jXP+jQV2V1jQC注入QC产生电压降落，使V2电压升高例：已知线路加变压器阻抗9.88+j21.825(高压侧),负荷(4.8+j3.6)/(2.4+j1.8)MVA及V1:36kV,要求V2:10.2510.75kV；降压变:(3532.5%)/10.5kV，容量8MVA。试选择分接头，并校验。解V1并校验实用计算：已知补偿前的归算值V’2，补偿后的实际值为V2C。设变比为k，则V’2C=kV2C2222222222()()()CCCCCCCVkVkVVQVVkVVVXXXk'''''1．补偿设备为电容器时2mint22minNVVVV'选与Vt最接近的分接头V1t，则变比为t2min22minNVVVV'即1t2NVkV2222()CCCkVVQVXk'2．补偿设备为同步调相机时22max2max2max()CCCkVVQVXk'22min2min2min1()2CCCkVVQVXk'两式相除得到12max2max2min2min22212max2min2CCCCVVVVkVV''根据变比，可求出QC轻负荷选分接头①重负荷选补偿容量②轻负荷欠励运行，补偿容量为-QC/2②重负荷过励运行，补偿容量为QC①设V’2min和V2min为最小负荷时低压母线的归算电压和要求保持的实际电压。有四、线路串联电容补偿调压（实质是改变线路参数）加串联补偿前电压损耗V加串联补偿XC后电压损耗VC11CCQXVVV11()CCVVVXQ所以设电容器串联n台，并联m台每台额定容量为QNC，CNCNCNC33QmnQmnVI根据每相补偿电抗XC，确定每相电抗器串并联台数。且要求NCCmaxNCCmaxCmIInVIX则总补偿容量为NCNCNCQVI即补偿升高的电压(V－VC)升高的电压应等于XC上的电压降落纵分量即1V2VRjX11PjQV1V2CVCjX11PjQCV12-4调压措施的应用电压质量问题，从全局来讲是电力系统的电压水平问题。电压调整的必要条件是，系统拥有的无功功率电源必须满足在正常电压水平下的无功需求。1．利用发电机调压：经济方便、无需附加投资，但调整范围小。发电机的无功输出不能超过允许的限值。2．选择变压器的分接头调压：系统的无功功率供应必须比较充裕。在系统无功不足时，不宜采用调整变压器分接头的办法来提高电压。10kV及以下电压级的电力网，由于负荷分散、容量不大，常按允许电压损耗来选择导线截面以解决电压质量问题。(PR/V占有较大比重)3．并联电容补偿和串联电容补偿调压：作用都在于减少电压损耗中的QX/V分量，并联补偿能减少Q，串联补偿能减少X。只有在电压损耗中QX/V分量占有较大比重时，其调压效果才明显。调压措施的应用范围分析：