第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术

1、电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术n电压控制：电压就是控制目标，即通过控制电力系统中的各种因素，使电力系统电压满足用户、设备和系统运行的要求。n无功功率控制：指的是控制手段，即通过控制无功功率的分布，实现某种控制目标。一般是“电压水平合格”，“提高电网稳定性”，“提高经济性”。第四章第四章 电力系统电压调整和电力系统电压调整和无功功率控制技术无功功率控制技术电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术第四章第四章 电力系统电压调整和无功功率控制技术电力系统电压调整和无功功率控制技术频率调整频率调整: 1全系统频率相同2调发电机3消耗能源4集中控制5调进汽量电压调整：电

2、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调节手段多种多样电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术1、控制电压的必要性、控制电压的必要性A：从用户角度，影响用户设备的安全，降低用电设备效率和性能，影响用户的生产、生活。 异步电动机的转矩与端电压的平方成正比。电压下降转矩下降转速下降滑差增大输出功率下降电流上升发热增加，同时还可能带来产品质量下降等问题； 电炉功率与电压的平方成正比，电压下降功率不足； 照明设备：电压过高寿命缩短，电压过低发光能力下降； 变压器等电磁设备：电压过高磁通饱和激磁电流上升过流发热。 电压过高，造成绝缘

3、击穿，影响设备的使用寿命。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术B：从系统角度，可能影响系统安全稳定，影响整个系统运行的经济性： 负荷中的异步电动机在电压降低时，滑差增大，功率因数降低，使吸收无功功率增加，导致电压进一步降低。这样的一个反馈过程，有可能造成电压失稳问题。n电压水平影响电网损耗：传输相同的有功功率，电压下降电流升高线损增加；因此，无功功率控制是实现电力系统经济调度的一个重要方面。n随着电力市场的逐步推进，供电企业角色的转变，不仅要连续供电，而且要供好电，用户对供电质量的要求越来越高，电能质量也将逐步成为供、用电双方合同内容的一部分，而电压是电能质量最重要的指标之一。

4、电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 2、电力系统的无功电源、电力系统的无功电源GNGNNGNNsintgQSP （1 ） 发电机发电机 （2）调相机）调相机 （3） 静电电容器静电电容器2222CCUQCUfCUX（4）静止无功补偿器）静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC) 由电力电容器与电抗器并联组成。由电力电容器与电抗器并联组成。 （5） 静止无功发生器静止无功发生器 使用大功率可关断晶闸管使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿器称为静止补偿器无功补偿器称为静止补偿器(Static C

5、ompensator，STATCOM)，或称为静止无功发生器，或称为静止无功发生器(SVG)。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 3、 电力系统中的无功负荷和无功损耗电力系统中的无功负荷和无功损耗 （1） 电力系统的无功负荷电力系统的无功负荷 包括异步电动机、同步电动机、电炉和整流设备等。包括异步电动机、同步电动机、电炉和整流设备等。 其中异步电动机占的比重较大、消耗的无功功率较多，其中异步电动机占的比重较大、消耗的无功功率较多，也就是说，系统中大量的无功负荷是异步电动机，因此，也就是说，系统中大量的无功负荷是异步电动机，因此，系统无功负荷的电压特性，主要取决于异步电动机的无

6、系统无功负荷的电压特性，主要取决于异步电动机的无功静态电压特性。功静态电压特性。QQQmMmmXUQ2XIQ2电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 （2） 电力系统的无功损耗电力系统的无功损耗 a. 变压器的无功损耗变压器的无功损耗T0kQQQ 00N%100IQS2kkNN%100USQSS b. 输电线路的无功损耗输电线路的无功损耗 输电线路的无功功率损耗包括并联电纳和串联电输电线路的无功功率损耗包括并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。抗中的无功功率损耗。 并联电纳中的无功功率与线路电压的平方成正比，并联电纳中的无功功率与线路电压的平方成正比，呈容性，又称为线路的充电功率；

7、呈容性，又称为线路的充电功率； 串联电抗中的无功功率损耗与负荷电流的平方成串联电抗中的无功功率损耗与负荷电流的平方成正比正比,呈感性。这两部分功率是互为补偿的。呈感性。这两部分功率是互为补偿的。 线路是呈容性以无功电源状态运行，还是呈感性线路是呈容性以无功电源状态运行，还是呈感性以无功负载状态运行，应视具体情况而定。以无功负载状态运行，应视具体情况而定。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术4、影响电力系统电压的主要因素、影响电力系统电压的主要因素（1）电力系统的无功电压关系）电力系统的无功电压关系 无功功率平衡方程：无功功率平衡方程： QQG GQQD DQQL L Q QG

8、G无功功率电源无功功率电源 QQD D无功功率负荷无功功率负荷 QQL L无功功率损耗无功功率损耗 电力系统中，上述关系式在任何时候都是成立电力系统中，上述关系式在任何时候都是成立的，关键是成立时的电压水平如何。的，关键是成立时的电压水平如何。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术A、电源的无功电压关系、电源的无功电压关系 同步发电机是系统中最主要的电源设备，故电力系同步发电机是系统中最主要的电源设备，故电力系统无功电源与电压的静态特性可由同步发电机的无功电统无功电源与电压的静态特性可由同步发电机的无功电压特性获得压特性获得：同步发电机输出的无功功率和电压关系简化公式：同步发电机

9、输出的无功功率和电压关系简化公式：)cos(UEXUQqG注：注：U为负荷电压。为负荷电压。Eq为感应电动势，由发电机励磁电流决定。为感应电动势，由发电机励磁电流决定。 为发电机功角，一般为发电机功角，一般很小很小1cosq电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 异步电动机负荷在电力系统无功负荷中占很大的比重异步电动机负荷在电力系统无功负荷中占很大的比重，故电力系统的无功负荷与电压的静态特性主要由异步，故电力系统的无功负荷与电压的静态特性主要由异步电动机决定。异步电动机的无功消耗为电动机决定。异步电动机的无功消耗为 Qm 异步电动机激磁功率，与异步电动机的电压平方成异步电动机激磁

10、功率，与异步电动机的电压平方成正比正比Q异步电动机漏抗异步电动机漏抗X的无功损耗，与负荷电流平方成的无功损耗，与负荷电流平方成正比。正比。XIXUQQQmmD22B、负荷的无功电压关系、负荷的无功电压关系电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术说明：说明：曲线曲线1、2的交点确定了的交点确定了节点的电压值节点的电压值UA，电力，电力系统在此电压水平下达系统在此电压水平下达到无功功率平衡。到无功功率平衡。无功负荷功率增加，无功负荷功率增加，使使曲线曲线1转移至转移至1，曲线交，曲线交点变为点变为A，电压下降；，电压下降；若提高若提高UG，则，则使曲线使曲线2转转移至移至2，达到新平衡

11、点，达到新平衡点为为C。与。与A相比，新平衡相比，新平衡点电压相同，但是发电点电压相同，但是发电机无功出力增加，机端机无功出力增加，机端电压升高。电压升高。C、运行电压分析、运行电压分析电力系统和无功功率电压的静态特性电力系统和无功功率电压的静态特性电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术（2）影响电力系统电压的主要因素以一个单机单负荷的简单系统为例，推导负荷侧电压公式b电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术假设系统不含变压器，以负荷侧电压Ub为正方向，推导线路末端的电压降落 ：)(*WYbbjIIUIUjQPSZIU)()(jXRjIIWY)(jXRUjQPbbbU

12、QRPXjUQXPRbbUjU其中， 为电压降落的纵分量。 bbUQXPRUbbUQRPXU 为电压降落的横分量。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术相量图为：电流的有功功率分量在感抗上产生的电压PX/ Ub和无功分量在电阻上产生的电压QR/ Ub，均与受端电压Ub垂直，两者之和等于横分量，由于两者方向相反，相互抵消后再与Ub垂直相加，故对电压Ub的影响较小； 而电流的无功功率分量在感抗上产生的电压QX/Ub和有功分量在电阻上产生的电压PR/Ub，均与受端电压Ub同向，两者之和等于纵分量，由于两者均与Ub同向，所以能够最大程度地影响Ub。 bbbG电力系统自动化第四章 电力系统

13、电压和无功功率控制技术2121/)(KUQXPRKUKUKUUbGGb 考虑变压器后，经过同样的推导，负荷端的电压考虑变压器后，经过同样的推导，负荷端的电压公式如下：公式如下：近似计算及结论近似计算及结论 ： 由上可知，电压损耗主要由电压降落的由上可知，电压损耗主要由电压降落的纵分量纵分量决定，决定，受横分量影响较小，故工程上近似计算时常常略去横分量受横分量影响较小，故工程上近似计算时常常略去横分量不计，即：不计，即： bbUQXPRUbbUQXU 由于在高压电网中的各元件阻抗（发电机，变压器由于在高压电网中的各元件阻抗（发电机，变压器，输电线路）均是感抗远大于电阻，通常在简化分析与，输电线路

14、）均是感抗远大于电阻，通常在简化分析与计算中，将电阻忽略而只考虑感抗的作用，计算中，将电阻忽略而只考虑感抗的作用，即：即：电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 从上述分析可得，影响负荷端电压的因素有：从上述分析可得，影响负荷端电压的因素有： 发电机端电压发电机端电压UG或或Eq 变压器变比变压器变比K1,K2 负荷节点的有功、无功负荷负荷节点的有功、无功负荷PjQ 电力系统网络中的参数电力系统网络中的参数RjX 因此，为了有效控制电力系统中的电压，就可以针对因此，为了有效控制电力系统中的电压，就可以针对上述因素进行设计。其中，根据前面推导过程得出的结论，上述因素进行设计。其中，

15、根据前面推导过程得出的结论，无功功率的分布起着决定性的作用。无功功率的分布起着决定性的作用。2121/ )(KUQXPRKUKUKUUbGGb电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术5、电力系统电压控制的主要方法概述、电力系统电压控制的主要方法概述注意：这里所指的电压控制，主要指控制负荷点的电压。（1）控制原则：）控制原则： 无功功率分层、就地、就近平衡；无功功率分层、就地、就近平衡；超高压电网中，XR，因此I2XI2R，即无功损耗要远远大于有功损耗，而无功负荷和无功损耗又是造成电压下降的主要原因。因此，无功功率是无法远距离传输和跨越变压器补偿的，这就决定了无功功率必须遵循分层、就

16、地、就近平衡的原则。 无功功率就地平衡就是无功功率分层、分区就地平衡，无功功率就地平衡就是无功功率分层、分区就地平衡，是指在按电压等级所形成的层面内，各个分区范围内无功功是指在按电压等级所形成的层面内，各个分区范围内无功功率都要实现自给自足，与相邻的区域没有无功功率交换。率都要实现自给自足，与相邻的区域没有无功功率交换。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 任何一个负荷点电压的调整都应当依靠当地的无功功率资源进任何一个负荷点电压的调整都应当依靠当地的无功功率资源进行，不应当依靠相邻站点的无功功率支援。具体的办法是在各负行，不应当依靠相邻站点的无功功率支援。具体的办法是在各负荷点

17、装设电容器组、调相机、静止补偿器等无功功率电源，尽量荷点装设电容器组、调相机、静止补偿器等无功功率电源，尽量使无功功率就地平衡。当无功功率就地平衡不能实现时，则应考使无功功率就地平衡。当无功功率就地平衡不能实现时，则应考虑无功功率就近平衡的原则。虑无功功率就近平衡的原则。 确保稳定性：确保稳定性： 深入分析负荷特点，做好负荷预测，通过运行计划优先 利用动态响应慢的控制手段，将快速控制手段留作备用。 兼顾经济性：兼顾经济性： 合理安排电网中的无功电源和补偿装置的配置及运行计 划，降低整个系统运行时的线损，提高系统运行的经济性。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术5、电力系统电压控

18、制的主要方法概述、电力系统电压控制的主要方法概述（2）控制手段简介：）控制手段简介：针对各种影响节点电压的因素，电压针对各种影响节点电压的因素，电压控制方法无非以下几种：控制方法无非以下几种： 控制发电机端电压控制发电机端电压UG：通过控制励磁电流控制发电机端电压。同步发电机是电力系统的主要无功电源，通过调节发电机的励磁电流可以调节发电机的端电压及其输出的无功功率。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 控制变比控制变比K1和和K2：通过变压器分接头变化，主要分为普通变压器和有载调压变压器： 普通调压变压器：变压器绕组的分接抽头变化必须在停电时进行。一般情况下，容量为一般情况下，

19、容量为6300kVA及以下的变压器有三及以下的变压器有三个分接头个分接头;容量为容量为8000kVA及以上的变压器有五及以上的变压器有五个分接头。个分接头。 普通三绕组变压器一般在高、中压绕组有分接头可供选择使普通三绕组变压器一般在高、中压绕组有分接头可供选择使用。用。 高、中压侧分接头选择方法：根据变压器的运行方式分高、中压侧分接头选择方法：根据变压器的运行方式分别地或依次地逐个进行。一般先按低压侧调压要求，由高、别地或依次地逐个进行。一般先按低压侧调压要求，由高、低压侧确定好高压绕组的分接头；然后再用选定的高压绕组低压侧确定好高压绕组的分接头；然后再用选定的高压绕组的分接头，考虑中压侧的调

20、压要求，由高、中压侧选择中压的分接头，考虑中压侧的调压要求，由高、中压侧选择中压绕组的分接头。绕组的分接头。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 利用无功补偿：利用无功补偿：利用无功功率补偿降低负荷利用无功功率补偿降低负荷侧对系统的无功负荷需求，控制线路传输的侧对系统的无功负荷需求，控制线路传输的无功功率无功功率Q，主要包括：，主要包括： 普通并联电容器：普通并联电容器：包括固定式电容器和分组投切包括固定式电容器和分组投切电容器。电容器。 并联电抗器：并联电抗器：也称高抗，包括固定式电抗器和分也称高抗，包括固定式电抗器和分组投切电抗器。组投切电抗器。 SVC和和SVG：利用电力电子技术的新型并联无功利用电力电子技术的新型并联无功补偿装置。补偿装置。电力系统自动化第四章 电力系统电压和无功功率控制技术 改变线路参数：改变线路参数：在线路上串接电容器或其他补偿装置：在线路上串接电容器或其他补偿装置： 串联电容串联电容：包括固定式电容器和分组投切电容器。：包括固定式电容器和分组投切电容器。 可控串补（可控串补（TCSC）：利用电力电子技术的新型串联补偿装：利用电力电子技术的新型串联补偿装置。置。需要注意的是，装设串联电容、可控串补等装置，主要目的是需要注意的是，装设串联电容、可控串补等装置，主要目的是提高线路的输送能力，提高系统稳定水平，电压控制仅是其具提高线路