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1、第6章 输电系统稳态运行的调整控制,1,任务1 盆景起源与发展的认知输电系统稳态运行的调整控制本章主要讨论输电系统潮流的调整控制、输电系统有功功率和频率的调整控制、以及输电系统无功功率和电压的调整控制。6.1输电系统潮流的调整控制6.1.1调整控制潮流的必要性以图6.1所示一单电源的环形网络为例，其中线段A1远长于线段A2。设该网络为同截面网络，其功率按长度分布，表达式为,2,图6.1简单环形网络,3,再设图6.1所示网络为非均一网络，则功率分布按阻抗分布，其表达式为这时，全网的功率损耗分别解上面两式，可得,4,从而由此可见，网络中有功功率损耗最小时的功率分布是按线段电阻分布，而不是按线段阻抗
2、分布。一般网络为非均一网络，故其功率的自然分布会使网损增大，直接影响系统运行的经济性。6.1.2调整控制潮流的基本原理和方式调控的基本方式有并联补偿、串联补偿、移相调节等3种。在未提出“柔性交流输电技术”前，理论上有以下几种措施。（1)串联电容采用串联电容控制潮流的方法并未推广。（2)串联电抗这种方法为系统运行稳定性和电压质量的要求所不容，未曾采用。,5,（3)并联补偿这种方式也往往是为系统无功平衡、电压调整或改善系统稳定性的要求而设置的。（4)串联加压器这是一种移相调节的方式。在环形网络中串联一可调的加压器使产生一可调附加电势，从而产生一强制循环功率，使强制循环功率与自然分布功率相叠加，可达
3、到所要求的潮流分布。二者叠加使功率为最佳分布为产生这一强制循环功率，在网络中串入的附加电势 可得,6,在环网中接入串联加压器起到调控潮流的作用，它的工作原理展示于图6.2中。图6.3(a)和(b)分别示出求取纵向和横向附加电势的原理。纵、横调节作用可以用一个供电变压器和两组串联加压器同时完成，以调节纵、横电势的大小，并可使附加电势和相电压的相位差在090之间分级变化，如图6.4所示相量图，这组加压器就兼有纵向和横向的调节功能。,7,图6.2串联加压器的接入1主变压器；2电源变压器；3串联加压器,8,图6.3串联加压器的联接方式和作用(a)纵向串联加压器；(b)横向串联加压器图6.4兼有纵、横调
4、节作用,9,在高电压网络中，由于输电线路的电阻远小于电抗，可视0，则式(6.2)可近似为由此得出十分重要的概念：横向串联附加电势主要产生强制循环功率的有功部分；纵向串联附加电势主要产生强制循环功率的无功部分。6.1.3柔性交流输电技术控制潮流（1)输电型FACTS控制器对于输电型FACTS控制器即为：用可靠性高的大功率可控硅元件置换传统元件中的机械式调节器和开关，具有精确、快速地控制影响潮流分布的输电电压、线路阻抗和功率角等3个主要电气参数的功能。当前正在研制或已在运用的主要输电型FACTS控制器及其控制作用如图6.5所示。它们与系统的联接方式分别有串联、并联和复合串并联等3种类型。,10,图
5、6.5主要输电型FACTS控制器的功能示意图,图6.5主要办理电型FACTS控制器的功能示意图,11,1)基于晶闸管阀的输电型FACTS控制器静止无功功率补偿器 (Static Var Compensator, SVC)。一种并联联接的静止无功发生器或吸收器，可调节其输出交换的容性或感性电流，以便保持或控制输电系统的一些特定参数(典型的是母线电压)，简称静止补偿器。静止无功发生器或吸收器(Static Var Generator or Absorber, SVG)。晶闸管控制的串联电容器 (Thyristor Controlled Series Capaeitor, TCSC)。它包括串联的电
6、容器组和与其并联的晶闸管控制的电抗器，通过改变晶闸管的触发角来达到改变串联等效容抗的目的，用以提供平滑变化的串联容性电抗，如图6.7所示。,12,图6.6静止无功功率补偿器(a)TCR型；(b)TSC型；(c)SR型,13,图6.7可控串联电容,14,晶闸管投切的串联电容器 (Thyristor Switched Series Capacitor, TSSC)。晶闸管控制的移相变压器 (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer, TCPST)。属复合串并联型FACTS装置，如图6.8所示。相间功率控制器 (Interphase Power
7、Controller, IPC或TCIPC)。它在输电线的每一相中串入两个并联的容抗和感抗分支，并使其分别从属于相互无关的可独立移相的电压，如图6.9所示。,15,图6.8可控移相器 图6.9通用型和改进型的IPC装置 (a)通用型；(b)改进型,16,图6.10静止调相器结构图,17,2)基于GTO同步电压源的输电型FACTS控制器静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)。其结构如图6.10所示，为三相逆变器构成，并由一并联电容器上的电压进行激发驱动，其三相输出电压与交流网三相电压同相，连接变压器通过的电流等于零或呈容性或呈感性则取决于
8、一、二次电压幅值。静止同步串联补偿器 (Static Synchronous Series Compensator, SSSC或S3C)。一种静止型无外部电源运行的同步发电器。其基本结构类似于静止调相器 (STATCOM)，只是其变压器输出绕组串接入输电线路中(参见图6.11)，,18,图6.11统一潮流控制器(UPFC)结线图,19,统一潮流控制器 (Unified Power Flow Controller, UPFC)。由一台静止同步补偿器 (STATCOM)和一台静止同步串联补偿器(S3C)经一常规直流联结耦合一起的组合装置，如图6.11所示。（2)FACTS控制器控制潮流的基本原理各
9、种输电型FACTS控制器皆通过调控输电线路的阻抗或(和)电压模值或(和)电压相位角等参数，从而控制输电系统潮流。不同FACTS控制器的作用，可用图6.12所示稳态模型综合表示。图6.13所示为一仅含串联型FACTS装置的输电线路的等值电路。,20,图6.12FACTS装置的稳态模型图6.13含FACTS的支路电路图,21,可见，线路中的功率由自然分布功率 和附加电压源控制功率 两部分组成。任何控制装置的控制量有一定的变动区域，在不同的FACTS装置的控制作用下，所在线路的潮流被控在不同区域内变动。由式(6.6)可见，随串联电压 的变化，线路功率 是一个以线路未受控制时的功率 为圆心、 为半径的
10、实心圆，如6.14所示。这时,附加电压源控制功率为当 时，式(6.7)中有：,22,当 时，式(6.7)中有：如果Upq值的约束与UPFC一致时，TCPS的控制域基本为UPFC控制圆的一条直径，见图6.14。式(6.6)变为：将 代入式(6.8)，并在等式右侧加减 可得,23,图6.14 三种FACTS装置对线路潮流的控制域1统一潮流控制器(UPFC);2可控移相器(TCPS);3可控串联电容 (TCSC),24,再将式(6.9)右侧第一项展开为实部(Pc)和虚部(Qc)，即由此可见：FACTS装置对潮流的控制作用取决于装置的类型，其中统一潮流控制器（UPFC）的控制域为一实心圆，其控制能力最
11、强；FACTS装置对潮流的控制作用还与线路功率初始的自然分布状况有关，统一潮流控制器（UPFC）能否控制潮流的方向、可控移相器（TCPS）和可控串联电容（TCSC）控制域的大小，亦即对潮流控制能力的强弱皆取决于线路功率的自然分布。6.2输电系统有功功率及频率的调整控制6.2.1调整控制系统频率的必要性频率是衡量电能质量最重要的指标。电力系统负荷,特别是发电厂厂用电负荷,对频率要求极其严格。要保证系统用户及发电厂的正常运转和安全运行，我国规定频率偏移不得超过系统额定频率0.2 Hz。,25,频率变化对电能用户有以下的影响：电力用户使用的电气设备中绝大多数是异步电动机，其转速与系统频率有关。电动机
12、的有功功率与系统频率有关。近代工业、国防和科学研究部门广泛使用电子设备，系统频率的不稳定会影响电子设备的工作特性，降低准确度，造成误差。系统频率的变化，对发电厂及系统本身也有影响：所以，系统频率质量必须予以保证。系统频率只有在系统中所有发电机的总有功出力与总有功负荷(包括网损)相等时，才能保持不变。6.2.2输电系统中有功功率的平衡（1)有功功率负荷的变化,26,输电系统中的负荷时刻都在不规则地变化着。这种不规则的变化，实际上为两类变化的结合。一类是可预测的；另一类是随机的偶然性变化和冲击性变化(如压延机、电气机车、工业电炉等负荷)。各发电厂按给定的任务及时地满足系统负荷的需求，就可以维持频率
13、的稳定。按预计给定发电负荷计划发电的厂，称负荷监视厂，电力系统中绝大部分发电厂属这种类型。对于偶然性的负荷变化和冲击性的负荷变化，必须调整系统中电源的有功功率才能维持系统频率的稳定，即称“频率调整”。频率调整分一次调整和二次调整两种。调频厂的母线通常为潮流计算中的平衡节点。电力系统中的有功负荷包括用户需求的有功功率，网络中损耗的有功功率，以及发电厂厂用电负荷所需的有功功率。（2)有功功率电源及备用容量,27,输电系统中有功功率电源是各类发电厂的发电机。系统中的电源容量不一定是所有机组额定容量之和。可投入发电设备的可发功率之和，才是真正可供系统调度的电源容量。电力系统有功电源容量必须大于包括负荷
14、最大有功功率、网损及厂用电在内的全系统最大发电负荷。系统备用容量分热备用及冷备用两种形式。系统备用容量按其作用可分为以下几种：1）负荷备用为调整系统中短时的负荷波动和日计划外的负荷增加，确保系统频率质量而在系统中留有的备用容量，即为负荷备用容量。2）事故备用为防止系统中某些发电设备发生偶然性事故时，电力用户不致受到严重影响，维持系统正常供电在系统中留有的备用容量，即为事故备用容量。,28,3）检修备用为保证系统的发电设备进行定期检修时不致影响供电而系统中留有的备用容量，即为检修备用容量。4）国民经济备用考虑用户的超计划生产、新用户的出现等而设置的备用容量。这种备用容量的大小，要根据国民经济的增
15、长情况来确定。实际上，热备用容量的大小不需要按负荷备用和事故备用的总和来确定，两者是可通用的。在总的备用容量中，热备用和冷备用的分配是有功功率电源的最优组合问题；当热备用容量确定之后，这容量在各发电机组之间的分配又是有功功率负荷的最优分配问题。（3)输电系统有功功率平衡有功功率平衡包括两个方面。,29,其一：输电系统有功功率平衡指运行中任何时刻系统发电机发出有功功率的总和，等于系统负荷(包括发电厂厂用负荷)需要的有功功率及输变配电过程中网络元件消耗的有功功率之和，即其二：为保证系统安全、优质、经济地运行，系统还必须拥有一定的备用容量，即6.2.3输电系统的频率特性所谓频率特性，这里是指有功功率频率静态特性，简称功频静态特性。它反映了稳态运行情况下有功功率和频率变化的关系。,30,（1)负荷的频率特性它决定于负荷的组成。由于负荷类型不同，负荷的有功功率与系统频率的关系也不同，一般有下面几种类型：有功功率与频率变化无关的负荷，如照明、电炉、整流负荷等。有功功率与频率一次方成正比的负荷，如球磨机、切削机床、卷扬机等。有功功率与频率二次方成正比的负荷，如变压器铁芯中的涡流损耗等。有功功率与频率三次方成正比的负荷，如通风机、循环水泵等。有功功率与频率高次方成正比的负荷，如锅炉的给水泵等。整个系统的负荷功率与频率的关系可表示为：,
