電力系統(tǒng)教案

1、教學(xué)內(nèi)容：了解電力系統(tǒng)無功功率和電壓之間的關(guān)系、無功功率平衡和備用容量要求的必要性、各種無功電源及其特點(diǎn)。了解電壓管理和電壓調(diào)整的必要性。熟練掌握電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償和電壓調(diào)整措施的原理、特點(diǎn)和計算方法。了解無功功率最優(yōu)分布的基本原理和方法。教學(xué)重點(diǎn)：電力系統(tǒng)無功功率平衡；電力系統(tǒng)無功功率最優(yōu)分布；電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整。教學(xué)難點(diǎn)：無功功率電源的最優(yōu)分布與無功負(fù)荷最優(yōu)補(bǔ)償；電壓調(diào)整計算。教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的多媒體素材來表示抽象概念。教學(xué)要求：掌握無功功率調(diào)整計算6.1電力系統(tǒng)中無功功率的平衡6.1.1無功功率負(fù)荷和無功功率損耗異步電動機(jī)；變壓器；電力線路6.1.2無功功率電源1

2、.同步發(fā)電機(jī)（是系統(tǒng)中唯一的有功電源，也是無功電源之一）：在發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限圖中，c點(diǎn)是額定運(yùn)行點(diǎn)，有功最大只能是PGN，無功最大可大于QGN ；2.同步調(diào)相機(jī)：相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動機(jī)，其在過勵磁運(yùn)行時，它可向系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓；在欠勵磁運(yùn)行時，它能從系統(tǒng)吸取感性無功功率而起無功負(fù)荷的作用。3.靜電電容器：，其中U是節(jié)點(diǎn)電壓；為容抗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓U下降時，則QC也下降，將導(dǎo)致無功進(jìn)一步不平衡（即系統(tǒng)發(fā)出的無功進(jìn)一步減?。率构?jié)點(diǎn)電壓也進(jìn)一步下降。說明電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。4.靜止無功補(bǔ)償器(SVC)：由電容器與電抗器并聯(lián)組成，可以靈活地調(diào)節(jié)發(fā)出或

3、吸收無功的大小。5.線路中的等效并聯(lián)電納：提供的無功與電壓平方成正比。6.1.2無功功率平衡無功功率電源發(fā)出的無功功率應(yīng)與系統(tǒng)的無功負(fù)荷及網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗相平衡，即其中為無功電源的總?cè)萘浚豢偀o功負(fù)荷；網(wǎng)絡(luò)無功損耗（主要是線路和變壓器）。復(fù)習(xí)：（1）對純電感元件，即消耗無功，由此推導(dǎo)出感性阻抗都消耗無功；（2）對純電容元件，即提供無功，由此推導(dǎo)出容性阻抗都提供無功。6.2電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整6.2.1調(diào)整電壓的必要性電力系統(tǒng)的電壓和頻率一樣也需要經(jīng)常調(diào)整。由于電壓偏移過大時，會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞設(shè)備，甚至引起系統(tǒng)性的“電壓崩潰“，造成大面積停電。l 系統(tǒng)電壓降低時，發(fā)電機(jī)的定子電

4、流將因其功率角的增大而增大。如這時電流源已達(dá)額定值，則電壓降低后，將使其超過額定值。l 當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時，各類負(fù)荷中占比重最大的異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大，從而，電動機(jī)各繞組中的電流將增大，溫升將增加，效率將降低，壽命將縮短。l 照明負(fù)荷，尤其是白熾燈，對電壓變化的反應(yīng)最靈敏。電壓過高，白熾燈的壽命將大為縮短；電壓過低，亮度和發(fā)光效率又要大幅下降。l 系統(tǒng)電壓過高將使所有電氣設(shè)備絕緣受損，而且變壓器、電動機(jī)鐵芯會飽和，鐵芯損耗增大，溫升將增加，壽命將縮短。6.2.2電壓波動和電壓管理1電壓波動l 電壓波動分為兩類：l 周期長、波動面大、主要由生產(chǎn)、生活和氣象條件變化引起的負(fù)荷變動所導(dǎo)致的電壓變動。

5、l 沖擊性和間歇性負(fù)荷引起的電壓波動。如往復(fù)式泵、電弧爐、卷揚(yáng)機(jī)、通風(fēng)設(shè)備等。電壓閃變、電壓跌落等。l 習(xí)慣上所謂的電壓調(diào)整是針對第一類的，對第二類可采取專門措施。2電壓管理2 電壓管理（1） 電壓中樞點(diǎn)的選擇電力系統(tǒng)調(diào)整電壓的目的，是要在各種運(yùn)行方式下，能維持各用電設(shè)備的端電壓在規(guī)定的波動范圍內(nèi)，從而保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用電設(shè)備數(shù)量極大，因此電力系統(tǒng)運(yùn)行部門對網(wǎng)絡(luò)各母線電壓及各用電設(shè)備的端電壓進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整是不可能的，而且也沒有必要。在電力系統(tǒng)中常常選擇一些有代表性的點(diǎn)作為電壓中樞點(diǎn)，運(yùn)行人員監(jiān)視中樞點(diǎn)電壓，將中樞點(diǎn)電壓控制調(diào)整在允許的電壓偏移范圍內(nèi)。只

6、要這些中樞點(diǎn)的電壓質(zhì)量滿足要求，其他各點(diǎn)的電壓質(zhì)量基本上滿足要求。所謂電壓中樞點(diǎn)系指那些能反映和控制整個系統(tǒng)電壓水平的點(diǎn)。一般選擇下列母線作為中樞點(diǎn)：(1)大型發(fā)電廠的高壓母線(高壓母線上有多回出線時)；(2)樞紐變電所的二次母線；(3)有大量地方性負(fù)荷的發(fā)電廠母線。下圖所示發(fā)電廠低壓母線I和末端變電所二次母線可作為中樞點(diǎn)。（2）中樞點(diǎn)電壓和負(fù)荷電壓的關(guān)系為對中樞點(diǎn)電壓進(jìn)行控制和調(diào)整，必須首先確定中樞點(diǎn)電壓的允許波動范圍。一般各負(fù)荷點(diǎn)都允許有一定的電壓偏移，例如，負(fù)荷點(diǎn)允許電壓偏移為5，再計及由負(fù)荷點(diǎn)到中樞點(diǎn)的線路上的電壓損耗，便可確定中樞點(diǎn)電壓的波動范圍。這就是常說的電壓的不等約束條件。對一

7、個實際運(yùn)行的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和負(fù)荷曲線已知后，要確定中樞點(diǎn)的電壓波動范圍，如下圖 所示由一個中樞點(diǎn)i向兩個負(fù)荷j、k供電的簡單網(wǎng)絡(luò)。設(shè)j、k兩負(fù)荷允許電壓偏移都為5，如圖4-12 (b) 所示；負(fù)荷j、k的簡化日負(fù)荷曲線如圖4-12 (c) (d) 所示；設(shè)由于這兩個負(fù)荷功率的流通，線路i-j、i-k上的電壓損耗分別如圖4-12 (e) 、(f)所示。求中樞點(diǎn)電壓的波動范圍。即編制中樞點(diǎn)電壓變化曲線。根據(jù)負(fù)荷對電壓的要求，可求出中樞點(diǎn)電壓的波動范圍。只滿足j負(fù)荷時，中樞點(diǎn)電壓應(yīng)維持的電壓為：08時 ；824時 。只滿足k負(fù)荷時，中樞點(diǎn)電壓應(yīng)維持的電壓為：016時 ；1624時 。根據(jù)這些要求可作

8、出中樞點(diǎn)i電壓的變動范圍如圖4-13所示。將圖4-13 (a) 、(b) 合并，就可得同時滿足負(fù)荷j、k要求的中樞點(diǎn)i的電壓允許變動范圍，如圖4-14 (a) 中的陰影部分。可見，同時滿足j、k兩點(diǎn)電壓要求時，中樞點(diǎn)電壓的變動范圍為：0-8時 ；8-16時 ；16-24時 。由以上可知，雖然負(fù)荷j、k允許的電壓偏移都是5，即都有10的允許變化范圍，但由于中樞點(diǎn)i與這些負(fù)荷之間線路上電壓損耗、的大小和變化規(guī)律都不相同，要同時滿足這兩個負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求，中樞點(diǎn)電壓的允許變化范圍大大縮小了，最小時僅有1。若同時考慮兩個負(fù)荷，兩個負(fù)荷對中樞點(diǎn)電壓的允許波動范圍沒有相交的陰影部分，則中樞點(diǎn)不能同時滿

9、足兩個負(fù)荷對電壓的要求。例如，設(shè)8-24時，增大為0.12，則816時，從曲線上找不到公共的陰影部分，中樞點(diǎn)i的電壓就難以同時滿足負(fù)荷j、k對電壓質(zhì)量的要求，如圖4-14 (b) 所示。一旦出現(xiàn)這種情況，僅靠控制中樞點(diǎn)電壓已不足以控制所有負(fù)荷點(diǎn)的電壓，則應(yīng)考慮采取其他措施。（2） 中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式當(dāng)在實際運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，由于缺乏必要的數(shù)據(jù)而無法確定中樞點(diǎn)的電壓控制范圍時，可根據(jù)中樞點(diǎn)所管轄的電力系統(tǒng)中負(fù)荷分布的遠(yuǎn)近及負(fù)荷波動的程度，對中樞點(diǎn)的電壓調(diào)整方式提出原則性要求，以確定一個大致的電壓波動范圍。這種電壓調(diào)整方式一般分為逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓三類。(1)逆調(diào)壓。對于大型網(wǎng)絡(luò)，如中樞點(diǎn)至負(fù)荷

10、點(diǎn)的供電線較長，且負(fù)荷變動較大，則在最大負(fù)荷時要提高中樞點(diǎn)的電壓，以抵償線路上因最大負(fù)荷而增大的電壓損耗；在最小負(fù)荷時則要將中樞點(diǎn)電壓降低一些，以防止負(fù)荷點(diǎn)的電壓過高，一般對這種情況的中樞點(diǎn)實行“逆調(diào)壓”。采用逆調(diào)壓方式的中樞點(diǎn)電壓，在最大負(fù)荷時較線路的額定電壓高5，即1.05；在最小負(fù)荷時等于線路的額定電壓，即1.0。(2)順調(diào)壓。對于小型網(wǎng)絡(luò)，如中樞點(diǎn)至負(fù)荷點(diǎn)的供電線路不長，負(fù)荷大小變動不大，線路上的電壓損耗也很小，在這種情況下，可對中樞點(diǎn)采用“順調(diào)壓”。采用順調(diào)壓方式的中樞點(diǎn)電壓，在最大負(fù)荷時允許中樞點(diǎn)電壓低一些，但不低于線路額定電壓的+2.5，即1.025；在最小負(fù)荷時允許中樞點(diǎn)電壓高

11、一些，但不高于線路額定電壓的+7.5，即1.075。(3)常調(diào)壓。對于中型網(wǎng)絡(luò)，如負(fù)荷變動較小，線路上電壓損耗也較小，這種情況只要把中樞點(diǎn)電壓保持在較線路電壓高25%的數(shù)值，即1.02-1.05，不必隨負(fù)荷變化來調(diào)整中樞點(diǎn)的電壓，仍可保證負(fù)荷點(diǎn)的電壓質(zhì)量，這種方式稱為“常調(diào)壓”。以上都是指系統(tǒng)正常運(yùn)行時的調(diào)壓方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故時，因電壓損耗比正常時大，故電壓質(zhì)量允許降低一些。如前所述，事故時負(fù)荷點(diǎn)的電壓偏移允許較正常時再增大5。6.2.3借改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓現(xiàn)代大中型同步發(fā)電機(jī)大都裝有自動勵磁調(diào)節(jié)裝置，發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)整就是借助于發(fā)電機(jī)的自動勵磁調(diào)節(jié)器，改變勵磁機(jī)電壓而實現(xiàn)的。改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

12、電流，就可以改變發(fā)電機(jī)定子的端電壓?，F(xiàn)在用于同步發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)裝置種類很多，但原理是相同的。如圖所示，發(fā)電機(jī)的自動勵磁調(diào)節(jié)器由量測濾波、綜合放大、移相觸發(fā)、晶閘管輸出及轉(zhuǎn)子電壓軟負(fù)反饋等環(huán)節(jié)組成。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓變化時，測量單元測得的信號與給定電壓相比較，得到的電壓偏差信號經(jīng)放大后，又作用于移相觸發(fā)單元，產(chǎn)生不同相位的觸發(fā)脈沖，進(jìn)而改變晶閘管元件的導(dǎo)通角，使調(diào)節(jié)器輸出發(fā)生變化，勵磁機(jī)電壓隨之變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電壓的目的。這種調(diào)壓方法，不需增加額外的設(shè)備，因此是最經(jīng)濟(jì)合理的調(diào)壓措施，應(yīng)優(yōu)先考慮。但對線路較長且是多電壓級網(wǎng)絡(luò)，并有地方負(fù)荷的情況下，單靠發(fā)電機(jī)調(diào)壓就不能滿足負(fù)荷點(diǎn)的電壓要求。

13、下圖所示為一多電壓級網(wǎng)絡(luò)，各級網(wǎng)絡(luò)的額定電壓及最大、最小負(fù)荷時的電壓損耗均標(biāo)于圖中。最大負(fù)荷時，從發(fā)電機(jī)至線路末端的總電壓損耗為35，最小負(fù)荷時，總電壓損耗為15，兩者相差20，而對發(fā)電機(jī)來說，考慮機(jī)端負(fù)荷的要求及供電至地方負(fù)荷線路上的電壓損耗，其電壓調(diào)整范圍為0-5，因此，僅靠發(fā)電機(jī)機(jī)端調(diào)壓不能滿足遠(yuǎn)方負(fù)荷的電壓要求，還應(yīng)采用其他調(diào)壓方法。6.2.4借改變變壓器變比調(diào)壓普通雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高、中壓繞組都留有幾個抽頭供調(diào)壓選擇使用。一般容量為6300kVA及以下的變壓器有三個抽頭，分別為1.05、095處引出，調(diào)壓范圍為5，其為高壓側(cè)額定電壓，在處引出的抽頭被稱為主抽頭。

14、容量為8000kVA及以上的變壓器有五個抽頭，分別為1.05、1.025、0.975、0.95處引出，調(diào)壓范圍為225。如上圖，為一降壓變壓器，最大負(fù)荷時：高壓側(cè)母線電壓； 歸算到高壓側(cè)的變壓器中的電壓損耗；低壓側(cè)的額定電壓； 低壓側(cè)要求的實際電壓；應(yīng)選擇的高壓側(cè)分接頭電壓；Uimax-歸算到高壓側(cè)的低壓母線電壓最大負(fù)荷下：最小負(fù)荷下：如果變壓器為無載調(diào)壓變壓器，（分接頭不能在線調(diào)節(jié)）根據(jù)選定一個最接近的分接頭后，再按選定的分接頭校驗?zāi)妇€實際電壓是否滿足要求。其返回校驗過程為：（1） 求低壓母線電壓最大負(fù)荷時： 最小負(fù)荷時： （2） 求電壓偏移百分?jǐn)?shù)最大負(fù)荷時： 最小負(fù)荷時：將上述結(jié)果與調(diào)壓要

15、求相比較，如果電壓偏移均在要求范圍內(nèi)，即說明所選分接頭合適。6.3電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整6.3.1補(bǔ)償設(shè)備容量的計算和分別為補(bǔ)償前和補(bǔ)償后低壓側(cè)歸算到高壓側(cè)的低壓母線電壓（忽略電壓降的橫分量）補(bǔ)償前： 補(bǔ)償后：設(shè)Ui不變，則上兩式相等可得： 忽略第二項6.3.2最小補(bǔ)償設(shè)備容量的確定實際上補(bǔ)償設(shè)備容量的計算一般和變壓器變比配合進(jìn)行。設(shè)為變電所低壓側(cè)要保持的電壓，變壓器變比為k=UtJ/UNj ， （1） 選用電容器按最大負(fù)荷時全部投入，最小負(fù)荷時全部退出的運(yùn)行條件考慮。即按選定變壓器分接頭后，再按選擇電容器容量。最后按選擇的電容器容量進(jìn)行校驗。（2） 選調(diào)相機(jī)最大負(fù)荷時，過激運(yùn)行發(fā)出額定容量的無功，最