电力系统自动化 Automation of Power System

1. 电力系统自动化Automation of Power System 杭州电子科技大学 自动化学院

2. 第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术 一、电力系统电压控制的意义 二、电力系统的无功功率平衡与电压的关系 三、电力系统电压控制的措施 四、电力系统电压的综合控制 五、电力系统无功功率电源的最优控制

3. 目的要求： 了解电力系统调频的实质和重要性； 了解负荷的静态频率特性及负荷调节效应； 了解调速器的工作原理及其静态调节特性、配有调速器的发电机组的功率频率特性. 重点： 负荷的静态频率特性及负荷调节效应 难点： 电力系统的功率-频率特性分析

4. 第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术 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

5. 第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术 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

6. 第一节电力系统电压控制的意义 电压和频率一样，都是电能质量的重要指标。 电压降低的不良影响： 1.减少发电机所发有功功率。 2.异步电动机的转差率将增大，电流也将增大，温升将增加。当转差增大、转速下降时，其输出功率将迅速减少。 3.电动机的启动过程将大为增加，启动过程温度过高。 4.电炉等电热设备的发热量降低。 5.危及电力系统运行的稳定性。

7. 第二节电力系统的无功功率平衡与电压的关系 无功功率平衡，即 电源无功功率： QGi：发电机供应的无功功率 QC1：调相机供应的无功功率 QC2： 并联电容器供应的无功功率 QC3： 静止补偿器供应的无功功率

8. 第二节电力系统的无功功率平衡与电压的关系 无功功率损耗： ΔQT：变压器中的无功功率损耗（属感性） ΔQX：线路电抗中的无功功率损耗（属感性） ΔQB：线路电纳中的无功功率损耗（属容性）

9. 第二节电力系统的无功功率平衡与电压的关系 电力系统无功功率平衡与电压水平有着密切的关系 如果无功功率平衡：

10. 第二节电力系统的无功功率平衡与电压的关系 电力系统的无功功率电源有： （1）同步发电机 􀃊同步发电机目前是电力系统中惟一的有功功率电源，它又是基本的无功功率电源。 （2）同步调相机及同步电动机 􀃊同步调相机是特殊运行状态下的同步电动机，可视为不带有功负荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步电动机。 （3）静电电容器 （4）静止无功功率补偿器（SVC） （5）高压输电线路的充电功率

11. 第三节电力系统电压控制的措施 用户端的电压为： 式中，K1和K2分别为升压和降压变压器的变比；R和X分别为变压器和输电线路的总电阻和总电抗。

12. 第三节电力系统电压控制的措施 要想控制和调整负荷点的电压，可以采取以下的控制方式： ①控制和调节发电机励磁电流，以改变发电机端电压UG； ②控制变压器变比K1及K2调压； ③改变输送功率的分布P+jQ（主要是Q），以使电压损耗减小； ④改变电力系统网络中的参数R+jX（主要是X），以减小输电线路电压的损耗。

13. 第三节电力系统电压控制的措施 一、发电机控制调压 控制同步发电机的励磁电流，可以改变发电机的端电压 二、 控制变压器变比调压 调整分接抽头的位置可以控制变压器的变比 三绕组变压器分接抽头的选择可以按如下方法来考虑：三绕组变压器一般在高压、中压绕组有分接抽头可供选择，而低压侧是没有分接抽头的。一般可先按高压、低压侧的电压要求来确定高压侧的分接抽头；再由所选定的高压侧分接抽头，来考虑中压侧的电压要求，最后选择中压侧的分接抽头。

14. 第三节电力系统电压控制的措施 例 图4-8所示为降压变压器，变压器参数及负荷、分抽头已标明，高压侧最大负荷时的电压为110V，最小负荷时的电压为113V，相应的负荷低压母线允许电压上下限为6 ～6.6kV，试选择变压器分接抽头。

15. 第三节电力系统电压控制的措施 解 首先计算最大负荷和最小负荷时变压器的电压损耗： 假定变压器在最大负荷和最小负荷运行时低压侧的电压分别为

16. 第三节电力系统电压控制的措施 取算术平均值，有 可以选择的高压分接抽头U1t=107.25kV。然后按所选分接头校验是否满足低压负荷母线的实际电压。 可见所选择的高压分接头是能够满足电压控制要求的

17. 第三节电力系统电压控制的措施 三、 利用无功功率补偿设备调压 1、无功功率的产生基本上是不消耗能源的，但是无功功率沿输电线路上传送却要引起有功功率的损耗和电压的损耗。 2、合理的配置无功功率补偿设备和容量以改变电力网络的无功功率分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善负荷用户的电压质量。 3、并联补偿设备有调相机、静止补偿器、电容器，它们的作用都是在重负荷时发出感性无功功率，补偿负荷的需要，减少由于输送这些感性无功功率而在输电线路上产生的电压降落。提高负荷端的输电电压。

18. 第三节电力系统电压控制的措施 例 输电系统如图4-10所示，降压变压器变比为110kV ±2 × 2.5 %/11kV ，变压器励磁支路和输电线路对地电容均被忽略，节点1归算到高压侧的电压为118kV，且维持不变，负荷端低压母线电压要求保持为10.5KV，试确定受端装设如下的无功功率补偿设备容量：①电容器；②同步调相机。

19. 第三节电力系统电压控制的措施 解 由于发电机首端电压已知，因此可按末端功率来计算输电线路的电压损耗： 所以

20. 第三节电力系统电压控制的措施 利用首端功率求出最大负荷时降压变压器归算到高压侧的低压母线电压： 利用首端功率求出最小负荷时降压变压器归算到高压侧的低压母线电压： ①按最小负荷时电容器全部退出运行来选择降压变压器变比: 规格化后，取110+0％分接抽头，即

21. 第三节电力系统电压控制的措施 按最大负荷求电容器补偿容量QC： ②由公式（4-28）可得到 规格化后取110−2×2.25%/11kV，即K＝9.5，由公式（4-25）确定调相机容量：

22. 第三节电力系统电压控制的措施 四、利用串联电容器控制电压 在输电线路上接入电容器，利用电容器上的容抗补偿输电线路中得感抗，使电压损耗后得QX/U分量减小，从而提高输电线路末端的电压。 五、电力系统电压控制措施的比较 在各种电压控制措施中，首先应该考虑发电机调压。对无功功率电源供应较为充裕的系统，采用变压器有载调压既灵活又方便。对无功功率电源不足的电力系统，首先应该解决的问题是增加无功功率电源，因此以采用并联电容器、调相机或静止补偿器为宜。同时，并联电容器或调相机还可以降低电力网中功率传输中的有功功率损耗。

23. 第四节电力系统电压的综合控制

24. 第四节电力系统电压的综合控制 发电机G1和G2具有自动励磁调节装置，可以使母线电压U1、U2发生改变；T为有载调压变压器，变比K可以调节；q代表无功补偿设备，它可以是静电电容器、同步调相机和静止无功补偿器。现分析G1和G2控制的电压U1和U2、变压器变比K、补偿容量q这些控制措施对节点3母线电压U3的影响。由于电压与无功功率分布密切相关，所以改变电压的同时也会对无功功率Q产生影响。将节点3电压U3、无功功率Q定义为状态变量，发电机母线电压U1、U2以及变压器变比K和无功补偿量q定义为控制变量。

25. 第四节电力系统电压的综合控制 根据图4-13，有 由此可以解得 由此可以分析各种电压控制措施对节点电压和无功功率Q的影响以及各种控制措施配合的效果。

26. 第四节电力系统电压的综合控制 通过公式（4-39）、（4-40）可以获得如下结论： ①改变变压器变比K和改变发电机G1的母线电压对节点3电压控制效果相同，并且可以使无功功率Q增加，而且参数比值XX21越小，电压控制效果越显著。 ②改变发电机G2的母线电压U2对节点3的母线电压U3的影响与参数比值XX12有关，比值越小，影响越显著

27. 第四节电力系统电压的综合控制 ③当X2越大，即G2离节点3的距离相对较远时，改变发电机G1的母线电压U1对节点3的电压影响较大，会使无功功率Q增加。反之，当X1越大，即G1离节点3的距离相对远一些时，改变发电机G2的电压U2对节点3的电压影响较大，会使无功功率Q减少。 ④控制节点3的无功补偿容量q的效果与等效电抗X1X2/(X1+X2)有关；等效电抗越大，控制电压U3效果越好。 ⑤节点3的无功补偿输出容量q按与输电线路电抗成反比的关系向两侧流动，其结果使无功功率Q减少

28. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 无功功率电源的最优控制目的在于控制各无功电 源之间的分配，使有功功率网络损耗达到最小。 电力网中的有功功率网损可以表示为所有节点注入功率的函数 则无功功率电源最优控制的数学表达式为，在满足 的条件下， ΔPΣ达到最小，式中ΣQΣ是电力网中的无功功率损耗，ΣQDi是电力网中的无功负荷。

29. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 应用拉格朗日乘数法，构造拉格朗日函数： 将L分别对QGi和λ取偏导数并令其等于零，有

30. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 于是可以得到无功功率电源最优控制的条件为 式中，∂ΔPΣ/∂QGi是网络中有功功率损耗对于第i个无功功率电源的微增率；∂ΔQΣ/∂QGi是无功功率网损对于第i个无功功率电源的微增率。 上式的意义是：使有功功率网损最小的条件是各节点无功功率网损微增率相等。

31. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 在无功电源配备充足、布局合理的条件下，无功功率电源最优控制方法如下： ①根据有功负荷经济分配的结果进行功率分布的计算； ②利用以上结果，可以求出各个无功电源点的λ值。 ③经过又一次的功率分布计算，可以算出总的网络有功损耗，网络损耗的变化实际上都反映在平衡发电机的功率变化上。因此，如果控制无功功率电源的分配，还能够使平衡机的输出功率继续减少，那么这种控制就应该继续下去，直到平衡机输出功率不能再减少为止。

32. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 在电力系统中某节点i设置无功功率补偿设备的前提 条件是：一旦设置补偿设备，所节约的网络有功损耗费 用应该大于为设置补偿设备而投资的费用。数学表达式 可以表示为 式中， 表示由于设置了补偿设备 而节约的 网络有功功率损耗的费用。 表示为了设置补偿 设备 而需要投资的费用

33. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 所以，确定节点i的最优补偿容量的条件是 具有最大值 设置补偿设备而节约的费用Fe就是因设置补偿设备每年可减少的有功功率损耗费用，其值为 式中，β为以元/乏·小时表示的单位电能损耗价格； ΔPΣ0、 ΔPΣ分别为以千乏表示的设置补偿设备前后电力网最大负荷下 的有功功率损耗；τmax为电力网最大负荷损耗小时数。

34. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 为设置补偿设备QCi而需要投资的费用包括两部分：一 部分为补偿设备的折旧维修费，另一部分为补偿设备投 资的回收费，其值都与补偿设备的投资成正比，即 式中，∂、γ分别为折旧维修率和投资回收率，KC为以 元/千乏表示的单位容量补偿设备投资。

35. 第五节电力系统无功功率电源的最优控制 将上三式，可以得到 对上式QCi求偏导并令等于零，可以解出 上式表明，对各补偿点配置补偿容量时，应该使每一个 补偿点在装设最后一个单位的补偿容量时网络损耗的减少都等于(α+β)KC/βτmax，按这一原则配置，将会取得最大的经济效益。

36. Thank You !