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1、第4章 电力系统电压调整和无功功率控制技术,电压和频率一样，都是电能质量的重要指标！,频率调整:1、全系统频率相同2、调发电机3、消耗能源4、集中控制5、调进汽量,电压调整：1、电压水平各点不同2、调发电机、调相机、电容器和静止补偿器等3、不消耗能源4、电压控制分散进行5、调节手段多种多样,本章主要内容,第一节 电力系统电压控制的意义第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系第三节 电力系统电压控制的措施第四节 电力系统电压的综合控制第五节 电力系统无功功率电源的最优控制,第一节 电力系统电压控制的意义,学习目的：掌握电力系统电压调节的必要性,一、电力系统电压调节的必要性,（一）电压对电力用户的
2、影响1、对用电设备的影响 电力系统实际电压偏高或偏低，对运行中的用电设备都会造成不良的影响。以照明用的白炽灯为例来说明这个问题,2、对异步电动机的影响 对于异步电动机而言，当电压降低时，转矩随电压的平方成比例下降。当电压降低20%时，转矩会降低到额定转矩的64%，电流增加20%35%，造成电动机转速降低，可能导致生产的产品报废；温度升高，电动机绕组过热，绝缘加速老化，甚至烧毁电动机。当电压过高时，将加速电气设备的绝缘老化，影响电机的使用寿命。对其它电气设备，电压变化也将使其运行性能变坏，甚至发生人身伤亡、设备损坏等事故。,（二）电压对电力系统的影响,电压降低，使网络中的功率损耗和能量损耗加大，
3、电压过低还可能危及电力系统运行的稳定性。在系统中无功功率不足，电压水平低下的情况下，某些枢纽变电所在母线电压发生微小扰动的情况下，顷刻之间会造成电压大幅度下降的“电压崩溃”现象，其后果是相当严重的，可能导致发电厂之间失去同步，造成整个系统瓦解的重大停电事故。,10kV及以下电压供电的负荷：7；35kV及以上电压供电的负荷：5；低压照明负荷：5 10；农村电网（正常）：7.5 10；农村电网（事故）：10 15；在事故状态下，由于电力系统部分设备退出运行，电压损耗比正常大。考虑故障时间较短，电压偏移允许比正常值再多5，但电压的正常偏移不应超过10。,我国规定在正常运行情况下各类用户允许电压偏移为
4、：,一、电力系统无功功率控制与电力系统电压的关系（回顾）,维持系统电压正常水平整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：,第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系,系统无功负荷(包括无功损耗)静态电压特性如图所示:,要控制电力系统在额定电压运行，就要控制电力系统中无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时消耗的无功功率。,结论：维持电力系统电压在允许范围之内变化是靠控制电力系统无功电源的出力实现的。,二、电力系统的无功电源,发电机同步调相机静电电容器静止无功补偿装置静止无功发生器,无功补偿装置,第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系,一、发电机,发电机的工作方式：1、发电机在额定状态
5、下运行时，可作为无功电源。2、发电机正常运行时以滞后功率因数运行为主，可作为无功电源发出无功功率。3、必要时也可以减小励磁电流在超前功率因数下运行，即所谓进相运行，以吸收系统中多余的无功功率。,发电机是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。,发电机供给的无功功率不是无限可调的，当发电厂距用户较远时，无功功率所引起的线损较大，在这种情况下，则应在用户中心设置补偿装置。,二、调相机,同步调相机相当于空载运行的同步电动机。1、调相机工作方式：（1）当它的转子励磁电流刚好为某一特定值时，它发出的无功功率恰好为零。这时仅从电网中吸收少量的有功功率用来克服机械旋转阻力，维持同步速度空转；（2）当转
6、子励磁电流大于此特定值时，称为过励磁。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率起无功电源的作用；（3）当转子励磁电流小于此特定值时，称为欠励磁。在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率起无功负荷作用。,改变同步调相机的励磁，可以平滑的改变它的无功功率的大小和方向，从而平滑的调节所在地区的电压。,2、同步调相机的特点,（1）同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂，一次性投资较大。（2）它的有功功率损耗较大。在满负荷时约为额定容量的1.5%5%，容量越小，百分值越大。小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。故同步调相机宜于大容量集中使用，安装于枢纽变电站中，一般不安装容量小于5Mvar的调相机
7、。（3）同步调相机的响应速度较慢，难以适应动态无功功率控制的要求。20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代。,三、静电电容器,静电电容器只能向系统供给无功功率。所供无功功率QC与所在节点的电压U 的平方成正比，即:,XC电容器的容抗,静电电容器的特点：,1、电容器的无功功率调节能力较差当节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小。因此，当系统发生故障或由于其它原因而导致系统电压下降时，电容器的无功输出反而比平常还少，这将导致电压继续下降。,2、静电电容器组的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。3、静电电容器在运行时的功率损耗较小。运行时的功率损耗约为额定容量
8、的0.3%0.5%，电容器每单位容量的投资费用较小且与总容量的大小无关。4、维护方便。在实际中仍被广泛使用。,静电电容器的特点：,四、静止无功补偿器,静止无功补偿器(Static Var Compensator,SVC)，简称静止补偿器。由电力电容器与电抗器并联组成。1、工作原理：电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。2、类型：静止补偿器有很多类型，其部件主要有饱和电抗器、固定电容器，晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器。,（1）由饱和电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器,饱和电抗器L的特性是当电
9、压大于某一定值时，随着电压的升高，铁心急剧饱和，相当于空心电抗器。正常运行时，补偿器工作在A点；当电压低于额定电压时，电抗器L铁心不饱和，电抗器与串联电容器组合回路的总感抗大，故基本上不消耗无功功率，并联电容器C发出的无功功率使母线电压升高。当电压高于额定电压时，由于此时的电抗器因饱和感抗小，所吸收的无功功率增加，从而使母线电压降低。,在补偿范围内，电压的稍许变化将引起电流大幅度变化。采用自饱和电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器，几乎可以完全消除电压波动，可维持母线电压在额定值附近。,（2）由晶闸管控制电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器,电抗器L与反向并联连接的晶闸管串联，依靠控制晶闸
10、管的触发角来改变电抗器的电流大小，即可平滑地调整电抗器吸收的无功功率的大小。当触发角由90变到180时，可使电抗器的无功功率由额定值变到零。,图7.3 晶闸管控制电抗器型静止补偿器,（3）晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器并联组成的静止补偿器(TCR+TSC),图中采用一组固定电容器和三组晶闸管投切电容器与电抗器并联。每组晶闸管投切电容器回路串有小电感，其作用是降低晶闸管开通时可能产生的电流冲击。晶闸管投切电容器作为无功功率电源，虽然不能平滑调节输出的功率，但晶闸管对控制信号的响应迅速，通断次数不受限制，运行性能优于机械开关投切电容器。,图7.4 晶闸管投切电容器型静止补偿器,总结：,（1）以
11、上三种静止补偿器的共同点是其中的电容器支路作为无功功率的电源。电容器C与电感Ls串联构成谐振回路，起到高次谐波滤波器的作用，滤去补偿器中各电磁元件产生的5、7、等奇次谐波电流，防止高次谐波分量注入系统，这类支路是不可控的。（2）它们的不同点在电抗器支路，其中后两种静止补偿器都是可控电抗器。静止补偿器向系统供应感性无功功率的容量取决于它的电容器支路，从系统吸取感性无功功率的容量则取决于它的电抗器支路。,3、静止补偿器的特点,（1）能快速平滑地调节无功功率，以满足无功功率的要求。这样就克服了静电电容器作为无功补偿装置只能作为无功电源而不能作为无功负荷、调节不连续的缺点。（2）与同步调相机相比较，静
12、止补偿器运行维护简单、功率损耗较小，响应时间较短，能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性。20世纪70年代以来，在电力系统中应用越来越广泛。,五、静止无功发生器,使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿器已开始进入实用阶段。这种装置称为静止补偿器(Static Compensator，STATCOM)，或称为静止无功发生器(SVG)。,图7.5 静止无功发生器原理图,它的主体部分是一个电压源型逆变器。适当控制晶闸管的通断，可以把电容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，逆变器的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆
13、变器的输出电压，就可以灵活地改变静止无功发生器的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。,静止无功发生器的特点：,(1)STATCOM输出的无功电流与电压无关；当电压降低时，SVC输出的无功电流(补偿容量)减小，而STATCOM仍然可以产生较大的电容性电流。(2)STATCOM有较大的过负荷能力；GTO的开断容量可以达120%180%稳态额定容量。(3)可控性能好，其电压幅值和相位可快速调节。它的端电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。因此，可得到较好的静态稳定性能和故障下的暂态稳定性能。由于STATCOM中电容器容量较小，在电网内普遍使用也不会产生低频谐振。(4)STATCOM
14、的谐波含量可以比同容量SVC的低。因为STATCOM可由多逆变桥串并联连接，并通过曲折绕组变压器进行叠加后，可得到较理想的正弦电压和电流波形。,本节小结,电力系统的无功电源：发电机同步调相机静电电容器静止无功补偿装置静止无功发生器,第三节 电力系统电压控制的措施,学习目的：掌握电力系统常用的调压方法有哪几种？几种调压方法各有何特点？,7.6 电力系统电压调节方法,电力系统通常采用的调压方法有：(1)调节发电机的励磁电流，从而改变发电机的端电压；(2)调整分接头来改变升降压变压器的电压比；(3)改变系统中无功功率电源的出力；(4)改变网络参数。电力系统中电压调整必须根据具体的调压要求，在不同的地
15、点可采用不同的调压方法。,一、发电机调压,优点：在各种调压手段中，改变发电机励磁电流进行电压调整，不需增加额外的设备，是一种最经济合理、最直接的调压手段，在考虑调压时应优先考虑。1、在有发电机电压母线的中小容量发电厂中：发电机不经升压直接以直配线向地方用户供电时，如果供电线路较短，线路上电压损耗不大，则可采取改变发电机端电压的方式来满足负荷点的电压质量要求。,2、当发电机经多次升降压向负荷供电时：,在最大负荷时，由电源到负荷点之间电压损耗达到35%，在最小负荷时，电压损耗为18%，其变化幅度达到17%。而对发电机而言，其调压的困难不仅在于电压损耗值过大，而且更主要在于不同运行方式下的电压损耗之
16、差太大。在这种情况下，其调压主要是为了满足近区负荷电压质量的要求，而对于解决多级变压供电系统的调压问题，但还需要采取其他调压方法.,结论：在大型电力系统中，依靠发电机调压只作为辅助性调压措施。,二、改变变压器分接头调压,1、普通变压器 普通双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组上有若干分接头供调压选择使用。一般情况下，容量为6300kVA及以下的变压器有三个分接头，各分接头电压分别为1.05UN、UN、0.95UN，调压范围为5%UN.容量为8000kVA及以上的变压器有五个分接头，各分接头电压分别为1.05UN、1.025UN、UN、0.975UN、0.95UN，调压范围为22.
17、5%UN。普通变压器的分接头调整只能停电后进行，又称为无激磁调压变压器，一般在一年中根据季节性负荷的变化进行调整，不能随时进行调整，不能满足日负荷变化时对电压的质量要求。,普通变压器调压的缺点：,如果电压的变化幅度超过了分接头的可能调整范围(5%)，或者调压要求的变化趋势与实际的相反(如逆调压时)，则依靠选普通变压器的分接头的方法将无法满足调压要求。这时可以采用有载调压变压器或其它调压措施。,2、有载调压变压器,有载调压变压器可根据系统运行情况，在带负荷的条件下随时切换分接头开关，保证供电电压质量，而且分接头数目多、调节范围比较大，优点：采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷和最小负荷时分接头
18、电压来分别选择各自合适的分接头。如果系统中不缺乏无功功率，凡采用普通变压器不能满足调压要求的场合，如长线路、负荷变动大、系统联络线的两端等，采用有载调压变压器，都可以满足调压要求。,三、改变系统无功功率分布调压,当系统中无功功率缺额较大时，采用改变发电机励磁电流或改变变压器分接头调压不能保证负荷点电压在允许范围内，这就需要装设各种无功补偿设备进行调压。1、无功补偿的方式：并联补偿、串联补偿（1）并联补偿的特点：既能减小线路电压损耗，改善用户的电压质量，也能减小网络的有功功率损耗和电能损耗。（2）并联补偿的方式,A、并联电容器电力电容器只能发出感性无功功率，提高大负荷时负荷点的电压，而小负荷时，
19、不能吸收无功功率来降低负荷点的电压。为了充分利用补偿容量，在最大负荷运行方式时应全部投入，在最小负荷运行方式时应全部退出。B、同步调相机如果在最大负荷时以额定容量过励磁运行，在最小负荷时按额定容量的50%65%欠励磁运行，其容量会得到充分利用。,四、改变电力网参数调压,在输电线路输送的功率不变的情况下，改变电力网参数R、X的值，可以达到调压的目的。其中最常用的方法是在线路上串联电容器，用以补偿线路的感抗，从而提高线路末端的电压。特点：串联电容补偿多用于负荷经常波动、功率因数较低的35kV或10kV电压的配电网中。,本节小结,电力系统通常采用的调压方法：(1)调节发电机的励磁电流，从而改变发电机
20、的端电压；(2)调整分接头来改变升降压变压器的电压比；(3)改变系统中无功功率电源的出力；(4)改变网络参数。,第四节 电力系统电压的综合控制,第五节 电力系统无功电源的最优控制,一、概述：1、电压控制的方法：电力系统的电压问题应从整个系统的范围来统一解决。（1）首先系统内无功功率电源必须充足，要根据无功功率就地平衡的原则，合理布置无功补偿设备。（2）在无功功率比较充裕的条件下，综合运用各种调压手段，才能取得良好的效果。,补充：电力系统的自动电压控制,2、自动电压控制的必要性：根据系统实时运行状态，进行无功功率和电压的自动控制，有效的提高电压质量和电网允许水平。克服了以往调度人员人工调压的弊端
21、。3、自动电压控制的目标：(1)电力系统内各重要枢纽点的电压偏移均在给定的允许范围内；(2)所控制的系统内网损最小；(3)调整设备的运行状态没有超限。,4、自动电压控制装置的类型：,电压无功控制装置(VQC)：适用于一些地区电网、变电所。自动电压控制系统(Automatic Voltage Control，AVC)：适用于一些省级电网。,二、电压无功控制装置(VQC),1、适用于：地方电网无功电压优化控制。2、缺点：电压无功自动控制装置(VQC)仅采集一个变电所的运行参数，不能实现对全网范围内各变电所的电容器和有载调压变压器进行协调控制。,三、自动电压控制(AVC),1、适用于：省级电网无功电
22、压优化控制。例：湖南省调于2003年4月投入了AVC主控系统和四个子站系统，取得了明显的效果，使电网内电压合格率最低的站点电压合格率达到100%，大大提高了整个电网的电压合格率。2、自动电压控制(AVC)系统特点 建立在调度自动化系统平台上，实现了AVC与SCADA/EMS的一体化。,3、系统功能的实现,主要由以下三个基本模块实现：调度中心总站AVC模块、发电厂AVC模块和变电所AVC模块。,（1）调度中心总站AVC模块：总站AVC的控制平台是在建立在调度中心的EMS系统上，利用EMS系统的数据和通信资源进行电压检测、优化决策，形成具体的可执行指令，然后通过数据网发送到发电厂和变电所。信息处理
23、。即电网运行信息和AVC运行控制信息的采集和处理，如电网潮流数据、各厂站AVC运行状态以及指令执行的反馈等信息，处理后的信息存入专用数据库，数据库的数据信息每1min更新一次。,电压检测。对电网运行电压的监测，一旦发现有站点电压越限，立即启动优化决策程序。优化决策。总站AVC的优化决策分为两类：A、针对局部电压不良状态的优化处理 经电压检测环节启动，得到控制决策。B、针对整个电网电压运行状态的优化处理。定时启动，得到优化决策组合。,人机会话。便于监测AVC系统运行情况，在必要时进行有限干预，作出临时应急决策，如有关定值的修改、指定电厂运行电压和投退变电所的补偿装置等。指令决策。作出具体的执行决
24、策。形成可执行的具体指令，并下达到厂站执行。执行。指电厂或变电所对总站AVC指令的执行和信息反馈。,（2）发电厂AVC模块：主要功能是根据总站AVC的指定电压协调厂内各机组的无功出力，使出线电压在指定电压上稳定运行。发电厂AVC把从总站AVC发来的电压指定值US与发电厂母线测到的电压值UG进行比较，以确定加磁或减磁。当 US-UG0，将进入加磁作业；US-UG0，将进入减磁作业。,（3）变电所AVC模块：根据无功功率就地平衡的原则，提出了以七个电压控制区为核心的通过调整无功功率实现电压控制的方法。以控制输出电压为目标，在确保电压满足规定的情况下，兼顾高压侧电压的调整。,本章作业,1、电力系统的无功电源有哪些？2、电力系统通常采用的调压方法有哪些？3、电力系统自动电压控制的目标是什么？,
