110kv电力网最大负荷下的无功补偿和调压计算.docx

《电力系统稳态分析》
课 程 设 计

题 目：110kv电力网最大负荷下的无功补偿和调压计算
河西学院本科生课程设计任务书
设 计 题 目
某110kv电力网最大负荷方式下的无功补偿和调压计算
作 者 姓 名

1.1设计内容
1.设计要求
按就地无功补偿方式,选择标准电容组进行无功补偿后的潮流计算;通过改变变压器分接头方式,使各母线电压水平符合国家相关规程规定.
1.2原始资料：
1.电力网接线示意图.本次设计针对某110kv电力网进行,其接线示意图如图4-13所示.图中,发电厂A的高压母线电压为110kv;各变电所中分别装设2台主变压器,110kv线路为双回路钢芯铝绞线。

电力网接线图
.
2.发电厂、变电所负荷情况及元素技术参数。发电厂、变电所的负荷情况见表4-8，变压器的技术参数见表4-9，线路的技术参数见4-10
发电厂、变电所负荷一览表
位置
发电厂A
变电所2
变电所3
最大负荷（MW）
4
50
30
功率因数
0.85
0.8
0.8
110kv变电所主变压器技术参数表
位置
A升压站（T-1）
变电所2（T-2）
变电所3（T-3）
型号
无励磁调压变压器63000
有载调压变压器31500
有载调压变压器20000
额定容量（MVA）
90
31.5
20
台数
2
2
2
空载损耗（kw）
55.8
36.6
26
负载损耗（kw）
260
148
104
空载电流（%）
0.4
0.77
0.84
短路阻抗（%）
10.5
10.5
10．5
分接头电压（kv）
121
110
110

110kv线路技术参数表
导线型号
LGJ-95/35
导线型号
LGJ-95/35
回路数
双回路
导线阻抗（）
0.332+j0.429
长度（km）
60
导线充电功率（Mvar/110km）
3.504

2.设计的基本要求
2.1设计及计算说明书
（1）说明书要求书写整齐，条理分明，表达正确、语言正确。
（2）计算书内容：为各设计内容最终成果、确定提供依据进行的技术分析、论证和定量计算，如。
（3）计算书要求：计算无误，分析论证过程简单明了，各设计内容列表汇总。
2.2图纸
（1）绘制分析所需的必要图纸
（2）图纸要求：用标准符号绘制，布置均匀，设备符号大小合适，清晰美观。
3.论文(设计)进度安排
阶段
论文（设计）各阶段名称
起止日期
1
熟悉设计任务书、设计题目及设计背景资料
～
2
查阅有关资料
～
3
阅读设计要求必读的参考资料
～
4
书写设计说明书
～
5
小组答辩与质疑
～
6
上交设计成果

4.需收集和阅读的资料及参考文献（指导教师指定）
[1]: 陈珩.电力系统稳态分析（第三版）[M]，北京，中国电力出版社，2007
[2]：何仰赞，温增银.《电力系统分析》第三版[M]，武汉,华中科技大学出版社，2002
[3]：陈悦.《电气工程毕业设计指南电力系统分册》[M]，北京，中国水利水电出版社，2008
教 研 室 意 见

负责人签名：

年 月 日

目录
摘要 1
第1章 原始数据及设计要求 2
1.1节点负荷与电力网接线图 2
1.2 设计内容及要求 2
第2章 无功补偿原理及方法 2
2．1无功补偿设计原理 2
2.2无功补偿的一般方法 4
2.3无功补偿装置的分类 4
2.3.3静止无功补偿器 5
2.4 无功功率与电压的调整 6
第3章 电力系统的参数计算 8
3.1已知的系统参数 8
3.2各系统元件参数计算 8
第4章 负荷节点的无功补偿 10
4.1无功补偿的相关计算 10
4.2电容组的选择 10
第5章 无功补偿后电网的潮流计算 11
5.1变电所T-2的功率损耗和潮流计算 11
5.2线路L耗和潮流计算-2的功率损 12
5.3变电所T-3的功率损耗和潮流计算 12
5.4线路L-1的功率损耗和潮流计算 13
5.5变电所T-1的功率损耗和潮流计算 14
第6章 电路系统的调压计算 15
6.1调整电压的必要性 15
总结 16

摘要
随着我国经济建设的不断发展，电网的工作运行收到极大的考验，目前许多变电站普遍存在负荷过重的情况，需要假装无功补偿装置来提高电网输送能力。本文根据电网变压器线路无功损耗产生机理，详细阐述了220KV变电站电力变压器无功补偿计算方法，以提高输电设备的利用率，降低电力系统设备的损耗和有功网损，减少能耗和发电费用，最后对最优方案进行调压计算。

关键字：电力网 无功补偿 调压计算

第1章 原始数据及设计要求
1.1节点负荷与电力网接线图
电力系统接线图如图1所示,发电厂A的高压母线为110KV,各变电所中分别装设2台主变压器,110KV线路为双回路钢芯铝绞线.

图1 电力系统接线图
1.2 设计内容及要求
按就地无功补偿方式进行无功补偿；选择标准电容组进行无功补偿后的潮流计算；通过改变变压器分接头方式,使各母线电压水平符合国家相关规程规定。

第2章 无功补偿原理及方法
2．1无功补偿设计原理
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。
无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。
电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率。电力系统中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡。
有功功率、无功功率、视在功率之间的关系为：

图2 各功率几何关系
其中：S为视在功率 ；P为有功功率；Q为无功功率； ψ 角为功率因数角，它的余弦是有功功率与视在功率之比，即。由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数越小，则所需的无功功率越大。如果无功功率不是由电容器提供，则必须由输电系统供给，为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量需要增大。这样，不仅增加供电投资、降低设备的利用率，也将增加线路损耗。为此，国家供用电规则规定：无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送。还规定用户的功率因数应达到相应的标准，否则供电部门可以拒绝供电。因此，无论对供电部门还是用电部门，对无功功率进行自动补偿以提高功率因数，防止无功倒送，从而节约电能。
改变功率因数作用；一、改善供电品质，提高功率因数。 二、减少电力的损失，工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。 三、延长设备寿命。 改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷下降，可以降低温度增加寿命。 四、满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除功率因数过低而产生的罚款。 
2.2无功补偿的一般方法 
无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
2.2.1低压个别补偿  
低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。  
2.2.2低压集中补偿  
低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。  
2.2.3高压集中补偿  
高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6～10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。

2.3无功补偿装置的分类
无功补偿有很多种类：从补偿的范围划分可以分为负荷补偿与线路补偿，从补偿的性质划分可以分为感性补偿与容性补偿。下面将并联容性补偿的方法大致列举：

2.3.1同步调相机
   调相机的基本原理与同步发电机没有区别，它只输出无功电流。因为不发电，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相机也没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。 
     调相机是电网中最早使用的无功补偿装置。当增加激磁电流时，其输出的容性无功电流增大。当减少激磁电流时，其输出的容性无功电流减少。当激磁电流减少到一定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调相机的损耗。当激磁电流进一步减少时，输出感性无功电流。 
     调相机容量大、对谐波不敏感，并且具有当电网电压下降时输出无功电流自动增加的特点，因此调相机对于电网的无功安全具有不可替代的作用。 
     由于调相机的价格高，效率低，运行成本高，因此已经逐渐被并联电容器所替代。但是近年来出于对电网无功安全的重视，一些人主张重新启用调相机。

2.3.2并联电容器
 并联电容器是目前最主要的无功补偿方法。其主要特点是价格低，效率高，运行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。 
      在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组，而在低压配电系统中则主要使用自动控制电容器投切的自动无功补偿装置。自动无功补偿装置的结构则多种多样形形色色，适用于各种不同的负荷情况。对于低压自动无功补偿装置将另文详细介绍。 
     并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。当电网中含有谐波时，电容器的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大。另外，并联电容器属于恒阻抗元件，在电网电压下降时其输出的无功电流也下降，因此不利于电网的无功安全。

2.3.3静止无功补偿器
静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置。它是将电力电容器与电抗器并联起来使用，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。静止补偿器有四种不同类型，即可控饱和电抗器型，自饱和电抗器型，可控硅控制电抗器型，以及可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型静止补偿器。电压变化时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功率，以满足动态无功补偿的需要。与同步调相机比较，运行维护简单，功率损耗较小，能作到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击负荷也有较强的适应性，在我国电力系统中它将得到日益广泛的应用。
晶闸管投切电容器单独使用时只能作为无功功率电源，发出感性无功，且不能平滑调节输出的功率，由于晶闸管对控制信号的相应极为迅速，通断次数又不受限制，其运行性能还是明显优于机械开关投切的电容器。
2.4 无功功率与电压的调整 
电力系统中为了实现无功功率在额定电压下的平衡，即实现整个系统的无功功率平衡和实现各区域无功功率平衡，保证电压质量，满足用户的用电要求，必须对系统中的无功功率和电压进行调节，使之在允许的偏移范围内。电压调整是指对电力系统中各负荷点的电压进行调节，使之在允许的偏移范围内，在电压调整的过程中，县级电力系统用得较多的是只重视选择变压器的变比，而忽视了电力无功功率的平衡。当电力系统的无功电源发出的无功功率不能满足（或高于）无功负荷及网络中损耗时，就应对系统电压进行调整。 
以目前调整电压的措施有：调节励磁电流以改变发电机端电压、适当选择变压器的变比、改变线路的参数、改变无功功率的分布等；控制无功功率的产生和损耗及无功功率的流动可以实现调整电压。下面是常用的进行无功功率和电压调整的装置。 
在电力系统运行中，要求电源的无功功率在任何时刻都同负荷的无功功率和网络无功损耗之和相等。即：
现以一发电机经过一段线路向负荷供电来说明无功电源对电压的影响。略去各元件电阻，用表示发电机电抗与线路电抗之和，等值电路如下图所示：

图3 负荷与电压的关系

负荷增加时，其无功电压特性如曲线所示，如果系统的无功电源没有相应增加，电源的无功特性仍然是曲线1，这时曲线1和曲线的交点就代表了新的无功平衡点，并由此决定了负荷点的电压为，显然<，这说明负荷增加后，系统的电源已不能满足在电压下无功平衡的需要，因而只好降低电压运行，以取得在较低电压下的无功平衡。
当电势为一定值是，同的关系是一条向下开口的抛物线。负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特性如图中曲线2所示。
图4 按无功功率平衡确定电压

如果发电机具有充足的无功备用，通过调节励磁电流增大发电机电势Ｅ，则发电机的无功特性曲线将上移到曲线的位置，从而使曲线与曲线的交点所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数值。同样，如果发电机的电势Ｅ增大而负荷没有增加，则由发电机的无功特性曲线与负荷无功特性曲线2的交点为，决定了负荷点的电压为，此时>，负荷点的电压偏高。
由此可见，系统中的无功电源对系统中的电压的影响为当无功电源比较充足时，能满足较高电压水平下的无功平衡需要，系统就有较高的运行电压水平；反之，无功不足就反映为运行电压水平偏低。因此，应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡，并根据这个要求装设必要的无功补偿装置。
当电压比较高时，由于饱和影响，励磁电抗的数值还有所下降，因此，励磁功率随电压变化的曲线稍高于二次曲线；为漏抗中的无功损耗，如果负载功率不变化的曲线稍高于二次曲线；为漏抗中的无功损耗，如果负载功率不变，则常数，当电压降低时，砖茶将要增大，定子电流随之增大，相应的，在漏抗中的无功损耗也要增大。综合这两部分无功功率的变化特点，其中为电动机的实际负荷同它的额定负荷之比，称为电动机的受载系数。在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减。当电压明显的低于额定值时，无功功率主要有漏抗中的无功损耗决定，因此，随电压下降反而具有上升的性质。
变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当的比重。假定一台变压器的空载电流，短路电压，在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的12%。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值是相当可观的。

第3章 电力系统的参数计算

3.1已知的系统参数
变电所T-1：，，，，，
变压所T-2：，，，，，
变电所T-3: ，，，，，

线路LGJ-95/35 =, , , ,
3.2各系统元件参数计算
变电所T-1的参数计算

变压所T-2的参数计算

变电所T-3的参数计算

线路L1=L2：L=60km 导线的充电功率：1/2×3.504Mvar/110km×60km=0.85Mvar

第4章 负荷节点的无功补偿

4.1无功补偿的相关计算
规定将个点负荷节点的功率因数补偿到0.9，则补偿计算情况如下：
发电机1节点无功补偿计算：
原负荷 4+j3
补偿后的负荷 4+j1.93
补偿功率(4+j3)-(4+j1.93)=1.07Mvar

变电所T-2低压侧无功补偿计算：
原负荷 50+j37.5
补偿后的负荷 50+j24.2
补偿功率(50+j37.5)-(50+j24.2)=13.3Mvar
变电所T-3低压侧无功补偿计算：
原负荷 30+j22.5
补偿后的负荷 30+j14.5
补偿功率（30+j22.5）-(30+j14.5)=8Mvar
4.2电容组的选择

第5章 无功补偿后电网的潮流计算
5.1变电所T-2的功率损耗和潮流计算
变压器T-2低压侧经补偿后的负载
50+j24.2MVA
变压器T-2归算的到高压侧的电压
10
电流经过变压器T-2的功率损耗

电压经过变压器T-2的电压降落

经过变压器T-2高压侧的功率

=(50+0.267+0.069)+j(24.2+5.96+0.046)
=50.33+j30.213MW

线路L-2末端的充电功率
0.85Mvar

=50.336+j29.363MVA
5.2线路L耗和潮流计算-2的功率损
电流经过线路L-2的功率损耗

电压经过线路L-2的电压降

线路L-2首段的充电功率
0.85Mvar
经过线路L-2首段的功率

=(50.33+2.92)+(30.213+3.77-0.85)
=53.25+j33.133MW
5.3变电所T-3的功率损耗和潮流计算
变压器T-3低压侧经补偿后的负荷
30+j14.5MVA
变压器电压归算到高压侧的电压
10
变压器T-3的有功和无功功率损耗

电压经过变压器T-3的电压降

经过变压器T-3高压侧的功率
(30+0.16+0.04)+j(14.5+2.61-0.3)
=30.2+j16.8MW
经过线路L-1末端的功率
(53.25+30.2)+j(33.13+16.8)
=83.45+j49.94MW

5.4线路L-1的功率损耗和潮流计算

经过线路L-1的功率损耗

经过线路L-1的电压降

线路L-1首段的充电功率
0.85Mvar
线路L-1首段的功率

=(50.33+2.92)+(30.213+3.77-0.85)
=53.25+j33.133MW
5.5变电所T-1的功率损耗和潮流计算
变压器T-1的功率损耗

经过变压器T-1电压降

变压器T-1高压侧的功率

=(89.88+0.16+0.12)+(56.27+5.72-0.8)
=90.17+j61.19MVA

发电机应发出的功率

=(90.17+4)+j（61.19+1.93）
=94.17+j62.12MVA
第6章 电路系统的调压计算
6.1调整电压的必要性
总结
通过本次设计，我们能够巩固所学的基本理论、专业知识，并综合运用所学知识来解决实际的工程问题，学习工程设计的基本技能，基本程序和基本方法。
在设计中我们要对所给的原始资料进行详细的分析、研究，并确定研究方法及工程设计程序，这培养我们具有初步的科研和设计的能力。在查阅资料和分析的过程中，也将大大拓宽我们的专业知识领域，独立的分析问题、解决问题，使理论知识与工程实际相联系，并达到对知识的融会贯通。
最后感谢刘老师的辛勤指导.

参考文献
[1]: 陈珩.电力系统稳态分析（第三版）[M]，北京，中国电力出版社，2007
[2]：何仰赞，温增银.《电力系统分析》第三版[M]，武汉,华中科技大学出版社，2002
[3]：陈悦.《电气工程毕业设计指南电力系统分册》[M]，北京，中国水利水电出版社，2008

课程设计成绩评定表
姓 名
韩伟
学 号
1350803111
专业班级
电气工程及其自动化131班
课程设计题目：
某110kv电力网最大负荷下的无功补偿和调压计算
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

评 定 项 目
评 分 成 绩

总 分

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日