电力系统的无功功率平衡和电压调整课件

1、项目五 电力系统的无功功率平衡和电压调整12433任务一 电力系统无功功率平衡任务二 电压调整的基本概念任务三 发电机调压任务四 改变变压器变比调压返回5任务五 改变电网无功功率分布调压及改变电力网参数调压任务一 电力系统无功功率平衡5.1.1无功功率负荷和无功功率损耗1.无功功率负荷各种用电设备中，除相对很小的自炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数不多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率。因此，无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行，其值为0. 6一0. 9。当系统频率一定时，负荷功率(包括有功功率和无功功率)随电压变化的关系称为负荷的电压静态特性。、 异步电动机是电力系统

2、中的主要无功负荷，占总负荷50%以上，而且消耗无功功率较多，所以系统无功功率的电压特性主要由异步电动机决定。根据异步电动机的等值电路，它所消耗的无功功率为:下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡也要增大。综合这两部分无功功率的变化特点，可得异步电动机的无功功率与端电压的关系，见图5一1和图5一2 从图5一1中看出，在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减，当电压明显低于额定值时，无功功率主要由漏抗中的无功损耗决定，随电压下降具有上升的性质。2.变压器的无功功率损耗变压器无功损耗包括励磁损耗QLT和漏抗中的损耗么 QLT即上一页下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡 3.输电线路的无功

3、损耗输电线路用II形等值电路见图5一3,电路线路的无功损耗也可以分为两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。5.1.2无功功率电源电力系统的无功功率电源，除发电机外，还有同步调相机、静电电容器及静止补偿器，这三种装置又称无功补偿装置。1.发电机发电机既是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。发电机在额定状态下运行时，发出的无功功率为:上一页下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡 在不影响有功功率平衡的前提下，改变发电机的功率因数(通过改变励磁电流)，可以调节其无功功率的输出，从而调整系统的运行电压。当然，发电机的无功功率输出要受其P一Q运行极限的限制。它既可发出感性无功，又可吸收

4、感性无功。发电机在额定状态下运行时见图5一4所示。上一页下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡 2.同步调相机同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，它在过励磁运行时向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压;在欠励磁运行时从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，同步调相机在欠励磁状态下运行时，其容量为过励磁运行时额定容量的50%一60 % , 装有自动励磁装置的同步调相机，可以平滑地改变输出(或吸取的)无功功率，从而平滑地调节所在地区的电压。在有强行励磁装置时，在系统故障情况下也能调节系统电压，有利于系统稳定运行。上一页下

5、一页返回任务一 电力系统无功功率平衡 3.静电电容器静电电容器可按三角形或星形接法并联在变电所的母线线路上。静电电容器只能向系统供给无功功率，它可以根据需要由许多电容器连接成组。因此，它的优点有:静电电容器组的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。电容器单位容量成本低，且与总容量大小无关，安装维护方便静电电容器在运行时的有功功率损耗较小，为额定容量的D.3% 0.5%。此外由于它没有旋转部件，维护比较方便。为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷变化，分组投入或者切除。上一页下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡 4.静止补偿器静止补偿器由电力电容器

6、与电抗器并联组成。静止补偿器是20世纪60年代发展起来的一种新型可控的静止无功补偿装置(SVC)。其特点是:利用晶闸管电力电子元件所组成的电子开关来分别控制电容器组与电抗器的投切，这样它的性能完全可以做到和同步补偿机一样，既可发出感性无功，又可发出容性无功，并能依靠自身装置实现快速调节，从而可以作为系统的一种动态无功电源，对稳定电压、提高系统的暂态稳定性，以及减弱动态电压闪变等起着较大的作用。上一页下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡5.1.3无功功率平衡电力系统无功功率平衡的基本条件:系统无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗，同时为了保证运行

7、可靠性和适应无功负荷的增长，系统必须配置一定的无功备用容量。 当系统中某些负荷节点电压低落的原因是系统中无功电源不足时，调压问题就与无功功率的合理供应和合理使用紧密联系。如果不从解决无功电力不足的问题着手，而是调节电源，使发电机多发无功，是很不合理的。因为电源与负荷间距离较远，发电机多发的功率在网络中的无功损耗也大，不易调高末端电压。上一页下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡而且，为了防止发电机因输出过多的功率而严重过负荷，往往不得不降低整个系统的电压水平，以减小无功功率的消耗量，所以这就不免出现电压水平低落和无功出力不足的恶性循环。因此，在个别负荷节点电压较低的情况下，就应增加无功补偿装置

8、，补充系统的无功，从而抬高电压水平。但在无功电源不足，增设无功补偿装置时，无功补偿装置应尽可能装在负荷中心，以做到无功功率的就地平衡，减少无功功率在网络中传输而引起的网络功率损耗和电压损耗。 问题在于无功功率是在什么样的电压水平下实现的。现在以一个最简单的网络为例来说明。 隐极发电机经过一段线路向负荷供电，略去各元件电阻，用X表示发电机电抗与线路电抗之和，等值电路见图5一6，假设发电机的有功功率为定值，根据相量图5 -7，可以确定发电机送出负荷节点的功率为:上一页下一页返回任务一 电力系统无功功率平衡当p为一定值时，得: 当电势E为一定值时，根据式 可作出无功功率Q与电压U的关系图，见图5一8

9、中的曲线1.Q-U关系是一条向下的抛物线，而负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特性见图5一8中的曲线2.曲线1与曲线2的交点a确定了负荷节点的电压值Ua，即系统在电压私下达到无功功率的平衡。上一页返回任务二 电压调整的基本概念5. 2. 1允许电压偏移电压偏移的定义公式为: 各种用电设备都是按照额定电压来设计制造的。这些设备在额定电压下运行将取得最佳效果。电压偏离额定值过大或者过小将对用户产生不良的影响。 在电力系统的正常运行中，随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变，网络中损耗也将发生变化。要严格保证所有用户在任何时刻都获得额定电压供电是不可能的，因此系统运行中各节点出现电压偏移是不可避

10、免的。实际上，大多是用电设备在稍微偏离额定值的电压下运行，仍有良好的机械性能。从技术上和经济上综合考虑，合理规定供电电压的允许偏移值是完全必要的。下一页返回任务二电压调整的基本概念5. 2. 2电压波动和中枢点的电压管理1.电压波动电压波动分为以下两类。(1)周期长，波动面大，主要由生产、生活和气象条件变化引起的负荷变动所导致的电压变动。(2)冲击性和间歇性负荷引起的电压波动。如往复式泵、电弧炉、卷扬机、通风设备等 2.中枢点电压中枢点的最低电压等于在地区负荷最大时，电压最低一点的用户电压的下限加上该用户到中枢点的电压损失;中枢点的最高电压等于地区负荷最小时，电压最高点的用户电压的上限加上该用

11、户到中枢点的电压损失。上一页下一页返回任务二电压调整的基本概念 对一个实际运行的系统，网络参数和负荷曲线已知后，要确定中枢点的电压波动范围，图5 -9为由一个中枢点O向两个负荷A, B供电的简单网络。设A, B两负荷允许电压偏移都为士5%;负荷A, B的简化日负荷曲线见图5 -9 (b) ;设由于这两个负荷功率的流通，线路OA, OB上的电压损耗见图5 -9 (c)。求中枢点电压1l,，的波动范围，即编制中枢点电压变化曲线。 如果由同一中枢点供电的各用户的变化规律差别很大，调压要求也不相同，就可能在某段时间内，各用户的电压质量要求反映到中枢点O的电压允许变化范围没有公共部分。上一页下一页返回任

12、务二电压调整的基本概念 3.中枢点的调压方式当在实际运行的电力系统中，由于缺乏必要的数据而无法确定中枢点的电压控制范围时，可根据中枢点所管辖的电力系统中负荷分布的远近及负荷波动的程度，对中枢点的电压调整方式提出原则性要求，以确定一个大致的电压波动范围。)这种电压调整方式一般分为逆调压、顺调压和常调压三类。 (1)逆调压。对于大型网络，如中枢点至负荷点的供电线较长，且负荷变动较大，则在最大负荷时要提高中枢点的电压，以抵偿线路上因最大负荷而增大的电压损耗;在最小负荷时则要将中枢点电压降低一些，以防止负荷点的电压过高，一般对这种情况的中枢点实行“逆调压”。上一页下一页返回任务二电压调整的基本概念 (

13、2)顺调压。对于小型网络，如中枢点至负荷点的供电线路不长，负荷大小变动不大，线路上的电压损耗也很小，在这种情况下，可对中枢点采用“顺调压”. (3)常调压。对于中型网络，如负荷变动较小，线路上电压损耗也较小，这种情况只要把中枢点电压保持在较线路电压高2%一5%的数值.5. 2. 3电压调整的基本原理现以图5一10所示的简单电力系统为例，说明常用的各种调压措施所依据的基本原理。发电机通过升压变压器、线路和降压器向用户供电。要求调整符合节点D的电压。为简单起见，略去线路的电容功率、变压器的励磁功率和网络功率的损耗。D点的电压为:上一页下一页返回任务二电压调整的基本概念 由上式可见，调节用户端电压U

14、，可以采用以下措施:(1)调节发电机的端电压，称为发电机调压。(2)调节变压器的变比k，和左2，称为变压器调压。(3)在输电线路中串联电容器以减小X，从而减小电压损耗，称为串联补偿调压。(4)在负荷端并联无功补偿装置，减小经线路传输的无功功率Q，从而减小电压损耗，称为并联补偿调压。上一页返回任务三 发电机调压 在各种调压手段中，首先应考虑发电机调压，因为这是一种不需要耗费投资，且最直接的调压方法。发电机的端电压可以通过改变发电机励磁电流的办法进行调整，这是一种经济、简单的调压方式。在负荷增大时，电力网的电压损耗增加，用户端电压降低，这时增加发电机励磁电流，提高发电机的端电压;在负荷减小时，电力

15、网的电压损耗减少，用户端电压升高，这时减少发电机励磁电流，降低发电机的端电压。即对发电机实行“逆调压”以满足用户的电压要求。按规定，发电机运行电压的变化范围在发电机额定电压的+5%以内。在直接以发电机电压向用户供电的系统中，如供电线路不长，电压损耗不大，用发电机进行调压一般就可满足调压要求。发动机母线逆调压效果见图5一11。下一页返回任务三 发电机调压 不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。对于由发电机经多级变压向负荷供电的大中型电力系统，线路较长，供电范围大，从发电厂到最远处的负荷之间的电压损耗和变化幅度都很大。图5一12为一个多级电压网络，各级网络的额定电压及最大、最小负荷时的

16、电压损耗均标于图中。最大负荷时，从发电机至线路末端的总电压损耗为35 % ,最小负荷时，总电压损耗为15%，两者相差20 %。而对发电机来说，考虑机端负荷的要求及供电至地方负荷线路上的电压损耗，其电压调整范围为05%，这时，单靠发电机调压是不能解决问题的。发电机调压主要是为了满足近处负荷的电压质量要求，即发电机采用逆调压方式。对于远处负荷电压变动，只能靠其他调压方式来解决。上一页返回任务四 改变变压器变比调压 在原边电压不变的情况下改变变压器的变比可以升高或降低次级绕组的电压。为了实现调压，在双绕组变压器的高压绕组上设有若干个分接头可供选择，其中对应额定电压ll;的称为主接头。变压器的低压绕组

17、不设分接头。对于三绕组变压器，一般是高压绕组和中压绕组设置分接头。5. 4. 1普通双绕组变压器分接头的选择1.降压变压器分接头的选择图5一13为一降压变压器。若通过功率为P +jQ，高压侧实际电压为Il, ,归算到高压侧的变压器阻抗为Rt + JXt，归算到高压侧的变压器电压损耗为UT.，低压侧要求得到的电压为1h，则有:下一页返回任务四 改变变压器变比调压 普通变压器的分接头只能在停电的情况下改变，不能在有载情况下更改分接头。在正常运行的负荷中，无论负荷怎样变化，运行中只能用一个固定分接头，这时可以分别算出最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压，然后取它们的算术平均值，即上一页下一页返回任

18、务四 改变变压器变比调压其返回校验过程如下:(1)求低压母线电压(2)求电压偏移百分数上一页下一页返回任务四 改变变压器变比调压 2.升压变压器分接头的选择选择升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同，差别仅在于由高压侧电压推算低压侧电压时，因功率是从低压侧送往高压侧的(见图5一15)，故应将电压损耗和高压侧电压相加。5. 4. 2三绕组变压器分接头的选择三绕组变压器在高、中压绕组有分接头可供选择，低压绕组没有分接头。前文所述双绕组变压器的分接头选择公式也适用于三绕组变压器。对高压和中压绕组的分接头需经过两次计算来逐个选择。但三绕组变压器在网络中所接电源情况不同，其具体选择方法也有所不

19、同。一般先按低压侧调压要求确定高压侧分接头，然后再用选定的高压侧分接头考虑中压侧调压要求，确定中压侧分接头，最后再校验。上一页下一页返回任务四 改变变压器变比调压5. 4. 3有载调压变压器有载调压变压器可以在带负载情况下调整分接头，可以在最大和最小负荷时分别选用合适的分接头，而且调节范围比较大。5一17为内部具有调压绕组的有载调压变压器的原理接线图。它的主绕组同一个具有若干个分接头的调压绕组串联，依靠特殊的切换装置可以在负荷电流下改换分接头。5. 4. 4加压调压变压器加压调压变压器由主变压器和加压变压器组成(见图5一18和图5一19),当加压变压器中的电源变压器采用不同的分接头时，在串联变

20、压器中产生大小不同电动势，从而改变主变压器的电压，达到调压的日的。上一页下一页返回任务四 改变变压器变比调压这种调压变压器主变压器分接头调压时需停电，加压变压器调压时可以不停电，因此，适用于季节性和经常性调压，调节范围较大。串联变压器中附加电动势可以设计成和主变压器电压方向一致，或者有一定的相角差。上一页返回任务五 改变电网无功功率分布调压及改变电力网参数调压5. 5. 1改变电网无功功率分布调压改变变压器分接头调压虽然是一种简单而经济的调压手段，但改变分接头并不能增减无功功率。当整个系统无功功率不足引起电压下降时，要从根本上解决系统电压水平问题，就必须增设新的无功电源。无功功率补偿调压就是通

21、过在负荷侧安装同步调相机、并联电容器或静止补偿器，以减少通过网络传输的无功功率，降低网络的电压损耗而达到调压的日的。根据电压损耗的公式下一页返回任务五 改变电网无功功率分布调压及改变 电力网参数调压 图5 - 20为一简单电力网，供电点电压u1和负荷功率P +jQ已给定，线路电容和变压器励磁功率略去不计，包括归算到变压器高压侧阻抗在内的线路总阻抗为R +jX 无功功率补偿装置主要有静止电容器和同步调相机。1.静止电容器容量的选择由于电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。而通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。所以为了充分利用电容器的

22、补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时全部退出。上一页下一页返回任务五 改变电网无功功率分布调压及改变 电力网参数调压 2.同步调相机容量的选择当选用同步调相机作补偿装置时，由于同步调相机既可发出无功功率以升高电压，又可吸收无功功率以降低电压，故应考虑在最大负荷时同步调相机满发无功)由此，可知调相机的容量应为:5. 5. 2改变输电线路的参数调压从电压损耗的计算公式可知，改变网络元件的电阻R和电抗X都可以改变电压损耗，从而达到调压的日的。由于网络中变压器的电阻R和电抗X已由变压器的结构决定，一般不宜改变。故在电力网设计或改建时，可考虑采用改变输电线的电阻和电抗参数以满足调压要求。上一页下一页返回任务五 改变电网无功功率分布调压及改变 电力网参数调压减小线路电阻将意味着增大导线截面，多消耗有色金属。对于10 kV及以下电压等级的电力网中电阻比较大的线路，当采用其他调压措施不适宜时，才考虑增大导线截面以减小线路的电阻。而对于X