电力系统分析,第五章 电力系统无功功率和电压调整,第五章 电力系统无功功率和电压调整,5.1 电力系统无功功率的平衡,5.2 电力系统无功功率的最优分布,5.3 电力系统的电压管理,5.4 电力系统电压调整的措施,第五章 电力系统无功功率和电压调整,电力系统中的有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机；无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机和静止补偿器等，分散在各变电所。 供应有功功率和电能，必须消耗能源；但无功功率电源一旦设置后，就可随时使用而不再有其它经常性耗费。系统中无功功率损耗远大于有功功率损耗。 正常稳态运行时，全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只有调整原动机功率一种。电压水平则全系统各点不同，而且电压调整可分散进行，调压手段也多种多样。凡此种种，使电力系统的无功功率和电压调整与有功功率和频率调整有很大不同。,5.1 电力系统无功功率的平衡,1、电压偏移的基本概念：电网中各节点运行电压值对额定 值偏移的大小，即：,一、电压偏移及调整电压的必要性,2、造成电压偏移的原因： （1）设备及线路压降 （2）负荷波动 （3）运行方式改变 （4）无功不足或过剩,5.1 电力系统无功功率的平衡,4、我国规定的允许电压偏移： 35kV及以上电压供电负荷：5% 10kV及以下电压供电负荷：7% 低压照明负荷：+5% 10% 220kV及以上枢纽变电所一次侧母线：5%0%,3、电压调整的必要性（电压偏移的影响）： （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。,5.1 电力系统无功功率的平衡,1、无功功率负荷： 各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗 有功功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功 率外，大多数都要消耗无功功率。因此，无功功率负荷 一般以滞后功率因数运行，其值约为0.60.9。,二、电力系统无功功率负荷和无功功率损耗,2、无功功率损耗：,5.1 电力系统无功功率的平衡,1）变压器的无功功率损耗： 励磁支路空载损耗 和 绕组漏抗中无功损耗,假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压US%=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。,5.1 电力系统无功功率的平衡,2）输电线路中的无功功率损耗：,电力线路上的无功功率损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的损耗与线路电压的平方成正比，呈容性；串联电抗中的损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。,5.1 电力系统无功功率的平衡,三、电力系统的无功功率电源,发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数下运 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。,无功功率电源有发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器，后三种装置又称为无功补偿装置。,5.1 电力系统无功功率的平衡,在过励磁运行时：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：从系统吸取感性无功功率而起无功负荷的作用，可降低系统电压。 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取的无功功率，因而调节性能较好。,5.1 电力系统无功功率的平衡,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 可分散安装；且每单位容量的投资费用较小，运行时 功率损耗亦较小，维护方便。,静止补偿器属“灵活交流输电系统”范畴的无功功率电源，全 称为静止无功功率补偿器(SVC)，有各种不同型式：,5.1 电力系统无功功率的平衡,静止无功补偿器的原理图,(a) 可控饱和电抗器型； (b) 自饱和电抗器型； (c) 可控硅控制电抗器型； (d) 可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型;,5.1 电力系统无功功率的平衡,四、电力系统无功功率的平衡 系统中无功电源发出的无功功率与系统总的无功负荷（包括负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗两部分）相平衡；即：,其中：无功电源发出无功,网络中的无功损耗,注：进行无功功率平衡计算时，必须保证电力系统的电压水平 正常；如果无功平衡不能保证正常电压水平，则电能质量 不能保证。,5.2 电力系统无功功率的最优分布,无功功率最优分布分为：无功功率电源的最优分布 无功功率负荷的最优补偿, 有功功率损耗P与系统中各点的注入功率有关，而在有 功功率最优分配方案确定之后，各节点的PiPGiPLDi 是 已知的，且各节点的负荷无功QLDi是已知的，则 P与各 无功功率电源发出的无功QGi有关 。,一、无功功率电源的最优分布 1、目的：在有功负荷最优分配方案确定后，调整各无功功 率电源的出力，使全网中总的有功功率损耗 P 最小 ， 这就是无功功率电源最优分布的目标函数。,5.2 电力系统无功功率的最优分布,目标函数：,等式约束条件：,不等式约束条件：,忽略不等式约束，构造拉格朗日目标函数：,2、无功功率电源的最优分布原则等网损微增率准则,5.2 电力系统无功功率的最优分布,求解可得：,不计无功网损时：, 这就是等网损微增率准则，此时系统总有功损耗最小。,5.2 电力系统无功功率的最优分布,计及网损时，上述准则照样成立：,其中：,表示有功网损对第i个无功电源的微增率；,无功功率网损修正系数,表示无功网损对第i个无功电源的微增率。, 实际计算时，当QGi出现越限的情况，即逾越它的上限 QGimax或下限QGimin时，可取QGiQGimax或QGiQGimin。,5.2 电力系统无功功率的最优分布,例题52：某60kV的简化等值网络如图所示：各线段电阻已 标注在图中， 。设无功功率补偿设备的总容量为17Mvar，在 不计无功功率网损的条件下，试确定这些无功功率补偿设备 容量的最优分布。,5.2 电力系统无功功率的最优分布,解：设各无功功率补偿设备的 容量为QC1、QC2、QC3、 QC4，不计无功功率网损 时，无功功率流动引起的 有功功率网损P为：,5.2 电力系统无功功率的最优分布,网损微增率为：,5.2 电力系统无功功率的最优分布,经校验， 越下限0Mvar，因此，置 ， 重新进行分配计算：,按网损微增率相等分配各无功功率补偿设备的容量：,解之得：,等式约束条件为：,按网损微增率相等重新分配剩余各无功功率补偿设备的容量， 联立等式约束条件：,5.2 电力系统无功功率的最优分布,网损微增率为：,解之得：,经校验，均满足要求。,5.2 电力系统无功功率的最优分布,作业题：已知某简单电力系统如图所示，现准备投资在系统 中装设18Mvar的并联电容器进行无功补偿。试确定电容器的 最优分布方案（不计无功功率网损）。,5.2 电力系统无功功率的最优分布,二、无功负荷的最优补偿,目标函数：,最优网损微增率准则：,5.3 电力系统的电压管理,一、电力系统电压管理的基本概念,1、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)。,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。,2、电压管理： 对电压中枢点的电压进行调整和控制，使其母线电压变化 限制在某一给定的范围内，满足负荷电压要求。,5.3 电力系统的电压管理,1、电压波动：,二、电压波动及限制措施,当负荷发生波动时，使得线路上传送的无功功率发生 波动，相应的各节点电压也随之波动。 对于生活、生产、气象等变化引起的周期长、波及面 大的电压波动需进行调整。 对于冲击性负荷引起的电压波动需进行限制。,2、限制措施：,以专用母线或线路单独向波动负荷供电； 在波动地点和电源之间设置串联电容器，以抵消感抗； 在波动负荷附近设置调相机； 在波动负荷供电线路上设置静止补偿器。,5.3 电力系统的电压管理,三、中枢点的电压管理 1、中枢点电压的允许变动范围：UiminUi Uimax 中枢点电压曲线的编制方法：通过负荷点电压的允许变 化范围，确定中枢点电压的允许变动范围。,设有下图所示简单网络，中枢点1向负荷2、3供电：,需综合考虑负荷2、3对电压中枢点1的要求，若要同时满足两个负荷对电压质量的要求，中枢点 电压的允许变动范围减小。,5.3 电力系统的电压管理,5.3 电力系统的电压管理,负荷2对中枢点电压的要求图e：,负荷3对中枢点电压的要求图f：,5.3 电力系统的电压管理, 同时考虑 2、3 两个负荷对1点的要求，即将图 e 和图 f 取交集可得图 g，中枢点电压曲线所示的允许变动范围有公共部分，则控制和调整中枢点电压在允许的公共变动范围内，就可以满足各负荷点的调压要求；,5.3 电力系统的电压管理, 在实际电力系统中，由同一中枢点供电的负荷可能很多，且 中枢点到负荷处线路上的电压损耗大小和变化规律的差别可 能很大，完全可能出现在某些时段内(如图h中816h 内)， 中枢点电压取任何值均不能满足要求，即中枢点电压曲线所 示的允许变动范围没有公共部分，这时须采取其他措施。,5.3 电力系统的电压管理,1）逆调压：在最大负荷时适当提高中枢点电压以补偿增大的电压损耗，比线路UN高5（即1.05UN），最小负荷时线路上电压损耗减小，降低中枢点电压为UN； 适用于供电线路较长，负荷波动较大的中枢点。,2、中枢点的调压方式：逆调压、顺调压和常调压,2）顺调压：按自然规律作出调压要求，最大负荷时允许电压可以略低一些，但不低于1.025UN，最小负荷时允许电压可以略高一些，但不高于1.075UN；适用于负荷变动小，供电线路不长的中枢点。,3）常调压：在任何负荷情况下基本中枢点电压保持不变， 枢点电压维持在允许电压偏移范围：1.025UN 1.05UN；适 用于负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的中枢点。,5.4 电力系统电压调整的措施,引言：电压调整的基本原理,要求对负荷点b的电压进行调整，则调整措施为： 1）利用发电机进行调压（改变UG）； 2）改变主变压器变比或分接头调压（改变k1、k2）； 3）利用各种补偿设备进行调压（改变Q）。,5.4 电力系统电压调整的措施,一、利用发电机调压,5.4 电力系统电压调整的措施,5.4 电力系统电压调整的措施,图5-9 多级变压供电系统的电压损耗分布,即电压变动范围为21，由发电机逆调压可缩小为16，此电 压变动范围已不能满足一般负荷的要求，需借助其他无功补偿 措施。,5.4 电力系统电压调整的措施,二、改变变压器变比调压（分接头选择） 1、分接头说明： 1）普通双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压 绕组一般有3个或5个分接头（抽头）； 即UN、UN5UN或UN、UN2.5UN，UN5UN； 2）目前我国暂定，110kV级的有载调压变压器 有7个分接头， 即UN、UN32.5%UN； 220kV级的有9个分接头，即UN、UN42.0%UN。, 对用于UN的分接头为主抽头；普通变压器只能在停电情况 下才可以改变分接头，因此必须在投运前选择好合适的分 接头以满足各种负荷要求；而有载调压变压器可以在运行 中调整分接头选择。,5.4 电力系统电压调整的措施,2、双绕组变压器分接头选择（高压绕组）, 降压变压器： U2为实际要求的低压侧电压，U2为U2归算至高压侧的电 压；最大负荷运行时，所有参数下标为max；最小负荷运 行时，所有参数下标为min；k为降压变压器变比。,5.4 电力系统电压调整的措施,最大负荷运行时高压侧分接头选择：,最小负荷运行时高压侧分接头选择：,5.4 电力系统电压调整的措施, 为使最大、最小负荷两种情况下变电所低压母线实际电压 偏离要求的 U2max，U2min 大体相等，对普通变压器而言， 分接头电压选择：,根据Ut1 选择一个最