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1、2015年10月,校训：勤慎公忠,电力系统无功功率和电压调整,第五章,1,章节内容,问题的提出,衡量电能质量的指标 频率质量：正常运行频率偏差为0.2Hz，当系统容量较小时，偏差可以放宽到0.5Hz。第四章 电压质量：35kV及以上(5%)， 10kV及以下三相供电(7%)， 220V单相供电(+7%、-10%) 。第五章 波形质量(畸变率)：5次、7次等谐波。电力电子技术 三相不平衡度：三相电压幅值不平衡。电力电子技术,2,章节内容,5.1 电压调整的一般概念 5.2 电力系统的无功功率平衡 5.3 电力系统中枢点的电压管理 5.4 电力系统的电压调整（重点） 5.5 频率调整与电压调整的关
2、系,目录,3,章节内容,5.1.1 电压调整的必要性,电力系统中各种电气设备和用电设备都是按其额定电压设计制造的，只有在额定电压下运行，才能取得最佳的运行效果，并保证其使用寿命。 如果电压偏移过大，将会给电力用户和电力系统带来很大影响和危害。,4,章节内容,5.1.1 电压调整的必要性,影响用电设备工作效率和寿命-以照明负荷为例,白炽灯的电压特性,日光灯的电压特性,5,章节内容,影响异步电动机的正常工作(占负荷比重最大) 端电压降低转速降低工业产品出现残次品 端电压降低电流增加电机温度升高、效率降低、寿命减小、甚至损坏 端电压较低(启动时)电磁转矩小于负载转矩启动时间过长甚至无法启动，可能因温
3、度过高而烧毁电机,想想人拉车上坡人的感受、骑电动车上坡电动车的状态？,5.1.1 电压调整的必要性,6,章节内容,电网的功率损耗和电压损耗增加,5.1.1 电压调整的必要性,系统电压降低功率损耗增加电压损耗增加。,7,章节内容,2003年8月14日美加大停电 北俄亥俄州输电线路短路跳闸，导致大范围潮流变化，使系统电压降低，大量发电厂相继跳闸，波及9300平方英里，5000万人失去电力供应，持续29小时后才完全恢复。,5.1.1 电压调整的必要性,电压崩溃现象,8,章节内容,停电前后卫星拍到的美国上空照片,9,章节内容,5.1.2 电力系统允许的电压偏移,影响电压偏移的因素：无功传输+线路参数,
4、沿线路各点电压的变化,严格限定在额定值不太现实，允许有一定的电压偏移。,10,章节内容,5.1.2 电力系统允许的电压偏移,一般规定节点电压偏移不超过电力网额定电压5% 35KV及以上电压供电的用户： 5% 10KV及以下电压供电的用户：7% 低压照明负荷：-10+5 农村电网：-10+7.5,在事故状况下，允许在上述基础上再增加5，但正偏移最大不能超过+10%。,11,章节内容,5.2 电力系统的无功功率平衡,5.2.1 无功负荷和无功功率损耗 5.2.2 无功功率电源 5.2.3 无功功率平衡 5.2.4 无功平衡和电压水平的关系,12,章节内容,5.2.1 无功负荷和无功功率损耗,无功功
5、率负荷 系统无功负荷的电压特性主要有异步电动机决定。,13,章节内容,变压器的无功损耗,变压器等值电路,5.2.1 无功负荷和无功功率损耗,14,章节内容,输电线路的无功损耗,输电线路等值电路,5.2.1 无功负荷和无功功率损耗,QL0相当于无功负载；QL0相当于无功电源。,15,章节内容,如何降低无功损耗？ 输电线路的无功损耗 变压器的无功损耗,5.2.1 无功负荷和无功功率损耗,1、提升系统运行电压 2、降低网络参数X 3、无功功率补偿抵消无功损耗和无功负荷,16,章节内容,5.2.2 无功功率电源,无功电源,同步发电机,同步调相机,静电电容器,静止无功补偿器,无功补偿装置,静止无功发生器
6、,17,章节内容,同步发电机 发电机的无功输出受定子额定电流、转子额定电流和原动机出力限制，由其P-Q极限曲线决定。,5.2.2 无功功率电源,发电机的P-Q极限,18,章节内容,5.2.2 无功功率电源,过励磁运行：发出感性无功功率（无功电源），过励磁运行时的容量是调相机的容量,欠励磁运行：吸取感性无功（无功负荷），欠励磁运行时的容量为调相机容量的5065,优点：调节平滑，系统故障时亦能调节 缺点：投资大；运行维护不方便；消耗有功功率（额定容量的1.5%5%）安装在枢纽变电站,同步调相机相当于空载运行的同步电动机,19,章节内容,5.2.2 无功功率电源,静电电容器三角形和星型接法连接在变电
7、所母线上,优点：容量可调；集中或分散使用；投资费用小；有功功率损耗小（额定容量的0.3%0.5%）,缺点：无法连续调节且只能向系统供给感性无功功率；节点电压下降时，向系统供给无功功率下降,20,章节内容,5.2.2 无功功率电源,静止无功补偿器(Static Compensator, SVC),优点：调节能力强，反应速度快，特性平滑, 可分相补偿, 维护简单, 损耗小。,缺点：最大补偿量正比于电压平方，电压低时补偿量小；谐波对电力系统产生污染。,由电容器组与可调电抗器组成。,既可通过电容发出无功，又可通过电抗器吸收无功。,21,章节内容,5.2.2 无功功率电源,静止无功发生器(Static
8、Var Generator, SVG),优点：响应速度快，运行范围宽，谐波电流含量少，电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流。,SVG原理图,22,章节内容,无功平衡的基本要求,当Qres0表示系统无功功率可以平衡且有适量备用； 当Qres0表示系统无功不足，应考虑加设无功补偿装置。,5.2.3 无功功率平衡,无功负荷,无功电源,无功备用,无功损耗,23,章节内容,5.2.4 无功平衡和电压水平的关系,无功功率应在额定电压下维持平衡,24,章节内容,5.2.4 无功平衡和电压水平的关系,无功功率应在额定电压下维持平衡,无功平衡与电压水平,25,章节内容,例5-1 某输电系统的等值电路如图所示。
9、已知电压V1=115kV维持不变。负荷有功功率PLD=40MW保持恒定，无功功率与电压平方成正比，即QLD=Q0(V2/110)2。试就Q0=20Mvar和Q0=30Mvar两种情况按无功功率平衡的条件确定节点2的电压V2。,5.2.4 无功平衡和电压水平的关系(习题),等值电路图,26,章节内容,5.3 电力系统中枢点的电压管理,5.3.1 电压中枢点的选择 5.3.2 中枢点电压允许变化范围 5.3.3 中枢点电压的调整方式,27,章节内容,5.3.1 电压中枢点的选择,电压中枢点包括： 大型发电厂的高压母线 枢纽变电所的二次母线 有大量地方负荷的发电厂母线,电力系统的电压中枢点,28,章
10、节内容,单负荷节点时,5.3.2 中枢点电压允许变化范围,负荷电压与中枢点电压,29,章节内容,双负荷节点时,5.3.2 中枢点电压允许变化范围,简单网络,负荷i的日负荷曲线和电压损耗,负荷i的日负荷曲线和电压损耗,负荷i、j允许电压偏移范围,30,章节内容,双负荷节点时,5.3.2 中枢点电压允许变化范围,31,章节内容,在实际运行或规划设计中 由于缺乏必要数据而无法确定中枢点电压控制范围时，依据电力网中负荷分布远近及负荷变化程度，对中枢点电压调整方式提出原则性要求，以确定一个大致范围：,5.3.3 中枢点电压调整的方式,调压方式,逆调压,常调压,顺调压,32,章节内容,逆调压 针对条件：大
11、型网络 如中枢点到负荷的线路较长，且负荷变化较大。 调整方式： 在最大负荷时较线路额定电压高5%，即1.05VN；在最小负荷时等于线路的额定电压，即1.0VN。,5.3.3 中枢点电压调整的方式,33,章节内容,常调压 针对条件：中型网络 负荷变化较小，且线路上电压损耗也较小。 调整方式： 使中枢点电压保持在较线路额定电压高2%5%数值，即(1.021.05)VN，不必随负荷变化来调整。,5.3.3 中枢点电压调整的方式,34,章节内容,顺调压 针对条件：小型网络 如中枢点到负荷的线路不长，负荷变化很小。 调整方式： 在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102.5%，即1.
12、025VN； 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107.5%，即1.075VN。,5.3.3 中枢点电压调整的方式,35,章节内容,5.4 电力系统的电压调整,5.4.1 电压调整的基本原理 5.4.2 改变发电机调压(了解) 5.4.3 改变变压器变比调压 5.4.4 有载调压变压器(了解) 5.4.5 加压调压变压器 5.4.6 无功功率补偿调压(了解) 5.4.7 改变输电线路参数调压(了解) 5.4.8 各种调压措施的比较及合理选用,具体调压方法,36,章节内容,5.4.1 电压调整的基本原理,电压调整原理图,37,章节内容,5.4.1 电压调整的基本原理,调节发
13、电机励磁电流以改变发电机端电压VG；,改变变压器的变比k1、k2；,改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗V；,改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗V。,38,章节内容,电压调整的基本原理,调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；,改变变压器的变比k1、k2；,改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗V；,改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗V。,39,章节内容,5.4.2 改变发电机端电压调压,对于孤立发电厂不经升压直接供电的小型网络,负荷增大,增加发电机励磁电流,提高发电机电压,负荷降低,减小发电机励磁电流,降低发电机电压,40,章节内容,5.4.2 改
14、变发电机端电压调压,对于线路较长+供电范围大+多级变压系统,单靠发电机调压无法满足要求； 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，即最大负荷时提高5%，最小负荷时保持额定电压。,41,章节内容,5.4.2 改变发电机端电压调压,对于有若干发电厂并列运行的大型电力系统,调整个别发电厂的母线电压，会引起系统中无功功率的重新分配； 发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。,42,章节内容,电压调整的基本原理,调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；,改变变压器的变比k1、k2；,改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗V；,改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗V。,4
15、3,章节内容,5.4.3 改变变压器变比调压,变压器高（中）压侧通常设计有多个分接头，与额定电压对应分接头称为主接头（主抽头）,改变变压器变比调压实际就是根据要求适当选择分接头。 1、降压变压器；2、升压变压器；3、三绕组变压器,44,章节内容,5.4.3 改变变压器变比调压,1. 降压变压器分接头的选择,45,章节内容,5.4.3 改变变压器变比调压,1. 降压变压器分接头的选择,找出相应接头并验证,降压变顺调压,46,章节内容,例5-2 某变电所由阻抗为4.32+j10.5的35kV线路供电。变电所负荷集中在变压器10kV母线B点。最大负荷8+j5MVA，最小负荷4+j3MVA，线路送端母
16、线A的电压在最大负荷与最小负荷时均为36kV，要求变电所10kV母线上的电压在最小负荷与最大负荷时电压偏移不超过5%，试选择变压器分接头。变压器阻抗折算到高压侧为0.69+j7.84，变比为3522.5%/10.5kV。,等值电路图,5.4.3 改变变压器变比调压(习题),47,章节内容,5.4.3 改变变压器变比调压,2. 升压变压器分接头的选择,48,章节内容,5.4.3 改变变压器变比调压,2. 升压变压器分接头的选择,找出相应接头并验证,发电机逆调压,49,章节内容,例5-3 一升压变压器，其归算到高压侧的参数、负荷、分接头范围如图所示，最大负荷时高压母线电压为120kV，最小负荷时高
17、压母线电压为114kV，发电机电压调节范围为6-6.6kV，试选择变压器分接头。,等值电路图,5.4.3 改变变压器变比调压(习题),50,章节内容,5.4.3 改变变压器变比调压,3. 普通三绕组变压器分接头选择（了解） 三绕组变压器高压绕组、中压绕组分接头的确定按双绕组变压器的方法分两步进行,第一步：根据低压母线的调压要求，在高-低压绕组之间进行计算，选取高压绕组的分接头。,第二部：根据中压母线的调压要求及选取的高压绕组分接头，在高-中压绕组之间进行计算，选取中压绕组的分接头。,51,章节内容,5.4.3 改变变压器变比调压,存在的缺点(双绕组升/降压、三绕组变压器)：,不可能改变电压损耗
18、的数值，也不可能改变负荷变化时次级电压的变化幅度；通过对变比的适当选择，只能把这一电压幅度对于次级额定电压的相对位置进行适当的调整。,如果计及变压器电压损耗在内的总电压损耗，最大负荷和最小负荷时电压变化幅度(12%)超过分接头可能的调整范围(5%)，或者逆调压时，则靠选分接头的方法就无法满足。,52,章节内容,5.4.4 有载调压变压器(了解),有载调压变压器(又称带负荷调压变压器)，可以在带负荷情况下切换分接头，且调节范围也比较宽。,电压为110KV及以下的有载调压器，高压绕组有7个分接头，即VN32.5%;,220KV级的有9个分接头即VN42.0%，如有特殊需要，制造厂可提供更多数量的分
19、接头。,有载调压器可按普通变压器的计算公式计算各种运行方式下变压器的分接头电压。,53,章节内容,5.4.4 有载调压变压器(了解),有载调压变压器原理示意图,54,章节内容,电压调整的基本原理,调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；,改变变压器的变比k1、k2；,改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗V；,改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗V。,55,章节内容,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),无功补偿装置：同步调相机、C、SVC、SVG C：只能发出感性无功提高电压； 其它：电压低时提供感性无功无功，高时吸收感性无功。,简单电力网的无功功率补偿,56,章节内容,
20、5.4.6 无功功率补偿调压(了解),无功补偿原理,57,章节内容,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),补偿设备为静电电容器C 2. 补偿设备为同步调相机(SVC、SVG类似),58,章节内容,第一步：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；,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),1. 补偿设备为静电电容器,59,章节内容,第二步：按最大负荷时的调压要求计算补偿容量；,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),1. 补偿设备为静电电容器,第三步：根据算得的补偿量，进行电压校验。,60,章节内容,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),1. 补偿设备为同步调相机,过励磁运行：发出
21、感性无功功率（无功电源），过励磁运行时的容量是调相机的容量。,欠励磁运行：吸取感性无功（无功负荷），欠励磁运行时的容量为调相机容量的5065。,61,章节内容,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),1. 补偿设备为同步调相机,第一步：根据调压要求，按最大负荷和最小负荷时调相机的容量确定变压器的分接头；,62,章节内容,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),1. 补偿设备为同步调相机,第一步：根据调压要求，按最大负荷和最小负荷时调相机的容量确定变压器的分接头；,63,章节内容,第二步：按最大负荷时的调压要求计算补偿容量；,5.4.6 无功功率补偿调压(了解),1. 补偿设备为同步调相机,第三步：
22、根据算得的补偿量，进行电压校验。,64,章节内容,例5-6 某一降压变电所由双回110kV,长70km的架空线路供电,导线型号为LGJ-120,单位长度阻抗为0.263+j0.423/km。变电所两台变压器并联运行，参数为SN=31.5MVA,VN=11022.5%/11kV,Vs%=10.5。变电所最大负荷为40+j30MVA,最小负荷为30+j20MVA。线路首端电压为116kV维持不变。变电所二次母线允许电压偏移在最大、最小负荷时为额定电压的2.57.5。试根据调压要求，按电容器和同步调相机两种措施，确定变电所二次母线上所需补偿设备最小容量。,5.4.6无功功率补偿调压(习题),65,章
23、节内容,电压调整的基本原理,调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；,改变变压器的变比k1、k2；,改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗V；,改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗V。,66,章节内容,5.4.7 改变输电线路参数调压(了解),线路串联电容器,串联电容器补偿前,串联电容器补偿后,适用于35-110kV长度大、负荷变化范围大的架空线路； 10kV及以下架空线路，由于RL/XL很大，使用不经济。,67,章节内容,5.4.7 改变输电线路参数调压(了解),线路串联电容器,串联电容器补偿后,提高的电压值,串联电容器组,68,章节内容,5.4.7 改变输电线路参数调压
24、(了解),线路串联电容器,串联电容器组,缺点：增加了过压保护、继电保护、运行维护的复杂性。,69,章节内容,5.4.7 改变输电线路参数调压(了解),线路串联电容器,负荷集中在线路末端,沿线路有若干负荷,串联电容器补偿前后的沿线电压分布,70,章节内容,5.4.8 各种调压措施的比较及合理选用,从经济、技术等方面折中考虑,调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；,改变变压器的变比k1、k2；,改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗V；,改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗V。,无功优化方案？,71,章节内容,5.5 频率调整与电压调整的关系,5.5.1 频率调整与电压调整的
25、比较 1. 从引起的原因看 频率：有功不平衡频率偏移调节有功功率； 电压：功率传输+线路参数电压偏移调节无功功率。 2. 从调整的方式看 频率：全系统频率相等,任何地方调节有功均可调节频率； 电压：系统各处电压可以不同，局部调节无功一般只会影响附近的电压。,72,章节内容,5.5 频率调整与电压调整的关系,5.5.1 频率调整与电压调整的比较 3. 从允许的偏差看 频率：正常时0.2Hz，系统容量较小时放宽到0.5Hz； 电压：35kV及以上(10%)，10kV及以下(7%)，220V单相供电(+7%、-10%) 。 4. 从实现的方式看 频率：有功集中于发电机，调节其有功出力是唯一手段； 电
26、压：发电机、调相机、无功补偿设备、变压器等均可。,73,章节内容,5.5 频率调整与电压调整的关系,5.5.1 频率调整与电压调整的比较 5. 从经济的角度看 频率：备用容量、发电厂合理组合、有功负荷最优分配； 电压：基本上不消耗一次能源，投资和运行费用都比有功功率低。 6. 从技术的角度看 频率：如何降低煤耗量等耗量微增率准则； 电压：综合优化问题(线路损耗、电压偏移、设备成本)。,74,章节内容,本章小结,电力系统的电压水平与无功平衡的关系、无功负荷、无功损耗（掌握概念） 电力系统的无功电源包括哪些、中枢点调压方式分为几种（熟练掌握） 电力系统电压调整的基本原理，有哪几种调压措施？（掌握双绕组降压变压器和升压变压器分接头如何选计算择）,75,章节内容,习题,5-3 电力系统中无功功率电源有哪些？发电机的运行极限是如何确定的？ 5-4 电力系统中枢点一般选在何处？电压中枢点的调压方式有哪些？那种方式容易实现？ 5-5 电力系统电压调整的基本原理？有哪几种调压方式 ？ 5-7 降压变压器分接头选择+例5-2（考试备选题） 5-8 升压变压器分接头选择+例5-3（考试备选题）,76,章节内容,