电力线路采用串联电容补偿

电力设备无功-电压特性及电压调整主讲人：杨仕燕2016年4月•电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备会带来不良的影响。（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•不可能使所有节点电压都保持为额定值。（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•电力系统一般规定一个电压偏移的最大允许范围，例如:35kV及以上供电电压正负偏移的绝对值之和不超过10%;10kV及以下在±7%以内。第一节电压调整的必要性第二节电力系统的无功功率平衡•电压是衡量电能质量的重要指标。•电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。•系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。•常见的无功负荷有异步电动机、变压器、电力线路。•常见的无功电源有同步发电机、同步调相机、静电电容器、静止补偿器。1．异步电动机的无功损耗一、无功功率负荷和无功功率损耗图1异步电动机的简化等值电路jX当电压下降时,转差增大，故无功和电压的关系是非线性的。))(1(2222RsXXsXVQQQmmMMQLDQUcrU在额定电压U0附近，电动机消耗的无功功率随着电压的升高而增加，随电压的降低而减少。当电压低于临界电压Ucr时，漏磁电抗中的无功损耗占主导作用，随着电压的下降，QM反而增大。图2异步电动机无功功率—电压静态特性一、无功功率负荷和无功功率损耗0U图3异步电动机的无功功率与端电压的关系受载系数:实际负载和额定负载之比。在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减一、无功功率负荷和无功功率损耗220220100%100%VVSSVSIXVSBVQQQNNSNTTTLT假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压VS%=10.5，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。固定损耗变动损耗一、无功功率负荷和无功功率损耗2．变压器的无功损耗jB/2jB/2消耗QL（感性）提供QB（充电功率）00QQQBL消耗发出一、无功功率负荷和无功功率损耗3．电力线路的无功损耗XVQPXVQPQL222222212121)(22221VVBQB线路的无功总损耗为BVVXVQPQQQBL22221212121一般情况下，35kV及以下系统中第②可以忽略不计,线路消耗无功功率；110kV及以上系统，轻载或空载时，第①②都不能忽略,此时第②大于第①,输电线路成为无功电源，但传输功率较大时，第①大于第②,此时线路要消耗无功功率。一、无功功率负荷和无功功率损耗①②二、无功功率电源1、同步发电机NGNNGNGNPSQtansin电力系统的无功功率电源包括同步发电机、同期调相机、并联电容器和静止补偿器（无功补偿装置）等。同步发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：假定隐极发电机连接在恒压母线，母线电压VN，发电机等值电路如左图所示，空载电势相量与端电压相量、端电流相量的关系如右图所示：图4向量图NVNINdIjXEACOAC长正比于SGN空载电势正比于ifN改变发电机的功率因数时，发电机要受到下列条件的限制：二、无功功率电源NdNIjXVEENVNI①可发视在功率GNGSS以A为圆心，AC为半径做弧CF表示视在功率保持额定值的轨迹②转子励磁电流fNfii以O为圆心，OC为半径做弧CD③可发有功功率GNGPPFDE以直线EC表示额定功率轨迹图5发电机的P-Q极限二、无功功率电源当系统中无功电源不足，而有功备用容量又较充足时，可将负荷中心的发电机降低功率因数运行，多发无功以提高系统的电压水平。•1、原动机功率约束的限制；•2、定子三相绕组电流的限制；•3、励磁电流的限制；•4、定子端部发热的限制；•5、发电机同步稳定性的限制。发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的功率受到以下因素的限制：二、无功功率电源发电机在非额定功率因素下运行时结论：（1）当发电机低于额定功率因数运行时，能增加输出的无功功率，但发电机的视在功率因取决于励磁电流不超过额定值的条件，将低于其额定值。（2）当发电机高于额定功率因数运行时，励磁电流不再是限制条件，原动机的机械功率又成了限制条件。（3）发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数（即运行点C）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。二、无功功率电源•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，它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（欠励磁最大容量只有过励磁容量的（50%～65%）)，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。•它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，进行电压调节。因而调节性能较好。二、无功功率电源2.同步调相机同步调相机缺点：•同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂；•有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的(1.5~5)%，容量越小，百分值越大；•小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设。同步调相机常安装在枢纽变电所。二、无功功率电源•静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的平方成正比，即•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，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。QC=V2/XC3.静电电容器二、无功功率电源•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。•静止补偿器的全称为静止无功功率补偿器（SVC），有各种不同的型式，目前常用的有晶闸管控制电抗器型（TCR型）、晶闸管开关电容器型（TSC型）和饱和电抗器型（SR型）三种。4.静止补偿器二、无功功率电源高次谐波调谐电感，与C串联滤波1）自饱和电抗器型（SaturatedReactors）不需要外加控制设备，自饱和电抗器的特性：a.电压低于额定电压时，铁心不饱和，呈现大感抗值，基本上不消耗无功功率，整个装置由并联电容器组发出无功，使母线电压回升；b.电压达到或超过额定电压时，铁心急剧饱和，感抗接近零，从外界大量吸收无功功率，使母线电压降低；c.在额定电压，电抗器吸收的无功功率随电压变化从而达到稳压目的。图6自饱和电抗器静止补偿器SR二、无功功率电源2）固定连接电容器（FixedCapacitor）加可控硅控制电抗器（ThyristorControlledReactors）通过控制晶闸管的导通来改变电感L吸收的无功功率，调节供电系统进线无功功率的大小，以达到调压目的。图7固定连接电容器加可控硅控制电抗器FC--TCR二、无功功率电源3）可控硅控制电容器（ThyristorSwitchedCapacitor）加可控硅控制电抗器(TCR)TSC的主要缺点是不能吸收无功，且是阶梯性调节，若分组较少，在投入时会对系统有较大的干扰。因此在超高压线路上通常与TCR组合运行。TCRTSC图8可控硅控制电抗器和可控硅控制电容器TSC--TCR二、无功功率电源三、无功功率平衡resLLDGCQQQQ电源提供的无功功率之和无功负荷之和网络无功损耗之和无功备用电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。0resQ0resQCGGCQQQ系统无功电源的总输出功率包括发电机发出的无功功率和各种无功补偿设备的无功功率：BLLTLQQQQ总无功功率损耗包括变压器无功损耗、线路电抗无功损耗和线路电纳的无功损耗：三、无功功率平衡无功不足应采取的措施：•电力系统的无功功率平衡应分别按正常运行时的最大和最小负荷进行计算。经过无功功率平衡计算发现无功功率不足时，可以采取的措施有：(1)要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的数值。(2)挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。(3)根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电容电器；大容量的、配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或静止补偿器。三、无功功率平衡图9等值电路和相量图QGC=QLD+QL问题：在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？例:隐极机经过一段线路向负荷供电四、无功功率平衡和电压水平的关系sincosXEVVIPXVXEVVIQ2cossinXVPXEVQ222当P为一定值时，得cossinsincosEXIVEXI四、无功功率平衡和电压水平的关系电力系统的功角特性：应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡。图10无功平衡与电压水平XVPXEVQ222异步电机无功发电机无功四、无功功率平衡和电压水平的关系一、中枢点的电压管理电压中枢点：指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）。1．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。一般可选择下列母线作为电压中枢点：第三节电力系统的电压调整图11电力系统的电压中枢点例：中枢点中枢点一、中枢点的电压管理1．中枢点电压和负荷电压的关系图12负荷电压与中枢点电压中枢点i的电压满足Vimin≤Vi≤Vimax一、中枢点的电压管理•中枢点i的最低电压Vimin等于在地区负荷最大时某用户允许的最低电压Vmin加上到中枢点的电压损耗最大值△Vmax。•中枢点i的最高电压Vimax等于地区负荷最小时某用户允许的最高电压Vmax加上到中枢点的电压损耗最小值△Vmin。maxminminVVViminmaxmaxVVVi一、中枢点的电压管理简单电力网电压损耗例一、中枢点的电压管理一、中枢点的电压管理只满足i节点负荷时，中枢点电压VO应维持的电压为：OiiOVVVh8~0NNNOiiOVVVVVVh)15.1~05.1(10.0)05.1~95.0(24~8NNNVVV)09.1~99.0(04.0)05.1~95.0(一、中枢点的电压管理只满足j节点负荷时，中枢点电压VO应维持的电压为NNNOjjOVVVVVVh)06.1~96.0(01.0)05.1~95.0(16~0OjiOVVVh24~16NNNVVV)08.1~98.0(03.0)05.1~95.0(一、中枢点的电压管理(a)中枢点O到i及j变电所的电压损耗不大时的电压变化范围；(b)中枢点O到i及j变电所的电压损耗相差较大时的电压变化范围图13中枢点O电压容许变化范围同时考虑i、j两个负荷对O点的要求，可得出O点电压的变化范围一、中枢点的电压管理中枢点电压调整方式一般分为三类：逆调压、顺调压和常调压。(1)逆调压•最大负荷时升高电压，但不超过线路额定电压的105%，即1.05VN；•最小负荷时降低电压，但不低于线路的额定电压，即1.0VN。一、中枢点的电压管理2．中枢点电压调整的方式•最大负荷时降低电压，但不低于线路额定电压的2.5%，即1.025VN；•最小负荷时升高电压，但不超过线路额定电压的7.5%，即1.075VN。(3)常调压•电压保持在较线路额定电压高2%~5%的数值，即(1.02~1.05)V