1、第四章 电力系统的正常运行与控制 正常运行状态下，负荷会随时变化，为保证系统安全可靠运行并满足用户对电能质量的要求，必须采取控制手段对系统进行调节。电压频率控制无功功率平衡有功功率平衡安全、经济、可靠4.1 电力系统的无功功率平衡和电压调整电压是衡量电能质量的一个重要指标。电压偏移电压波动和闪变电网谐波三相不对称程度。电压质量包括：电压合理的重要性引起效率下降、经济性能变差，影响生活质量，如照明；缩短寿命，甚至造成损坏：白炽灯、电动机；降低生产率，出废品、次品；对电力系统，过低：使网络功率损耗加大，危及稳定运行，过高、绝缘，增加电晕损耗。500 (330)kV母线 0 表示系统中无功功率可以平
2、衡且有适量的备用；Qres0 表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。l系统电源的总无功出力QGC包括发电机的无功功率QG和各种无功补偿设备的无功功率QC，即 QGCQGQGl总无功负荷QLD按负荷的有功功率和功率因数计算。l网络的总无功损耗QL包括变压器的无功损耗QLT、线路电抗的无功损耗QL和线路电纳的无功功率QB，即 QL QLTQLQB 一、电力系统的无功功率平衡一、电力系统的无功功率平衡1. 无功功率负荷和无功功率损耗1) 无功负荷异步电动机的简化等值电路22MmmUQQQI XX励磁功率，与U 2成正比漏抗中的无功损耗QmQM系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定。 2
3、M(1)/PI Rss转差电压降低磁通减小电动机力矩变小转速变慢转差变大电流变大无功变大电动机额定负荷电动机实际负荷异步电动机无功-电压特性 负（受）载系数额定电压附近，U，Q；U，Q当电压过低时，QM由 Q决定，U，Q特点：负荷的电压静态特性 因此，在电力系统运行中应该尽量避免电压下降过大、引起无功功率缺额加剧进而出现电压崩溃的危险。 2) 变压器的无功损耗所以： Q0与电压平方成正比， QT与电压平方成反比，与电动机特性相同。22220NKLT0TTTNN%()()100100IUUSSQQQU BXSUSU 变压器的无功损耗QLT包括励磁损耗Q0和漏抗中的损耗QT 。励磁损耗Q0的大小近
4、似等于空载电流I0百分比，约12%；漏抗损耗在变压器满载时近似等于短路电压Uk百分比，约10%；在额定满载下运行时，无功功率的损耗约为额定容量的1012%。222LPQQXU2212()2BBQUU 0BQ3）输电线路的无功损耗并联电容：串联电抗：在35KV及其以下（线路短）在110KV及其以上时，BLQQBLQQ传输较大时，传输较小时，（无功负荷）（无功电源）超高压（500750kV）输电线轻载时 （无功电源）U 并联电抗器 2. 无功功率电源包括：发电机、同步调相机、静止电容器、静止无功补偿器和静止无功发生器等。l发电机在额定电压、电流和功率因数下运行时，发电机能达到额定视在功率，效率最高
5、。l发电机的无功有有功功率和决定功率因数决定。l在反方向称为进相运行，这时吸收无功功率，在负荷低谷时使用。1）发电机GNGNNGNNsinQSP tg发电机P-Q极限曲线 2）同步调相机（不发有功的发电机）过励磁运行时，向系统提供感性无功功率QGN （无功电源）欠励磁运行时，它从系统吸收感性无功功率 0.5QGN（无功负荷）投资大，调节平滑连续，安装在枢纽变电所。旋转机械，运行维护比较复杂，有功功率损耗较大（1.5%5%）。 由于相应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求，20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代。22CCUQUCX3 电容器（静电） 容抗，其所供无功大小与电压大小成正
6、比，U，Qc，U，Qc 特点：投资小，调节性能差，不连续，可分散安装 。式中，XC1/wC为静电电容器的电抗。 当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少。因此，当系统发生故障或由于其他原因电压下将时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。换言之，电容器的无功功率调节性能比较差。集合式高压并联电容器 如何使调节连续？4 静止无功补偿器（Static Var Compensator SVC)静止无功补偿器 SVC由静电电容器与电抗器并联组成，并配以适当的调节装置，可实现平滑调节。可输出或吸收无功功率（相当于调相机但比较省钱）。饱和电抗器（SR）型晶闸管控制电抗器型(TCR)晶闸管投切电容器型
7、(TSC)TCR和TSC组合型 （无电力电子器件）饱和电抗器SR的特性是当电压大于某值时，随着电压的升高，铁芯急剧饱和。在补偿器的工作范围内，电压的很小变化就会引起电流的很大变化。与SR串联的电容Cs是用于斜率校正的，改变Cs的大小可以调节补偿器外特性的斜率。 饱和电抗器（SR）型静止无功补偿器原理图 伏安特性 由晶闸管控制电抗器TCR与固定电容器并联组成，利用晶闸管的触发角来改变通过电抗器的电流，可以实现平滑的调整电抗器吸收的无功功率，从而达到连续调节无功补偿功率的目的。电容器串联电感Lf的目的是消除高次谐波。晶闸管控制电抗器（TCR）型静止无功补偿器原理图 伏安特性 每组晶闸管投切电容器都
8、串联接入一小电感 LS，其作用是降低晶闸管开通时可能产生的电流冲击。只能作为感性无功电源，且不能平滑的调节输出的功率。但是由于晶闸管对控制信号的响应速度非常快，且通断次数又不受限制，因此运行性能还是明显优于机械开关投切的常规电容器。晶闸管投切（TSC）型静止无功补偿器原理图 伏安特性 利用晶闸管的触发角a来改变电抗器中的电流。Lh是高次谐波的调整电感；Ls 防止开通时的冲击电流。TCR TSC 组合型静止无功补偿器TCR TSC 组合型静止无功补偿器总结：能够在电压变化时快速平滑地调节无功，以满足动态无功补偿的需要。与同步调相机相比较，运行维护简单，功率损耗较小，响应时间较短，对于冲击负荷有较
9、强的适应性。TCR型和TSC型静止补偿器能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化。调节性能好、投资不大。当系统电压越低时反而提供的感性无功功率越少。 （本质上是依靠静电电容器产生无功功率的缘故）优点：缺点5. 静止无功发生器(Static Var Generator, SVG)由六个可关断晶闸管（GTO）分别与六个二极管反相并联。适当控制GTO的通断，可以把电容C上的直流电压转换成与电力系统电压同步的三相交流电压，通过变压器或电抗器接入系统。 适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地控制SVG的运行工况，使其处于容性、感性或零负荷。优点：响应速度更快，运行范围更宽。l 静止无功补偿器(SVC)：该装
10、置产生无功和滤除谐波是靠其电容和电抗本身的性质产生的。 l 静止无功发生器(SVG)：该装置产生无功和滤除谐波是靠其内部电子开关频繁动作产生无功电流和与谐波电流相反的电流。思考：SVC与SVG有何区别？ 无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。 一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户各种对无功平衡有影响的化。 一般无功功率按照就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电电容器；大容量的配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或SVC。总结：发电机G ：PGN=225MW，UN
11、=10.5kV， cos=0.85 ；变压器T1：220MVA，10.5/121kV，P027.5kW，PK =104kW， I00.9，UK% =10.5；变压器T2：216MVA，115.5/11kV， P023.5kW，PK =86kW， I00.9，UK% =10.5；变压器T3：10MVA，110/11kV，PK =59kW， I01.0，UK% =10.5；线路L1、L2：r1=0.422/km， x1=0.429 /km，b1=2.66*10-6S/km。例4-1 系统接线如图所示，图中各元件参数如下： 变电站负荷、发电机机端负荷、线路长度均示于图中，试作系统的无功功率平衡计算。
12、 系统接线图无功功率对电压有决定性的影响无功功率是引起电压损耗的主要内容无功功率的远距离传输和就地平衡节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定性作用无功功率和电压的关系3. 无功平衡和电压水平的关系 在电力系统运行中，电源的无功出力在任何时刻都同负荷无功加无功网损相平衡，即QGQLD+QL。答：正常水平，UN附近。问：该平衡是在什么样的电压水平下实现？cossinEUPUIX2sincosEUUQUIXX222()EUUQPXX 如图：有一隐极发电机通过一段线路向负荷供电（略去电阻等）发电机输出功率 j(cosjsin )PQU IUI隐极式发电机的功率方程 cosPUIsinQUI由于定子绕
13、组电阻很小，常忽略不计，r0. Eq U dx I j I dcosIxqdsinE Ux2qddcosE UUxxqsinEqd(j)EUrx IdsinIxUqcosE 当E为一定值时，Q同U的关系是一条开口向下的抛物线，他和无功负荷的曲线的交点，确定了负荷电压值Ua。图4-8 按无功功率平衡确定电压 当负荷无功增加变为2，若电源无功未增加，则新的电压值为Ua，新平衡点，电压降低了； 若发电机有充足的无功备用，通过调节励磁电流，增大发电机的电势E，则发电机的无功特性曲线将上移到曲线1的位置，则又可回到原来电压值Ua。222()EUUQPXX二、电力系统的电压调整 电压是电能质量的重要指标之
14、一。电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有重要的影响。因此电压调整具有一定的重要性。电压偏移的危害 电压过低 电压过高会使网络中功率和能量的损耗加大；电动机电流增大、发热、烧毁；日光灯启动困难；可能危及电力系统运行稳定性。二、电力系统的电压调整 电压是电能质量的重要指标之一。电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有重要的影响。因此电压调整具有一定的重要性。电压偏移的危害 电压过低 电压过高设备绝缘可能受到损害，绝缘易老化，寿命缩短，在超高压网络中还将增加电晕损耗等。35KV及以上：510KV及
15、以下：7低压照明：+5，-10农村电网：+7.5，-10 (+10，-15)l允许电压偏移指标 各种用电设备都是按额定电压设计制造的。这些设备在额定电压下运行才能取得最佳效果。1)允许电压偏移1、电压调整的必要性中枢点的定义电力系统中重要的电压支撑点电力系统中负荷点数目众多又很分散，有必要选择一些有代表性的负荷点这些点的电压质量符合要求，其它各点的电压质量也能基本满足要求中枢点的选择区域性水、火电厂的高压母线枢纽变电所的二次母线有大量地方负荷的发电机电压母线中枢点设置数量不少于全网220kV及以上电压等级变电所总数的72)中枢点的电压管理中枢点的电压允许变化范围的确定 中枢点向两个负荷点供电
16、中枢点向多个负荷点供电 如果中枢点是发电机母线 在任何时候，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围都有公共部分 SABASBOSBmaxt/h SSBminSAmax SAmint/h Ut/h U 中枢点向两个负荷点供电 A、B两负荷点电压允许变化范围都是（0.951.05）UN。U？ 中枢点向多个负荷点供电 其电压允许变化范围可按两种极端情况确定：在地区负荷最大时，电压最低的负荷点的允许电压下限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最低电压；在地区负荷最小时，电压最高负荷点的允许电压上限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最高电压。 如果中枢点是发电机的电压母线 除了上述要求外，还应受厂用电设备与
17、发电机的最高允许电压以及为保持系统稳定的最低允许电压的限制。 如果在任何时候中枢点电压允许变化范围都有公共部分 那么，调整中枢点电压，使其在公共部分的允许范围内变动，就可以满足各负荷点的调压要求，而不必在各负荷点再装设调压设备。中枢点允许变电范围确定1、弄清由中枢点调压的各负荷节点的负荷的变化和规律和电压允许的范围。2、根据1，计算各负荷节点对中枢点的电压的要求。3、各负荷对中枢点电压要求的公共区域，即为中枢点电压容许变化范围，反过来说，只要中枢点电压在这一范围内，即可以满足各点的调压要求。如何调整中枢点电压？中枢点调压模式 逆调压模式 顺调压模式 逆调压模式 在大负荷时升高电压，小负荷时降低
18、电压的调压方式。一般采用逆调压方式，在最大负荷时可保持中枢点电压比线路额定电压高5，在最小负荷时保持为线路额定电压。供电线路较长、负荷变动较大的中枢点往往要求采用这种调压方式。 常（恒）调压模式（效果好，实现较难）中枢点调压模式 逆调压模式 顺调压模式 逆调压模式 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102.5；小负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的107.5的调压模式。对于某些供电距离较近，或者符合变动不大的变电所，可以采用这种调压方式。 常（恒）调压模式（效果差，实现较易）中枢点调压模式 逆调压模式 顺调压模式 常（恒）调压模式 逆调压模式 介于前面两种调压方式之
19、间的调压方式是恒调压。即在任何负荷下，中枢点电压保持为大约恒定的数值，一般较线路额定电压高25。总结：三种调压方式比较：三种调压方式：从效果上看，逆最好，顺最差 从实现难易，顺最易，逆最难逆调压：大负荷时升高电压达1.05UN，在小负荷时降低电压到1.0UN。顺调压：小负荷时允许电压高一些，但小于1.075UN ,大负荷时允许电压低一些，但大于1.025UN 。常调压：在大小负荷时均保持电压大约不变，约（1.02-1.05)UN。 在事故情况下，允许电压偏移比正常大5%2. 电压调整的措施具体措施： 调节励磁电流以改变发电机端电压UG； 适当改变变压器变比(k1，k2)； 改变无功功率的分布，
20、主要是并联无功补偿装置 ； 改变线路参数R和X（串联电容器减小线路电抗和增大导线截面减小电阻 ）。ld1212()/()/GGPRQXUU kUkU kkU1）发电机调压（1）由孤立的发电厂不经升压直接供电的小型电力网，改变发电机端电压就可以满足负荷点的电压质量要求，不必另外在增加调压设备。对于不同类型的供电网络，发电机调压所起作用不同：（2）对于线路较长、供电范围交大、有多级变压的供电系统，发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求。发电机的电压调整是通过调节励磁电流来改变发电机的端电压。发电机调压的优点：(1) 不增加投资 (2) 可实现逆调压。故优先采用。（3）对于由若干发电厂并
21、列运行的电力系统，进行电压调整的电厂需有相当充裕的无功容量储备，一般不易满足。 另外调整个别发电厂的母线电压，会引起无功功率重新分配，可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。2）改变变压器变比调压 双绕组变压器在高压绕组，三绕组变压器在高、中压绕组一般有若干分接头可供选择使用。 改变变压器变比可以升高或降低次级绕组的电压。改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择分接头。 有载调压变压器，可带电改变分接头位置，因而可按不同负荷选择不同的分接头。 普通变压器分接头的改变只能在停电状态下进行，因而它的分接头对于最大负荷、最小负荷只能使
22、用同一分接头（因为不能随意停电）。（1）降压变压器分接头的选择U2P+jQU1RT jXT式中，kU1t/U2N是双绕组降压变压器的实际变比，即高压绕组分接头电压U1t和低压绕组额定电压U2N之比； 为归算到高压侧的变压器电压损耗。将k代入上式，得高压侧分接头电压TTT1()/UPRQXU21T()/UUUk1T1t2N2UUUUU 当变压器通过不同的功率时，可以通过计算求出在不同负荷下为满足低压侧调压要求的高压电压，进而变压器确定分接头。低压侧要求得到的电压 当考虑负荷变化时，分接头的选择需要满足最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压。U1tmax（U1maxUtmax）U2N / U2ma
23、xU1tmin（U1minUtmin）U2N / U2min对于有载调压器对计算的U1tmax和U1tmin分别进行归整即可 （按最近分接头进行） 如：110(1-0.025), 110, 110(1+0.025）对于普通变压器，则取两者的平均值：U1t.av（U1tmax +U1tmin）/ 2 根据值可选择一个与它最接近的分接头。然后根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线电压上的实际电压是否符合要求。（若误差小于1.25%则认为合格。）（2）升压变压器分接头的选择U2P+jQU1RT jXT选择升压变压器分接头的方法，与选择降压变压器的基本相同 由于升压变压器中功率方向是从低压
24、侧送往高压侧的，故公式中UT前的符号应相反，即应将电压损耗和高压侧电压相加。因而有式中， U2为变压器低压侧的实际电压或给定电压； U1为高压侧所要求的电压1T1t2N2UUUUUkU1t/U2N， 。TTT1()/UPRQXU有载调压变压器工作原理若变压器分接头由4档移到3档，其过程如下： 先断开J1，然后移动K1到3档，再合上J1 ，再断开J2，把K2移到3档再合上J2。 J1，J2为接触器，它们在单独的油箱中；DK绕组是当K1 和K2 在不同档位时，限制短路电流的。3） 利用无功功率补偿调压 无功功率应就地平衡，因线路传送无功功率要引起有功功率损耗和电压损耗，合理配置无功补偿容量以改变无
25、功潮流分布，进而减少有功损耗和电压损耗122PRQXUUUC12c2c()PRQQXUUU未加补偿装置 加无功补偿装置 式中：U2为归算到高压侧的变电站低压母线电压； U2C变电站低压母线的归算到高压侧电压。 C22c22c()PRQQXPRQXUUUU2cC2c22c2()()UPRQXPRQXQUUXUU 使变电站低压母线的归算电压从 U2改变到 U2C时所需要的无功补偿为 变压器变比为k，经过补偿后变电站低压侧要求保持的实际电压为U2C 则：2c2cUkU22c2c2C2c22c()()kUk UUQkUUUXXk 补偿容量与调压要求和降压变压器的变比选择均有关。变比k的选择原则是在满足
26、调压要求下使无功补偿容量为最小。 2max2max2max2)(kkUUXUQCCC变压器分接头的选择应考虑到无功补偿的投切情况，为了充分利用电容器的补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时应全部退出。因而并联电容器补偿容量的计算步骤如下： 根据调压要求，按最小负荷时没有补偿的情况确定变压器的分接头。 按最大负荷时的调压要求计算补偿容量，即max2Umax2CU式中， 和 分别为补偿前变电所低压母线归算到高压侧的电压和补偿后变电所低压侧要求保持的实际电压。考虑并联补偿时 变压器分接头的选择并补容量的一般选择原则（1）并补容量QC首先从无功就地平衡的原则（减少网损）出发，其容量应接近
27、负荷无功Q；（2）由于负荷无功是变化的，因而补偿装置若是静电电容器，则应分组安装以便根据无功负荷的变化进行增减；（3）在500kV或330kV变电站内，还应考虑在负荷低谷时为了避免高压网电压过高，从降低电压的要求下，还应装设电抗器补偿，当然它会引起的有功损耗的增加；（4）电容器容量的选择，在最大负荷时应全部投入，在最小负荷时应全部退出；PRQXUU()CCPRQ XXUUCUU 4) 线路串联电容补偿调压当X较大时，线路上串联电容器，其容抗为XC , 则即：减小了电压损耗 串联电容器是由许多电容器串、并联组成，串联是承受电压，并联是承受电流CQXUU减小的电压损耗与线路上流过的无功Q成正比 串
28、补一般用在负荷波动大的35kV和10kV线路上。 至于高压线路220kV及以上的串补是为了提高输送容量及其系统的稳定性，不是调压。 上述两种串补的目的是完全不同的。5) 各种调压措施的合理应用 发电机调压，不增加投资，可实现逆调压，应优先采用，但它受发电机出口电压上限和无功出力的限制，在大系统中一般作为辅助手段。此外，在系统轻载电压较高时，发电机可进相运行吸收无功功率。 在无功充裕或无功平衡的电力系统中，改变变压器变比调压有良好的效果，应优先采用。有载变压器可带电改变分接头，可实现逆调压。 在无功不足的电力系统中，不宜采用改变变压器变比调压。因为改变变压器的变比从本质上并没有增加系统的无功功率
29、而是以减少其它地方的无功功率来补充某地由于无功功率不足而造成的电压低下，其它地方则有可能因此而造成无功功率不足，不能从根本上解决整个电网的电压质量问题。因此，在无功功率不足的电力系统中，首先应采用无功补偿装置补偿无功的缺额。并联无功补偿既可调压又可降低有功损耗，在无功负荷较大时应尽力先投入无功功率补偿装置平衡无功缺额。串联电容器调压一般用在供电电压为35kV或10kV、负荷波动大而频繁、功率因数又很低的配电线路上。超高压线路上串联电容器不是为了调压，而是为了减少电抗，增加输送功率。超高压系统并联电抗器调压。为了减少输电损耗，现代电力系统利用超高压甚至特高压进行远距离输送电力，这种电力线路产生的
30、电容无功功率是相当可观的，在线路空载或轻载时，它会造成线路末端电压升高，为了防止出现过电压损坏电器设备，因而需要在超高压线路的两段以及高压变电站装设并联电抗器。10kV及以下系统，包括电缆线路，由于电阻比较大，为了调压应采用增大导线截面积的方法。 值得指出的是，对于实际电力系统的调压问题，工程上常采用技术经济比较的方法选择合理的调压方案。从更高的角度来看，现代电力系统的调压问题是一个综合优化问题。 它的目标函数可以是有功网损最小，或者是电压监测点电压越限的平方和最小。 它的等式约束条件是潮流方程， 不等式约束是各监测点电压的上下限约束、各无功电源的 上下限约束以及各变压器变比的上下限约束。 这
31、个优化问题可采用数学优化方法或人工智能方法求解，得到更为科学和优化的调压方案 5）各种调压措施的合理应用（1）发电机调压不增加投资，可实现逆调压，应优先采用。（2）在无功电源充足的条件下，部分地区的调压，可采用改变变比调压。（普通变压器只能在停电状态下改变分接头，调压效果不好，有载变压器可带电改变，故可实现逆调压。）（3）在无功电源不足的情况下，应首先增加无功补偿（静电电容器，静止补偿器等），设法使无功就地平衡减少无功的传输，它既保持电压合格又能降低网损。（4）串补和并补都是减少QX/U的值，并补减少Q，串补减少X，两者均在QX/U比重较大时才起作用。（5）对于RP/U比重大的线路，应采用增大导线截面的办法（10kV及以下），减少R，串补一般用于35kV10kV线路长的地方。 （6）超高压输电线750kV或500kV330kV变电站为防止负荷低谷时电压升高，装有并补电抗器（也分组）。
