電力系統(tǒng)電壓調(diào)整.ppt

第4章 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù),電壓和頻率一樣，都是電能質(zhì)量的重要指標！,頻率調(diào)整: 1、全系統(tǒng)頻率相同 2、調(diào)發(fā)電機 3、消耗能源 4、集中控制 5、調(diào)進汽量,電壓調(diào)整： 1、電壓水平各點不同 2、調(diào)發(fā)電機、調(diào)相機、電容器和靜止補償器等 3、不消耗能源 4、電壓控制分散進行 5、調(diào)節(jié)手段多種多樣,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 電力系統(tǒng)電壓控制的意義 第二節(jié) 電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓的關(guān)系 第三節(jié) 電力系統(tǒng)電壓控制的措施 第四節(jié) 電力系統(tǒng)電壓的綜合控制 第五節(jié) 電力系統(tǒng)無功功率電源的最優(yōu)控制,第一節(jié) 電力系統(tǒng)電壓控制的意義,學習目的： 掌握電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的必要性,一、電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的必要性,（一）電壓對電力用戶的影響 1、對用電設(shè)備的影響 電力系統(tǒng)實際電壓偏高或偏低，對運行中的用電設(shè)備都會造成不良的影響。 以照明用的白熾燈為例來說明這個問題,2、對異步電動機的影響 對于異步電動機而言，當電壓降低時，轉(zhuǎn)矩隨電壓的平方成比例下降。 當電壓降低20%時，轉(zhuǎn)矩會降低到額定轉(zhuǎn)矩的64%，電流增加20%35%，造成電動機轉(zhuǎn)速降低，可能導致生產(chǎn)的產(chǎn)品報廢；溫度升高，電動機繞組過熱，絕緣加速老化，甚至燒毀電動機。 當電壓過高時，將加速電氣設(shè)備的絕緣老化，影響電機的使用壽命。 對其它電氣設(shè)備，電壓變化也將使其運行性能變壞，甚至發(fā)生人身傷亡、設(shè)備損壞等事故。,（二）電壓對電力系統(tǒng)的影響,電壓降低，使網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗和能量損耗加大，電壓過低還可能危及電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 在系統(tǒng)中無功功率不足，電壓水平低下的情況下，某些樞紐變電所在母線電壓發(fā)生微小擾動的情況下，頃刻之間會造成電壓大幅度下降的“電壓崩潰”現(xiàn)象，其后果是相當嚴重的，可能導致發(fā)電廠之間失去同步，造成整個系統(tǒng)瓦解的重大停電事故。,10kV及以下電壓供電的負荷： 7； 35kV及以上電壓供電的負荷： 5； 低壓照明負荷： 5 10； 農(nóng)村電網(wǎng)（正常）： 7.5 10； 農(nóng)村電網(wǎng)（事故）： 10 15； 在事故狀態(tài)下，由于電力系統(tǒng)部分設(shè)備退出運行，電壓損耗比正常大?？紤]故障時間較短，電壓偏移允許比正常值再多5，但電壓的正常偏移不應(yīng)超過10。,我國規(guī)定在正常運行情況下各類用戶允許電壓偏移為：,一、電力系統(tǒng)無功功率控制與電力系統(tǒng)電壓的關(guān)系 （回顧）,維持系統(tǒng)電壓正常水平 整個電力系統(tǒng)無功功率平衡關(guān)系可由下式表示：,第二節(jié) 電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓的關(guān)系,系統(tǒng)無功負荷(包括無功損耗)靜態(tài)電壓特性如圖所示:,要控制電力系統(tǒng)在額定電壓運行，就要控制電力系統(tǒng)中無功電源發(fā)出的無功功率等于電力系統(tǒng)負荷在額定電壓時消耗的無功功率。,結(jié)論：維持電力系統(tǒng)電壓在允許范圍之內(nèi)變化是靠控制電力系統(tǒng)無功電源的出力實現(xiàn)的。,二、 電力系統(tǒng)的無功電源,發(fā)電機 同步調(diào)相機 靜電電容器 靜止無功補償裝置 靜止無功發(fā)生器,無功補償裝置,第二節(jié) 電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓的關(guān)系,一、發(fā)電機,發(fā)電機的工作方式： 1、發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時，可作為無功電源。 2、發(fā)電機正常運行時以滯后功率因數(shù)運行為主，可作為無功電源發(fā)出無功功率。 3、必要時也可以減小勵磁電流在超前功率因數(shù)下運行，即所謂進相運行，以吸收系統(tǒng)中多余的無功功率。,發(fā)電機是唯一的有功功率電源，又是最基本的無功功率電源。,發(fā)電機供給的無功功率不是無限可調(diào)的，當發(fā)電廠距用戶較遠時，無功功率所引起的線損較大，在這種情況下，則應(yīng)在用戶中心設(shè)置補償裝置。,二、調(diào)相機,同步調(diào)相機相當于空載運行的同步電動機。 1、調(diào)相機工作方式： （1）當它的轉(zhuǎn)子勵磁電流剛好為某一特定值時，它發(fā)出的無功功率恰好為零。 這時僅從電網(wǎng)中吸收少量的有功功率用來克服機械旋轉(zhuǎn)阻力，維持同步速度空轉(zhuǎn)； （2）當轉(zhuǎn)子勵磁電流大于此特定值時，稱為過勵磁。 在過勵磁運行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率起無功電源的作用； （3）當轉(zhuǎn)子勵磁電流小于此特定值時，稱為欠勵磁。 在欠勵磁運行時，它從系統(tǒng)吸取感性無功功率起無功負荷作用。,改變同步調(diào)相機的勵磁，可以平滑的改變它的無功功率的大小和方向，從而平滑的調(diào)節(jié)所在地區(qū)的電壓。,2、同步調(diào)相機的特點,（1）同步調(diào)相機是旋轉(zhuǎn)機械，運行維護比較復(fù)雜，一次性投資較大。 （2）它的有功功率損耗較大。 在滿負荷時約為額定容量的1.5%5%，容量越小，百分值越大。 小容量的調(diào)相機每kVA容量的投資費用也較大。 故同步調(diào)相機宜于大容量集中使用，安裝于樞紐變電站中，一般不安裝容量小于5Mvar的調(diào)相機。 （3）同步調(diào)相機的響應(yīng)速度較慢，難以適應(yīng)動態(tài)無功功率控制的要求。 20世紀70年代以來已逐漸被靜止無功補償裝置所取代。,三、靜電電容器,靜電電容器只能向系統(tǒng)供給無功功率。 所供無功功率QC與所在節(jié)點的電壓U 的平方成正比，即:,XC電容器的容抗,靜電電容器的特點：,1、電容器的無功功率調(diào)節(jié)能力較差 當節(jié)點電壓下降時，它供給系統(tǒng)的無功功率也將減小。 因此，當系統(tǒng)發(fā)生故障或由于其它原因而導致系統(tǒng)電壓下降時，電容器的無功輸出反而比平常還少，這將導致電壓繼續(xù)下降。,2、靜電電容器組的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起來比較靈活。 3、靜電電容器在運行時的功率損耗較小。 運行時的功率損耗約為額定容量的0.3%0.5%，電容器每單位容量的投資費用較小且與總?cè)萘康拇笮o關(guān)。 4、維護方便。 在實際中仍被廣泛使用。,靜電電容器的特點：,四、靜止無功補償器,靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)，簡稱靜止補償器。由電力電容器與電抗器并聯(lián)組成。 1、工作原理： 電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結(jié)合起來，再配以適當?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就成為能夠平滑地改變輸出(或吸收)無功功率的靜止補償器。 2、類型： 靜止補償器有很多類型，其部件主要有飽和電抗器、固定電容器，晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器。,（1）由飽和電抗器和固定電容器并聯(lián)組成的靜止補償器,飽和電抗器L的特性是當電壓大于某一定值時，隨著電壓的升高，鐵心急劇飽和，相當于空心電抗器。 正常運行時，補償器工作在A點； 當電壓低于額定電壓時，電抗器L鐵心不飽和，電抗器與串聯(lián)電容器組合回路的總感抗大，故基本上不消耗無功功率，并聯(lián)電容器C發(fā)出的無功功率使母線電壓升高。 當電壓高于額定電壓時，由于此時的電抗器因飽和感抗小，所吸收的無功功率增加，從而使母線電壓降低。,在補償范圍內(nèi)，電壓的稍許變化將引起電流大幅度變化。 采用自飽和電抗器和固定電容器并聯(lián)組成的靜止補償器，幾乎可以完全消除電壓波動，可維持母線電壓在額定值附近。,（2）由晶閘管控制電抗器和固定電容器并聯(lián)組成的靜止補償器,電抗器L與反向并聯(lián)連接的晶閘管串聯(lián)，依靠控制晶閘管的觸發(fā)角來改變電抗器的電流大小，即可平滑地調(diào)整電抗器吸收的無功功率的大小。 當觸發(fā)角由90變到180時，可使電抗器的無功功率由額定值變到零。,圖7.3 晶閘管控制電抗器型靜止補償器,（3）晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器并聯(lián)組成的靜止補償器(TCR+TSC),圖中采用一組固定電容器和三組晶閘管投切電容器與電抗器并聯(lián)。 每組晶閘管投切電容器回路串有小電感，其作用是降低晶閘管開通時可能產(chǎn)生的電流沖擊。 晶閘管投切電容器作為無功功率電源，雖然不能平滑調(diào)節(jié)輸出的功率，但晶閘管對控制信號的響應(yīng)迅速，通斷次數(shù)不受限制，運行性能優(yōu)于機械開關(guān)投切電容器。,圖7.4 晶閘管投切電容器型靜止補償器,總結(jié)：,（1）以上三種靜止補償器的共同點是其中的電容器支路作為無功功率的電源。 電容器C與電感Ls串聯(lián)構(gòu)成諧振回路，起到高次諧波濾波器的作用，濾去補償器中各電磁元件產(chǎn)生的5、7、等奇次諧波電流，防止高次諧波分量注入系統(tǒng)，這類支路是不可控的。 （2）它們的不同點在電抗器支路，其中后兩種靜止補償器都是可控電抗器。 靜止補償器向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率的容量取決于它的電容器支路，從系統(tǒng)吸取感性無功功率的容量則取決于它的電抗器支路。,3、靜止補償器的特點,（1）能快速平滑地調(diào)節(jié)無功功率，以滿足無功功率的要求。 這樣就克服了靜電電容器作為無功補償裝置只能作為無功電源而不能作為無功負荷、調(diào)節(jié)不連續(xù)的缺點。 （2）與同步調(diào)相機相比較，靜止補償器運行維護簡單、功率損耗較小，響應(yīng)時間較短，能做到分相補償以適應(yīng)不平衡的負荷變化，對于沖擊性負荷也有較強的適應(yīng)性。 20世紀70年代以來，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。,五、靜止無功發(fā)生器,使用大功率可關(guān)斷晶閘管(GTO)器件代替普通的晶閘管構(gòu)成的無功補償器已開始進入實用階段。 這種裝置稱為靜止補償器(Static Compensator，STATCOM)，或稱為靜止無功發(fā)生器(SVG)。,圖7.5 靜止無功發(fā)生器原理圖,它的主體部分是一個電壓源型逆變器。 適當控制晶閘管的通斷，可以把電容上的直流電壓轉(zhuǎn)換成與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，逆變器的交流側(cè)通過電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。 適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變靜止無功發(fā)生器的運行工況，使其處于容性負荷、感性負荷或零負荷狀態(tài)。,靜止無功發(fā)生器的特點：,(1) STATCOM輸出的無功電流與電壓無關(guān)； 當電壓降低時，SVC輸出的無功電流(補償容量)減小，而STATCOM仍然可以產(chǎn)生較大的電容性電流。 (2) STATCOM有較大的過負荷能力； GTO的開斷容量可以達120%180%穩(wěn)態(tài)額定容量。 (3) 可控性能好，其電壓幅值和相位可快速調(diào)節(jié)。 它的端電壓對外部系統(tǒng)的運行條件和結(jié)構(gòu)變化不敏感。因此，可得到較好的靜態(tài)穩(wěn)定性能和故障下的暫態(tài)穩(wěn)定性能。由于STATCOM中電容器容量較小，在電網(wǎng)內(nèi)普遍使用也不會產(chǎn)生低頻諧振。 (4) STATCOM的諧波含量可以比同容量SVC的低。 因為STATCOM可由多逆變橋串并聯(lián)連接，并通過曲折繞組變壓器進行疊加后，可得到較理想的正弦電壓和電流波形。,本節(jié)小結(jié),電力系統(tǒng)的無功電源： 發(fā)電機 同步調(diào)相機 靜電電容器 靜止無功補償裝置 靜止無功發(fā)生器,第三節(jié) 電力系統(tǒng)電壓控制的措施,學習目的： 掌握電力系統(tǒng)常用的調(diào)壓方法有哪幾種？ 幾種調(diào)壓方法各有何特點？,7.6 電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)方法,電力系統(tǒng)通常采用的調(diào)壓方法有： (1) 調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，從而改變發(fā)電機的端電壓； (2) 調(diào)整分接頭來改變升降壓變壓器的電壓比； (3) 改變系統(tǒng)中無功功率電源的出力； (4) 改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 電力系統(tǒng)中電壓調(diào)整必須根據(jù)具體的調(diào)壓要求，在不同的地點可采用不同的調(diào)壓方法。,一、發(fā)電機調(diào)壓,優(yōu)點： 在各種調(diào)壓手段中，改變發(fā)電機勵磁電流進行電壓調(diào)整，不需增加額外的設(shè)備，是一種最經(jīng)濟合理、最直接的調(diào)壓手段，在考慮調(diào)壓時應(yīng)優(yōu)先考慮。 1、在有發(fā)電機電壓母線的中小容量發(fā)電廠中： 發(fā)電機不經(jīng)升壓直接以直配線向地方用戶供電時，如果供電線路較短，線路上電壓損耗不大，則可采取改變發(fā)電機端電壓的方式來滿足負荷點的電壓質(zhì)量要求。,2、當發(fā)電機經(jīng)多次升降壓向負荷供電時：,在最大負荷時，由電源到負荷點之間電壓損耗達到35%， 在最小負荷時，電壓損耗為18%，其變化幅度達到17%。 而對發(fā)電機而言，其調(diào)壓的困難不僅在于電壓損耗值過大，而且更主要在于不同運行方式下的電壓損耗之差太大。 在這種情況下，其調(diào)壓主要是為了滿足近區(qū)負荷電壓質(zhì)量的要求，而對于解決多級變壓供電系統(tǒng)的調(diào)壓問題，但還需要采取其他調(diào)壓方法.,結(jié)論：在大型電力系統(tǒng)中，依靠發(fā)電機調(diào)壓只作為輔助性調(diào)壓措施。,二、改變變壓器分接頭調(diào)壓,1、普通變壓器 普通雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高、中壓繞組上有若干分接頭供調(diào)壓選擇使用。 一般情況下，容量為6300kVA及以下的變壓器有三個分接頭，各分接頭電壓分別為1.05UN、UN、0.95UN，調(diào)壓范圍為5%UN. 容量為8000kVA及以上的變壓器有五個分接頭，各分接頭電壓分別為1.05UN、1.025UN、UN、0.975UN、0.95UN，調(diào)壓范圍為22.5%UN。 普通變壓器的分接頭調(diào)整只能停電后進行，又稱為無激磁調(diào)壓變壓器，一般在一年中根據(jù)季節(jié)性負荷的變化進行調(diào)整，不能隨時進行調(diào)整，不能滿足日負荷變化時對電壓的質(zhì)量要求。,普通變壓器調(diào)壓的缺點：,如果電壓的變化幅度超過了分接頭的可能調(diào)整范圍(5%)，或者調(diào)壓要求的變化趨勢與實際的相反(如逆調(diào)壓時)，則依靠選普通變壓器的分接頭的方法將無法滿足調(diào)壓要求。 這時可以采用有載調(diào)壓變壓器或其它調(diào)壓措施。,2、有載調(diào)壓變壓器,有載調(diào)壓變壓器可根據(jù)系統(tǒng)運行情況，在帶負荷的條件下隨時切換分接頭開關(guān)，保證供電電壓質(zhì)量，而且分接頭數(shù)目多、調(diào)節(jié)范圍比較大， 優(yōu)點： 采用有載調(diào)壓變壓器時，可以根據(jù)最大負荷和最小負荷時分接頭電壓來分別選擇各自合適的分接頭。 如果系統(tǒng)中不缺乏無功功率，凡采用普通變壓器不能滿足調(diào)壓要求的場合，如長線路、負荷變動大、系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的兩端等，采用有載調(diào)壓變壓器，都可以滿足調(diào)壓要求。,三、改變系統(tǒng)無功功率分布調(diào)壓,當系統(tǒng)中無功功率缺額較大時，采用改變發(fā)電機勵磁電流或改變變壓器分接頭調(diào)壓不能保證負荷點電壓在允許范圍內(nèi)，這就需要裝設(shè)各種無功補償設(shè)備進行調(diào)壓。 1、無功補償?shù)姆绞剑?并聯(lián)補償、串聯(lián)補償 （1）并聯(lián)補償?shù)奶攸c： 既能減小線路電壓損耗，改善用戶的電壓質(zhì)量，也能減小網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗和電能損耗。 （2）并聯(lián)補償?shù)姆绞?A、并聯(lián)電容器 電力電容器只能發(fā)出感性無功功率，提高大負荷時負荷點的電壓，而小負荷時，不能吸收無功功率來降低負荷點的電壓。 為了充分利用補償容量，在最大負荷運行方式時應(yīng)全部投入，在最小負荷運行方式時應(yīng)全部退出。 B、同步調(diào)相機 如果在最大負荷時以額定容量過勵磁運行，在最小負荷時按額定容量的50%65%欠勵磁運行，其容量會得到充分利用。,四、改變電力網(wǎng)參數(shù)調(diào)壓,在輸電線路輸送的功率不變的情況下，改變電力網(wǎng)參數(shù)R、X的值，可以達到調(diào)壓的目的。 其中最常用的方法是在線路上串聯(lián)電容器，用以補償線路的感抗，從而提高線路末端的電壓。 特點：串聯(lián)電容補償多用于負荷經(jīng)常波動、功率因數(shù)較低的35kV或10kV電壓的配電網(wǎng)中。,本節(jié)小結(jié),電力系統(tǒng)通常采用的調(diào)壓方法： (1) 調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，從而改變發(fā)電機的端電壓； (2) 調(diào)整分接頭來改變升降壓變壓器的電壓比； (3) 改變系統(tǒng)中無功功率電源的出力； (4) 改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。,第四節(jié) 電力系統(tǒng)電壓的綜合控制,第五節(jié) 電力系統(tǒng)無功電源的最優(yōu)控制,一、概述： 1、電壓控制的方法： 電力系統(tǒng)的電壓問題應(yīng)從整個系統(tǒng)的范圍來統(tǒng)一解決。 （1）首先系統(tǒng)內(nèi)無功功率電源必須充足，要根據(jù)無功功率就地平衡的原則，合理布置無功補償設(shè)備。 （2）在無功功率比較充裕的條件下，綜合運用各種調(diào)壓手段，才能取得良好的效果。,補充：電力系統(tǒng)的自動電壓控制,2、自動電壓控制的必要性： 根據(jù)系統(tǒng)實時運行狀態(tài)，進行無功功率和電壓的自動控制，有效的提高電壓質(zhì)量和電網(wǎng)允許水平。 克服了以往調(diào)度人員人工調(diào)壓的弊端。 3、自動電壓控制的目標： (1) 電力系統(tǒng)內(nèi)各重要樞紐點的電壓偏移均在給定的允許范圍內(nèi)； (2) 所控制的系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)損最??； (3) 調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)沒有超限。,4、自動電壓控制裝置的類型：,電壓無功控制裝置 (VQC)： 適用于一些地區(qū)電網(wǎng)、變電所。 自動電壓控制系統(tǒng) (Automatic Voltage Control，AVC) ： 適用于一些省級電網(wǎng)。,二、電壓無功控制裝置(VQC),1、適用于：地方電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制。 2、缺點： 電壓無功自動控制裝置(VQC)僅采集一個變電所的運行參數(shù)，不能實現(xiàn)對全網(wǎng)范圍內(nèi)各變電所的電容器和有載調(diào)壓變壓器進行協(xié)調(diào)控制。,三、 自動電壓控制(AVC),1、適用于：省級電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制。 例：湖南省調(diào)于2003年4月投入了AVC主控系統(tǒng)和四個子站系統(tǒng)，取得了明顯的效果，使電網(wǎng)內(nèi)電壓合格率最低的站點電壓合格率達到100%，大大提高了整個電網(wǎng)的電壓合格率。 2、自動電壓控制(AVC)系統(tǒng)特點 建立在調(diào)度自動化系統(tǒng)平臺上，實現(xiàn)了AVC與SCADA/EMS的一體化。,3、系統(tǒng)功能的實現(xiàn),主要由以下三個基本模塊實現(xiàn)： 調(diào)度中心總站AVC模塊、發(fā)電廠AVC模塊和變電所AVC模塊。,（1）調(diào)度中心總站AVC模塊： 總站AVC的控制平臺是在建