5章电力系统的无功功率平衡和电压调整

1、 第五章电力系统无功功率和电压调整电压调整和频率调整的区别全系统的频率相同，而系统中各节点电压不同频率与有功功率分布关系密切， 电压与无功功率的分布关系密切保证频率质量的首要条件是有充足的有功备用， 保证电压质量的首要条件是有充足的无功备用有功电源单一、无功电源多种多样无功电源不消耗一次能源，而影响有功损耗； 有功电源需要消耗一次能源电网中无功损耗远大于有功损耗（XR）调频手段单一，集中进行； 调压手段多种多样，分散进行无功电压调整的基本原则：分层分区调整、无功功率就地平衡5.1电力系统中无功功率平衡电压-衡量电能质量的重要指标电力系统运行调整基本任务保证用户的电压接近额定值电力系统的运行电压

2、水平无功功率的平衡。 系统中各种无功电源的无功功率输出（简称无功出力）应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。先要对无功负荷、网络损耗和各种无功电源的特点作一些说明（假定系统的频率维持在额定值不变）。输电线路形等值电路表示（见图5-3)（2）输电线路的无功损耗线路串联电抗中的无功功率损耗 与所通过I2成正比感性，即线路电纳的充电功率QB与U2成正比呈容性，当作无功损耗时应取负号，即线路的无功总损耗为消耗QL（感性）提供QC（充电功率）（消耗容性无功）（全线充电功率）B/2为型电路中的等值电纳线路电力系统1个元件消耗容性消耗QL消耗QC如用自然功率概念，作

3、大致估计：当线路输送的有功功率自然功率时，线路消耗感性无功功率；当线路输送的有功功率自然功率； 通过500kV线路输送的功率自然功率。 通过220kV线路输送的功率则因线路长度而异， 线路较长时，自然功率。自然功率是指线路的波阻抗=线路末端的阻抗时，线路所传输的最大容量 1、定义：电力系统中，凡是可以发出（感性）无功功率的设备或装置，都可以称为无功功率电源。2、主要无功电源的类型二.无功功率电源传统无功电源同步发电机（Synchronous Generator）调相机（Synchronous Condenser）并联电容器（Capacitor）并联电抗器（Reactor）新型无功电源静止无功补

4、偿器（SVC）静止调相机（Statcon）发电机是目前唯一的有功电源，又是基本的无功电源,发QG的能力与同时发出PG有关,由发电机的PQ极限曲线决定。 发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率额定有功功率额定视在功率额定功率因数.发电机最主要的有功电源，最基本的无功电源通过调节励磁，可以双向、连续调节无功出力，无 功出力范围受运行极限约束无需附加投资，应优先考虑同步发电机应用最广泛的一种无功电源只能发出感性无功QU2/Xc （单向调节） 调节特性不好（电压调节效应为负） 成组投退，不能连续调节 投资较小，运行灵活，安装维护方便 调节效应= 静电电容器.电容器和调相机、并联电抗器优点：组合灵活，

5、可分散、集中，可分相补偿；投资少、有功损耗少(额定容量的0.30.5%)缺点：电压下降时急剧下降, 不利于电压稳定def空载运行的同步电机通过调节励磁，可以双向、连续调节无功出力（欠励运行容量约为过励运行容量的50%）电压调节特性好投资大，运行维护困难，趋于淘汰同步调相机同步调相机同步调相机是特殊状态下的同步电机可视为不发PG的同步电机或不带PD的同步电机空载运行的同步电动机.静止补偿器和静止调相机 静止无功补偿器 并联电容器发出无功功率电抗器吸收无功功率调节装置平滑改变输出（或吸收）无功功率静止补偿器+类型：可控饱和电抗器型、自饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型、可控硅控制电抗器和可控硅投切电

6、容器组合型晶闸管控制电抗器型 晶闸管开关电容器型 饱和电抗器型静止无功补偿器可吸可发无功； 只能发感性无功； 可吸可发无功； 连续调节 不能连续调节 连续调节 Thyristor Controlled Reactor Thyristor Switched Capacitor Satured Reactor(a)控制绕组Wdc，变直流电流Idc 改交流绕组Wac的动态电感，改变补偿器吸收的感性无功功率。(b)不需要外加控制设备，实际是1种大容量磁饱和稳压器。自饱和电抗器L有特性当电压某值后，随电压，铁芯急剧饱和。补偿器电流电压特性见图5-6，在补偿器工作范围内，电压的少许变化就会引起电流的大幅度

7、变化。(c)通过可控硅导通角的控制来改变补偿器吸收的无功功率。电抗器电容器高次谐波调谐电感线圈滤波电路静止调相机优点：一定条件下电压调节效应为正，可快速、 连续、双向调节缺点：投资大，目前多处于实验阶段 静止调相机 当UaUA/K时，调相机向系统输出感性无功功率当UaUA/K时，将由系统输入感性无功功率由于此处换流器交流侧电压Ua完全可控，不存在静止补偿器因端电压取决于系统电压而带来的缺陷并联电抗器一种广义无功电源只能吸收感性无功（单向调节）作用：用于吸收高压远距离输电线 路轻载或空载运行时的过剩无功.并联电抗器（消耗无功）对高压远距离输电线路而言，它有提高输送能力，降低过电压等作用系统无功电

8、源较充足，能满足较高电压水平下和无功平衡需要 系统就有较高的运行电压水平；无功不足运行电压水平偏低。应实现在额定电压下系统无功功率平衡，装设必要无功补偿装置.无功补偿：设置除发电机以外的无功电源以满足系统电压要求原因：实际负荷cos低（.左右），发电机的高（.）网损中无功损耗有功损耗无功功率不能远距离输送 结果：就地进行补偿，另装无功电源 无功平衡要求：全系统平衡(运行、规划设计)局部地区基本平衡、避免无功远距离输送。无功功率在额定电压下平衡保证电压质量基本条件5.2电压调整的基本概念电压偏移对负荷的影响 照明-U发光不足； U 缩短照明设备寿 电热（电炉）- U 延长电炉的冶炼时间，降低生产

9、率 家用电器- U工作不正常 ；U设备烧毁 电动机- US、I 老化、失速或停转； U设备烧毁电压偏移对电力系统的影响 U功率损耗、电能损耗 、运行稳定性 U设备绝缘、电晕损耗1、电压偏移存在的问题一、电压调整的必要性3、允许电压偏移我国规定在正常运行情况下供电电压的允许偏移：35kV及以上U供电偏移的绝对值之和 10%UN；10kV及以下U三相供电允许偏移7%UN；220V U单相供电允许偏移 +7%和-10%UN。调压措施2、电压调整的含义： 在正常运行状态下，随着负荷变动及系统运行方式的变化，使各节点电压偏移在允许范围内而采取的各种技术措施系统中各节点电压的偏移不可避免电压偏移过大会影响

10、设备的正常运行；因无功短缺造成的电压水平低下可能引发电压稳定问题，如电压崩溃保证电压质量的首要条件：系统中有充足无功备用1、电力系统调压的目的 -就是要采取各种措施，使用户处的 电压偏移保持在规定的范围内。2、电力系统电压的管理方式 -通过监视、调整电压中枢点电压来实现。3、电压中枢点 -指某些可反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所母线等。电力系统的电压监视点，通常选取能反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电站母线作为电压中枢点。4、采取电压中枢点方式的原因 -很多负荷都由这些中枢点供电，如能控制住这些点的电压偏移，也就控制住了系统中大部分负荷的电压偏移。于是，电力系统电压调整问题也就转变

11、为保证各中枢点的电压偏移不超出给定范围的问题。二、中枢点电压管理（电压调整）中枢点如上图所示 (0.95-1.05)UN5、电压中枢点的类型大型发电厂的高压母线（区域性水火电厂）大型变电所的二次母线（枢纽变电所）有大量地方负荷的发电厂母线 6、引起电压变动因素（主要针对以下原因引起的电压变动）周期长、波及面大的电压变动-生产、生活、气象变化引起的负荷变动冲击性或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。因结线改变、设备退出而造成网络阻抗和潮流分布的变化。7、调压的整体思想很多负荷都由这些中枢点供电,且中枢点至各负荷点在最大最小负荷时电

12、压损耗之差负荷点允许上下限电压之差,如能控制住这些点的电压偏移就能控制系统中大部分负荷的电压偏移.8、确定中枢点电压的允许变化范围假定两处日负荷曲线呈两级阶梯形,两段线路电压损耗变化曲线分别见图5-12（b）（c）。为满足负荷节点A调压要求，中枢点电压应控制的变化范围同理可算出负荷节点B对中枢点电压变化范围的要求：线路参数一定时，线路上电压损耗与A点和B点负荷有关A、B两点U允许变化范围相同(0.95-1.05)UN如右图所示 (0.95-1.05)UNAB用图5-12（c）表示上述要求，图中阴影部分同时满足AB两负荷点电压调节要求的中枢点电压的允许变化范围。可见尽管AB两负荷点变化范围有10

13、%，两处负荷大小和变化规律不同，两段线路的电压损耗数值及变化规律也不同，为同时满足负荷点的电压质量要求，中枢点电压的允许变化范围就大大缩小了，最大7%，最小1%。任何时候，各负荷点中枢点U允许变化范围公共部分，调整中枢点U，使其在公共允许范围内变动，可满足各负荷点的调压要求，而不必在各负荷点再装设调压设备，否则，需要装设调压设备。三、中枢点电压调压方式故障电压较正常时再增大5%逆调压: 最大负荷时保持中枢点电压比线路额定电压高5%105%UN;最小负荷时, 使中枢点电压降至线路额定电压UN。适用范围：中枢点到各负荷点线路长、负荷变化较大，变化 规律大致相同。2.顺调压：最大负荷时电压不低于线路

14、额定电压102.5%UN;最小负荷时电压不高于线路额定电压的107.5%UN。适用范围: 电压损耗小, 负荷变动小, 用户允许电压偏移大。 3 .恒调压： 中枢点电压保持在比线路额定电压高25% 102% 105%UN 。适用范围: 电压损耗较小, 负荷变动较小。故障电压较正常时再增大5%。使Ub变化的措施：1调节励磁电流以改变发电机端电压UG；2调整变压器变比k1、k2； 3改变无功功率分布(以Q为主)； 4改变网络参数R+jX(以X为主);怎么实现？UG(U1)1、发电机调压2、改变变压器变比调压3、利用无功功率补偿调压5.3电压调整的措施.利用发电机调压不耗费投资而最直接调励磁调压手段适

15、用范围：发电机不经升压供电线路短、线路上电压损耗 小的用户供电的简单系统中。.改变变压器变比调压.利用无功补偿调压中枢点电压保持在比线路额定电压高25%。适用范围: 电压损耗较小, 负荷变动较小。 改变变压器的变比可或次级绕组U实现调压最大负荷时电压不低于线路额定电压102.5%;最小负荷时电压不高于线路额定电压的107.5%。适用范围: 电压损耗小, 负荷变动小, 用户允许电压偏移大。措施1：借改变发电机端电压调压实施方法：调节发电机励磁特点：最直接的调压方式，无需额外投资，应优先考虑、充分利用发电机母线无地方负荷时，一般可在发电机额定电 压的95%-105%范围内调；发电机母线有地方负荷时

16、，机端母线采用逆调压一般 可满足调压要求。调节能力受发电机无功极限约束。对供电范围大、有多级变压的系统，仅依靠调机端电压往往不能满足调压要求。两个问题:对于较长线路、多电压级输电,此时仅靠调节发电机不能满足要求多机系统中,与无功备用、无功的经济分配有矛盾。 适用于小系统、线路长；易于实现逆调压此调压仅作辅助措施措施2：借改变变压器变比调压实施方法：调节变压器的分接头电力变压器高（中）压侧一般设有多个分接头按调压方式分为：无载调压变压器分接头开关无消弧能力，必须停电调分接头分接头数目少：如UN5% ，UN22.5%有载调压变压器可以带负荷调分接头分接头数目多：如UN32.5% ，UN42%电力变

17、压器主接头、分接头条件: 从整个系统来看, 必须无功电源充足。变压器本身不是无功电源, 当系统中无功电源不足时, 达不到调压要求。变压器分接头标称电压的计算双绕组变压器高压绕组上设有若干个分接头 低压绕组不设分接头。 主接头-对应额定电压三绕组变压器高压绕组和中压绕组设置分接头。改变变压器的变比调压据调压要求适当选择分接头。1、变压器分接头的选择无载调压变压器有载调压变压器降压变升压变双绕组变压器三绕组变压器 1）降压变压器分接头的选择图示降压变压器若通过功率高压侧实际电压 归算到高压侧的变压器阻抗归算到高压侧的变压器电压损耗低压侧要求得到的电压 ，则有图示 变压器bRT+jXTP+jQU1U

18、2 RT+jXTP+jQU1UT U2 式中: k-变压器变比高压绕组分接头U1t 和低压绕组U2N额之比 k（5-12) 得高压侧分接头电压U1t变压器不同功率高压侧Ut 电压损耗UT低压侧要求U2变化计算求出不同负荷选满足低压侧调压要求 高压侧分接头电压代入（5-12）双绕组降压无载调压变变比选择普通双绕组变压器正常运行只能用1个固定分接头不能带负载更改分接头算最大负荷和最小负荷下所求分接头电压取其算术平均值 考虑不同负荷时的调压要求: 最大负荷时: 最小负荷时: 普通双绕组变压器, 须停电换分接头, 所以取平均值兼顾:由它选接近的分接头双绕组升压无载调压变变比选择升压变压器分接头的选择方

19、法=降压变压器分接头的选择方法2）升压变压器分接头的选择升压变压器中功率方向从低压侧高压侧的，见图5-17，故公式（5-13）中 前的符号应相反，即应将电压损耗和高压侧电压相加。式中: U2 -低压侧实际电压或给定电压 U1 -高压侧所要求的电压。RT+jXTP+jQU1U2 G图5-17注意：升压变压器降压变压器绕组UN略有差别选发电厂升压变压器分接头最大负最小荷发电机端电压规定允许范围如果在发电机电压母线上有地方负荷，则应当满足地方负荷对发电机母线的调压要求，一般可采用逆调压方式调压。有载调压变压器带负荷条件下切换分接头，且调节范围较大一般在15%以上。目前我国暂定 110KV级的调压变压

20、器有7个分接头，即UN 32.5% 220KV级的 有9个分接头 即UN 42.0%用最大负荷算得的值和最小负荷算得的值，选择各自合适的分接头缩小次级电压的变化幅度，至改变电压变化的趋势。有载调压变压器的工作原理主绕组与有n个分接头的调压绕组串联通过切换装置带负荷电流改换切换过程-限制两个分接头间短路电流对110KV 及以上电压级的变压器一般将调压绕组放在变压器中性点侧。变压器中性点接地，中性点侧电压很低，调节装置的绝缘比较容易解决。2、有载调压变压器组成：电源变压器2=加压调压变压器3+串联变压器4 （见图5-19） 串联变压器的次级绕组串联在主变压器引出线上，作为加压绕组=在线路上串联了一

21、个附加电势。改变附加电势的大小和相位就可以改变线路上电压的大小和相位3、加压调压变压器串联变压器电源变压器相当分类：纵向调压变压器： 把附加电势的相位与线路电压的相位相同的变压器横向调压变压器： 把附加电势与线路电压有90相位差的变压器混合型调压变压器： 把附加电势与线路电压之间有不等于90相位差的调压器措施3：借无功补偿设备调压补偿方式：并联补偿和串联补偿补偿功能： *串联电容器补偿-用于提高线路的输电能力和系统的稳定性*并联电容器补偿-限制无功功率在电网中的传输，相应减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。补偿设备：电容器调相机静止无功补偿器电抗器无功补偿作用：提高功率因数以减少设备

22、容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。大负荷时降压变电所电压偏低小负荷时 电压偏高1）补偿设备-静电电容器电容器只发感性无功功率电压电压过高不能吸收感性无功功率电压充分利用 最大负荷时电容器全部投入补偿容量 最小负荷时 全部退出计算步骤：据调压要求，按最小负荷时无补偿定变压器分接头令 最小负荷时低压母线的归算电压和要求保持实际电压，则选择补偿容量选定与Ut最接近的分接头U1t确定变比补偿设备可算出变压器分接头电压按最大负荷时的调压要求计算补偿即 补偿前变电所低压母线的归算电压和补偿后要求保持的实际电压。 2)补偿设备同步调相机选择合适的设备校验:据确定变比和选定静电电容器容量，校验实际的电压变化调相机的特点:能过励磁运行，发出感性无功功率使电压能欠励磁运行，吸收感性无功功率使电压若调相机在最大负荷时按额定容量过励磁运行 在最小负荷时按(0.5-0.65）UN额定容量欠励磁运行调相机的容量将得到最充分的利用(5-20)公式 据上述条件可确定变比k用代表数值范围为0.50.6