第10章无功功率补偿与电压调整

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整第十章无功功率补偿与电压调整

本章主要内容无功功率负荷—电压机制无功功率电源与无功功率负荷间的平衡无功不足补偿与无功补偿电源的类型电力系统的电压管理与电压调整方法《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整一、无功功率负荷－电压机制

电力系统必须发出足够的无功功率满足用户与网络的需要。有功功率平衡是全系统的平衡，且全系统只有一个频率；而无功功率平衡要满足众多的结点电压的要求，除了对全系统需要平衡以外，地区系统也需要平衡。

第一节无功功率负荷—电压机制《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整

下面分析电压变化与无功功率变化的关系。设一个简单电力系统的等值电路如图所示。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整用隐函数求导

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整对于高压网，

r<<x,dUP<<dUQ,故

电网结点电压的变动主要由无功功率变动引起。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整其中：L为负载的U—Q特性曲线S为电力系统的U—Q特性曲线《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整二、电压偏移的影响

从用户角度，影响用户设备的安全，降低用电设备效率和性能，影响用户的生产、生活。异步电动机的转矩与端电压的平方成正比。电压下降－>转矩下降－>转速下降－>滑差增大－>输出功率下降－>电流上升－>发热增加，同时还可能带来产品质量下降等问题；电炉功率与电压的平方成正比，电压下降－>功率不足；照明设备：电压过高－>寿命缩短，电压过低－>发光能力下降；变压器等电磁设备：电压过高－>磁通饱和－>激磁电流上升－>过流发热。电压过高，造成绝缘击穿，影响设备的使用寿命。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整

从系统角度，可能影响系统安全稳定，影响整个系统运行的经济性：电压水平影响电网损耗：传输相同的有功功率，电压下降－>电流升高－>线损增加；因此，无功功率控制是实现电力系统经济调度的一个重要方面。由于局部地区无功不足，运行电压严重低下，一些变电所在负荷的微小扰动下会出现电压大幅度下滑，以至失压，即所谓电压崩溃。电压高，破坏设备绝缘、导致超高压网络电晕损耗。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整三、负荷分类及其对电压影响的控制

电力系统中负荷的变动以及由此而引起的变电所母线电压变动可以分为两类：

由生产、生活和气象变化引起的负荷功率的变化。

电压偏移（周期性）

调节变压器分接头投切电容器调节发电机母线电压

负荷功率具有冲击性或间歇性（如电焊机等）

电压波动

安装静止无功补偿器一类的动态补偿器安装串联电容

后果改善后果改善《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整电力系统中无功功率电源不足，系统结点电压就要下降。电力系统必须具备足够的无功电源才能维持所要求的电压水平，以满足系统安全稳定运行的要求，以下对电力系统中的无功负荷构成、无功电源构成、电力系统无功功率平衡问题以及为改善系统无功功率不平衡而采取的补偿措施等方面进行阐述。

第二节电力系统中无功功率的平衡与补偿《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整一、电力系统中的无功负荷与无功损耗

包括：1、用户与发电厂厂用电的无功负荷（主要是异步电动机）2、线路和变压器的无功损耗3、并联电抗器的无功损耗《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整异步电动机

电力系统的无功负荷包括异步电动机、同步电动机、电炉和整流设备等。其中异步电动机占的比重较大、消耗的无功功率较多，也就是说，系统中大量的无功负荷是异步电动机，因此，系统无功负荷的电压特性，主要取决于异步电动机的无功静态电压特性。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整变压器：励磁损耗与绕组漏抗损耗，后者与受载大小有关。励磁：漏抗：《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整电力线路：串联电抗中的无功功率损耗（感性）与并联电纳中的充电功率（容性）。线路无损

无功电源无功负荷

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整二、电力系统中的无功电源同步发电机以及过激运行的同步电动机无功补偿电源包括电容器、静止无功补偿器和同步调相机110KV及以上电压线路充电功率。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整同步发电机

系统中有备用有功电源时,可将负荷中心的发电机降低功率因数运行，少发有功、多发无功,有利于无功的局部平衡，提高系统电压水平。发电机是目前唯一的有功电源，又是基本的无功电源，功率因数一般为0.85～0.9，额定无功约为其有功的0.5～0.6。发电机在正常运行时，其定子和转子电流都不应超过额定值。在额定状态下，发电机容量得到最充分的利用。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整同步调相机

运行于电动机状态，但不带机械负载，只向电力系统提供无功功率的同步电机，又称同步补偿机。用于改善电网功率因数，维持电网电压水平。

有正常激磁、过激与欠激三种不同运行状态。当它的转子励磁电流刚好为某一特定值时，它发出的无功功率恰好为零。这时仅从电网中吸收少量的有功功率用来克服机械旋转阻力，维持同步速度空转。当转子励磁电流大于此特定值时，称为过励磁。向系统供给感性无功功率起无功电源的作用。在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率起无功负荷作用。

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整

同步调相机的特点:过励磁运行可作无功电源运行；欠励磁运行可作无功负荷运行；可平滑无级地改变无功功率的大小和方向，达到调整系统运行电压的目的；无功功率的输出受端电压的影响不大；运行维护较复杂，有功功率损耗较大；单位容量的投资费用较大，只宜集中安装。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整静电电容器电容器可按三角形和星形接法并联接在变电所母线上，只能提供无功功率，不能吸收无功功率。静电电容器损耗小，投资省，运行灵活，适宜于分散使用。但具有负调节效应，此外需用真空开关成组投切，投切次数依赖于这种开关的性能。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整静电电容器的特点：

运行维护方便；

有功功率损耗小；

单位容量投资小且与总容量的大小几乎无关；组合灵活，可分散、集中，可分相补偿；

无功功率调节性能差，输出无功功率受端电压影响较大，电压下降时急剧下降,不利于电压稳定；

只能阶跃式的调压。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整静止无功补偿器

静止无功补偿器（StaticVarCompensation,SVC）属于灵活交流输电系统（FACTS）的家族，是一种动态无功补偿装置。晶闸管控制的电抗器固定电容型（TCR－FC）晶闸管开关电容器型（TSC）饱和电抗器（SR）型优点：运行维护简单，功率损耗小，响应时间较短，调节能力强，特性平滑,对于冲击负荷有较强的适应性，TCR和TSC型还可以分相补偿，以适应不平衡的负荷变化。缺点：最大补偿量正比于电压平方,电压低时补偿量小;需装设滤波器以消除高次谐波。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整1）TCR-FC型补偿器

其中：α为可控硅的导通角。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整2）TSC型补偿器是用可控硅投切的电容器组（ThyristorSwitchedCapacitor）。

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整3）SR型补偿器是用直流电流控制的饱和电抗器（D.C.ControlSaturableReaction）与固定电容器的并联组合。

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整4）高压MCR型（MagneticallyControlledReactor磁控电抗器）动态无功补偿装置由并联固定电容器组(兼滤波)和先进的磁控电抗器（MCR）组成。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整

高压MCR型动态无功补偿装置特点：MCR磁控电抗器较相控电抗器（TCR）和高阻抗变压器（TCT）具有输出谐波小、结构简单、可靠性高、价格低廉、占地面积小等优点。能在任何恶劣电网工作环境下（如电压波形畸变、幅值波动大等）稳定、可靠的工作。可直接运行于任何电压等级电网(6—500kV)，且安装简单（与普通变压器类似）、调试方便。无功补偿容量无级调节，使补偿效果达到最佳。MCR型SVC动态无功补偿系统的性价比高。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整高压输电线路的充电功率

高压及超高压线路是一种数量可观的无功功率电源，其充电功率与线路电压的平方成正比。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整三、电力系统的无功平衡与补偿

电网有功功率不足，引起频率下降，间接影响电压。而且，电力系统需要的无功功率比有功功率大许多。一般发电机的功率因数大于0.8，而负荷的功率因数小于0.8。因此，无法平衡无功功率，需要进行补偿。无功补偿容量的配置应取分区平衡、分级补偿原则。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整无功补偿装置和电网相连时：①无功补偿装置都可连接于需要进行无功补偿的变电所或直流输电换流站的母线上；②负荷密集的供电中心集中安装大、中型无功补偿设备；③配电网中，根据无功功率就地平衡的原则，安装中、小型电容器组进行就地补偿。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整无功功率管理的具体措施包括：（1）安装功率因数补偿器，使电力用户的功率因数达到0.95以上；（2）分散安装电容器，就地供无功功率。（3）在一次及二次变电所的低压母线上安装电容器，枢纽变电安装调相机。在有无功冲击负荷的变电所以及超高压送电线末端宜安装静止无功补偿器；（4）对于水、火联合电网，枯水期利用水电机组调相运行，丰水期利用火电机组调相运行，供出感性无功功率；（5）大用户同步电动机过激运行，供出感性无功功率。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整（6）我国的电力技术导则规定：①330～550kV电网应按无功分层就地平衡的基本要求配置高、低压并联电抗器。一般情况下，并联电抗器的总容量应达到超高压线路充电功率的90％以上。②较低电压等级的配电网络要配置必要的并联电容补偿。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整发电厂和有调压能力的变电所按调度所规定的电压曲线调整无功功率和电压。

地区调度所监控地区网络的电压、用户电压及其功率因数，实现无功功率就地平衡。

中心调度所着重监控主网的电压水平。协调全网有广泛影响的调压措施，合理分配无功出力和调整无功潮流。

协调配合，统一调度与分散控制相结合

第三节电力系统中的电压管理与调整方法《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整电压控制的目的（1）保持电网枢纽点电压水平，保证电力系统稳定运行；（2）保持供电电压的正常范围，保证用户的供电质量；（3）减少网络损耗；（4）在偶然事故下快速强行励磁，防止电力系统瓦解。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整一、中枢点电压管理

一般选择下列母线为电压中枢点：（1）区域性水、火电厂的高压母线；（2）枢纽变电站二次母线；（3）有地方负荷的发电厂母线。

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整中枢点电压变动范围《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整

三种电压调节方式：

（1）逆调整——对于供电线路较长，各负荷的变化规律大致相同，且负荷波动较大的网络，考虑在最大负荷时线路上的电压损耗增加，这时适当提高中枢点电压，比线路UN高5％（即1.05UN）以补偿增大的电压损耗；最小负荷时线路上电压损耗减小，降低中枢点电压为UN。（2）顺调整——负荷变动小，供电线路不长，在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内，最大负荷时电压可以低一些，但≥1.025UN，最小负荷时电压可以高一些，但≤1.075UN。

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整（3）恒调整——负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电压维持在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内（如1.025UN-1.05UN），就可保证各负荷点的电压质量。这种在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变的调压方式。

《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整二、电压调整方法与应用

电压调整的方法改变变压器的变比调压；改变发电机的励磁电流调压；改变网络的无功功率分布调压；改变网络的参数调压。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整二、电压调整方法1.改变变压器变比调压先决条件:电网的无功电源容量充裕

对负荷变化不大的变电所可适当选择变压器的分接头进行电压调整。对于负荷变化较大的一次及二次变电所采用负荷调整分接头的变压器，其切换装置在不能适应频繁操作要求时，应限制动作的次数。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整降压变压器升压变压器《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整降压变压器《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整有载调压变压器《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整2.改变发电机及调相器励磁电压

改变发电机励磁调压

在直接用机压母线供电的小型系统中，改变发电机的励磁电流可实现逆调压，是一种最经济、最直接的调压手段。

改变发电机励磁电压可以改变发电机的内的电势，从而可以调节发电机发出电压的高低，这部分的可调范围大约为5%。

在多级电压供电系统中，发电机调压只能作为一种辅助调压措施。。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整改变调相机励磁调压改变调相机的励磁电压实际是调节网络的无功功率分布来达到调节电压的目的。它是通过补偿负荷所需的无功功率，改变输电线路的无功功率。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整3.投切电容器组调压

静止电容器只能产生感性无功功率。小负荷时切除全部电容器，而大负荷时确定电容器的容量。4.静止无功补偿器调压

静止无功补偿器是静电电容与可控电抗器的组合《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整5.串联电容调压

在长线路中，特别是负荷功率因数较低、无功负荷大时效果明显。串联电容器组用来补偿输电线路的电感，以提高线路的输电能力和稳定性。串联电容器还可以调整并联线路的负荷分配。说明：

①能自动跟踪负荷调压；

②用于负荷经常波动、功率因数不高的配电网中；

③安装地点与负荷、电源的分布有关；

④超高压电网中主要用于提高高压电力网的输送容量和稳定性。《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整提高线路输电能力

改善系统稳定性

降低系统损耗

改善线路电压分布

串联电容调压优点《电气工程基础》无功功率补偿与电压调整串联电容组《电气工程基础》无功功率