第12章电力系统无功功率平衡和电压调整

1、p 电力系统的无功功率平衡电力系统的无功功率平衡u 无功负荷和无功电源及其无功电压特无功负荷和无功电源及其无功电压特性性u 无功功率平衡与电网电压水平的关系无功功率平衡与电网电压水平的关系p 电压调整的基本概念电压调整的基本概念u 允许电压偏移允许电压偏移u 中枢电压管理中枢电压管理p 电压调整的措施电压调整的措施p 调压措施的应用调压措施的应用第第12章章 电力系统的无功功电力系统的无功功率平衡和电压调整率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压是衡量电压是衡量电能质量电能质量的重要指标。的重要指标。 电力系统的电力系统的运行电压水平运行电压水平取决

2、于取决于无功功率的平衡无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功出力系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗应能满足系统负荷和网络损耗在额在额定电压下定电压下对无功功率的需求，否则对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。电压就会偏离额定值。 电压偏移过大对电压偏移过大对电力系统本身电力系统本身以及以及用电设备用电设备会带来不良的影响。会带来不良的影响。（1）效率下降，经济性变差。）效率下降，经济性变差。（2）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。（3）电压过低，电机发热。）电压过低，电机发热。（4）系统电压崩溃）系统电压崩溃电力系统的无功功

3、率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率负荷无功功率负荷p 异步电动机异步电动机u 等值电路等值电路u 因为异步电动机在电力系统负荷（特别是无功负荷）中占比因为异步电动机在电力系统负荷（特别是无功负荷）中占比重很大，重很大，系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定mjXjXRsIIV22MmmVQQQI XXu 异步电动机的无功功率和有功功率异步电动机的无功功率和有功功率u 异步电动机的无功电压特性异步电动机的无功电压特性受载受载系数系数负载不变负载不变电压降低电压降低无功损耗无功损耗反而升高反而升高2M(1)I RPssMNPP受饱

4、和影响，受饱和影响，励磁功率稍高励磁功率稍高于二次曲线于二次曲线电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率负荷无功功率负荷p 变压器的无功损耗变压器的无功损耗TjBTTRjXITG1V2V22LT0TTT220SNNN% 100100SQQQV BXVIVSVSSV u 变压器的无功损耗变压器的无功损耗u 变压器等值电路变压器等值电路p 输电线路的无功损耗输电线路的无功损耗22221122L221222B12222222LB122222PQPQQXXVVBQVVPQBQQXVVV u 输电线路的无功消耗输电线路的无功消耗u 输电线路等值电路输电线路等值电路2BjL

5、LRjX1V2V11PjQ22PjQ2Bj35kV及以及以下线路充下线路充电功率很电功率很小，小，消耗消耗无功功率无功功率；110kV及以及以上线路轻上线路轻载时为载时为无无功电源功电源，重载时重载时消消耗耗无功功无功功率。率。p无功需求比重大：无功需求比重大：空载电流空载电流I0%=2.5，短路，短路电压电压VS%=10.5，在额定满载下运行时，无功，在额定满载下运行时，无功消耗将达额定容量的消耗将达额定容量的12%。电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率电源无功功率电源p 发电机发电机P-Q极限极限djXNIENV_sincosdNNGNdNNGNABX

6、IQADX IP受额定励磁电流限受额定励磁电流限制，制，发电机电抗压发电机电抗压降限值降限值，以，以O点为点为圆心，圆心，OC为半径为半径进相运行的稳进相运行的稳定约束和定子定约束和定子绕组端部温升绕组端部温升受定子额定电流限受定子额定电流限制，制，发电机电抗压发电机电抗压降限值降限值，以，以A点为点为圆心，圆心，AC为半径为半径u OC空载电势空载电势u OA机端电压机端电压u AC发电机电抗发电机电抗压降，正比于视压降，正比于视在功率；在功率；u AD正比于机端正比于机端有功功率有功功率u AB正比于机端正比于机端无功功率无功功率u DC原动机输入原动机输入功率（额定有功功率（额定有功功率

7、）约束功率）约束NGNNGNGNtgPSQ sinp发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数（即运行点发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数（即运行点C）下运行时）下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率电源无功功率电源u 旋转元件旋转元件，运行维护复杂；，运行维护复杂；u 有功损耗较大有功损耗较大，满负荷时约为额定容量的，满负荷时约为额定容量的1.5%5%，容量越小，比例越大；，容量越小，比例越大；u 小容量机组投资费用高（每小容量机组投资费用

8、高（每kVA），仅利于集中），仅利于集中大容量使用大容量使用；u 响应速度较慢，响应速度较慢，难以适应动态无功控制难以适应动态无功控制的要求的要求u 20世纪世纪70年代后，逐渐年代后，逐渐为静止无功补偿器取代为静止无功补偿器取代；djXIEVEVIdjX IVEIdjX Ip 同步调相机同步调相机u 过励磁过励磁运行，向电网输出感性无功功率；运行，向电网输出感性无功功率；u 欠励磁欠励磁运行，从电网吸收感性无功功率；运行，从电网吸收感性无功功率；u 欠励磁最大容量为过励磁容量的欠励磁最大容量为过励磁容量的50%65%；u 装有装有自动励磁自动励磁，可实现无功电压连续调节；，可实现无功电压连续

9、调节；u 具有强励功能具有强励功能，可调节系统电压，有利于提高稳定性，可调节系统电压，有利于提高稳定性电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率电源无功功率电源p 静电电容器静电电容器u 输出无功与节点电压平方成正比，输出无功与节点电压平方成正比，无功功率调节性能较差无功功率调节性能较差；u 装设容量可大可小，装设容量可大可小，既可集中安装，亦可分散安装既可集中安装，亦可分散安装；u 单位容量单位容量投资费用较小投资费用较小，与总容量无关；，与总容量无关；u 运行运行功率损耗小功率损耗小，约为额定容量的，约为额定容量的0.3%0.5%；u 无旋转元件无旋转元件，运

10、行维护方便；，运行维护方便；u 可根据负荷变化，分组投切电容器，可根据负荷变化，分组投切电容器，实现补偿功率的分级调节实现补偿功率的分级调节（不连续）；（不连续）；u 目前广泛目前广泛低压配网中广泛采用低压配网中广泛采用的无功补偿技术的无功补偿技术u 工程上遇到由于谐波引起的电容器损坏事故较为突出，值得关注工程上遇到由于谐波引起的电容器损坏事故较为突出，值得关注QC=V 2/XC电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率电源无功功率电源p 静止无功补偿器静止无功补偿器饱和电抗器型静止补偿器饱和电抗器型静止补偿器p静止补偿器由静止补偿器由静电电容器静电电容器与与电抗

11、器电抗器并联组成并联组成电容器电容器可发出无功功率，可发出无功功率，电抗器电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的以适当的调节装置调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率电源无功功率电源p 静止无功补偿器静止无功补偿器晶闸管控制电抗器型静止补偿器晶闸管控制电抗器型静止补偿器uTCR支路正支路正负半周内部分负半周内部分导通导通u等值电感可等值电感可连续调节连续调节u有谐波有谐波电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平

12、衡和电压调整无功功率电源无功功率电源p 静止无功补偿器静止无功补偿器晶闸管投切电容器型静止补偿器晶闸管投切电容器型静止补偿器uTSC：整周：整周波投切，不产波投切，不产生谐波生谐波u分级调节分级调节u快速响应快速响应电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率电源无功功率电源p 静止无功补偿器静止无功补偿器静止无功发生器（静止无功发生器（SVG：Static Var Generator）djXIAVSVAVSVIdjX ISVAVIdjX Iu 与与SVC相比，响应速度更快，运行范相比，响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更少围更宽，谐波电流含量更少u 电压较低

13、时仍可向系统注入较大的无电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流功电流u 储能电容的容量远小于装置无功容量储能电容的容量远小于装置无功容量电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率平衡无功功率平衡p 无功功率平衡的基本概念无功功率平衡的基本概念u 无功平衡的基本要求：无功平衡的基本要求：系统无功电系统无功电源容量大于无功负荷与无功损耗之源容量大于无功负荷与无功损耗之和，并具有备用容量和，并具有备用容量GCLDLresQQQQu 无功电源总出力包括无功电源总出力包括发电机发电机无功功无功功率和各种率和各种无功补偿设备无功补偿设备的无功功率的无功功率GCGCQQQu 发

14、电机无功功率按发电机无功功率按额定功率因数额定功率因数计算计算u 无功负荷按照负荷无功负荷按照负荷有功功率和功率因有功功率和功率因数计算，数计算，35kV及以上电压等级要求功及以上电压等级要求功率因数要达到率因数要达到0.9以上。以上。LLTLBQQQQu 无功功率分地区、分电压等级就地无功功率分地区、分电压等级就地平衡平衡避免无功大容量远距离传送避免无功大容量远距离传送222LPQPRVPRQXVV 超高压线路并联高压电抗：超高压线路并联高压电抗：90%QB 变电站低容低抗、配电网电容补偿变电站低容低抗、配电网电容补偿 无功平衡应分别按最大和最小负荷计算无功平衡应分别按最大和最小负荷计算 小

15、容量的采用电容器，大容量的调相机小容量的采用电容器，大容量的调相机或补偿器或补偿器u 无功损耗包括变压器损耗、输电线无功损耗包括变压器损耗、输电线路电抗损耗和线路电纳的损耗路电抗损耗和线路电纳的损耗电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率平衡无功功率平衡p 无功功率平衡与电压水平的关系无功功率平衡与电压水平的关系sinEVPX2cosEVVQXXjXIEVPjQEVIjXIQVaVaV1122aacO222EVVQPXXu P为一定值，为一定值，Q(V)特性曲线为下开口抛物线；特性曲线为下开口抛物线；u 调节励磁电流，改变调节励磁电流，改变E可调整可调整Q(V)

16、特性特性u 系统无功电源输出不足，运行电压水平偏低；系统无功电源输出不足，运行电压水平偏低；u 系统无功电源输出过剩，运行电压水平偏高；系统无功电源输出过剩，运行电压水平偏高；u 实现实现额定电压水平额定电压水平下的无功功率平衡，据此配下的无功功率平衡，据此配置无功电源设备置无功电源设备QGC=QLD+QL p在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？ cossinsincosEXIVEXI XVXEVVIQXEVVIP2cossinsincos电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整无功功率平衡无功功率平衡p 无功功率平衡与电压水平的

17、关系无功功率平衡与电压水平的关系-Ex12-240X PjQ1V2VLDLDPjQ222122VVVQPXX21LDLDLD-NNLD NLD N115kV, 40MW, MMvarVVPQQVQVQV-2-2已知：；（1）若=20var，试根据无功功率平衡条件确定 ；（2）若增加10，试确定22LD-2LD-N110VQQMvarQkVV3025201510102104106108110LD-1( )QVLD-2( )QV( )Q VV2/kV103104105106107Q/Mvar28.1925.9123.5921.2118.79QLD-117.5417.8818.2218.5718.9

18、2QLD-226.3026.8227.3327.8628.39电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的基本概念电压调整的基本概念p 电压偏移过大的危害电压偏移过大的危害u 电压偏低电压偏低对系统和用户的影响对系统和用户的影响 电动机输出转矩降低或定子电电动机输出转矩降低或定子电 流增大，失速甚至停转；流增大，失速甚至停转； 电热设备生产效率降低电热设备生产效率降低 照明光线不足，影响人的视力照明光线不足，影响人的视力 网络功率和能量损耗增加网络功率和能量损耗增加 降低系统运行的稳定性降低系统运行的稳定性u 电压偏高电压偏高对系统和用户的影响对系统和用户的影响

19、电气设备绝缘受损，寿命缩短电气设备绝缘受损，寿命缩短 超高压网络电晕损耗超高压网络电晕损耗p 允许电压偏移允许电压偏移u 35kV及以上供电电压：正、负偏移的及以上供电电压：正、负偏移的绝对值之和不超过绝对值之和不超过10%VN；上下偏移上下偏移同号时，按较大偏移绝对值衡量同号时，按较大偏移绝对值衡量u 10kV及以下三相供电电压：及以下三相供电电压：7%VNu 220V单相供电电压：单相供电电压：+7% -10%VNp 造成电压偏移的原因造成电压偏移的原因（1）设备及线路压降）设备及线路压降（2）负荷波动）负荷波动（3）运行方式改变）运行方式改变（4）无功不足或过剩）无功不足或过剩 电力系统

20、的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的基本概念电压调整的基本概念p中枢点的电压管理中枢点的电压管理u中枢点的概念中枢点的概念电压中枢点：电压中枢点：指那些能够反映和控制整指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）。个系统电压水平的节点（母线）。区域性水、火电厂高压母线区域性水、火电厂高压母线枢纽变电所的二次母线枢纽变电所的二次母线有大量地方负荷的发电机电压母线有大量地方负荷的发电机电压母线例：中枢点中枢点中枢点中枢点minmaxmaxmaxminminmaxminVVVVVVVVViiiiip确定中枢点电压的允许变化范围确定中枢点电压的允许变化范围电力系统的

21、无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的基本概念电压调整的基本概念p 中枢点的电压管理中枢点的电压管理确定允许电压运行范围确定允许电压运行范围OAASBBSVA：(0.951.05)VN时间时间VOAVOA080.040.991.098240.11.051.15VB：(0.951.05)VN时间时间VOBVOB0160.010.961.068240.030.981.08N0.01VN0.03VN0.1VN0.04VVAVBV081624/ t h081624/ t h0.960.991.061.090.981.051.081.15NV V081624/ t hminAS

22、maxASminBSmaxBSS1%OBBOVVVOAAOVVV电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的基本概念电压调整的基本概念p 中枢点的电压管理中枢点的电压管理调压方式调压方式u 逆调压逆调压(1-1.05VN) 大负荷时，线路电压损耗大，提高中枢点电压，使负荷点电压不至太低；大负荷时，线路电压损耗大，提高中枢点电压，使负荷点电压不至太低； 小负荷时，线路电压损耗小，降低中枢点电压，使负荷点电压不至太高；小负荷时，线路电压损耗小，降低中枢点电压，使负荷点电压不至太高； 考虑发电机电压一定，大负荷时中枢点电压会低一些，小负荷时则高一些，考虑发电机电压一定，

23、大负荷时中枢点电压会低一些，小负荷时则高一些，因此，逆调压要求较高，较难实现；因此，逆调压要求较高，较难实现；u 顺调压顺调压(1.025-1.075VN) 大负荷时，允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的大负荷时，允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的102.5%； 小负荷时，允许中枢点电压高一些，但不高于线路额定电压的小负荷时，允许中枢点电压高一些，但不高于线路额定电压的107.5%；u 恒调压恒调压(1.02-1.05VN) 任何情况下，维持中枢点电压大约恒定，一般较线路额定电压高任何情况下，维持中枢点电压大约恒定，一般较线路额定电压高2%5%；PRQXVV电力系统的无功功率

24、平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的原理和措施电压调整的原理和措施p 电压调整的基本原理电压调整的基本原理u 调节励磁电流改变调节励磁电流改变VGu 适当选择变压器变比适当选择变压器变比ku 改变线路参数改变线路参数u 改变无功功率分布改变无功功率分布1:k1VGk2:1VbGR+jXP+jQ1212bGGPRQXVV kVkV kkVp 电压调整的措施电压调整的措施u 发电机调压发电机调压u 改变变压器变比改变变压器变比u 无功补偿调压无功补偿调压 采用静电电容器采用静电电容器 采用同步调相机采用同步调相机4%2%G4%2%3%1%10%5%8%3%6%2%110kV31

25、0kV380Vu 多级变压供电系统的电压损耗分布与多级变压供电系统的电压损耗分布与发电机调压发电机调压 适合于由适合于由孤立发电厂孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网不经升压直接供电的小型电力网 机端电压允许偏移：机端电压允许偏移：5%VGN，可采用逆调压；，可采用逆调压； 复杂电力系统中，发电机调压一般作为辅助性调压措施复杂电力系统中，发电机调压一般作为辅助性调压措施电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的原理和措施电压调整的原理和措施2121121;tTTTTTNVVVVVPRQXVVVVVku 改变变压器变比调压改变变压器变比调压 降压变压器分接头选择

26、降压变压器分接头选择1 max1maxmax22max1 min1minmin22min11 max1 min2tTNtTNt avttVVVVVVVVVVVVVV1RT+jXTP+jQV221tNkVV 升压变压器分接头选择升压变压器分接头选择2121121;tTTTTTNVVVVVPRQXVVVVVk1 max1maxmax22max1 min1minmin22min11 max1 min2tTNtTNt avttVVVVVVVVVVVVVk:1V2RT+jXTP+jQV112NtVV1:kG 根据计算得到的分接头电压选择最接近的变压器分接头额定电压；根据计算得到的分接头电压选择最接近的变

27、压器分接头额定电压；电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的原理和措施电压调整的原理和措施u 改变变压器变比调压改变变压器变比调压 采用固定分接头的变压器调压，采用固定分接头的变压器调压，电压损耗不会改变电压损耗不会改变，负荷变化时次级电压负荷变化时次级电压变化幅度也不会改变变化幅度也不会改变； 如果电压损耗超过分接头可调整范围（如果电压损耗超过分接头可调整范围（5%），或者调压要求与实际的），或者调压要求与实际的相反（如逆调压），采用普通变压器的分接头调整将无法满足调压要求；相反（如逆调压），采用普通变压器的分接头调整将无法满足调压要求； 采用采用有载调压方

28、式有载调压方式，可根据负荷状态确定合适分接头，从而缩小次级电压，可根据负荷状态确定合适分接头，从而缩小次级电压变化幅度，甚至改变电压变化趋势；变化幅度，甚至改变电压变化趋势； 可用于有载调压的有：有载调压变压器和加压调压变压器；可用于有载调压的有：有载调压变压器和加压调压变压器； 有载调压变压器：有载调压变压器：可带负载调节分接头，分接头调节范围比较大；可带负载调节分接头，分接头调节范围比较大； 加压调压器：加压调压器：与主变压器配合使用，相当于有载调压变压器；与主变压器配合使用，相当于有载调压变压器；电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的原理和措施电压调整

29、的原理和措施u 改变变压器变比调压改变变压器变比调压 采用固定分接头的变压器调压，采用固定分接头的变压器调压，电压损耗不会改变电压损耗不会改变，负荷变化时次级电压负荷变化时次级电压变化幅度也不会改变变化幅度也不会改变u 改变变压器变比调压改变变压器变比调压 当系统无功功率不足时，首先应装设无功功率补偿设备当系统无功功率不足时，首先应装设无功功率补偿设备 目前我国暂定，目前我国暂定，110kV级的调压变压器有级的调压变压器有7个分接头，即个分接头，即VN32.5%；220kV级的有级的有9个分接头即个分接头即VN42.0%。电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整

30、的原理和措施电压调整的原理和措施122122CccPRQXVVVPRQQXVVVu 利用无功补偿调压利用无功补偿调压V1V2R+jXP+jQjQCV1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC2cV22222cCccVPRQXPRQXQVVXVV222cCcVQVVX22ccVkV 2222222ccCcckVk VVQkVVVXXku 补偿容量与调压要求和补偿容量与调压要求和变压器变比选择均有关变压器变比选择均有关u 变比变比 k 选取原则：选取原则：满足满足调压要求的前提下，使调压要求的前提下，使得无功补偿容量最小得无功补偿容量最小u 低压配电线路和电缆线路，低压配电线路和电缆线路，RX，P

31、R/V占占电压损耗较大，无功补偿调压效果一般；电压损耗较大，无功补偿调压效果一般；电力系统的无功功率平衡和电压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的原理和措施电压调整的原理和措施u 利用无功补偿调压利用无功补偿调压静电电容器静电电容器 最小负荷时，无电容器补偿，确最小负荷时，无电容器补偿，确定变压器分接头位置；定变压器分接头位置； 最大负荷时，全部电容器投入，最大负荷时，全部电容器投入，按调压要求确定补偿容量按调压要求确定补偿容量u 利用无功补偿调压利用无功补偿调压同步调相机同步调相机 最小负荷时，调相机按最小负荷时，调相机按(0.50.65)额定容量欠励磁运行；额定容量欠励磁运行；

32、最大负荷时，调相机按额定容量最大负荷时，调相机按额定容量过励磁运行过励磁运行V1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC2cV22 max2max2 maxcCcVVQVkXk22min2min2min22minNtNtV VVVV VVV12tNVkV22 max2max2 max22 min2min2 mincCccCcVVQVkXkVVQVkXk2 max2max2 min2min222 max2 minccccVVVVkVVu 低压配电线路和电缆线路，低压配电线路和电缆线路，RX，PR/V占电压损耗较大，无功补偿调压效果一般占电压损耗较大，无功补偿调压效果一般电力系统的无功功率平衡和电

33、压调整电力系统的无功功率平衡和电压调整电压调整的原理和措施电压调整的原理和措施u 线路串联电容补偿调压线路串联电容补偿调压111111()CCPRQ XXPRQ XVVVV V1V2R+jXP1+jQ1-jXC1111CCCCQ XVVVVVVXQCVV：线路末端电压需提高的数值u 确定串联电容器台数及总容量确定串联电容器台数及总容量nmICmaxmax33NCCNCCCCNCNCNCmIInVIXQmnQmnVIu 串联电容器提升末端电压：串联电容器提升末端电压：QX/V随无功负随无功负荷增大而增大，与调压要求一致；荷增大而增大，与调压要求一致；u 功率因数高或功率因数高或RX的线路，由于电压损耗中的线路，由于电压损耗中QX/V分量小，调压效果不明显；分量小，调压效果不明显；u每台每台的的额定电流额定电流为为INC，额定电压额定电压为为VNC，额定容量额定容量为为QNC=VNCINC，则可根据最大负荷，则可根据最大负荷电