无功与电压控制B.docx
- 文档编号:14809631
- 上传时间:2023-06-27
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:45.07KB
无功与电压控制B.docx
《无功与电压控制B.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《无功与电压控制B.docx(21页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
无功与电压控制B
第一章无功与无功平衡
第一节无功的概念
在直流送电中,p=UI,不存在无功功率,但在交流送电时,由于电压与电流之间出现了相角差,于是就出现了无功功率的概念。
无功功率表示的交流送电电路中储能元件中存储的交变电磁功率的幅值,也是与外部电路功率交换的规模。
一、瞬时功率
以正弦交流电路中一个二端网络为对象,分析正弦交流电路中功率的一般情况。
设一个二端网络的端口电压、电流各为
u(t)=
Usin(ωt+φ),i(t)=
Isinωt
其中的Φ为电压比电流超前的相位差,它与电压、电流参考方向的选择有关。
u、i的参考方向选择一致时,p=ui应看成网络接受的功率;u、i的参考方向选择相反时,p=ui应看成网络发出的功率。
下面的叙述中,以电压、电流选择关联参考方向为例,把所得p(t)看成二端网络接受的瞬时功率。
p(t)=u(t)×i(t)=
Usin(ωt+φ)×
Isinωt
=2UIsin(ωt+φ)×sinωt=UIcosφ-UIcos(2ωt+φ)
=UIcosφ(1-cos2ωt)+(UIsinφsin2ωt)
=Pa(t)+Pr(t)
设Φ>0,从上式中可知(p)t两倍于电流的频率且作周期性变化。
因为储能元件的存在,电压电流不同相,瞬时功率有时为正值,有时为负值,表示网络有时从外部接受能量,有时向外部发出能量。
上述表明,瞬时功率是由Pa(t)、Pr(t)两个分量组成的。
分量Pa(t)=UIcosφ(1-cos2ωt)
与电阻元件的p(t)相似,两倍于电流频率而变化,但总为正值,它是网络接受能量的瞬时功率,它的平均值为UIcosΦ。
而
分量Pr(t)=UIsinΦsin2ωt
与电感与电容元件的p(t)相似,是一个两倍于电流频率变化的正弦函数,是网络中储存的电磁能量的瞬时功率,它的最大值为UIsinΦ。
二、有功功率、无功功率
上述Pr(t)的平均值为零,所以网络接受的平均功率p就等于Pa(t)的平均值,即p=UIcosΦ
由于交流电路中,除了电阻消耗能量外,还储存着交变的电磁能量,为了衡量这一能量的规模,定义交变电磁能量的幅值为无功功率(reactivepower),用Q表示,则Q=UIsinΦ
相对于无功功率,平均功率P又称有功功率(activepower)。
无功功率和有功功率具有相同的单位,但它不是实际接受能量的平均速率,为了与平均功率相区别,无功功率的单位不用瓦,而用乏,乏的符号是var(reactivevoltamper——无功伏安)。
无功功率反映了具有储能元件的网络中储存电磁能量的规模,“无功”意味着“交换而不消耗”,不能理解为“无用”。
第二节无功功率的平衡及其与电压调整的关系
要想保持负荷的电压水平,系统无功电源就得向负荷供给它所需要的无功功率,只有当系统有能力向负荷供给足够的无功功率时,负荷的电压才有可能维持在正常的水平,负荷才能维持在额定电压Ue下运行,如果系统的无功电源不足,负荷的端电压就被迫低于额定值运行。
显然系统无功电源缺额愈大,电压水平就愈低。
因此,调压的根本问题,首先是如何保证系统中无功功率的供需平衡,也就是说要使电力系统中有足够的无功电源,保证在任何时刻都能满足负荷所需要的无功功率以及电力网中所消耗的无功功率。
只有具备这种物质基础,才有可能配合其他调压措施将系统各点电压调节到允许范围之内。
根据国内外一些电力系统运行的经验表明,电力系统中无功电源(包括发电机和无功补偿设备)的总容量一般为有功电源总装机容量的(1.2~1.4)倍较为合适。
若取发电机的平均功率因数为0.85,系统中发电机最大的无功出力约为有功装机容量的60%左右。
这样,整个电力系统需要补偿的无功功率容量约为60~80%的有功装机容量。
例如100万千瓦的电力系统,无功补偿容量需要达到60~80万千乏,才能使系统有足够的无功电源去保证系统的无功功率平衡,以维持系统在较高的电压水平下运行,目前被基本认可的无功补偿标准是:
每千瓦发电负荷配备0.6~0.7千乏的无功补偿设备(包括用户的无功补偿设备)最终达到每千瓦发电机有功容量配备0.7~0.8千乏的无功补偿设备。
第二章电压控制标准
第一节电压变化对用户和系统的影响
电压是电能质量的一个重要指标。
一切用户设备在其额定电压下运行,其特性最好,偏离额定电压超过其允许范围,运行特性就显著变坏。
比如,在照明负荷中占比重很大的白炽灯,对电压变化的反应是很敏感的。
当电压高于其额定电压5%,电灯的使用寿命就下降1/2,因此,后半夜低峰负荷时,电网中有些地方电压过高,就造成了灯的大量烧坏。
当电压低于其额定电压10%时,电灯的亮度就会下降30%;电炉和整流负荷与电压的平方成正比,电压下降会严重地影响冶炼、化工企业等部门的劳动生产率;电力系统的主要动力负荷是异步电动机,作用于电动机的端电压改变时,电动机的转矩、所取用的功率和绕组的寿命也都会发生变化。
异步电动机的最大转矩与它的端电压的平方成正比,当电压低于额定值10%,它的转矩将降低到额定转矩的81%,当电网电压降低过多时,电动机可能停止运转,而带有重载(起重机、碎石机等)的电动机可能无法启动,满载的电动机端的电压长期低于额定电压的10%,由于绕组温度太高,电动机绝缘损坏的速度将为额定电压时的2倍。
对电网而言,电网运行电压低,会使网损增加,运行不经济,系统电压过低,还会引起电力系统失去稳定,造成电压崩溃。
综上所述,电力系统电压质量的好坏,对电网的稳定运行,网损的减少,保证工农业安全生产,提高用户产品的质量和降低用电单耗以及人民的正常生活都有直接影响。
因此将电压调整到允许范围之内,具有很重要的意义。
而且也是电业部门的职责。
第二节电压控制标准
一、各级电压标准值及允许偏差范围的规定
我国电力系统各级电压网络的标准电压(亦即系统额定电压)是:
500;330;220;110;63;35;10;6;3;0.38;0.22kV。
其中0.22kV为单相交流值,其余均为三相交流相间电压值。
为保持电力系统和电力系统发供用电设备的合理运行,必须制定电力系统电压的允许偏移(电压偏差)范围,由电力系统各部门(包括用户)共同努力保持各级电压在允许范围之内。
我国《电力系统电压和无功电力技术导则(试行)》规定电压允许偏差如下:
用户受电端的电压允许偏差值如下:
35kV及以上用户的电压波动幅度应不大于系统额定电压的10%;
10kV用户的电压波动幅度为系统额定电压的±7%;
0.38kV用户的电压波动幅度为系统额定电压的±7%;
0.22kV用户的电压波动幅度为系统额定电压的+5%~-10%。
而国标GB12325-90中规定:
35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%;
10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%;
220V单相供电电压允许偏差为额为电压的+7%,-10%。
由此可看出导则与国标规定略有不同,应以国标为准。
二、电网供电电压质量控制标准:
按部颁《电力系统电压质量和无功电力管理规定(试行)》中的规定:
接入主网的发电厂高压母线和220kV及以上变电所供电母线电压允许偏差宜在额定电压的-3%,+7%的范围内,但其偏差幅度不应大于5%,具体允许偏差值由调度部门确定。
依此规定,220kV变电所的110kV母线电压允许值在106.7~117.7kV之间,且日偏差幅度不应大于5.5kV。
对于500kV变电所的220kV母线电压和发电厂的220kV母线电压允许值,宜在213.4kV~235.4kV之间,且日偏差幅度不应大于11kV。
由上述规定可看出,电压等级越高,允许波动的百分比越小。
第三节河南主网电压控制标准
河南220kV电网作为河南主网,其电压水平和波动大小将直接影响以下各级电压水平和接连于主网的有关设备的安全运行。
因此,根据部颁有关规定和调度机构创一流实施细则中对电压质量的要求,制定了河南主网电压考核点的电压控制标准。
主网电压考核点的个数,要求占全部220kV厂站数目的80%,使各地区均设有一至几个电压考核点,所以电压考核点基本能够代表全网电压水平。
各电压考核点的允许波动范围,主要是按照部颁调度机构创一流实施细则中对220kV厂站电压质量要求的规定并结合电网实际情况确定的,各发电厂220kV母线电压在220~242kV之间且日偏差幅度不大于11kV;各变电站220kV母线电压在213~235kV之间且偏差幅度不大于11kV。
第四节21世纪对电压质量的新要求
随着新技术的不断发展,特别是计算机控制技术、大功率电力电子技术、人工智能技术在制造业、精密制造业的大量应用,许多电力用户、特别是一些敏感用户对电压质量的具体要求有了根本性变化,也要求电力企业对电压质量的概念有新认识。
一是应以电力用户“所感受到的”影响为依据;二是必须从可靠性和供电质量两个方面来考虑。
可靠性是指用户对供电是否“感受到”了断电影响。
根据目前情况,用户对低于0.1p.u.(标幺值)的电压就会“感受到”了断电。
但是,敏感电力用户在小于0.5赫兹的时间内是“感受不到”断电影响的,也就是说,在50Hz系统的10ms时间内的断电可以认为没有断过电,其可靠率为100%。
这个概念对配电技术有极大影响。
过去用自动重合器和自动切换装置作为对用户不间断供电的常规措施,自动重合器实际断电时间要达几个赫兹至几秒,自动切换装置则一般要0.5s至几秒,显然已不符合前述要求,因此,常规措施需更换为新技术。
现在的新技术是采用微电子继电保护装置加上大功率电力电子技术制成的固态切换开关,以保证在0.5赫兹(10ms)内完成全部切换操作。
当然对广大普通用户而言,常规自动重合器或自动换装置仍然是一个有效措施。
供电电压质量是指用户所“感受到”的电压质量。
有时虽然有电,但因电压质量不良(稳态或瞬态)而使用户用不到符合其要求的电压,就应看作电压质量不合格。
电压质量不良有很多种,随着电力用户对电压质量敏感程度的变化,电压质量分类亦在发展,还会发现和增加新的内容,总的趋势是分得更细和要求更高。
在具体要求上,除了常规的各项稳态及部分瞬态质量标准外,还新增了若干瞬态质量标准,这就赋予了电压质量以新的含义。
20世纪80年代,美国计算机和商用设备制造商协会(ComputerandBusinessEquipmentManufacturersAssociationCBEMA)(现已改称InformationTechnologyIndustryCouncilITIC信息技术工业协会)出于大型计算机对电压质量的要求曾提出了电压容限曲线及相关的4种典型电压扰动,以防止电压扰动造成计算机及其控制装置误动和损坏。
该容限曲线已为IEEE采纳作为IEEESTD446-1980的一部分,成为美国标准。
加拿大也有自己规定,与此基本一致。
美国CBEMA电压容限曲线可参见有关文献;其提出的电压扰动可分为4类,即电压下跌、电压上升、尖峰脉冲和断电。
美国CBEMA改称信息技术工业协会后,其所属的第3技术委员会(TechnicalCommittee3,TC3)对电压容限曲线作了修订,称作ITIC曲线,对CBEMA曲线做了小的改动。
关于电压质量扰动问题,一直引起各国的密切关注。
在上述的ITIC曲线发表后,对此又有了发展,IEEE第22标准协调委员会(StandardsCoordinatingCommittee22)(电能质量)和其他国际委员会最近推荐采用11种专用术语来说明电能质量(主要是电压质量,其它也一并介绍)的主要扰动,现介绍其名称和定义于下。
电能质量的8种主要扰动
(1)断电(Interruptions)
在一定时间内,一相或多相完全失去电压(低于0.1p.u.)称为断电.断电按持续时间分为三类:
瞬时断电0.5赫兹至3s;
暂时断电3s至60s;
持续断电>60s
(2)频率偏差(FrequencyDeviations)
各国均已作出具体规定。
(3)电压下跌(Sags)
持续时间为0.5赫兹~1min,幅值为0.1p.u.至0.9p.u.(标幺值),系统频率仍为标称值。
(4)电压上升(Swells)
电压(或电流)暂时性超过标称值10%者称为电压上升。
系统频率仍为标称值。
持续时间内为0.5赫兹~1min,幅值为1.1p.u.至1.8p.u.(标幺值)。
(5)瞬时脉冲或突波(Transients)
瞬时脉冲表示了在两个连续稳态电压波形之间出现的一种在极短时间内发生突然数量变化(电压尖刺)。
瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲,也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。
(6)电压波动(VoltageFluctuations)
电压波动是在包络线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出0.9p.u.至1.1p.u.电压范围的一系列电压随机变化。
这种电压变化往往称作闪变(flicker)。
闪变这个专用术语是来自电压波动对照明灯的视觉影响。
对输配电系统产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。
(7)电压切痕(Notches)
电压切痕是一种持续时间小于0.5赫兹的周期性电压扰动。
电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。
电压切痕的频率会非常高,因此用常规的谐波分析设备是很难测量出电压切痕的。
这就是过去从未有过此项电压扰动内容,直到最近才正式列入的原因。
(8)谐波(Harmonics)
含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐波。
产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波之和。
谐波是由于电力系统和电力负荷中设备中的非线性特性造成的。
谐波有奇次(又可分为3的倍数和非3的倍数)和偶次之分。
随着用电装置对谐波敏感性的日益增加,高次谐波越来越受到注意并规定了限额。
其他扰动尚有:
(9)间谐波(Interharmonics)
含有基波的非整倍数频率的电压或电流称为间谐波。
小于基波频率的分数谐波(fractionalharmonics)亦属于此类。
间谐波的主要来源是静止变频器(staticfrequencyconverter)、循环换流器(cycleconverter)、感应电动机和电弧发生装置等。
间谐波会使显示装置引发视觉闪变。
(10)过电压(Over-voltages)
过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于1min。
过电压的幅值为1.1p.u.至1.2p.u.。
(11)欠电压(Under-voltages)
欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间大于1min。
欠电压的幅值为0.8p.u.至0.9p.u.。
上述的电能质量不良(以及三相不平衡或负序电压、电流)中涉及电压质量8种;均可能造成工业生产的非计划停工或设备损坏,使用户遭受相当大的经济损失。
不同的负荷(或用户)一般可分成三类:
(1)普通负荷(或用户)电能质量不良一般对普通负荷影响不显著。
只有持续断电过长和电压下跌过多或上升过多才会“感受”到影响。
(2)敏感负荷(sensitiveload) 此类负荷对电能质量不良相当敏感并会受到损害,因此对电能质量不一定要求且必须采取一定的对策以确保达到此要求。
但不同类型敏感负荷的敏感程度不同,因此,要在进行费用/收益比分析并作出最佳缓解程度的决策后,才提出电能质量要求及其相应措施。
(3)要求严格的负荷(criticalload) 此类负荷在电能质量不良时会产生严重后果,有的会造成巨大经济损失,有的会发生不可挽回的损害,因此必须要确保所提出的电能质量要求。
例如医院中用计算机进行的心脏外科、脑外科、心血管外科、眼科手术等,又如用大型计算机网络操作的证券交易所、银行等金融机构,再如生产精密度要求特别高的信息工业芯片、微电子元件以至纳米级元件的制造,更如大多数的军工制造及军事设施等。
上述负荷的分类不是由电力企业决定的,而是由用户自身设备性质决定的或用户根据自身的需要而提出的。
由于目前的电力系统设施按照国家电能质量标准并不具备对敏感负荷、要求严格负荷的高质量供电能力;所以当用户对电压质量提出高要求时,必须全部负担对此高质量要求所需采取的完善措施(如后面介绍)的费用,即所谓“高要求用户自己负担”。
当然,电力企业有义务予以配合,以满足用户要求。
保证电压质量的方法无非是两个方面,一是用户进行负荷的用电特性调整,就是使负荷减少敏感程度,这不易做到。
另一个方法是用户投资进行用电设施改进,即安装必要的设备以抑制或抵消电压扰动。
目前能供应的商业性设施主要属于第二个方法,这些容量大小尺寸不同的设施可以安装在各级电压上(高压、中压和低压),并根据经济可行性和所需的可靠性来选择这些设施及其连接点。
如在抑制或抵消电力扰动的主要要求是快速响应时,往往采用大功率电力电子装置,而常规措施(例如校正功率因数的电容器组)则能很好地适用于稳态电压调整。
迄今为止,解决电能特别是电压质量问题的装置很多,其功能各不相同,现将主要的16种装置列举于下:
(1)有源电力滤波器或调谐滤波器(ActivepowerfilterortunedfilterAPF或TF);
(2)蓄电池储能系统(BatteryenergystoragesystemBESS);
(3)配电静止同步补偿器(DistributionstaticsynchronouscompensatorDSTATCOM);
(4)配电串联电容器(DistributionseriescapacitorDSC);
(5)动态不间断电源(DynamicuninterruptiblepowersupplyDUPS);
(6)动态电压恢复器(DynamicvoltagerestorerDVR);
(7)机械切换开关(MechanicaltransferswitchMTS);
(8)功率因数控制器(PowerfactorcontrollerPFC);
(9)避雷器(SurgearresterSA);
(10)超导磁能系统(SuperconductingmagneticenergysystemSMES);
(11)静止电子分接开关(StaticelectronictapchangerSETC);
(12)固态断路器(Solid-statecircuitbreakerSSCB);
(13)固态切换开关(Solid-statetransferSwitchSSTS);
(14)静止无功补偿器(StaticvarcompensatorSVC);
(15)可控硅操作的电容器(ThyristorswitchedcapacitorTSC);
(16)不间断电源(UninterruptiblepowersupplyUPS)。
以上16种设施的作用各不相同,对前述11种电能质量扰动,除频率偏差、谐波外,可分别予以解决,见附表说明。
上述16种新装置,多数是采用了大功率电力电子元件,因而能快速响应,其基本原理、作用、结构及应用等各方面详细情况由于篇幅所限不再详述。
附表:
16种改进电能质量新装置的功能和作用
(1)
APF(TF)
(2)
BESS
(3)
DSTATCOM
(4)
DSC
(5)
DUPS
(6)
DVR
(7)
MTS
(8)
PFC
(9)
SA
(10)
SMES
(11)
SETC
(12)
SSCB
(13)
SSTS
(14)
SVC
(15)
TSC
(16)
UPS
电压下跌
√
√
√
√
√
√
√
√
√
断电
√
√
√
√
√
√
√
电压上升
√
√
√
√
√
√
√
√
√
瞬时脉冲
(或突波)
√
√
√
√
√
√
√
√
过电压
√
√
√
√
√
√
√
√
欠电压
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
谐波畸变
√
√
电压切痕
√
电压波动
√
√
√
√
√
√
√
第三章电压调整方法
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及电气设备的安全与寿命有重要影响。
电力系统的电压调整是调度、运行人员的主要任务之一,它同频率调整具有同样的重要性。
电压调整的任务是在各种运行情况下,将各级电压偏移调节到允许范围之内。
第一节电压调整方法概述
电压调整是一个比频率调整更为复杂的问题,因为整个系统每一个节点的电压都不相同,用户对电压的要求也不一样,所以不可能在系统一、二处调整就能满足每一个节点的电压要求。
电压的调整,必须根据系统的具体要求,在不同的节点,采用不同的方法,具体有:
(1)增减无功功率进行调压,如发电机、调相机、并联电容器、并联电抗器、静止补偿器的调压;
(2)改变有功和无功的重新分布进行调压,如调压变压器、改变变压器分接头的调压;
(3)改变网络参数进行调压如串联电容量、停投并列运行变压器的调压。
限于篇幅,这里不一一详述;由于利用发电机进行调压具有经济性和调压的连续性;而静止补偿器属于快速调节无功功率的新型成套补偿装置,所以这里仅对对这二种调压手段略加叙述。
第二节利用发电机进行调压
一、发电机在调压中的应用
在电力系统中运行的发电机,正常工作时所带的有功和无功负荷,分别由原动机的调速器和励磁系统的电压调节器来进行调节。
增加发电机的无功出力,可以方便地进行电力系统的电压调整。
二、发电机进相运行调压
随着电力系统的不断发展,机组容量不断增加。
高压输电线路的输送距离和电压等级不断增大,加之许多配电网络使用了电缆线路,从而引起了电力系统电容电流的增加,如220kV线路每百公里充电无功功率为13000千乏,500kV输电线路每百公里的充电无功功率达10万千乏。
在系统低负荷情况下,由过剩无功功率引起系统电压上升的问题日趋严重,以致超过容许的范围。
影响着送变电设备和用户的安全运行。
采用大容量发电机进相运行以吸收无功功率,进行电压调整,实践证明是一项切实可行的办法。
所谓发电机进相运行调压是指发电机工作在欠励磁运行状态,发电机此时发出有功而吸收无功,因此可以降低系统的电压。
《电力系统电压和无功电力技术导则(试行)》规定,新装机组均应具备在有功功率为额定值时,功率因数进相0.95运行的能力。
进相运行一般用在系统“低谷”负荷时间。
发电机进相运行调压时,主要受稳定及发电机定子端部发热问题的限制。
原水电部颁《发电机运行规程》中规定:
“发电机是否能进相运行应遵守制造厂的规定。
制造厂无规定的应通过试验来确定”。
这是由于发电机的类型、结构、冷却方式及容量等等不一。
在进相运行时容许供出多少有功功率和吸收多少无功功率,理论上的计算一般不太精确,所以一般要通过运行试验来确定。
发电机的进相运行,是一种低励磁运行方式。
相对于定子电流落后于电压的迟相运行而言,进相运行的功率因数乃是超前的。
发电机进相运行的能力是由其结构特点和参数特性所决定的。
当发电机有自动励磁调节器及外部电抗较小时,会提高发电机的进相运
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 无功 电压 控制