无功功率平衡和电压调整

电力系统的无功功率平衡和电压调整颜培浩2008.11.10目录1.无功功率的一些问题2.电力系统的无功功率特性和无功功率平衡3.电压调整的基本概念4.电压调整的措施1.无功功率的一些问题1.1什么是无功功率？许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器，电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。因此所谓的“无功”并不是“无用”的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能，热能而已，因此在供用电系统中除了需要有功电源外还需要无功电源。可以这么理解：电路中感性元件中的电磁场能与电路中的电能相互转化所需的功率。或者说电网的无功功率就是交流与电感或者电容电流的互相交换的过程。无功功率是一个提供能量交换的空间，而没有直接做有用的功。1.无功功率的一些问题1.2感性无功和容性无功？感性无功：变压器、异步电动机、电焊机等设备为了建立磁场所需要的无功。指电流滞后电压所消耗的无功功率。容性无功：电力线路，无功设备发出的无功，指电流超前电压，所得到的无功。.VRL左图:R消耗有功功率P，L消耗无功功率Q)sin(cosjsjQPSS是复功率，与P和Q有如下关系SPQ1.无功功率的一些问题1.3一点准备工作1.3.1网络元件中的电压降落电力网络中的元件主要有电力线路、变压器和电抗器等，每个元件的单相等值电路中都包含有阻抗的串联环节，如果忽略等值电路中并联接地之路的导纳，则任意一个元件的等值电路均可简化为一个简单的阻抗串联电路，见右图。网络元件上的电压降落就是指串联阻抗元件首末两端电压的相量差。由图可知电压降落的表达式为式中：为电压降落相量；、为首末端节点线电压相量；、为支路电流相量，（1）.UdU2U1I1jXRZ12jXRjXRUdIIUU2121..UdU1U2I1I2II211.无功功率的一些问题已知元件首端或末端的电压和功率时求元件上的电压降落有两种计算方法也即两种已知条件，如已知末端（或首端）电压、功率求首端（或末端）电压、功率和电压降落。电力系统中一般采用等效Y形接线作出单相参数的等值电路，并且通常是采用线电压、三相功率进行计算。因此在采用有名制进行计算时，借用单相电路图进行三相计算。在图（1）中，U1,U2为节点的线电压相量；S1,S2为支路两侧的三相复功率。其中式中：dU为电压降落，为电压降落纵分量，为电压降落的横分量。1、已知末端、S2计算取与实轴重合，即则电压相量见图（2），由解得;111QPSj;222QPSjUjUUd.UUU2.Ud,0022.UU;222QPSjIUS.22./USI1.无功功率的一些问题则令；则2、已知首端、计算取与实轴重合，即，相量图见图（3）。与上述类似可得2Uj1U1U1.Ud2.U（3）22222222222222.1.URXjXRjXRjZUUQPUQPUUQPUUSUQPUXR22222222URXUQP22.UjUUd2.2.2.1.UjUUUdUUU1S1.UdU1,0011.UU;111QPSj11111111111011.2.URXjXRjXRjZUUQPUQPUUQPUUS11.U2.U2.UUj2（2）1.无功功率的一些问题令则以上两种条件下分别是将电压、与实轴重合得出的结果，这两种结果应符合电路的规律，即但式中，。两种情况下相量之间的关系如图（4）在使用式（1-1）、式（1-2）时，其功率与电压必须是同一侧的数值；在同一节点有多条支路时，使用的功率值必须是通过所求的电压降落的支路元件中的功率。这两式可统一，统一式为:UQPUXR11111111URXUQP11.UjUUd2.1.1.2.UjUUUdUU1.U2.UUUUUjjUd2211.UU21UU21Uj1U1.UdU2U2Uj2(4)1.无功功率的一些问题;（1-3）在使用以上各式进行计算时，对于电感性负荷Q以正值代入，对于电容性负荷Q应以负值代入。因此，当负荷为容性时，式（1-3）的可能为负值，则末端电压U2可能大于始端。UQXPRUUQRPXUU电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统正常运行状况调整的内容与意义：(1)潮流计算→确定正常运行状态；正常负荷条件下的运行状态，必须满足电能质量要求。否则必须调整。电能质量：频率质量——频率偏移电压质量——电压偏移、电压波动与闪变、电网谐波、三相不对称程度(2)正常运行状况调整的内容：电压调整——无功功率分布调整（假定频率恒定fN）频率调整——有功功率分布调整（假定电压恒定VN）运行状态的优化——经济运行(3)本文主要内容：无功特性、无功平衡、电压调整2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.1无功功率负荷与无功功率损耗(1)无功功率负荷：用电设备消耗的无功功率，比重大的有三：IM（异步电动机）、荧光灯、整流设备。IM的无功特性决定系统无功负荷特性总无功：励磁无功：当时漏抗无功：当时（2）变压器的无功损耗V较低时近似且，V较高时近似且所以类似的特性。系统（尤其配网）变压器台数多，在系统总无功需求中占相当比重。XIXVQQQmmmM22/VXVQmm22/VQIXIQm22VQsn且,VVSSVSIXVSBVQQQNNSNTTTLT220220100%100%VQLT2/1QLTV时VQLT2QLTV时QLTQmQLT2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.1无功功率负荷与无功功率损耗(3）输电线路的无功功率损耗35KV线路：很小，消耗无功，也即配网线路消耗无功。110KV及以上线路：较大。重载时，线路为无功负载。轻载（小于自然功率时）线路为无功电源。（4）电力系统总无功负荷：静态V、Q特性类似于IM。VBVQPXVVBVQPXQNLlLlL2222222222/2/1/VBNL2VBNL2QQQQLTML2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.2电力系统的无功功率电源无功电源种类：同步发电机、无功补偿装置(调相机、C、SVC、SVG)(1)同步发电机：同步发电机安全运行极限曲线：额定运行状态：基本关系：，，全运行极限：降低运行——限制：；提高运行——限制：；超前进相————稳定、定子端部温升限制：，优点：改变平滑、连续调节，灵活、范围广大：系统唯一有功电源。无需专门投资。IxVENdNGNjQPIVSGNGNNNGNj3NGNGNSPcosNGNGNSQsincosIfPPGNGQQCNCcosPmPPGNGQQGNC0cosPPGNG0QGqQQGGGmaxminIf2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.2电力系统的无功功率电源(2)同期调相机：——相当于空载运行的同步电动机①过激运行：向系统发出感性无功——无功电源②欠激运行：从系统吸收感性无功——无功负荷无功调节特点、范围:，平滑，连续；向系统输出无功：优缺点：连续、平滑、范围宽、性能好；动态无功支撑，稳定电压。消耗少量有功（1.5%～5%）运行维护复杂；投资大。应用：集中、大容量、枢纽变电站，容量小于5MVA的一般不装设。已基本被SVC取代。SNcon.SQSNconconNcon..6.0~5.0If2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.2电力系统的无功功率电源（3）静电电容器①静态电压——无功特性其中为额定容量，为额定电压②优缺点：优点：设置灵活，集中/分散；容量大/小投资小，运行损耗小：运行维护方便。缺点：离散调节；调节性能差——反电压特性；动（暂）态电压支撑能力差。应用：集中——220KV站10KV侧；分散——10KV配网、低压用户母线、大型IM机端补偿。QVVXVQCNNCCVC222/;%5.0~3.0QCNQVCNNC2QCNVNQC发出无功V2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.2电力系统的无功功率电源(4)静止无功补偿器(SVC)：①原理构成（饱和电抗器型）静电电容器C：吸收容性无功——发出感性无功饱和电抗器SR：吸收感性无功。电容器CS：校正调节特性斜率。②工作原理与调节特性——普通静电电容器SR：当VVsa，铁芯急剧饱和。——急剧增大。优点：调节性能好，——连续、平滑可吸收/发出感性无功，调节范围大动态无功支撑能力强，稳定电压性能与调相机相当造价低，运行维护方便应用：枢纽变电站，集中补偿。VQVICCCCC2：XVQSRL/22电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.2电力系统的无功功率电源(5)静止无功发生器(SVG)：①原理构成②工作原理：控制逆变器GTO导通角，改变SVG运行工况。③优点比响应速度快，调节范围宽；谐波成分少，谐波电流小；储能电容工作电压低、容量小；母线电压较低时也可向系统注入少量无功；④应用：集中补偿变电站母线VSI逆变器VSC线路VS+-+-VAIXJ.IV2VAjxlVSVAVSVAjxl2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.3电力系统的无功功率平衡(1)无功平衡要求：：按额定功率因数计算，：按额定容量计算已知有功，按额定功率因数计算。（0.85～0.9）按计算，线路充电功率只计110KV以上。要求：0——无功备用。正常电压水平、最大负荷条件下，充裕的无功备用。(2)无功平衡与电压水平的关系：分析：jXEIVP+jQδVjXIE2cos(/)sinsin(/)cos/PVIEVXQVIEVXVX222EVVQPXXQVaVaVa1212ac结论：必须保证较高电压水平的Q平衡，否则，无功负荷增加将致运行电压水平降低QQQLGCQQQCGGC..QGQCQQkLoadL..QQQL..QQQQLGCres.QresVN2电力系统的无功功率特性与无功功率平衡2.3电力系统的无功功率平衡(3)无功平衡要注意的基本问题：a)满足额定电压水平下运行时的平衡关系——正常负荷水平下，有适当的无功备用最大负荷水平下有要求的电压水平b)尽可能通过分散补偿，使末端功率因素达到较高水平(专用负荷0.9)c)分区、分层就地平衡，避免无功远距离传输和跨电压等级流动——最大负荷时，合理利用负荷中心的机组无功出力最小负荷时，合理安排机组进相运行d)最小负荷时，220kV以上输电网安排适当的并联电抗器补偿3电压调整的基本概念3.1电力系统电压调整的意义——电压偏移对用户与电力系统的影响(1)对用户的影响：①IM：Me∝V2V↓→产品产量、质量↓，太低压会烧坏IM②电热设备：V↓→P↓↓——产品产量、质量↓③照明：V↓→光通↓↓④电子仪器设备：过高/低的电压影响精度甚至损坏设备(2)对系统的影响：①V↓→△P∑↑，运行经济性↓；运行稳定性↓②V过高：危及绝缘、超高压电网电晕损失↑(3)电压偏移要求：35kV及以上：正、负偏移之绝对值和≤10%VN10kV及以下：≤±10%VN380V/220V单相：-10%～+7%VN(4)电压调整目的：保证各负荷点电压偏移在允许范围内3电压调整的基本概念3.2中枢点的电压管理(1)电压中枢点及其选择①电压中枢点：对供电区域各负荷点电压有显著调控作用节点②中枢点选择：区域性电厂高压母线；枢纽变二次母线；有大量直馈负荷的G压母线(2)中枢点电压允许变化范围的确定I)方法与步骤：①由各负荷点S(t)计算中枢点→负荷点的△V(t)②由各负荷点允许偏