第5章 电力系统的无功功率平衡与电压调整

1、第第5章章 电力系统的无功功率平衡与电压调整电力系统的无功功率平衡与电压调整本章提示本章提示5.1 电压调整的必要性电压调整的必要性5.2 电力系统的无功功率平衡电力系统的无功功率平衡5.3 电力系统的电压管理电力系统的电压管理5.4 电压调整的措施电压调整的措施小小 结结本章提示本章提示l 调压的意义及电压的允许波动范围；调压的意义及电压的允许波动范围；l 电力系统的无功功率平衡及无功补偿装置的作用；电力系统的无功功率平衡及无功补偿装置的作用；l 电压中枢点的概念及中枢点的调压方式；电压中枢点的概念及中枢点的调压方式；l 调压的措施。调压的措施。5.1 电压调整的必要性电压调整的必要性5.1

2、.1 电压偏移对用电设备的影响电压偏移对用电设备的影响5.1.2 用户允许电压偏移值用户允许电压偏移值5.1 电压调整的必要性电压调整的必要性 电压是衡量电能质量的又一重要指标。电压是衡量电能质量的又一重要指标。 电力系统中的用电设备都是按照标准的额定电电力系统中的用电设备都是按照标准的额定电压设计制造的，因此用电设备工作在额定电压下压设计制造的，因此用电设备工作在额定电压下各项性能指标发挥得最好。各项性能指标发挥得最好。5.1.1 电压偏移对用电设备的影响电压偏移对用电设备的影响 白炽灯白炽灯：电压变动的敏感性较大电压变动的敏感性较大。 图5.1白炽灯特性曲线 图5.2 异步电动机的电压特性

3、 异步电动机：电压过低，电流显著增大，绕组温度升高异步电动机：电压过低，电流显著增大，绕组温度升高加速绝缘老化，至可能烧毁电动机。电压超过额定电压加速绝缘老化，至可能烧毁电动机。电压超过额定电压过多，对绝缘不利。过多，对绝缘不利。 电子设备：电压高降低管子寿命，电压偏低，工作点不稳电子设备：电压高降低管子寿命，电压偏低，工作点不稳 定，失真严重。定，失真严重。5.1.2 用户允许电压偏移值用户允许电压偏移值 一般规定节点电压偏移不超过电力网额定电压一般规定节点电压偏移不超过电力网额定电压 。%5 220KV用户：用户：-105； 10KV及以下电压供电的用户：及以下电压供电的用户： ；%7 3

4、5KV及以上电压供电的用户：及以上电压供电的用户：010。事故状况下，允许在上述数值基础上再增加事故状况下，允许在上述数值基础上再增加5，但正偏移最大不能超过但正偏移最大不能超过+10。5.2 电力系统的无功功率平衡电力系统的无功功率平衡5.2.1 无功功率电源无功功率电源5.2.2 无功负荷及无功损耗无功负荷及无功损耗5.2.3 无功功率平衡无功功率平衡5.2.1 无功功率电源无功功率电源1、同步发电机同步发电机 发电机运行在额定状态发电机运行在额定状态 下下（B点点）其容量可得到充分的利用。其容量可得到充分的利用。当系统中有功功率备用充足时，当系统中有功功率备用充足时，可使靠近负荷中心的发

5、电机降低可使靠近负荷中心的发电机降低有功功率，多发无功功率，以提有功功率，多发无功功率，以提高系统运行的电压水平。高系统运行的电压水平。唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率电源。唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率电源。 过励磁运行：它向系统供给感性无功，起无功电源的作用过励磁运行：它向系统供给感性无功，起无功电源的作用，过励磁运行时的容量是调相机的容量；，过励磁运行时的容量是调相机的容量； 欠励磁运行：它从系统吸取感性无功，起无功负荷作用，欠励磁运行：它从系统吸取感性无功，起无功负荷作用，欠励磁运行时的容量为过励磁运行时容量的欠励磁运行时的容量为过励磁运行时容量的5065。

6、同步调相机是旋转机械，运行维护不方便。调相机的投同步调相机是旋转机械，运行维护不方便。调相机的投资费用与其容量有关。资费用与其容量有关。2、同步调相机同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机，也就是只能发同步调相机相当于空载运行的同步电动机，也就是只能发 无功功率的发电机。无功功率的发电机。 3、静电电容器静电电容器 使用时将电容器连接成若干组，按需要成组投入或切除使用时将电容器连接成若干组，按需要成组投入或切除 其单位容量的投资费用较小，运行时有功功率损耗也较其单位容量的投资费用较小，运行时有功功率损耗也较小，约为额定容量的小，约为额定容量的0.30.5。 当节点电压下降时，它向系统

7、供给的无功功率也将下降。当节点电压下降时，它向系统供给的无功功率也将下降。C2CXUQ U1P+jQjQcPD+jQDUPRQ XUU并联电容器只能向系统供给感性无功功率。并联电容器只能向系统供给感性无功功率。4、静止补偿器静止补偿器 静止补偿器的全称为静止无功补偿器（静止补偿器的全称为静止无功补偿器（SVC) 常用的有常用的有: 晶闸管控制电抗器型（晶闸管控制电抗器型（TCR型）、晶闸管开关型）、晶闸管开关电容器型（电容器型（TSC）和饱和电抗器型（和饱和电抗器型（SR型）。型）。 电压变化时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功电压变化时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功率，以满足动态

8、无功补偿的需要。率，以满足动态无功补偿的需要。 它由静止元件组成，运行维护方便，并且有功损耗较小它由静止元件组成，运行维护方便，并且有功损耗较小（低于（低于1）。）。 静止补偿器由电容器组与可调电抗器组成，既可向系统供静止补偿器由电容器组与可调电抗器组成，既可向系统供给无功功率，也可以从系统吸取无功功率。给无功功率，也可以从系统吸取无功功率。5.2.2 无功负荷及无功损耗无功负荷及无功损耗1、无功负荷无功负荷 各种用电设备中，除白炽灯照各种用电设备中，除白炽灯照明负荷只消耗有功功率，少数明负荷只消耗有功功率，少数的同步电动机可发出一部分无的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功

9、率外，大多数都要消耗无功功率。功功率。 异步电动机在电力系统无功负异步电动机在电力系统无功负荷中占的比重很大，因此，电荷中占的比重很大，因此，电力系统综合负荷的无功电压静力系统综合负荷的无功电压静态特性主要取决于异步电动机态特性主要取决于异步电动机的特性的特性。 图图5.5 异步电动机的异步电动机的QU关系关系2、无功损耗无功损耗)()(2221222222222121212122UUBXUQPUUBXUQPQQQLLBlXl 输电线路的无功损耗输电线路的无功损耗 NToNTNTSTNoNNTSTSISSSUSIUUSSUQ100%)(100%100%)(100222 变压器的无功损耗变压器的

10、无功损耗 5.2.3 无功功率平衡无功功率平衡 电力系统的无功平衡表示式为电力系统的无功平衡表示式为 CGQQQGC QQQDGC 其中：其中： 系统中应保持一定的无功功率备用。系统中应保持一定的无功功率备用。无功功率备用容量一般可取最大无功功率负荷的无功功率备用容量一般可取最大无功功率负荷的5%8%。c Q为系统中所有无功补偿装置发出的无功功率为系统中所有无功补偿装置发出的无功功率; DQ为系统中所有负荷需要的无功功率为系统中所有负荷需要的无功功率; Q为网络元件中的无功损耗。为网络元件中的无功损耗。 GQ为系统中所有发电机发出的无功功率，为系统中所有发电机发出的无功功率， 例例5.1 求图

11、求图5.6所示简单系统的无功功率平衡。图中所示负荷为所示简单系统的无功功率平衡。图中所示负荷为最大负荷值。最大负荷值。 线路参数：线路参数： 变压器试验数据：变压器试验数据：kmr 17. 00kmx 41. 00kmSb601082. 2 7 . 2%,47, 5 .10%,20000 IKWPUKWPsS7 . 2%,47, 5 . 10%,20000 IKWPUKWPsS图5.6 例5.1的附图 在满足有功平衡的前提下，发电机按额定功率因数在满足有功平衡的前提下，发电机按额定功率因数0.85运行时可发的无功功率为运行时可发的无功功率为MVartgPQNGG182.2662. 0229.4

12、2与所需无功功率比较与所需无功功率比较: 缺缺33.587-26.182=7.405Mvar,可在负荷端设置可在负荷端设置7.405的无功补偿电源的无功补偿电源这时负荷端功率因数由这时负荷端功率因数由0.8提高到提高到0.87。 无功平衡：无功平衡：5.3 电力系统的电压管理电力系统的电压管理 5.3.1 电压中枢点的概念电压中枢点的概念 5.3.2 电枢点的电压偏移电枢点的电压偏移 5.3.3 中枢点电压的调整方式中枢点电压的调整方式 5.3.4 电压调整的基本原理电压调整的基本原理5.3.1 电压中枢点的概念电压中枢点的概念系统中的负荷点通过主要的供电点供电，因此只系统中的负荷点通过主要的

13、供电点供电，因此只要控制这些母线的电压偏移在允许范围内，各负要控制这些母线的电压偏移在允许范围内，各负荷点的电压可基本上满足要求。这些主要的供电荷点的电压可基本上满足要求。这些主要的供电点称为点称为电压中枢点电压中枢点。 电压中枢点包括：电压中枢点包括： （1）水、火电厂的高压母线；）水、火电厂的高压母线； （2）枢纽变电所的二次母线；）枢纽变电所的二次母线； （3）有大量地方负荷的发电机机压母线。）有大量地方负荷的发电机机压母线。5.3.2 中中枢点的电压偏移枢点的电压偏移中枢点电压曲线的编制中枢点电压曲线的编制: 5.3.3 中枢点电压的调整方式中枢点电压的调整方式 逆调压逆调压：在最大负

14、荷时提高中枢点电压，但不高于额定电压的：在最大负荷时提高中枢点电压，但不高于额定电压的105%105%，最小负荷时降低中枢点电压，但不低于额定电压，最小负荷时降低中枢点电压，但不低于额定电压。 适用于供电线路较长、负荷波动较大的中枢点。适用于供电线路较长、负荷波动较大的中枢点。 顺调压顺调压：在最大负荷时允许中枢点电压降低，但不低于额定：在最大负荷时允许中枢点电压降低，但不低于额定电压的电压的102.5%102.5%，在最小负荷时，允许中枢点电压升高，但不高在最小负荷时，允许中枢点电压升高，但不高于额定电压的于额定电压的107.5%107.5%。 顺调压方式适用于供电线路不长，负荷波动不大的变

15、电所。顺调压方式适用于供电线路不长，负荷波动不大的变电所。 常调压常调压（恒调压）：任何负荷下，中枢点电压保持基本不变（恒调压）：任何负荷下，中枢点电压保持基本不变，一般比网络额定电压高，一般比网络额定电压高2%2%-5%5%。5.3.4 电压调整的基本原理电压调整的基本原理调压调压方法方法： 改变发电压端电压改变发电压端电压 ； 改变变压器的变比改变变压器的变比 ； 改变功率分布，主要是改变无功功率的分布；改变功率分布，主要是改变无功功率的分布； 改变电力网络的参数。改变电力网络的参数。 2121KUQxPRKUKUKUUNGGD5.4 电压调整的措施电压调整的措施 5.4.1 改变发电机端

16、电压调压改变发电机端电压调压 5.4.2改变变压器变比调压改变变压器变比调压 5.4.3 改变电力网无功功率分布调压改变电力网无功功率分布调压 5.4.4 改变电力网的参数调压改变电力网的参数调压5.4.1 改变发电机端电压调压改变发电机端电压调压 利用发电机的自动调节励磁装置，调节励磁电流，改变利用发电机的自动调节励磁装置，调节励磁电流，改变发电机电势或端电压，发电机电势或端电压，也称为也称为改变发电机励磁调压。改变发电机励磁调压。 适用于孤立运行电厂不经升压直接供电的小型系统。适用于孤立运行电厂不经升压直接供电的小型系统。简单、经济，且不需增加额外设备。简单、经济，且不需增加额外设备。5.

17、4.2改变变压器变比调压改变变压器变比调压 改变变压器的变比就是通过改变绕组间匝数比来实现的改变变压器的变比就是通过改变绕组间匝数比来实现的这种调压措施也常叫利用变压器分接头调压。这种调压措施也常叫利用变压器分接头调压。 分接头设置在双绕组变压器的高压绕组，三绕组变压器分接头设置在双绕组变压器的高压绕组，三绕组变压器的高压绕组和中压绕组。的高压绕组和中压绕组。 绕组额定电压值对应的分接头为主分接头，其它分接头绕组额定电压值对应的分接头为主分接头，其它分接头 为附加分接头。为附加分接头。 普通变压器普通变压器一般有两个或四个附加的分接头一般有两个或四个附加的分接头35355%/6.3KV5%/6

18、.3KV变压器：变压器： 主分接头电压为主分接头电压为35KV35KV， 附加分接头电压分别为附加分接头电压分别为3535（1+5%1+5%）=36.5KV=36.5KV 35 35（1-5%1-5%）=33.25KV=33.25KV；1211212 25%/10.5kv5%/10.5kv变压器：变压器： 主分接头电压为主分接头电压为121KV121KV， 附加分接头电压分别为附加分接头电压分别为121121（1+5%1+5%）=127.05KV=127.05KV 121 121（1+2.5%1+2.5%）=124.025KV=124.025KV， 121121（1-2.5%1-2.5%）=1

19、17.95KV=117.95KV， 121121（1-5%1-5%）=114.95KV=114.95KV。 双绕组降压变压器双绕组降压变压器 变压器阻抗归算至高压侧，由变压器变比的定义可得变压器阻抗归算至高压侧，由变压器变比的定义可得1122fTNUUUKuu式中：式中： 变压器高压绕组分接头电压；变压器高压绕组分接头电压； 变压器高压母线的实际电压；变压器高压母线的实际电压； 变压器阻抗中归算到高压侧的电压损耗；变压器阻抗中归算到高压侧的电压损耗； 按调压要求变压器低压绕组电压；按调压要求变压器低压绕组电压； 变压器低压绕组额定电压变压器低压绕组额定电压。fU11UTU2u2Nu 双绕组降压

20、变压器变比的选择双绕组降压变压器变比的选择 (见算例见算例) 选择选择校验校验22max1maxmax1maxNTfUUUuu最大运行方式最大运行方式22min1minmin1minNTfUUUuu最小运行方式最小运行方式1max1min12fffavUUU算术平均值算术平均值1122fTNUUUKuu1maxmax2max21TNfUUuuU1minmin2min21TNfUUuuU 双绕组升压变压器双绕组升压变压器变比的选择（见算例）变比的选择（见算例） 变比确定和降压变压器方法一致变比确定和降压变压器方法一致 要求发电机端电压要求发电机端电压均均取额定电压，按发电机允许的电取额定电压，按

21、发电机允许的电压偏移进行校验。压偏移进行校验。NTfuuUUU2211 如果在发电机电压母线上有地方负荷，发电机一般可如果在发电机电压母线上有地方负荷，发电机一般可采用逆调压方式调压。采用逆调压方式调压。 三绕组变压器三绕组变压器变比的选择（见算例）变比的选择（见算例） 三绕组变压器高压绕组、中压绕组分接头的确定按双绕三绕组变压器高压绕组、中压绕组分接头的确定按双绕组变压器的方法分两步进行。组变压器的方法分两步进行。 首先：首先：根据低压母线的调压要求，在高根据低压母线的调压要求，在高-低压绕组之间进低压绕组之间进行计算，选取高压绕组的分接头电压行计算，选取高压绕组的分接头电压 ；fU1 其次

22、其次：根据中压母线的调压要求及选取的高压绕组分接：根据中压母线的调压要求及选取的高压绕组分接头电压头电压 ，在高，在高-中压绕组之间进行计算，选取中压绕中压绕组之间进行计算，选取中压绕组的分接头电压组的分接头电压 。确定的变比为。确定的变比为 fU1fU2NuUUff3/21 有载调压变压器（带负荷调压变压器）有载调压变压器（带负荷调压变压器）有载调压器可按式（有载调压器可按式（5.11）或式（）或式（5.14）计算各种运）计算各种运行方式下变压器的分接头电压。行方式下变压器的分接头电压。有载情况下更换分接头，且分接头个数较多。有载情况下更换分接头，且分接头个数较多。 电压为电压为110KV及

23、以下的有载调压器，有及以下的有载调压器，有7个分接头个分接头 电压为电压为220KV的有载调压器有的有载调压器有9个分接头个分接头 如有特殊需要，制造厂可提供更多数量分接头如有特殊需要，制造厂可提供更多数量分接头5.4.3 改变电力网无功功率分布调压改变电力网无功功率分布调压 图中，阻抗为归算到高压侧的线路和变图中，阻抗为归算到高压侧的线路和变压器总阻抗，忽略线路电纳和变压器的压器总阻抗，忽略线路电纳和变压器的空载损耗。空载损耗。图5.11 电力网的无功补偿变电所未装并联补偿前，电力网首端电压为变电所未装并联补偿前，电力网首端电压为22221UXQRPUU变电所装有容量为变电所装有容量为 的并

24、联补偿装置后，电力网首端电压为的并联补偿装置后，电力网首端电压为bQccUXQRPUU22221若若 不变，则不变，则1U222222222UXQRPUXQRPUUUXQCCCb 上式中等号右侧第二部分较小上式中等号右侧第二部分较小, ,可略去可略去, ,于是：于是：图5.11 电力网的无功补偿222bcQCUUUX 经过补偿后变电所低压侧要求保持的实际电压为经过补偿后变电所低压侧要求保持的实际电压为 , ,则则 cu2cCKuU22KKUuXuUuKXuKcCccQb222222说明：高压侧电压用大写符号说明：高压侧电压用大写符号, ,低低压侧电压用小写符号压侧电压用小写符号, ,补偿后的参

25、补偿后的参数在下标加字母数在下标加字母”c”.c”.222222222UXQRPUXQRPUUUXQCCCb1、装设并联电容器装设并联电容器（见算例（见算例） 首先首先：按最小负荷时没有补偿，并根据调压要求计：按最小负荷时没有补偿，并根据调压要求计算变压器分接头电压，选取标准分接头，确定变比算变压器分接头电压，选取标准分接头，确定变比其次其次：按最大负荷时的调压要求及选定的变比，计：按最大负荷时的调压要求及选定的变比，计算所需的补偿容量算所需的补偿容量最后最后：根据变比和选定的并联电容器容量，校验实：根据变比和选定的并联电容器容量，校验实际的电压变化。际的电压变化。首先首先：确定变压器的变比：确定变压器的变比K最大负荷时，最大负荷时按额定容量过励磁运行最大负荷时，最大负荷时按额定容量过励磁运行最小负荷时，按额定容量的最小负荷时，按额定容量的5060%欠励磁运行欠励磁运行解出解出K，接，接K值确定最接近的分接头电压值确定最接近的分接头电压 ，确定实际变比，确定实际变比其次其次：确定调相机的容量：确定调相机的容量将变比将变比K代入式（代入式（5.20）或（）或（5.21）根据产品目录