第六章电力系统的无功功率和电压调整(李庚银新教材)

1、第六章第六章 电力系统的无功功率和电电力系统的无功功率和电压调整压调整第六章的思路第六章的思路v提出问题：电压是衡量电能质量的重要指标提出问题：电压是衡量电能质量的重要指标之一。电压的波动超过允许范围，对电力系之一。电压的波动超过允许范围，对电力系统的影响很大。统的影响很大。电压为什么会经常波动？电压为什么会经常波动？v分析问题：电压的波动是由于系统中无功功分析问题：电压的波动是由于系统中无功功率的不平衡引起的。系统中感性无功过剩，率的不平衡引起的。系统中感性无功过剩，则电压升高；感性无功不足，则电压下降。则电压升高；感性无功不足，则电压下降。v解决问题：无功补偿，无功电源的最优分布解决问题：

2、无功补偿，无功电源的最优分布第一节第一节 电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的平衡v一、无功功率负荷和无功功率损耗一、无功功率负荷和无功功率损耗1.无功功率负荷无功功率负荷2.变压器中的无功功率损耗变压器中的无功功率损耗3.电力线路上的无功功率损耗电力线路上的无功功率损耗v二、无功功率电源二、无功功率电源1.发电机发电机2.电容器和调相机电容器和调相机3.静止补偿器和静止调相机静止补偿器和静止调相机4.并联电抗器并联电抗器无功功率负荷无功功率负荷v大多数用电设备是异步电大多数用电设备是异步电动机，消耗感性无功功率。动机，消耗感性无功功率。功率因数为功率因数为0.60.9。v右图是综合负

3、荷的静态电右图是综合负荷的静态电压特性。感性无功多，则压特性。感性无功多，则电压升高；感性无功不足，电压升高；感性无功不足，则电压下降。则电压下降。变压器中的无功功率损耗变压器中的无功功率损耗v励磁支路励磁支路(BT)的损耗和的损耗和绕组漏抗绕组漏抗(XT)中的损耗，中的损耗，都是消耗感性无功功率。都是消耗感性无功功率。v一台变压器或一级变压一台变压器或一级变压器中损耗并不大，约为器中损耗并不大，约为额定容量的百分之几；额定容量的百分之几；而多电压级网络，则损而多电压级网络，则损耗很可观。耗很可观。1I1UTRLZTjX2UmITGTjB2I五级变压的网络变压器无功损耗所有变压器都所有变压器都

4、满载满载所有变压器所有变压器都半载都半载变压器的励磁支路损耗变压器的励磁支路损耗7%7%变压器绕组漏抗中损耗变压器绕组漏抗中损耗50%12.5%变压器中总损耗变压器中总损耗57%19.5%变压器损耗变压器损耗/变压器负荷变压器负荷57/10039/100电力线路上的无功功率损耗电力线路上的无功功率损耗v串联电抗中的无功功率消耗感性无功，与负串联电抗中的无功功率消耗感性无功，与负荷电流的平方成正比；荷电流的平方成正比；v并联电纳中消耗容性无功功率，或者说发出并联电纳中消耗容性无功功率，或者说发出感性无功功率，也叫感性无功功率，也叫充电功率充电功率，与线路电压，与线路电压的平方成正比；的平方成正比

5、；无功功率电源无功功率电源v1.发电机：发电机：同步发电机发出感性无功同步发电机发出感性无功有时进相运行吸收感性无功有时进相运行吸收感性无功发电机稳态运行时的相量图发电机稳态运行时的相量图 QP, P q qE dx I j 0 2/ U I Q d 图2-1 隐极式发电机的相量图 图2-2 隐极式发电机的功角特性曲线图 电压与电流的关系电压与电流的关系功角与有功，无功的关系功角与有功，无功的关系隐极式发电机功率特性方程隐极式发电机功率特性方程 ddqdqxUxUEQxUEP2cossin坐标轴变化坐标轴变化-端电压变为水平轴端电压变为水平轴长度变化长度变化所有相量乘以所有相量乘以UN/Xd决

6、定隐极式发电机组运行极限的因素决定隐极式发电机组运行极限的因素v定子绕组温升约束定子绕组温升约束取决于发电机的视在取决于发电机的视在功率。以功率。以O点为圆心点为圆心，以，以OB为半径的圆为半径的圆弧弧S。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 图 2-4 隐极式发电机组运行极限图 2.励磁绕组温升约束励磁绕组温升约束。取决。取决于发电机的空载电势。以于发电机的空载电势。以O点为圆心，以点为圆心，以OB为半为半径的圆弧径的圆弧F。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 图 2

7、-4 隐极式发电机组运行极限图 3.原动机功率约束原动机功率约束。即。即发电机的额定功率。发电机的额定功率。直线直线BC。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 图 2-4 隐极式发电机组运行极限图 C4.其他约束其他约束。当发电。当发电机以超前功率因数机以超前功率因数运行的场合。综合运行的场合。综合为为圆弧圆弧T。 P B T S )(dNqNxUE )(dNdNxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 图 2-4 隐极式发电机组运行极限图 发电机运行极限发电机运行极限总结总结 P B T S )(dNqNxUE )(dNd

8、NxUxI F )(dNNxUU O O Q NI 图 2-4 隐极式发电机组运行极限图 发 电 机 运 行 极 限是:OA,AB,BC,虚线TACv2.电容器：电容器：发出感性无功，成组投切发出感性无功，成组投切v3调相机：调相机：只发无功的发电机只发无功的发电机过激运行发出感性无功过激运行发出感性无功欠激运行吸收感性无功欠激运行吸收感性无功逐渐被淘汰。逐渐被淘汰。无功功率电源无功功率电源无功功率电源无功功率电源v3.静止补偿器和静止调相机静止补偿器和静止调相机属于灵活交流输电范畴属于灵活交流输电范畴静止补偿器简称静止补偿器简称SVCv4.并联电抗器：并联电抗器：吸收过剩的感性无功吸收过剩的

9、感性无功用在高压空载或轻载的线路用在高压空载或轻载的线路能提高输送能力，降低过电压能提高输送能力，降低过电压无功功率平衡无功功率平衡0QQQLGC这个平衡是在一定电压水这个平衡是在一定电压水平下的平衡平下的平衡无功备用：最大无功功无功备用：最大无功功率负荷的率负荷的7%8%第二节第二节 电力系统中无功功率的最优分布电力系统中无功功率的最优分布v提高负荷的自然功率因数，可以降低负荷从提高负荷的自然功率因数，可以降低负荷从电网中取用的无功，减少网损；电网中取用的无功，减少网损；负荷的自然功率因数是负荷的自然功率因数是0.60.9，电动机的负荷，电动机的负荷率越低，功率因数越低；率越低，功率因数越低

10、；将异步电动机同步化运；将异步电动机同步化运；第二节第二节 电力系统中无功功率的最优分布电力系统中无功功率的最优分布v一、无功功率一、无功功率电源的最优分布电源的最优分布v二、无功功率二、无功功率负荷的最优补偿负荷的最优补偿无功功率电源的最优分布无功功率电源的最优分布v研究的是：在无功电源总量是定值时，每个研究的是：在无功电源总量是定值时，每个节点安装多少无功电源，使全网的节点安装多少无功电源，使全网的有功损耗有功损耗最少最少？v等网损微增率准则等网损微增率准则无功功率负荷的最优补偿无功功率负荷的最优补偿v如何确定无功补偿容量、补偿设备的分布使如何确定无功补偿容量、补偿设备的分布使无功补偿获得

11、的无功补偿获得的收益最大收益最大？v最优网损微增率准则最优网损微增率准则一、无功功率电源的最优分布一、无功功率电源的最优分布v目标：目标：网损最小网损最小v约束：约束：无功功率平衡（等约束）无功功率平衡（等约束）节点无功电源范围（不等约束）节点无功电源范围（不等约束）节点电压范围（不等约束）节点电压范围（不等约束）等网损微增率准则等网损微增率准则v目标函数：目标函数：v约束条件：约束条件：v构造拉格朗日函数：构造拉格朗日函数：GiQPmin011QQQniLiniGininiLiGiGiQQQQPC11*1122111111110GGGGG nG nnnG iLiiiPQQQPQQQPQQQQ

12、QQ 二、无功功率负荷的最优补偿二、无功功率负荷的最优补偿v补偿容量的确定补偿容量的确定、最优补偿设备的分布和最、最优补偿设备的分布和最优补偿顺序的选择优补偿顺序的选择v目标：该节点进行无功补偿，效益最大目标：该节点进行无功补偿，效益最大减少的电减少的电能损耗费能损耗费设备设备投资投资ciccieQCQCmaxv节省的电能费：节省的电能费：v设备投资：设备投资：为补偿后的有功损耗。为补偿前的有功损耗，为各节点无功补偿容量价格，为单位无功补偿设备的护率和投资回收率，备年度折旧维分别表示为无功补偿设，数，为年最大负荷损耗小时为每度电价，PPQKCiC0max0maxeciC QPPcicciCQK

13、QC最优网损微增率0maxmaxccicicciCPPK QQKPQ 对上式求极值，即对求偏导：最优网损微增率eqcciKQPmax第三节第三节 电力系统的电压调整电力系统的电压调整v一、调整电压的必要性一、调整电压的必要性v对电力用户的影响对电力用户的影响va.因为所有用电设备均按照在额定电压下运行而设因为所有用电设备均按照在额定电压下运行而设计，故当其端电压偏离其额定电压时，用电设备的计，故当其端电压偏离其额定电压时，用电设备的性能将会受到影响，有时甚至缩短用电设备的寿命。性能将会受到影响，有时甚至缩短用电设备的寿命。vb.因为异步电动机的转矩（即输出功率）与其端电因为异步电动机的转矩（即

14、输出功率）与其端电压的平方成正比，所以端电压下降过多，引起电力压的平方成正比，所以端电压下降过多，引起电力用户的电动机停止运转或不能启动，影响电力用户用户的电动机停止运转或不能启动，影响电力用户的正常工作。的正常工作。vc.电力系统电压的不稳定，将会影响电热和电子设电力系统电压的不稳定，将会影响电热和电子设备的使用寿命和使用效率。备的使用寿命和使用效率。v对电力系统本身的影响对电力系统本身的影响va.发电机：发电机：电力系统电压降低后，发电机的定子电流将因其功率因电力系统电压降低后，发电机的定子电流将因其功率因数的增大而增大，为使发电机定子绕组不致过热，不得数的增大而增大，为使发电机定子绕组不

15、致过热，不得不降低发电机的输出功率；不降低发电机的输出功率；vb.变压器：变压器：电力系统电压降低后，变压器的励磁电流也增大，为使电力系统电压降低后，变压器的励磁电流也增大，为使变压器铁芯不致过热，不得不降低变压器的负荷功率；变压器铁芯不致过热，不得不降低变压器的负荷功率；vc.辅机：辅机：发电厂的厂用机械大都是异步电动机，系统电压降低后，发电厂的厂用机械大都是异步电动机，系统电压降低后，电动机的转差增大，转速下降，输出功率迅速减小，影电动机的转差增大，转速下降，输出功率迅速减小，影响发电厂锅炉、汽机的工作，进而影响发电机的输出功响发电厂锅炉、汽机的工作，进而影响发电机的输出功率；率；vd.绝

16、缘：绝缘：电力系统电压过高将使所有电气设备的绝缘受损，且变电力系统电压过高将使所有电气设备的绝缘受损，且变压器、电动机等的铁芯要饱和，损耗增大，温升增加，压器、电动机等的铁芯要饱和，损耗增大，温升增加，寿命缩短。寿命缩短。异步电动机的电压特性异步电动机的电压特性照明负荷的电压特性照明负荷的电压特性电压崩溃现象电压崩溃现象电压崩溃实例电压崩溃实例v20世纪世纪70年代以来，世界上许多国家的电力年代以来，世界上许多国家的电力系统相继发生了电压崩溃事故，造成了巨大系统相继发生了电压崩溃事故，造成了巨大的经济损失和社会影响。的经济损失和社会影响。1978年年I2月月19日法国电力系统发生的电压崩溃事日

17、法国电力系统发生的电压崩溃事故，失去负荷故，失去负荷29 GW和和100GWh，直接经济损失，直接经济损失达达2亿到亿到3亿美元亿美元;1987年年7月月23日东京电力系统的电压崩溃事故，日东京电力系统的电压崩溃事故，导致失去导致失去8168 MW的负荷，涉及的负荷，涉及2800多万用户，多万用户，二、电压波动和电压管理二、电压波动和电压管理v将电压的变化分两类将电压的变化分两类（1）电压波动：指）电压波动：指幅度小，周期短，如冲击性幅度小，周期短，如冲击性或间歇性负荷；或间歇性负荷；（2）电压调整：针对幅度大，周期长，如生产、）电压调整：针对幅度大，周期长，如生产、生活和气象变化引起的。生活

18、和气象变化引起的。限制电压波动的措施限制电压波动的措施v电容器：抵偿线路的电电容器：抵偿线路的电抗，限制电压波动；抗，限制电压波动；v电抗器：维持母线电压电抗器：维持母线电压v调相机：给波动的负荷调相机：给波动的负荷提供波动的无功提供波动的无功v静止补偿器：可以消除静止补偿器：可以消除电压的波动电压的波动2 电压管理电压管理v电压中枢点：指那些能够反映系统电压水平电压中枢点：指那些能够反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所的电压母线。的主要发电厂或枢纽变电所的电压母线。v电力系统的电压调整问题实质上就是保证电电力系统的电压调整问题实质上就是保证电力系统各电压中枢点的电压偏移不超过允许力系统各

19、电压中枢点的电压偏移不超过允许范围的问题范围的问题 电压中枢点一般选择为以下地点电压中枢点一般选择为以下地点v区域性水、火电厂的高压母线；区域性水、火电厂的高压母线；v枢纽变电所的二次母线；枢纽变电所的二次母线；v有大量地方性负荷的发电厂母线；有大量地方性负荷的发电厂母线；v城镇直降变电所的二次母线。城镇直降变电所的二次母线。电压中枢点的调压方式电压中枢点的调压方式 （调压规则）（调压规则）v逆调压逆调压v顺调压顺调压v常调压。常调压。 逆调压（逆调压（逆着电压降落的自然规律逆着电压降落的自然规律）v逆调压是指在最大负荷时提高电压中枢点的电压，逆调压是指在最大负荷时提高电压中枢点的电压，在最小

20、负荷时降低中枢点的电压的调压方式。在最小负荷时降低中枢点的电压的调压方式。v适用于电力线路较长、负荷变动较大且各负荷变适用于电力线路较长、负荷变动较大且各负荷变动规律大致相同的中枢点。动规律大致相同的中枢点。v这种调压方式在最大负荷时提高电压中枢点的电这种调压方式在最大负荷时提高电压中枢点的电压（一般为线路额定电压的压（一般为线路额定电压的105），用以抵偿最），用以抵偿最大负荷引起的电压损耗增大，在最小负荷时降低大负荷引起的电压损耗增大，在最小负荷时降低中枢点的电压（一般为线路额定电压），用以防中枢点的电压（一般为线路额定电压），用以防止负荷点电压过高。止负荷点电压过高。 顺调压（顺顺调压（

21、顺着电压降落的自然规律着电压降落的自然规律）v所谓顺调压是指在最大负荷时允许中枢点所谓顺调压是指在最大负荷时允许中枢点电压略低，在最小负荷时允许中枢点电压电压略低，在最小负荷时允许中枢点电压略高的调压方式。略高的调压方式。v适用于电力线路不长、负荷变动不大的中适用于电力线路不长、负荷变动不大的中枢点。枢点。v这种调压方式在最大负荷时中枢点电压允这种调压方式在最大负荷时中枢点电压允许不低于线路额定电压的许不低于线路额定电压的102.5，在最小，在最小负荷时中枢点电压允许不高于线路额定电负荷时中枢点电压允许不高于线路额定电压的压的107.5。常调压常调压v所谓常调压（又称恒调压）是指在任何负所谓常

22、调压（又称恒调压）是指在任何负荷下，中枢点电压基本保持一恒定值的调荷下，中枢点电压基本保持一恒定值的调压方式，这是一种介于逆调压和顺调压要压方式，这是一种介于逆调压和顺调压要求之间的调压方式。求之间的调压方式。v适用于负荷变动甚小、线路电压损耗也很适用于负荷变动甚小、线路电压损耗也很小的的中枢点。小的的中枢点。v这种调压方式，在任何负荷下，中枢点电这种调压方式，在任何负荷下，中枢点电压基本保持在线路额定电压的压基本保持在线路额定电压的102105 三、借改变发电机端电压调压三、借改变发电机端电压调压太远，发电机调压效果不好太远，发电机调压效果不好四、借改变变压器的变比调压四、借改变变压器的变比调压v变压器的分接头或分接开关：一般安装在变变压器的分接头或分接开关：一般安装在变压器的高压侧。压器的高压侧。v用变压器调压，就是改变分接头的位置用变压器调压