電力系統(tǒng)自動化(5電壓與無功調(diào)節(jié))課件

五、電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)

本章要點(diǎn)1、電壓控制的意義和特點(diǎn)；2、電壓控制的基本原理；3、電源的電壓-無功特性；4、負(fù)荷的電壓-無功特性；5、電力系統(tǒng)電壓控制方法；6、電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備；

五、電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)

本章要點(diǎn)15.1電壓控制的意義與特點(diǎn)意義：電壓是電能質(zhì)量指標(biāo)之一；特點(diǎn)：（1）電壓偏移是無功功率不平衡的表現(xiàn)；（2）（與有功電源相比）無功電源種類多，布置靈活；（3）電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓可以允許存在一定偏差（送端允許高于額定電壓5％，受端允許低于額定電壓5％）；（4）電力系統(tǒng)調(diào)壓主要是通過調(diào)節(jié)無功電源的出力與合理改變無功功率潮流的分布進(jìn)行的；（5）電壓和無功功率控制與降低網(wǎng)損關(guān)系緊密；（6）無功補(bǔ)償設(shè)備不消耗有功功率，卻可以降低有功功率損耗；5.1電壓控制的意義與特點(diǎn)意義：電壓是電能質(zhì)量指標(biāo)之一；25.2電壓控制的基本原理電壓偏差的起因：傳輸路徑的阻抗與電流不為零是引起電壓偏離額定值的根本原因，而且不可避免；有功電流和線路電阻對電壓影響較小，而無功電流和線路電抗對電壓的影響較大（理論證明如下）；5.2電壓控制的基本原理電壓偏差的起因：傳輸路徑的阻抗與電3電壓偏差分析以受端電壓U2作為參考方向，U2是U2的幅值。負(fù)荷功率S2等于受端電壓與線路電流的共軛相乘：線路傳輸功率與線路電壓降落的關(guān)系：縱分量橫分量電壓偏差分析以受端電壓U2作為參考方向，U2是U2的幅值。4電壓降落名詞：電壓降落（矢量）及其縱分量和橫分量、電壓損耗（標(biāo)量）、電壓偏移；根據(jù)理論分析及其矢量圖可見，電壓降落中，與U2同向的縱分量對電壓偏移影響較大，而與U2垂直的橫分量對電壓偏移影響較小，工程上常可忽略橫分量的影響；又由于在傳輸路徑上的各元件阻抗（發(fā)電機(jī)，變壓器，輸電線路，異步電動機(jī)等）均是感抗遠(yuǎn)大于電阻，通常在簡化分析與計算中，可將電阻忽略而只考慮感抗的作用；電壓降落名詞：電壓降落（矢量）及其縱分量和橫分量、電壓損耗（5調(diào)壓方程負(fù)荷端電壓Ub（孫瑩圖4-6）：由上式可見，影響負(fù)荷端電壓的因素有：UG，K1（升壓比），K2（降壓比），R，X等線路參數(shù)，負(fù)荷功率P，Q等運(yùn)行參數(shù)，對它們實(shí)施行之有效的控制，就能達(dá)到控制受端電壓之目的。調(diào)壓方程負(fù)荷端電壓Ub（孫瑩圖4-6）：6電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)手段調(diào)整發(fā)電機(jī)端電壓；改變變壓器變比，以此改變無功功率潮流分布，用無功富裕支路支援無功不足支路，合理分配無功；就地進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高負(fù)荷運(yùn)行的功率因數(shù)，減少無功功率傳輸；改變線路參數(shù)和結(jié)構(gòu)，減小阻抗（串聯(lián)電容器）和不合理的無功流動；電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)手段調(diào)整發(fā)電機(jī)端電壓；7電力系統(tǒng)電壓控制應(yīng)遵循的原則和約束條件

（1）無功功率就地、就近平衡，減小無功流動引起的無功損耗和有功損耗；（2）線路不過載（安全性）；（3）兼顧經(jīng)濟(jì)性；（4）確保穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)電壓控制應(yīng)遵循的原則和約束條件

（1）無功功率就地、85.3電力系統(tǒng)無功電源的電壓－無功功率特性電力系統(tǒng)無功功率源有：（1）同步電機(jī)，包括同步發(fā)電機(jī)，同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)；（2）電力電容器；（3）靜止無功補(bǔ)償器（SVC）等；5.3電力系統(tǒng)無功電源的電壓－無功功率特性電力系統(tǒng)無功功率9同步電機(jī)的電壓-無功特性同步發(fā)電機(jī)的電壓-無功特性取決于同步發(fā)電機(jī)的無功調(diào)差特性，是一條下傾直線，具有自動平衡無功的調(diào)節(jié)效應(yīng)；同步調(diào)相機(jī)可視為有功功率為零的同步發(fā)電機(jī)，同步電動機(jī)可視為有功功率為負(fù)的同步發(fā)電機(jī)，它們的電壓-無功特性與同步發(fā)電機(jī)類似，由勵磁調(diào)節(jié)器中的調(diào)差單元決定；同步電機(jī)的電壓-無功特性同步發(fā)電機(jī)的電壓-無功特性取決于同步10電力電容器的電壓－無功功率特性電容器輸出無功功率：QC＝U2/XC與其端電壓的平方成正比，是一條上翹的二次曲線。電容器的特點(diǎn)：（1）電容器具有“負(fù)調(diào)節(jié)特性”；電容器的電壓－無功功率特性曲線是上翹的，這一點(diǎn)與同步電機(jī)相反。這就意味著當(dāng)電力系統(tǒng)無功功率缺乏使電容器安裝處的電壓下降時，電容器輸出的無功功率反而減少，使無功功率缺額加??；反之，當(dāng)電力系統(tǒng)無功功率過剩－>電壓升高－>電容器輸出無功功率增加，使無功功率更加過剩，這種不利于無功功率平衡的調(diào)節(jié)特性稱為負(fù)調(diào)節(jié)特性；（2）電容器只能成組地投入或切除，對無功功率進(jìn)行有級調(diào)節(jié)；（3）電容器是靜止元件；（4）有功損耗??；（5）適合于分散安裝。電力電容器的電壓－無功功率特性電容器輸出無功功率：QC＝U211靜止無功補(bǔ)償器SVC的電壓－無功功率特性

靜止無功補(bǔ)償器（SVC：StaticVARCompensator）是由可調(diào)電抗器與固定電容器并聯(lián)構(gòu)成，其外特性如孫瑩P(yáng)105圖4-5所示。SVC能夠快速、平滑地調(diào)節(jié)無功功率的大小和方向，對沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性較好，與同步調(diào)相機(jī)相比，維護(hù)簡單，損耗小，并且可以分相補(bǔ)償。缺點(diǎn)是無功功率補(bǔ)償量正比于端電壓的平方，在系統(tǒng)電壓很低時，無功功率補(bǔ)償量將大大降低。靜止無功補(bǔ)償器SVC的電壓－無功功率特性靜止無功補(bǔ)償器（S125.4電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓－無功功率特性異步電動機(jī)在電力系統(tǒng)負(fù)荷中占很大的比重，故電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷與電壓的靜態(tài)特性主要由異步電動機(jī)決定。異步電動機(jī)的無功消耗為：電力系統(tǒng)中的變壓器和輸電線路在運(yùn)行中也消耗無功功率，在考慮無功功率平衡時也可以將其視作為無功負(fù)荷。變壓器的無功損耗為：5.4電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓－無功功率特性異步電動機(jī)在電力系統(tǒng)負(fù)13電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓-無功特性輸電線路的無功功率損耗分為兩部分，其串聯(lián)電抗中的無功功率損耗與通過線路的功率或電流的平方成正比，而其并聯(lián)電納中發(fā)出的無功功率與電壓平方成正比：與變壓器不同的是，其并聯(lián)部分發(fā)出無功功率而不是吸收無功功率。輸電線路重載時呈感性，輕載時呈容性，需要并聯(lián)可調(diào)電抗器吸收多余無功功率。電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓-無功特性輸電線路的無功功率損耗分為兩部分14電力系統(tǒng)電壓－無功功率控制電源與負(fù)荷共同決定了電力系統(tǒng)電壓-無功的工作點(diǎn)；固定電容器和高壓輸電線路的無功功率負(fù)調(diào)節(jié)特性如配合可調(diào)電抗器使用，可以改變控制性能；重點(diǎn)控制中樞點(diǎn)電壓；中樞點(diǎn)是指能夠反映電力系統(tǒng)電壓水平的發(fā)電廠或變電站的母線，系統(tǒng)中大部分負(fù)荷由這些節(jié)點(diǎn)供電，它們的電壓一經(jīng)確定，其它各點(diǎn)的電壓也就大致確定了；多種調(diào)壓措施綜合使用，力求最經(jīng)濟(jì)有效；電力系統(tǒng)電壓－無功功率控制電源與負(fù)荷共同決定了電力系統(tǒng)電壓-155.5電壓－無功自動控制裝置靜止無功補(bǔ)償裝置SVC，包括：（1）晶閘管控制電抗器（TCR：ThyristorControlledReator）；（2）晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor）；（3）TCR＋固定電容器（FC：FixedCapacitor）等類型。5.5電壓－無功自動控制裝置靜止無功補(bǔ)償裝置SVC，包括：16晶閘管控制電抗器（TCR：ThyristorControlledReator）晶閘管控制電抗器（TCR：ThyristorControl17TCR工作原理簡介δ是晶閘管的導(dǎo)通角。當(dāng)控制角α在90°～180°之間移相時，導(dǎo)通角δ在0°（全關(guān)）～180°（全開）之間變化。晶閘管全開時吸收的感性電流最大，全關(guān)時不吸收感性電流，改變控制角就可以改變電抗器吸收感性電流的大??；控制器按的外特性方程控制電抗器電流IL，就可得到如圖所示的補(bǔ)償器特性。TCR工作原理簡介δ是晶閘管的導(dǎo)通角。當(dāng)控制角α在90°18晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor）晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitche19TSC控制特點(diǎn)（1）零電壓投入，防止產(chǎn)生沖擊電流；（2）零電流切除；（3）只有投入和切除兩種狀態(tài)，沒有類似可調(diào)電抗器那樣的通過改變控制角α的相控工作方式，即沒有可調(diào)電容器運(yùn)行方式。TSC控制特點(diǎn)（1）零電壓投入，防止產(chǎn)生沖擊電流；20混合型SVC（TCR＋TSC）混合型SVC（TCR＋TSC）21變電站有載調(diào)壓變壓器和電力電容器綜合控制VQC；九區(qū)圖：變電站有載調(diào)壓變壓器和電力電容器綜合控制VQC；22主變高壓側(cè)分接頭調(diào)整與主變低壓側(cè)電容器投切操作主變低壓側(cè)電壓與無功負(fù)荷工作點(diǎn)移動方向升主變分接頭電壓下降，無功減小左下降主變分接頭電壓上升，無功增加右上投電容器電壓上升，無功減小左上切電容器電壓下降，無功增加右下主變高壓側(cè)分接頭調(diào)整與主變低壓側(cè)電容器投切操作主變低壓側(cè)電壓23九區(qū)VQC控制策略0區(qū):電壓、無功均合格,不控制；1區(qū):電壓越上限,無功補(bǔ)償合適,發(fā)降壓指令；2區(qū):電壓越上限,無功越上限,先發(fā)降壓指令,再發(fā)投電容器組指令；3區(qū):電壓合格,無功越上限,發(fā)投電容器組指令；4區(qū):電壓越下限,無功越上限,先發(fā)投電容指令,再發(fā)升壓指令；5區(qū):電壓越下限,無功補(bǔ)償合適,發(fā)升壓指令；6區(qū):電壓越下限,無功越下限,先發(fā)升壓指令,再發(fā)切電容指令；7區(qū):電壓合格,無功越下限,發(fā)切電容的指令；8區(qū):電壓越上限,無功越下限,先發(fā)切電容的指令,再發(fā)降壓指令；九區(qū)VQC控制策略0區(qū):電壓、無功均合格,不控制；24九區(qū)控制原則保證電壓合格、無功基本平衡、盡量減少變壓器分接頭調(diào)整次數(shù)和電容器投切次數(shù)。變壓器分接頭動作次數(shù)限制：每天調(diào)節(jié)次數(shù)35KV主變不超過20次，110—220KV不超過10次；機(jī)械開關(guān)投切電容器，因?qū)﹄娙萜饔袥_擊，所以也有投切次數(shù)限制，而SCR投切電容器可以沒有投切次數(shù)限制。九區(qū)控制原則保證電壓合格、無功基本平衡、盡量減少變壓器分接頭25本章結(jié)束

思考題：（1）為什么說，電力系統(tǒng)電壓偏離額定值是電力系統(tǒng)無功功率不平衡的表現(xiàn)？（2）無功功率平衡為何要強(qiáng)調(diào)“就地平衡”和“就近平衡”？（3）對比有功功率_頻率調(diào)整與無功功率_電壓調(diào)整的異同點(diǎn)。本章結(jié)束思考題：26

五、電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)

本章要點(diǎn)1、電壓控制的意義和特點(diǎn)；2、電壓控制的基本原理；3、電源的電壓-無功特性；4、負(fù)荷的電壓-無功特性；5、電力系統(tǒng)電壓控制方法；6、電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備；

五、電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)

本章要點(diǎn)275.1電壓控制的意義與特點(diǎn)意義：電壓是電能質(zhì)量指標(biāo)之一；特點(diǎn)：（1）電壓偏移是無功功率不平衡的表現(xiàn)；（2）（與有功電源相比）無功電源種類多，布置靈活；（3）電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓可以允許存在一定偏差（送端允許高于額定電壓5％，受端允許低于額定電壓5％）；（4）電力系統(tǒng)調(diào)壓主要是通過調(diào)節(jié)無功電源的出力與合理改變無功功率潮流的分布進(jìn)行的；（5）電壓和無功功率控制與降低網(wǎng)損關(guān)系緊密；（6）無功補(bǔ)償設(shè)備不消耗有功功率，卻可以降低有功功率損耗；5.1電壓控制的意義與特點(diǎn)意義：電壓是電能質(zhì)量指標(biāo)之一；285.2電壓控制的基本原理電壓偏差的起因：傳輸路徑的阻抗與電流不為零是引起電壓偏離額定值的根本原因，而且不可避免；有功電流和線路電阻對電壓影響較小，而無功電流和線路電抗對電壓的影響較大（理論證明如下）；5.2電壓控制的基本原理電壓偏差的起因：傳輸路徑的阻抗與電29電壓偏差分析以受端電壓U2作為參考方向，U2是U2的幅值。負(fù)荷功率S2等于受端電壓與線路電流的共軛相乘：線路傳輸功率與線路電壓降落的關(guān)系：縱分量橫分量電壓偏差分析以受端電壓U2作為參考方向，U2是U2的幅值。30電壓降落名詞：電壓降落（矢量）及其縱分量和橫分量、電壓損耗（標(biāo)量）、電壓偏移；根據(jù)理論分析及其矢量圖可見，電壓降落中，與U2同向的縱分量對電壓偏移影響較大，而與U2垂直的橫分量對電壓偏移影響較小，工程上?？珊雎詸M分量的影響；又由于在傳輸路徑上的各元件阻抗（發(fā)電機(jī)，變壓器，輸電線路，異步電動機(jī)等）均是感抗遠(yuǎn)大于電阻，通常在簡化分析與計算中，可將電阻忽略而只考慮感抗的作用；電壓降落名詞：電壓降落（矢量）及其縱分量和橫分量、電壓損耗（31調(diào)壓方程負(fù)荷端電壓Ub（孫瑩圖4-6）：由上式可見，影響負(fù)荷端電壓的因素有：UG，K1（升壓比），K2（降壓比），R，X等線路參數(shù)，負(fù)荷功率P，Q等運(yùn)行參數(shù)，對它們實(shí)施行之有效的控制，就能達(dá)到控制受端電壓之目的。調(diào)壓方程負(fù)荷端電壓Ub（孫瑩圖4-6）：32電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)手段調(diào)整發(fā)電機(jī)端電壓；改變變壓器變比，以此改變無功功率潮流分布，用無功富裕支路支援無功不足支路，合理分配無功；就地進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高負(fù)荷運(yùn)行的功率因數(shù)，減少無功功率傳輸；改變線路參數(shù)和結(jié)構(gòu)，減小阻抗（串聯(lián)電容器）和不合理的無功流動；電力系統(tǒng)電壓與無功功率調(diào)節(jié)手段調(diào)整發(fā)電機(jī)端電壓；33電力系統(tǒng)電壓控制應(yīng)遵循的原則和約束條件

（1）無功功率就地、就近平衡，減小無功流動引起的無功損耗和有功損耗；（2）線路不過載（安全性）；（3）兼顧經(jīng)濟(jì)性；（4）確保穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)電壓控制應(yīng)遵循的原則和約束條件

（1）無功功率就地、345.3電力系統(tǒng)無功電源的電壓－無功功率特性電力系統(tǒng)無功功率源有：（1）同步電機(jī)，包括同步發(fā)電機(jī)，同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)；（2）電力電容器；（3）靜止無功補(bǔ)償器（SVC）等；5.3電力系統(tǒng)無功電源的電壓－無功功率特性電力系統(tǒng)無功功率35同步電機(jī)的電壓-無功特性同步發(fā)電機(jī)的電壓-無功特性取決于同步發(fā)電機(jī)的無功調(diào)差特性，是一條下傾直線，具有自動平衡無功的調(diào)節(jié)效應(yīng)；同步調(diào)相機(jī)可視為有功功率為零的同步發(fā)電機(jī)，同步電動機(jī)可視為有功功率為負(fù)的同步發(fā)電機(jī)，它們的電壓-無功特性與同步發(fā)電機(jī)類似，由勵磁調(diào)節(jié)器中的調(diào)差單元決定；同步電機(jī)的電壓-無功特性同步發(fā)電機(jī)的電壓-無功特性取決于同步36電力電容器的電壓－無功功率特性電容器輸出無功功率：QC＝U2/XC與其端電壓的平方成正比，是一條上翹的二次曲線。電容器的特點(diǎn)：（1）電容器具有“負(fù)調(diào)節(jié)特性”；電容器的電壓－無功功率特性曲線是上翹的，這一點(diǎn)與同步電機(jī)相反。這就意味著當(dāng)電力系統(tǒng)無功功率缺乏使電容器安裝處的電壓下降時，電容器輸出的無功功率反而減少，使無功功率缺額加??；反之，當(dāng)電力系統(tǒng)無功功率過剩－>電壓升高－>電容器輸出無功功率增加，使無功功率更加過剩，這種不利于無功功率平衡的調(diào)節(jié)特性稱為負(fù)調(diào)節(jié)特性；（2）電容器只能成組地投入或切除，對無功功率進(jìn)行有級調(diào)節(jié)；（3）電容器是靜止元件；（4）有功損耗小；（5）適合于分散安裝。電力電容器的電壓－無功功率特性電容器輸出無功功率：QC＝U237靜止無功補(bǔ)償器SVC的電壓－無功功率特性

靜止無功補(bǔ)償器（SVC：StaticVARCompensator）是由可調(diào)電抗器與固定電容器并聯(lián)構(gòu)成，其外特性如孫瑩P(yáng)105圖4-5所示。SVC能夠快速、平滑地調(diào)節(jié)無功功率的大小和方向，對沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性較好，與同步調(diào)相機(jī)相比，維護(hù)簡單，損耗小，并且可以分相補(bǔ)償。缺點(diǎn)是無功功率補(bǔ)償量正比于端電壓的平方，在系統(tǒng)電壓很低時，無功功率補(bǔ)償量將大大降低。靜止無功補(bǔ)償器SVC的電壓－無功功率特性靜止無功補(bǔ)償器（S385.4電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓－無功功率特性異步電動機(jī)在電力系統(tǒng)負(fù)荷中占很大的比重，故電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷與電壓的靜態(tài)特性主要由異步電動機(jī)決定。異步電動機(jī)的無功消耗為：電力系統(tǒng)中的變壓器和輸電線路在運(yùn)行中也消耗無功功率，在考慮無功功率平衡時也可以將其視作為無功負(fù)荷。變壓器的無功損耗為：5.4電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓－無功功率特性異步電動機(jī)在電力系統(tǒng)負(fù)39電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓-無功特性輸電線路的無功功率損耗分為兩部分，其串聯(lián)電抗中的無功功率損耗與通過線路的功率或電流的平方成正比，而其并聯(lián)電納中發(fā)出的無功功率與電壓平方成正比：與變壓器不同的是，其并聯(lián)部分發(fā)出無功功率而不是吸收無功功率。輸電線路重載時呈感性，輕載時呈容性，需要并聯(lián)可調(diào)電抗器吸收多余無功功率。電力系統(tǒng)負(fù)荷的電壓-無功特性輸電線路的無功功率損耗分為兩部分40電力系統(tǒng)電壓－無功功率控制電源與負(fù)荷共同決定了電力系統(tǒng)電壓-無功的工作點(diǎn)；固定電容器和高壓輸電線路的無功功率負(fù)調(diào)節(jié)特性如配合可調(diào)電抗器使用，可以改變控制性能；重點(diǎn)控制中樞點(diǎn)電壓；中樞點(diǎn)是指能夠反映電力系統(tǒng)電壓水平的發(fā)電廠或變電站的母線，系統(tǒng)中大部分負(fù)荷由這些節(jié)點(diǎn)供電，它們的電壓一經(jīng)確定，其它各點(diǎn)的電壓也就大致確定了；多種調(diào)壓措施綜合使用，力求最經(jīng)濟(jì)有效；電力系統(tǒng)電壓－無功功率控制電源與負(fù)荷共同決定了電力系統(tǒng)電壓-415.5電壓－無功自動控制裝置靜止無功補(bǔ)償裝置SVC，包括：（1）晶閘管控制電抗器（TCR：ThyristorControlledReator）；（2）晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor）；（3）TCR＋固定電容器（FC：FixedCapacitor）等類型。5.5電壓－無功自動控制裝置靜止無功補(bǔ)償裝置SVC，包括：42晶閘管控制電抗器（TCR：ThyristorControlledReator）晶閘管控制電抗器（TCR：ThyristorControl43TCR工作原理簡介δ是晶閘管的導(dǎo)通角。當(dāng)控制角α在90°～180°之間移相時，導(dǎo)通角δ在0°（全關(guān)）～180°（全開）之間變化。晶閘管全開時吸收的感性電流最大，全關(guān)時不吸收感性電流，改變控制角就可以改變電抗器吸收感性電流的大小；控制器按的外特性方程控制電抗器電流IL，就可得到如圖所示的補(bǔ)償器特性。TCR工作原理簡介δ是晶閘管的導(dǎo)通角。當(dāng)控制角α在90°44晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor）晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitche45TSC控制特點(diǎn)（1）零電壓投入，防止產(chǎn)生沖擊電流；（2）零電流切除；（3）只有投入和切除兩種狀態(tài)，沒有類似可調(diào)電抗器那樣的通過改變控制角α的