第六章电力系统的无功功率和电压调整

1、 l有功电源：只有发电机组，单一性。无功电源：发电机组，无功补偿装置（电容器组、电抗器组、调相机、静止补偿器等）（变电站），多样性。l有功电源供应有功功率和电能需要消耗一次能源。无功电源不消耗一次能源。l全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只有调整原动机功率一种。电压水平则全系统各点不同，而且电压调整可分散进行，调压手段也多种多样。 电压无功调整的基本原则：分层分区调整与无功的就地平衡l电网中，无功损耗远大于有功损耗。 无功损耗远大于有功损耗无功损耗远大于有功损耗222PQPRU222PQQXUXRQP l6.1.1 6.1.1 无功负荷和无功损耗无功负荷和无功损耗 6.1.1 无功

2、负荷和无功损耗无功负荷l照明、电热照明、电热，消耗消耗感性无功感性无功QL小小。l同步电动机，过激运行，发同步电动机，过激运行，发QL ；欠激运行，；欠激运行，吸收吸收QL 。比例小。比例小l异步电动机异步电动机，消耗消耗QL ，比例很大。，比例很大。综合负荷功率因素综合负荷功率因素，0.60.9，吸收感性无功吸收感性无功6.1.1 无功负荷和无功损耗无功损耗1 22220 =0 0 LLLNLLPQj QjXUj QjblUSQQQSS 线路电抗消耗的感性无功 线路对地电容消耗的容性无功线路传输功率自然功率自然功率自然功率0=1001001002222ktkNTZTT22NTNTYTNTSS

3、 U %UU %SSQX()UUSSI %Q =S绕组：激磁: 线路变压器l发电机发电机l并联电容器并联电容器l并联电抗器并联电抗器l调相机调相机l静止补偿器（SVC）Static Var Compensatorl静止调相机（STATCON）Static Condenserl电容器、调相机、静止补偿器的比较 见书Page-247调节方式：连续、离散输出无功：感性、容性输出无功与系统电压关系：有关、无关发电机、并联电容器并联电容器l发电机发电机：通过改变励磁：通过改变励磁电流，可连续调节无功，电流，可连续调节无功，且且可吸可发可吸可发Q QL L，不需额，不需额外投资。外投资。 PSNQNPNQ

4、0,发QL 并联并联电容器：电容器：QCBCU2 ， 输出无功与电压有输出无功与电压有关，电压越高，输出无功越大，不利于无功调关，电压越高，输出无功越大，不利于无功调节节。只发只发QL 调相机、并联电抗器 并联电抗器：与并联电容器雷同，但只吸并联电抗器：与并联电容器雷同，但只吸QL 。用于超高压、长距离、轻载线路。用于超高压、长距离、轻载线路。 调相机：过激运行，发调相机：过激运行，发QL ；欠激运行，吸收；欠激运行，吸收QL 。输出无功与。输出无功与U无关，可连续调节，但投资无关，可连续调节，但投资大，运行维护困难。大，运行维护困难。 TCRSVC TSCSR ：晶闸管控制电抗器型：晶闸管开

5、关电容器型： 饱和电抗器型SVC：Static Var Compensator；TCR：Transistor Controlled ReactorTSC ：Transistor Switched Capacitor； SR ：Saturated ReactorCLfCTCR（a）TCR型（b）TSC型CLfCSRCSC（b）SR型不可控，限制电压波动晶闸管代替机械开关滤波器TCRUminILmax0ICmaxCUI0ICUn=1n=2n=3ILSRUminIL0ICCUISR+CSCTSCTCRSRlTCR：通过TCR 中晶闸管开关的控制，连续调节其吸收的IL；结合电容器，可吸可发ILlTSC

6、：通过晶闸管开关的切换，调节其吸收的IC（即输出IL ）；只能输出ILlSR：根据SR的伏安特性，自动调节其吸收的IL。结合电容器，可吸可发ILLUIU吸收 k：1逆变器CAaI k：1aULjXIAU优点，输出Q与U无关，且可快速连续调节无功，可吸可发。缺点：投资大，目前处于实验阶段 )()/(aALaALAII= U k UjXj U k U /XS=U aAAaALSSaASaA=UUS =Uj(kU -U )/XjQQ0ifkUUQ0ifkUU若与同相位，则： l有功电源不足，相应的有功平衡，意味着频率的下降l无功电源不足，相应的无功平衡，意味着电压的下降PLff1fNKGKCPGNP

7、GA、B两平衡点， B点电源不足，频率（电压）小于额定值ABQ0UUUNQL+Q QGCQGCNABl负荷的自然功率因数大约为0.60.9，其中较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合 。而负荷中，比例最大的异步电动机，其负荷率愈低，功率因数愈低。因此，当异步电动机轻载或空载运行时，其功率因数甚至低于0.6。l提高负荷功率因数的措施：(1)尽量使电动机的容量与其机械负载匹配，避免大马拖小车。(2)限制电动机的空载运行。(3)以同步电动机代替异步电动机。因同步电动机不需系统供应无功功率，甚至还可向系统输出无功功率。(4)绕线式异步电动机的场合，将异步电动机同步化，即在转子绕组中通以直流励磁。

8、l电压偏移过大，影响生活、生产、产品质量和电压偏移过大，影响生活、生产、产品质量和产量，损坏设备，甚至大面积停电。电压过高，产量，损坏设备，甚至大面积停电。电压过高，设备绝缘受损，同时变压器、电动机等的铁芯设备绝缘受损，同时变压器、电动机等的铁芯损耗增大，稳升增加，寿命缩短。电压过低，损耗增大，稳升增加，寿命缩短。电压过低，功率一定时，发电机、电动机和变压器的绕组功率一定时，发电机、电动机和变压器的绕组电流增大，也会损坏设备，影响寿命。电压波电流增大，也会损坏设备，影响寿命。电压波动，影响照明设备的效率，冶炼产品的的质量动，影响照明设备的效率，冶炼产品的的质量和产量，而对枢纽变电站，严重时可能

9、引起和产量，而对枢纽变电站，严重时可能引起“电压崩溃电压崩溃”，造成大面积停电。，造成大面积停电。 电压波动电压波动l频率调整时将负荷的波动及其引起频率的偏移分成三种，而电压调整时，将负荷的波动及其引起电压的偏移分成两种。l（1）周期长、波及面大，主要由生产、生活、气象变化引起的负荷和电压变动。l（2）冲击性或者间歇性负荷引起的电压波动。这类负荷主要有往复式泵（压缩机）、电弧炉（电焊机）、卷扬机（起重机）、通风设备。 *l（1）大系统单独供电l（2）串联电容器补偿l（3）调相机补偿l（4）SR补偿 *一般负荷冲击负荷电源输电系统CS电源输电系统一般负荷冲击负荷（3）调相机补偿（2）串C电源输电

10、系统一般负荷冲击负荷（4）SR补偿 * l对象：针对具有周期长、波及面大、可预见性和可控性特点的电压变动。引起的主要原因：（1）生产、生活、气象变化引起的负荷变动。（2）结线改变、设备退出而造成网络阻抗和潮流分布的变化。l地点：电压中枢点电压中枢点 系统电压的直接监视、调整点，通常是反应系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电站母线。 l中枢点电压曲线的编制 确定中枢点的电压允许波动范围l中枢点电压的调整方式* iUikUijjk(a)081624Sj(b)hour0816 24Sk(c)hour日负荷曲线负荷点位置 081624Uij(d)hour0.04UN0.10UN240816Uikhour

11、0.01UN0.03UN0816 24Uhour1.05UN0.95UNUN日电压损耗曲线允许电压偏移(e) 0.99 1.0910.96 1.06(0.99)iNNNiNNNiiiNU jUUUU kUUUUU jU kU（）（0.951.05）0.04（ ）（0.951.05）0.0 （） （ ）1.06(1.05)iNiNiNU jUU kUUU（）（1.051.15）（ ）（0.961.06）1.06(1.05)iNiNiNU AUU BUUU（ ）（1.051.15）（ ）（0.981.08）1.081624点 08点 816点 0.98UN1.06UN24hour1.09UN081

12、.15UN1.08UN1.05UNUN0.99UN0.96UNUi16中枢点电压曲线 l逆调压 顺调压 常调压：对任意负荷，保持电压基本不变 故障时的允许电压偏差： 00 1.05 1.0maxNminNSUUlSUU适 用 范 围 ：长 ， 负 荷 变 动 大00 1.025 1.075maxNminNSUUlSUU适用范围：短，负荷变动小01.021.05 NNUUU10%iU Umin2=2.4%UGUmax=10%Umin=4%Umax=4%Umin=1.6%Umax2=6%k*:1maxSminS5%0-4%-5%-5.6%-9%+4.4%+1%+2%-5%UG逆调压k*=1/1.1

13、低压侧升压10%l是一种最直接的最经济的调压方式，不需新增投资，只需改变发电机励磁电流。l对于多级供电网络，如果沿线电压损耗过大，或者负荷端电压的变化过大，则仅靠发电机调压，不能满足电压质量要求。 基本概念基本概念maxmaxminminTTSUUS3 2.5 17TNUU7个4 29个8 1.25个 m inm axttUU5% 32 2.5% 5TNUU个个有载调压变压器有载调压变压器，可带负荷调压，抽头多无载调压变压器无载调压变压器，不可带负荷调压，抽头少107.25 1(12.5%)110 (12.5%)110 0112.75 1TNifnUnnifnifn THHTLLUUkUUUT

14、N：主抽头电压（或额定抽头电压） 变压器的实际变比与抽头电压和实际电压的关系变压器的实际变比与抽头电压和实际电压的关系 基本概念基本概念理想变压器高低压侧抽头电理想变压器高低压侧抽头电压之比等于其实际电压之比压之比等于其实际电压之比 基本概念基本概念变压器阻抗为低压侧归算值12k：1图6-4-11TZ12k：1图6-4-2TZ2变压器阻抗为高压侧归算值1222TTUUkUU高压侧低压侧高压侧低压侧1121TTUUkUU 降压变抽头选择问题降压变抽头选择问题l已知电压U0，负荷点2的功率，线路阻抗ZL，变压器的阻抗ZT、抽头型号UT1Nnd%/UT2N =11022.5%/11，负荷点2的逆调压

15、逆调压要求，试确定变压器高压侧抽头电压高压侧抽头电压UT1和变比和变比 k=UT1/UT2N 012TL图6-4-3 简单系统maxmaxminminPjQPjQ 降压变抽头选择步骤降压变抽头选择步骤 l（1）画等值电路l（2） 电压损耗计算l（3）抽头电压计算l（4）抽头电压计算值的归档l（5）变比的确定l（6）变比选择的效验 等值电路等值电路图6-4-4 简单系统的等值电路012k：1ZLZTPmax+jQmaxPmin+jQmaxRjXU0U2U2U2理想变压器 电压计算电压计算maxmaxmax0minminmin0NNPRQXUUPRQXUU2max0max2min0minUUUUU

16、U 理想变压器高压侧实际电压计算理想变压器高压侧实际电压计算 抽头电压计算2max1max1maxmax2 max22min1min1minmin2 min22max2min1max21min22 max2 min; 11 (); 11, TTdTTTdTNTTNTTNddUUUkUUUUUkUUUUUUUUUU变压器高压侧抽头电压等于实际变比乘以低压侧抽头电压变压器高压侧抽头电压等于实际变比乘以低压侧抽头电压 抽头电压计算1max1min12TTTUUU无载调压变压器：无载调压变压器：不能带负荷调压，大小负荷状态只允许一个抽头电压不能带负荷调压，大小负荷状态只允许一个抽头电压 抽头电压计算值

17、的归档抽头电压计算值的归档l按照四舍五入原则，将抽头电压的计算值园整为标准按照四舍五入原则，将抽头电压的计算值园整为标准值值l如：本例中，抽头型号11022.5%/11，相应的标准抽头电压有104.5、107.25、110、112.75、115.5。若抽头电压计算值UT1=106，则UT1标=107.25；即选择最接近UT1的一个标准抽头电压来进行归档。 变比的确定maxmin21max21maxmin21min / /TNTTNTTNTifkkUUkUUifkUU标标标无载变 有载变 无载调压变压器：无载调压变压器：大小负荷状态只允许一个变比大小负荷状态只允许一个变比有载调压变压器：有载调压

18、变压器：大小负荷状态允许两个不同的变比大小负荷状态允许两个不同的变比 2max2maxmax2min2minmin/UUkUUk效验的标准2max2 max2min2 mind%2ddUUUU标准化误差不可能使允许偏差平均误差 本例：U2dmin=U2N=10kV，U2dmax=1.05U2N=10.5 kV，d=2.5，则允许误差为1.25%。即： 2max2N2N2min2N2N100%(5)%(3.756.25)%2100%(0)%( 1.251.25)%2UUdUUUdU l电压损耗的计算，没有考虑功率损耗和压降横分量，没有考虑线路和变压器对地导纳，且采用额定电压进行计算。 变压器阻抗

19、高压侧归算值的恒定近似，不考虑抽头电压变化的影响2211%100100kT NkT NTTNNTNTNTPUUUZZjSSSmaxmaxminminmaxmin00; NNPRQXPRQXUUUU l已知节点0的电压和功率，线路阻抗ZL，变压器的阻抗ZT、抽头型号UT1Nnd%/UT2N =12122.5%/10.5，负荷点2的逆调压要求，试确定变压器的变比。图6-4-5 简单系统2TL10Pmax+jQmaxU2dmaxPmin+jQminU2dmin l对于升压变，由于已知同一点0的功率和电压，因此在进行电压损耗的计算时，应该采用精确公式。另外，由于功率方向不同，计算理想变压器高压侧电压也

20、不同。其它方面，包括选择和效验都一样。 0121：kZLZT图6-4-6 简单系统的等值电路Pmin+jQminPmax+jQmaxRjXU0U2U2U2关键还是确定理想变压器高压侧电压关键还是确定理想变压器高压侧电压 maxmaxminminmaxmin00; PRQXPRQXUUUU2max0max2min0min; UUUUUU降压变用降压变用U0N降压变用降压变用“-” l已知电压Ui，节点j的功率（Pj+jQj），线路和变压器阻抗，变比k，目标是选择k、QC，使Ujc=Ujcd图6-24具有并联补偿设备的简单系统iTTjLcjQjjPjQ图6-25等值电路iU1:kiUTZLZTZj

21、U:1kjURjXcjQjjPjQ理变理变理想变压器高压侧电压理想变压器高压侧电压jjijjP RQ XUUU;jjcjjcQQQ UU()jjcijcjcPRQQ XUUU补偿前补偿前补偿后补偿后相减相减 jcjjjjcjcjjcjjcjcjUPRQ XPRQ XQUUXUUUUUX2; /jcjcdjcdjcdcjcdjjcdjUk Uk Uk UQk UUUUkXX目标：目标：Ujc=Ujcd 1、结合变比与静止电容器的组合调压原则：按最小负荷时电容器全部退出的调压要求来确定变压器分接头，然后按最大负荷时的调压要求来确定电容器容量。2、结合变比与调相机的组合调压原则：最小负荷时调相机吸收感性无功，容量为QSC/2；最大负荷时调相机发出感性无功，容量为QSC。根据调压要求同时确定变比k和调相机容量QSC。 l已知Uimax、Uimin、Pjmax、Qjmax、Pjmin、 Qjmin，线路和变压器阻抗，目标是选择k、QC，使 Ujmax=Ujdmax , Ujmin=UjdminiTjLPmax+jQmaxPmin+jQmi