第12章-电力系统的无功功率平衡和电压调整.

《电力系统分析》(II)HuazhongUniversityofScienceandTechnology石东源[e-mail]2011-2012学年度第二学期2012.2.21—2012.4.17电力系统的无功功率平衡无功负荷和无功电源及其无功电压特性无功功率平衡与电网电压水平的关系电压调整的基本概念允许电压偏移中枢电压管理电压调整的措施调压措施的应用HuazhongUniversityofScienceandTechnologyCH12电力系统的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—概述电压是衡量电能质量的一个重要指标质量合格的电压应该在以下四个方面都能满足有关国家标准规定的要求：供电电压偏移电压波动和闪变电网谐波三相不对称程度电力系统的无功功率平衡和电压调整—概述电压合理的重要性：对设备：∆V引起效率下降、经济性能变差，影响生活质量：照明；缩短寿命，甚至造成损坏：白炽灯、电动机、绝缘；降低生产率，出废品、次品对电力系统：电压降低：会使网络中功率和能量的损耗加大；电压过低：有可能危及电力系统的运行稳定性；电压过高：各种电气设备的绝缘可能受到损害，在超高压网络中还将增加电晕损耗等电力系统的无功功率平衡和电压调整—概述允许的电压偏移（严格保证电压经济上不可行，也没有必要）35kV及以上：±5%10kV及以下：±7%低压照明：+7%，-10%农村电网：+15%，-10%（+10%，-15%）合理的无功功率源配置是保证电压合理的关键12.1电力系统的无功功率平衡—1.无功功率与电压的关系无功功率对电压水平有决定性的影响，是引起电压损耗的重要因素iVjVjXRjQPI22()()ijjjjjPRQXPXQRPRQXVVVVVV0jjVV在高压网络中，XR，当Q与P可比时，电压降落的绝大部分为QX项，如果减少Q，则可以大大减少电压损耗。无功功率的远距离传输和就地平衡12.1电力系统的无功功率平衡—1.无功功率与电压的关系节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用EjXIVI0VV忽略R2sincossincoscossincossinEVPVIEXIXEVVQVIEVXIXXIEVjXPjQ2211aacOQVaVaV12.1电力系统的无功功率平衡—1.无功功率与电压的关系节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用21aOQVaV2222cosEVVEVVQPXXXX当P和E为定值时，Q(V)特性曲线为下开口抛物线，如右图221aaOQVaVaVEjXIVIIEVjXPjQ调节励磁电流，改变E可调整Q(V)特性2211aacOQVaVaV12.1电力系统的无功功率平衡—1.无功功率与电压的关系节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用EjXIVIIEVjXPjQ系统无功电源充足，可以满足较高电压水平下的无功功率平衡系统无功电源不足，运行电压水平偏低系统无功电源过剩，运行电压水平偏高节点电压有效值的大小对于无功功率分布起决定作用12.1电力系统的无功功率平衡—1.无功功率与电压的关系无功功率平衡与电压水平的关系-Ex12-240XPjQ1V2VLDLDPjQ222122VVVQPXX221LDLD000115kV,40MW,110MMVVPQQQVQV22已知：；（1）若=20var，试根据无功功率平衡条件确定；（2）若=30var，试确定22LD0110VQQMvarQkVV3025201510102104106108110LD-1()QVLD-2()QV()QVV2/kV103104105106107Q/Mvar28.1925.9123.5921.2118.79QLD-117.5417.8818.2218.5718.92QLD-226.3026.8227.3327.8628.3912.1电力系统的无功功率平衡—2.无功功率平衡无功功率平衡的基本概念系统无功电源容量大于无功负荷与无功损耗之和，具有备用容量GCLDLresQQQQ无功电源总出力包括发电机无功功率和各种无功补偿设备的无功功率GCGCQQQ发电机无功功率按额定功率因数计算无功损耗包括包括变压器的无功损耗、线路电抗的无功损耗和线路电纳的无功功率LLTLBQQQQcos0.9无功负荷按照负荷有功功率和功率因数计算35kV及以上工业负荷：其它负荷：cos0.8512.1电力系统的无功功率平衡—2.无功功率平衡无功功率平衡的基本要求无功电源的无功输出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系统还必须配置一定的无功备用容量尽量避免无功大容量远距离传送，应该分地区、分电压级、就地进行无功功率平衡。“调余补缺”对于无功功率不适宜。一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方式计算无功平衡，必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡222LPQPRVPRQXVV12.1电力系统的无功功率平衡—2.无功功率平衡无功功率平衡的实现无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户等各种对无功平衡有影响的因素一般无功功率按照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电容器；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SVC超高压线路并联高压电抗：90%QB变电站低容低抗、配电网电容补偿0.8OQV0.60.30.70.80.91.012.1电力系统的无功功率平衡—3.无功功率负荷（1）异步电动机：是电力系统主要的无功负荷等值电路因为异步电动机在电力系统负荷（特别是无功负荷）中占比重很大，系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定mjXjXRsIIV22MmmVQQQIXX异步电动机的无功功率和有功功率异步电动机的无功电压特性受载系数负载不变电压降低无功损耗反而升高2M(1)IRPssMNPP受饱和影响，励磁功率稍高于二次曲线12.1电力系统的无功功率平衡—3.无功功率负荷（2）变压器的无功损耗TjBTTRjXITG1V2V22LT0TTT220SNNN%%100100SQQQVBXVIVSVSSV变压器的无功损耗变压器等值电路（3）输电线路的无功损耗22221122L221222B122PQPQQXXVVBQVV输电线路的无功消耗输电线路等值电路2BjLLRjX1V2V11PjQ22PjQ2Bj35kV线路充电功率很小，线路消耗无功功率；110kV及以上线路轻载时为无功电源，重载时消耗无功功率。12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源发电机同步调相机静电电容器静止无功补偿器静止无功发生器QBDCAPNINNdNjXIOENV12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源（1）发电机—P-Q极限djXNIENV__________sincosdNNGNdNNGNABXIQADXIP受额定励磁电流（空载电势）限制，以O点为圆心，OC为半径进相运行的静态稳定约束和定子绕组端部温升受定子额定电流（额定视在功率）限制，以A点为圆心，AC为半径OC—空载电势EOA—机端电压VNAC—发电机电抗压降，正比于视在功率；AD—正比于机端有功功率AB—正比于机端无功功率DC—原动机输入功率（额定有功功率）约束讨论发电机在非额定功率因数下的无功功率：隐极机联接在恒压母线上sinGNGNNGNNQSPtg额定状态下：12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源旋转元件，运行维护复杂；有功损耗较大，满负荷时约为额定容量的1.5%~5%，容量越小，比例越大；小容量机组投资费用高（每kVA），仅利于集中大容量使用；响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求；20世纪70年代后，逐渐为静止无功补偿器取代。djXIEVEVIdjXIVEIdjXI（2）同步调相机过励磁运行，向电网输出感性无功功率；欠励磁运行，从电网吸收感性无功功率；欠励磁最大容量为过励磁容量的50%~65%；可实现无功电压连续调节；具有强励功能，有利于在系统故障时提高稳定性。12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源（3）静电电容器输出无功与节点电压平方成正比，无功功率调节性能较差（V↓，Q↓）；装设容量可大可小，既可集中安装，亦可分散安装；单位容量投资费用较小，与总容量无关；运行损耗小，约为额定容量的0.3%~0.5%；无旋转元件，运行维护方便；可根据负荷变化，分组投切电容器，实现补偿功率的分级调节（不连续）；是目前电网中广泛采用的无功补偿技术；工程上遇到由于谐波引起的电容器损坏事故较为突出，值得关注。12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源（4）静止无功补偿器SVC（StaticVarCompensator）:由静电电容器与电抗器并联组成，可平滑地改变输出或吸收的Q，1970’以来SVC在国外已被大量采用，在我国电力系统中1990’以来也逐步得到了广泛应用静止无功补偿器—饱和电抗器型静止补偿器电容CS：V-I特性斜率调整；饱和电抗器12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源静止无功补偿器—晶闸管控制电抗器型静止补偿器TCR支路正负半周内部分导通等值电感可连续调节有谐波12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源静止无功补偿器—晶闸管投切电容器型静止补偿器TSC：整周波投切，不产生谐波分级调节快速响应12.1电力系统的无功功率平衡—4.无功功率电源（5）静止无功发生器SVG（StaticVarGenerator），又称为：STATCOM（静止同步补偿器）、STATCON（静止调相机）djXIAVSVAVSVIdjXISVAVIdjXI与SVC相比，响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更少电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流储能电容的容量远小于装置无功容量12.2电压调整的基本概念电压偏移过大的危害电压偏低对系统和用户的影响电动机输出转矩降低或定子电流增大，失速甚至停转；电热设备生产效率降低照明光线不足，影响人的视力网络功率和能量损耗增加降低系统运行的稳定性电压偏高对系统和用户的影响电气设备绝缘受损，寿命缩短超高压网络电晕损耗允许电压偏移35kV及以上供电电压：正、负偏移的绝对值之和不超过10%VN；上下偏移同号时，按较大偏移绝对值衡量10kV及以下三相供电电压：±7%VN220V单相供电电压（低压照明）：+7%~-10%VN农村电网：+15%~-10%VN（+10%~-15%VN）12.2电压调整的基本概念中枢点的电压管理中枢点：电力系统中重要的供电点（电压支撑点）。电力系统中负荷点数目众多又很分散，有必要选择一些有代表性的节点，这些点的电压质量符合要求，其它各点的电压质量也能基本满足要求区域性水、火电厂高压母线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中枢点电压允许变化范围确定：中枢点向两个负荷点供电中枢点向多个负荷点供电如果中枢点是发电机母线在任何时候，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围应有公共部分中枢点电压允许变化范围确定—中枢点向两个负荷点供电12.2电压调整的基本概念OAASBBSVA：(0.95~1.05)VN时间△VOAVOA0~80.040.99~1.098~240.11.05~1.15VB：(0.9