電力系統的無功功率平衡和電壓調整

電力系統的無功功率平衡和電壓調整第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整電壓是衡量電能質量的重要指標。電力系統的運行電壓水平取決于無功功率的平衡。系統中各種無功電源的無功出力應能滿足系統負荷和網絡損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則電壓就會偏離額定值。

電壓偏移過大對電力系統本身以及用電設備會帶來不良的影響。（1）效率下降，經濟性變差。（2）電壓過高，照明設備壽命下降，影響絕緣。（3）電壓過低，電機發(fā)熱。（4）系統電壓崩潰第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率負荷異步電動機等值電路因為異步電動機在電力系統負荷（特別是無功負荷）中占比重很大，系統無功負荷的電壓特性主要由異步電動機決定異步電動機的無功功率和有功功率異步電動機的無功電壓特性受載系數負載不變電壓降低無功損耗反而升高受飽和影響，勵磁功率稍高于二次曲線第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率負荷變壓器的無功損耗變壓器的無功損耗變壓器等值電路輸電線路的無功損耗輸電線路的無功消耗輸電線路等值電路35kV及以下線路充電功率很小，消耗無功功率；110kV及以上線路輕載時為無功電源，重載時消耗無功功率。無功需求比重大：空載電流I0%=2.5，短路電壓VS%=10.5，在額定滿載下運行時，無功消耗將達額定容量的12%。第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源發(fā)電機—P-Q極限受額定勵磁電流限制，發(fā)電機電抗壓降限值，以O點為圓心，OC為半徑進相運行的穩(wěn)定約束和定子繞組端部溫升受定子額定電流限制，發(fā)電機電抗壓降限值，以A點為圓心，AC為半徑OC—空載電勢OA—機端電壓AC—發(fā)電機電抗壓降，正比于視在功率；AD—正比于機端有功功率AB—正比于機端無功功率DC—原動機輸入功率（額定有功功率）約束發(fā)電機只有在額定電壓、額定電流和額定功率因數（即運行點C）下運行時視在功率才能達到額定值，使其容量得到最充分的利用。第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源旋轉元件，運行維護復雜；有功損耗較大，滿負荷時約為額定容量的1.5%~5%，容量越小，比例越大；小容量機組投資費用高（每kVA），僅利于集中大容量使用；響應速度較慢，難以適應動態(tài)無功控制的要求20世紀70年代后，逐漸為靜止無功補償器取代；同步調相機過勵磁運行，向電網輸出感性無功功率；欠勵磁運行，從電網吸收感性無功功率；欠勵磁最大容量為過勵磁容量的50%~65%；裝有自動勵磁，可實現無功電壓連續(xù)調節(jié)；具有強勵功能，可調節(jié)系統電壓，有利于提高穩(wěn)定性第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜電電容器輸出無功與節(jié)點電壓平方成正比，無功功率調節(jié)性能較差；裝設容量可大可小，既可集中安裝，亦可分散安裝；單位容量投資費用較小，與總容量無關；運行功率損耗小，約為額定容量的0.3%~0.5%；無旋轉元件，運行維護方便；可根據負荷變化，分組投切電容器，實現補償功率的分級調節(jié)（不連續(xù)）；目前廣泛低壓配網中廣泛采用的無功補償技術工程上遇到由于諧波引起的電容器損壞事故較為突出，值得關注QC=V2/XC第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜止無功補償器—飽和電抗器型靜止補償器靜止補償器由靜電電容器與電抗器并聯組成電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結合起來，再配以適當的調節(jié)裝置，就能夠平滑地改變輸出（或吸收）的無功功率。第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜止無功補償器—晶閘管控制電抗器型靜止補償器TCR支路正負半周內部分導通等值電感可連續(xù)調節(jié)有諧波第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜止無功補償器—晶閘管投切電容器型靜止補償器TSC：整周波投切，不產生諧波分級調節(jié)快速響應第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率電源靜止無功補償器—靜止無功發(fā)生器（SVG：StaticVarGenerator）與SVC相比，響應速度更快，運行范圍更寬，諧波電流含量更少電壓較低時仍可向系統注入較大的無功電流儲能電容的容量遠小于裝置無功容量第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率平衡無功功率平衡的基本概念無功平衡的基本要求：系統無功電源容量大于無功負荷與無功損耗之和，并具有備用容量無功電源總出力包括發(fā)電機無功功率和各種無功補償設備的無功功率發(fā)電機無功功率按額定功率因數計算無功負荷按照負荷有功功率和功率因數計算，35kV及以上電壓等級要求功率因數要達到0.9以上。無功功率分地區(qū)、分電壓等級就地平衡—避免無功大容量遠距離傳送超高壓線路并聯高壓電抗：90%QB變電站低容低抗、配電網電容補償無功平衡應分別按最大和最小負荷計算小容量的采用電容器，大容量的調相機或補償器無功損耗包括變壓器損耗、輸電線路電抗損耗和線路電納的損耗第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率平衡無功功率平衡與電壓水平的關系P為一定值，Q(V)特性曲線為下開口拋物線；調節(jié)勵磁電流，改變E可調整Q(V)特性系統無功電源輸出不足，運行電壓水平偏低；系統無功電源輸出過剩，運行電壓水平偏高；實現額定電壓水平下的無功功率平衡，據此配置無功電源設備QGC=QLD+QL

在什么樣的電壓水平下實現無功功率平衡？第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—無功功率平衡無功功率平衡與電壓水平的關系-Ex12-2V2/kV103104105106107Q/Mvar28.1925.9123.5921.2118.79QLD-117.5417.8818.2218.5718.92QLD-226.3026.8227.3327.8628.39第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的基本概念電壓偏移過大的危害電壓偏低對系統和用戶的影響電動機輸出轉矩降低或定子電流增大，失速甚至停轉；電熱設備生產效率降低照明光線不足，影響人的視力網絡功率和能量損耗增加降低系統運行的穩(wěn)定性電壓偏高對系統和用戶的影響電氣設備絕緣受損，壽命縮短超高壓網絡電暈損耗允許電壓偏移35kV及以上供電電壓：正、負偏移的絕對值之和不超過10%VN；上下偏移同號時，按較大偏移絕對值衡量10kV及以下三相供電電壓：±7%VN220V單相供電電壓：+7%~-10%VN造成電壓偏移的原因（1）設備及線路壓降（2）負荷波動（3）運行方式改變（4）無功不足或過剩

第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的基本概念中樞點的電壓管理中樞點的概念電壓中樞點：指那些能夠反映和控制整個系統電壓水平的節(jié)點（母線）。區(qū)域性水、火電廠高壓母線樞紐變電所的二次母線有大量地方負荷的發(fā)電機電壓母線例：中樞點中樞點確定中樞點電壓的允許變化范圍第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的基本概念中樞點的電壓管理—確定允許電壓運行范圍VA：(0.95~1.05)VN時間△VOAVOA0~80.040.99~1.098~240.11.05~1.15VB：(0.95~1.05)VN時間△VOBVOB0~160.010.96~1.068~240.030.98~1.08第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的基本概念中樞點的電壓管理—調壓方式逆調壓(1-1.05VN)大負荷時，線路電壓損耗大，提高中樞點電壓，使負荷點電壓不至太低；小負荷時，線路電壓損耗小，降低中樞點電壓，使負荷點電壓不至太高；考慮發(fā)電機電壓一定，大負荷時中樞點電壓會低一些，小負荷時則高一些，因此，逆調壓要求較高，較難實現；順調壓(1.025-1.075VN)大負荷時，允許中樞點電壓低一些，但不低于線路額定電壓的102.5%；小負荷時，允許中樞點電壓高一些，但不高于線路額定電壓的107.5%；恒調壓(1.02-1.05VN)任何情況下，維持中樞點電壓大約恒定，一般較線路額定電壓高2%~5%；第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的原理和措施電壓調整的基本原理調節(jié)勵磁電流改變VG適當選擇變壓器變比k改變線路參數改變無功功率分布1:k1VGk2:1VbGR+jXP+jQ電壓調整的措施發(fā)電機調壓改變變壓器變比無功補償調壓采用靜電電容器采用同步調相機4%2%G4%2%3%1%10%5%8%3%6%2%110kV3~10kV380V多級變壓供電系統的電壓損耗分布與發(fā)電機調壓適合于由孤立發(fā)電廠不經升壓直接供電的小型電力網機端電壓允許偏移：±5%VGN，可采用逆調壓；復雜電力系統中，發(fā)電機調壓一般作為輔助性調壓措施第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的原理和措施改變變壓器變比調壓降壓變壓器分接頭選擇V1RT+jXTP+jQV2升壓變壓器分接頭選擇k:1V2RT+jXTP+jQV11:kG根據計算得到的分接頭電壓選擇最接近的變壓器分接頭額定電壓；第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的原理和措施改變變壓器變比調壓采用固定分接頭的變壓器調壓，電壓損耗不會改變，負荷變化時次級電壓變化幅度也不會改變；如果電壓損耗超過分接頭可調整范圍（±5%），或者調壓要求與實際的相反（如逆調壓），采用普通變壓器的分接頭調整將無法滿足調壓要求；采用有載調壓方式，可根據負荷狀態(tài)確定合適分接頭，從而縮小次級電壓變化幅度，甚至改變電壓變化趨勢；可用于有載調壓的有：有載調壓變壓器和加壓調壓變壓器；有載調壓變壓器：可帶負載調節(jié)分接頭，分接頭調節(jié)范圍比較大；加壓調壓器：與主變壓器配合使用，相當于有載調壓變壓器；第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的原理和措施改變變壓器變比調壓采用固定分接頭的變壓器調壓，電壓損耗不會改變，負荷變化時次級電壓變化幅度也不會改變改變變壓器變比調壓當系統無功功率不足時，首先應裝設無功功率補償設備目前我國暫定，110kV級的調壓變壓器有7個分接頭，即VN±3×2.5%；220kV級的有9個分接頭即VN±4×2.0%。第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的原理和措施利用無功補償調壓V1V2R+jXP+jQjQCV1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC補償容量與調壓要求和變壓器變比選擇均有關變比k選取原則：滿足調壓要求的前提下，使得無功補償容量最小低壓配電線路和電纜線路，R>X，PR/V占電壓損耗較大，無功補償調壓效果一般；第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的原理和措施利用無功補償調壓—靜電電容器最小負荷時，無電容器補償，確定變壓器分接頭位置；最大負荷時，全部電容器投入，按調壓要求確定補償容量利用無功補償調壓—同步調相機最小負荷時，調相機按(0.5~0.65)額定容量欠勵磁運行；最大負荷時，調相機按額定容量過勵磁運行V1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC低壓配電線路和電纜線路，R>X，PR/V占電壓損耗較大，無功補償調壓效果一般第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統的無功功率平衡和電壓調整—電壓調整的原理和措施線路串聯電容補償調壓V1V2R+jXP1+jQ1-jXC確定串聯電容器臺數及總容量nmIC串聯電容器提升末端電壓：QX/V隨無功負荷增大而增大，與調壓要求一致；功率因數高或R>X的線路，由于電壓損耗中QX/V分量小，調壓效果不明顯；每臺的額定電流為INC，額定電壓為VNC，額定容量為QNC=VNCINC，則可根據最大負荷電流Icmax和所需的容抗值XC分別計算電容器串、并聯的臺數n，m以及三相電容器的總容量Q