电力系统规划与可靠性讲座6_电力系统无功规划090406(修改)

电力系统规划与可靠性电气工程学院电力信息与控制研究所李晓明武汉大学电气工程及其自动化专业选修课(第6专题:电力系统无功规划)电力系统无功规划概述电网电压标准无功补偿规划的原则无功补偿线性规划模型无功补偿容量的配置配电网无功补偿容量的确定2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所632概述无功补偿的重要性：电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量的基本条件。无功补偿作用：无功规划分类：按规划时间长短电网无功规划也可分为长期规划（10年以上）、中期规划（5～10年）和短期规划（1～5年）三种。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所633低压及配电网络（1）调整电压（2）提高功率因数，降低网络损耗高压输电系统（1）提高系统的稳定性（2）调整受端电压（3）抑制线路电压升高（4）降低有功损耗（5）补偿换流装置需要的无功功率电网电压标准发电厂和变电站母线电压允许偏差值500（330）kV母线：正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统额定电压的+10％最低运行电压不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、厂用电的正常使用及下一级电压调节。发电厂和500kV变电站的220kV母线：正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电压的0～+10%，事故运行方式时为系统额定电压的-5％～+10％。发电厂和220kV变电站的110～35kV母线：正常运行方式时，电压允许偏筹为相应系统额定电压的-3％～+7％，事故后为系统额定电压的±10％。带地区供电负荷的变电站和发电厂(直属)的10（6）kV母线：正常运行方式下的电压允许偏差为系统额定电压的0～+7%。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所634电网电压标准用户受端供电电压允许偏差值35kV及以上用户供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10％。10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％。220V单相供电电压允许偏差为额定电压的-10%～+7%。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所635电网电压标准各级电压容许损失值的范围2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所636额定电压电压损失分配值（%）变压器线路220kV1.5～31～2110kV2～53～535kV2～4.51.5～4.510kV及以下2～44～8110kV线路配电变压器低压线路2～41.5～32.5～5无功补偿规划的原则国家相关标准按电压补偿原则按经济补偿原则无功补偿优化2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所637国家相关标准无功补偿应按《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》（国家电网生[2004]203号）执行，主要内容为：【无功就地平衡】集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主的原则，实行分级补偿，实现无功动态就地平衡，满足降损和调压的需要。。【分（电压）层和分（供电）区的无功平衡】电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷高峰和低谷运行方式下分（电压）层和分（供电）区的无功平衡。分（电压)层无功平衡的重点是：220kV及以上电压等级层面的无功平衡；分（供电）区就地平衡的重点是110kV及以下配电系统的无功平衡。【避免无功交换】各级电网应避免通过输电线路远距离输送无功电力。500(330)kV电压等级系统与下一级系统之间不应有大量的无功电力交换。500(330)kV电压等级超高压输电线路的充电功率应按照就地补偿的原则采用高、低压并联电抗器基本予以补偿。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所638国家相关标准【受端无功备用】受端系统应自足够的无功备用容量。当受端系统存在电压稳定问题时，应通过技术经济比较，考虑在受端系统的枢纽变电站配置动态无功补偿装置。【不引起系统谐波明显放大、避免大量的无功电力穿越变压器】各电压等级的变电站应结合电网规划和电源建设，合理配置适当规模、类型的无功补偿装置。所装设的无功补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免大量的无功电力穿越变压器。35～220kV变电站，在主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数应不低于095，在低谷负荷时功率因数应不高于0.95。【电缆线路配置适当容量的感性无功】对于大量采用10～220kV电缆线路的城市电网．在新建110kV及以上电压等级的变电站时，应根据电缆进、出线情况在相关变电站分散配置适当容量的感性无功补偿装置。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所639国家相关标准【主变运行参数的采集、测量】35kV及以下电压等级的变电站，主变压器高压侧应具备双向有功功率和无功功率(或功率因数)等运行参数的采集、测量功能。【足够的事故备用无功容量和调压能力】为了保证系统具有足够的事故备用无功容量和调压能力，并入电网的发电机组应具备满负荷时功率因数在O85（滞相）～097（进相）运行的能力，新建机组应满足进相0.95运行的能力。为了平衡500（330)kV电压等级输电线路的充电功率．在电厂侧可以考虑安装一定容量的并联电抗器。【电力用户不应向电网反送无功、不从电网吸收无功】电力用户应根据其负荷性质采用适当的无功补偿方式和容量。在任何情况下，不应向电网反送无功电力，并保证在电网负荷高峰时不从电网吸收无功电力。【自动投切并联电容器组和并联电抗器组】并联电容器组和并联电抗器组宜采用自动投切方式。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6310按电压补偿原则【按电压补偿原则】满足负荷对无功电力的基本需要，使电压运行在规定的范围内，以保证电力系统运行安全和可靠。【优点】从利用发电机无功容量考虑，按电压允许偏差进行无功补偿，可以让线路多输送些无功电力给受端。这一原则适用于无功补偿容量少，尚不能按经济补偿原则来要求的电力系统。【缺点】按电压原则补偿，使电网中无功流动量加大和流动距离增加，电网有功损耗也相应提高。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6311按经济原则进行补偿原则：按减少电网有功损耗和年费用最小的经济原则进行补偿和配置，即就地分区分层平衡。500（330）kV与220（110）kV电网层间，应提高运行功率因数，其至不交换无功。一个供电企业是一个平衡区，一个500kV变电站可作为一个供电区，35～220kV变电站均可作为一个平衡单位，以防止地区间和变电站间无功电力大量窜动。对用户则要求最大有功负荷时，功率因数补偿到0.98～1.0，而且要求补偿容量随无功负荷的变化及时调整平衡，不向系统倒送无功。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6312无功补偿优化概念：根据各规划年的负荷水平，通过优化计算求出电网逐年补偿电容量及有载调压变压器的最优配置方案。最优配置的目标：经济目标：系统的有功损耗最小，补偿电容量最小，补偿效果最好。电压质量：各节点电压幅值偏离期望值差之和最小。电压稳定：考虑系统的电压稳定性，提高系统的电压稳定裕度。作用：通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高系统运行的稳定性，而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6313无功补偿线性规划模型目标函数变量约束条件综合灵敏度矩阵网络参数修正优化模型及计算流程2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6314目标函数网损最小目标函数：在满足约束条件的情况下，用投切补偿电容器及调节有载调压变压器的分接头来达到电网运行网损最小的无功配置方案。网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6315若电网总结点数为n，由极坐标形式的潮流计算公式得其网损为11(cossin)nnLijijijijijijPUUGB式中：iU、jU指i、j节点的电压，ijG为i、j节点间的电导，ijB为i、j节点间的电纳，ij为i、j节点间的电压相角差。考虑到sinsinijji，上式可简化为11cosnnLijijijijPUUG目标函数网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所631611cosnnLijijijijPUUG为了便于用线性规划求解，要对上式进行线性化，并写成网损为补偿容量及有载调压变压器分接头档位的函数表达式11kMkLLLCjijiCjiPPZPQtQt式中：k指电容补偿节点数，kM指有载调压变压器台数，CjQ为节点j的补偿电容增量，it为i号有载调压变压器的分接头档位增量。目标函数网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所631711cosnnLijijijijPUUG由上式可求得网损LP对节点电压的偏导为2cos(,1,2,,)LjijijjiiPUGijnU对节点电压相角的偏导为2sin(,1,2,,)LijijijjiiPUUGijn为了求出网损与有载调压变压器分接头档位和电容补偿量的函数关系，必须计算网损对电容补偿的偏导数与网损对变压器分接头档位的偏导数（亦称灵敏度）。目标函数网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6318（1）网损对节点电容的灵敏度LCjPQ：由潮流方程有节点i处的无功功率iQ计算式为(sincos)(,1,2,,)iijijijijijjiQUUGBijn网损是节点电压幅值和相角的函数，从上式可见，节点注入无功亦是节点电压幅值和相角的函数。根据隐函数求导法则，可求出网损对各节点注入无功功率的偏导数1212(1,2,,)nLLLLiiiniUPPUPUPinQUQUQUQ目标函数网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6319(sincos)(,1,2,,)iijijijijijjiQUUGBijn当ji时(sincos)(,1,2,,)iijiijijijijjQHUGBijnU当ji时(sincos)(,1,2,,)iiijijijijijiiijiiQHUGBUBijnU而1/jiijUQQU，可得12cos()(1,2,,)jijijnjiLiiijUGPinQH目标函数网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6320（2）网损对有载调压变压器分接头的灵敏度LPt求解节点注入功率相对变压器分接头的灵敏度时，假设变压器两端节点注入功率不因变压器分接头变动而变动。当变压器分接头改变ijt时，将引起之路功率的变化，从而引起节点注入功率的变化。由于节点注入功率不变这个前提，我们必须注入一个与分接头调整后功率增量反向的功率增量来抵消由变压器分接头变动而引起的节点注入功率变动。iPiQjPjQij1:ijtijiijijPPttijiijijQQttjijijijPPttjijijijQQttij1:()ijijtt目标函数网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6321由于变压器分接头变动而引起的节点功率的变化可用下列算式表示()ijijiiiijijijijijiijijjijijijjijijijPPPPPttttQQttPPttQQtt进而得出相应的网损变化为LLLLLiijjiijjPPPPPPQPQPQPQ目标函数网损最小目标函数推导2019/8/4武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6322进而得出相应的网损变化为LLLLLiijjiijjPPPPP