电力系统教案6

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1、天津理工大学本科教学教案第 9-10 周，第 1-2 次课 第六章 电力系统的无功功率和电压调整主要内容：教学内容：了解电力系统无功功率和电压之间的关系、无功功率平衡和备用容量要求的必要性、各种无功电源及其特点。了解电压管理和电压调整的必要性。熟练掌握电力系统无功补偿和电压调整措施的原理、特点和计算方法。了解无功功率最优分布的基本原理和方法。教学重点：电力系统无功功率平衡；电力系统无功功率最优分布；电力系统的电压调整。教学难点：无功功率电源的最优分布与无功负荷最优补偿；电压调整计算。教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。教学要求：掌握无功功率调整计算6.1电力系

2、统中无功功率的平衡6.1.1无功功率负荷和无功功率损耗异步电动机；变压器；电力线路6.1.2无功功率电源1.同步发电机（是系统中唯一的有功电源，也是无功电源之一）：在发电机运行极限图中，c点是额定运行点，有功最大只能是PGN，无功最大可大于QGN ；2.同步调相机：相当于空载运行的同步电动机，其在过励磁运行时，它可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，它能从系统吸取感性无功功率而起无功负荷的作用。3.静电电容器：，其中U是节点电压；为容抗。当节点电压U下降时，则QC也下降，将导致无功进一步不平衡（即系统发出的无功进一步减小），致使节点电压也进一步下降。说明电

3、容器的无功功率调节性能比较差。4.静止无功补偿器(SVC)：由电容器与电抗器并联组成，可以灵活地调节发出或吸收无功的大小。5.线路中的等效并联电纳：提供的无功与电压平方成正比。6.1.2无功功率平衡无功功率电源发出的无功功率应与系统的无功负荷及网络中的无功损耗相平衡，即其中为无功电源的总容量；总无功负荷；网络无功损耗（主要是线路和变压器）。复习：（1）对纯电感元件，即消耗无功，由此推导出感性阻抗都消耗无功；（2）对纯电容元件，即提供无功，由此推导出容性阻抗都提供无功。6.2电力系统的电压调整6.2.1调整电压的必要性电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压偏移过大时，会影响工农业生产产

4、品的质量和产量，损坏设备，甚至引起系统性的“电压崩溃“，造成大面积停电。l 系统电压降低时，发电机的定子电流将因其功率角的增大而增大。如这时电流源已达额定值，则电压降低后，将使其超过额定值。l 当系统电压降低时，各类负荷中占比重最大的异步电动机的转差率增大，从而，电动机各绕组中的电流将增大，温升将增加，效率将降低，寿命将缩短。l 照明负荷，尤其是白炽灯，对电压变化的反应最灵敏。电压过高，白炽灯的寿命将大为缩短；电压过低，亮度和发光效率又要大幅下降。l 系统电压过高将使所有电气设备绝缘受损，而且变压器、电动机铁芯会饱和，铁芯损耗增大，温升将增加，寿命将缩短。6.2.2电压波动和电压管理1电压波动

5、l 电压波动分为两类：l 周期长、波动面大、主要由生产、生活和气象条件变化引起的负荷变动所导致的电压变动。l 冲击性和间歇性负荷引起的电压波动。如往复式泵、电弧炉、卷扬机、通风设备等。电压闪变、电压跌落等。l 习惯上所谓的电压调整是针对第一类的，对第二类可采取专门措施。2电压管理2 电压管理（1） 电压中枢点的选择电力系统调整电压的目的，是要在各种运行方式下，能维持各用电设备的端电压在规定的波动范围内，从而保证电力系统运行的电能质量和经济性。由于电力系统结构复杂，用电设备数量极大，因此电力系统运行部门对网络各母线电压及各用电设备的端电压进行监视和调整是不可能的，而且也没有必要。在电力系统中常常

6、选择一些有代表性的点作为电压中枢点，运行人员监视中枢点电压，将中枢点电压控制调整在允许的电压偏移范围内。只要这些中枢点的电压质量满足要求，其他各点的电压质量基本上满足要求。所谓电压中枢点系指那些能反映和控制整个系统电压水平的点。一般选择下列母线作为中枢点：(1)大型发电厂的高压母线(高压母线上有多回出线时)；(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。下图所示发电厂低压母线I和末端变电所二次母线可作为中枢点。（2）中枢点电压和负荷电压的关系为对中枢点电压进行控制和调整，必须首先确定中枢点电压的允许波动范围。一般各负荷点都允许有一定的电压偏移，例如，负荷点允许电压偏移为5，再

7、计及由负荷点到中枢点的线路上的电压损耗，便可确定中枢点电压的波动范围。这就是常说的电压的不等约束条件。对一个实际运行的系统，网络参数和负荷曲线已知后，要确定中枢点的电压波动范围，如下图 所示由一个中枢点i向两个负荷j、k供电的简单网络。设j、k两负荷允许电压偏移都为5，如图4-12 (b) 所示；负荷j、k的简化日负荷曲线如图4-12 (c) (d) 所示；设由于这两个负荷功率的流通，线路i-j、i-k上的电压损耗分别如图4-12 (e) 、(f)所示。求中枢点电压的波动范围。即编制中枢点电压变化曲线。根据负荷对电压的要求，可求出中枢点电压的波动范围。只满足j负荷时，中枢点电压应维持的电压为：

8、08时 ；824时 。只满足k负荷时，中枢点电压应维持的电压为：016时 ；1624时 。根据这些要求可作出中枢点i电压的变动范围如图4-13所示。将图4-13 (a) 、(b) 合并，就可得同时满足负荷j、k要求的中枢点i的电压允许变动范围，如图4-14 (a) 中的阴影部分。可见，同时满足j、k两点电压要求时，中枢点电压的变动范围为：0-8时 ；8-16时 ；16-24时 。由以上可知，虽然负荷j、k允许的电压偏移都是5，即都有10的允许变化范围，但由于中枢点i与这些负荷之间线路上电压损耗、的大小和变化规律都不相同，要同时满足这两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变化范围大大缩小了，

9、最小时仅有1。若同时考虑两个负荷，两个负荷对中枢点电压的允许波动范围没有相交的阴影部分，则中枢点不能同时满足两个负荷对电压的要求。例如，设8-24时，增大为0.12，则816时，从曲线上找不到公共的阴影部分，中枢点i的电压就难以同时满足负荷j、k对电压质量的要求，如图4-14 (b) 所示。一旦出现这种情况，仅靠控制中枢点电压已不足以控制所有负荷点的电压，则应考虑采取其他措施。（2） 中枢点的调压方式当在实际运行的电力系统中，由于缺乏必要的数据而无法确定中枢点的电压控制范围时，可根据中枢点所管辖的电力系统中负荷分布的远近及负荷波动的程度，对中枢点的电压调整方式提出原则性要求，以确定一个大致的电

10、压波动范围。这种电压调整方式一般分为逆调压、顺调压和常调压三类。(1)逆调压。对于大型网络，如中枢点至负荷点的供电线较长，且负荷变动较大，则在最大负荷时要提高中枢点的电压，以抵偿线路上因最大负荷而增大的电压损耗；在最小负荷时则要将中枢点电压降低一些，以防止负荷点的电压过高，一般对这种情况的中枢点实行“逆调压”。采用逆调压方式的中枢点电压，在最大负荷时较线路的额定电压高5，即1.05；在最小负荷时等于线路的额定电压，即1.0。(2)顺调压。对于小型网络，如中枢点至负荷点的供电线路不长，负荷大小变动不大，线路上的电压损耗也很小，在这种情况下，可对中枢点采用“顺调压”。采用顺调压方式的中枢点电压，在

11、最大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的+2.5，即1.025；在最小负荷时允许中枢点电压高一些，但不高于线路额定电压的+7.5，即1.075。(3)常调压。对于中型网络，如负荷变动较小，线路上电压损耗也较小，这种情况只要把中枢点电压保持在较线路电压高25%的数值，即1.02-1.05，不必随负荷变化来调整中枢点的电压，仍可保证负荷点的电压质量，这种方式称为“常调压”。以上都是指系统正常运行时的调压方式，当系统发生事故时，因电压损耗比正常时大，故电压质量允许降低一些。如前所述，事故时负荷点的电压偏移允许较正常时再增大5。6.2.3借改变发电机端电压调压现代大中型同步发电机大都装有

12、自动励磁调节装置，发电机端电压调整就是借助于发电机的自动励磁调节器，改变励磁机电压而实现的。改变发电机转子电流，就可以改变发电机定子的端电压。现在用于同步发电机的励磁调节装置种类很多，但原理是相同的。如图所示，发电机的自动励磁调节器由量测滤波、综合放大、移相触发、晶闸管输出及转子电压软负反馈等环节组成。当发电机端电压变化时，测量单元测得的信号与给定电压相比较，得到的电压偏差信号经放大后，又作用于移相触发单元，产生不同相位的触发脉冲，进而改变晶闸管元件的导通角，使调节器输出发生变化，励磁机电压随之变化，从而达到调节发电机端电压的目的。这种调压方法，不需增加额外的设备，因此是最经济合理的调压措施，

13、应优先考虑。但对线路较长且是多电压级网络，并有地方负荷的情况下，单靠发电机调压就不能满足负荷点的电压要求。下图所示为一多电压级网络，各级网络的额定电压及最大、最小负荷时的电压损耗均标于图中。最大负荷时，从发电机至线路末端的总电压损耗为35，最小负荷时，总电压损耗为15，两者相差20，而对发电机来说，考虑机端负荷的要求及供电至地方负荷线路上的电压损耗，其电压调整范围为0-5，因此，仅靠发电机机端调压不能满足远方负荷的电压要求，还应采用其他调压方法。6.2.4借改变变压器变比调压普通双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组都留有几个抽头供调压选择使用。一般容量为6300kVA及以下的变压

14、器有三个抽头，分别为1.05、095处引出，调压范围为5，其为高压侧额定电压，在处引出的抽头被称为主抽头。容量为8000kVA及以上的变压器有五个抽头，分别为1.05、1.025、0.975、0.95处引出，调压范围为225。如上图，为一降压变压器，最大负荷时：高压侧母线电压； 归算到高压侧的变压器中的电压损耗；低压侧的额定电压； 低压侧要求的实际电压；应选择的高压侧分接头电压；Uimax-归算到高压侧的低压母线电压最大负荷下：最小负荷下：如果变压器为无载调压变压器，（分接头不能在线调节）根据选定一个最接近的分接头后，再按选定的分接头校验母线实际电压是否满足要求。其返回校验过程为：（1） 求低

15、压母线电压最大负荷时： 最小负荷时： （2） 求电压偏移百分数最大负荷时： 最小负荷时：将上述结果与调压要求相比较，如果电压偏移均在要求范围内，即说明所选分接头合适。6.3电力系统的电压调整6.3.1补偿设备容量的计算和分别为补偿前和补偿后低压侧归算到高压侧的低压母线电压（忽略电压降的横分量）补偿前： 补偿后：设Ui不变，则上两式相等可得： 忽略第二项6.3.2最小补偿设备容量的确定实际上补偿设备容量的计算一般和变压器变比配合进行。设为变电所低压侧要保持的电压，变压器变比为k=UtJ/UNj ， （1） 选用电容器按最大负荷时全部投入，最小负荷时全部退出的运行条件考虑。即按选定变压器分接头后，再按选择电容器容量。最后按选择的电容器容量进行校验。（2） 选调相机最大负荷时，过激运行发出额定容量的无功，最小负荷时，欠激运行吸收1/2额定容量的无功。 （1） （2）两式联立求解，解得变压器变比k后，选择分接头，再将对应所选分接头的变比代入（1 ）式求得调相机容量Qc, 然后选择最接近Qc的调相机。最后按选择的调相机容量进行校验。静止补偿器容量的计算可参考调相机。6.3.2几种调压措施的比较（1） 首先考虑发电机调压，因不需附加投资；（2） 无功充足的系统可采用变压器分接头调压；（3） 无功不足的系统，首要问题是增加无功电源。（4） 为合理选择调压措施应进行技术经济比较。第 页