电力系统无功功率和电压调整

2015年10月校训：明德任责校风：好学力行电力系统

无功功率和电压调整第五章2/4/20231电力系统无功功率与电压调整问题的提出衡量电能质量的指标频率质量：正常运行频率偏差为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差可以放宽到±0.5Hz。→第四章电压质量：35kV及以上(±5%)，10kV及以下三相供电(±7%)，220V单相供电(+7%、-10%)

。→第五章波形质量(畸变率)：5次、7次等谐波。→电力电子技术三相不平衡度：三相电压幅值不平衡。→电力电子技术2/4/20232电力系统无功功率与电压调整5.1电压调整的一般概念5.2电力系统的无功功率平衡5.3电力系统中枢点的电压管理5.4电力系统的电压调整（重点）5.5频率调整与电压调整的关系

目录2/4/20233电力系统无功功率与电压调整5.1.1电压调整的必要性电力系统中各种电气设备和用电设备都是按其额定电压设计制造的，只有在额定电压下运行，才能取得最佳的运行效果，并保证其使用寿命。如果电压偏移过大，将会给电力用户和电力系统带来很大影响和危害。

2/4/20234电力系统无功功率与电压调整5.1.1电压调整的必要性影响用电设备工作效率和寿命-以照明负荷为例

白炽灯的电压特性

日光灯的电压特性

2/4/20235电力系统无功功率与电压调整影响异步电动机的正常工作(占负荷比重最大)端电压降低→转速降低→工业产品出现残次品端电压降低→电流增加→电机温度升高、效率降低、寿命减小、甚至损坏端电压较低(启动时)→电磁转矩小于负载转矩→启动时间过长甚至无法启动，可能因温度过高而烧毁电机想想人拉车上坡人的感受、骑电动车上坡电动车的状态？

5.1.1电压调整的必要性2/4/20236电力系统无功功率与电压调整电网的功率损耗和电压损耗增加5.1.1电压调整的必要性系统电压降低→功率损耗增加→电压损耗增加。2/4/20237电力系统无功功率与电压调整2003年8月14日—美加大停电北俄亥俄州输电线路短路跳闸，导致大范围潮流变化，使系统电压降低，大量发电厂相继跳闸，波及9300平方英里，5000万人失去电力供应，持续29小时后才完全恢复。5.1.1电压调整的必要性电压崩溃现象

2/4/20238电力系统无功功率与电压调整停电前后卫星拍到的美国上空照片2/4/20239电力系统无功功率与电压调整5.1.2电力系统允许的电压偏移影响电压偏移的因素：无功传输+线路参数沿线路各点电压的变化

严格限定在额定值不太现实，允许有一定的电压偏移。

2/4/202310电力系统无功功率与电压调整5.1.2电力系统允许的电压偏移一般规定节点电压偏移不超过电力网额定电压±5%

35KV及以上电压供电的用户：±5%

10KV及以下电压供电的用户：±7%

低压照明负荷：-10％～+5％农村电网：-10％～+7.5％在事故状况下，允许在上述基础上再增加5％，但正偏移最大不能超过+10%。

2/4/202311电力系统无功功率与电压调整5.2电力系统的无功功率平衡5.2.1无功负荷和无功功率损耗5.2.2无功功率电源5.2.3无功功率平衡5.2.4无功平衡和电压水平的关系2/4/202312电力系统无功功率与电压调整5.2.1无功负荷和无功功率损耗无功功率负荷系统无功负荷的电压特性主要有异步电动机决定。2/4/202313电力系统无功功率与电压调整变压器的无功损耗变压器等值电路

5.2.1无功负荷和无功功率损耗2/4/202314电力系统无功功率与电压调整输电线路的无功损耗输电线路等值电路

5.2.1无功负荷和无功功率损耗△QL>0相当于无功负载；△QL>0相当于无功电源。

2/4/202315电力系统无功功率与电压调整如何降低无功损耗？输电线路的无功损耗变压器的无功损耗5.2.1无功负荷和无功功率损耗1、提升系统运行电压2、降低网络参数X3、无功功率补偿→抵消无功损耗和无功负荷2/4/202316电力系统无功功率与电压调整5.2.2无功功率电源无功电源同步发电机同步调相机静电电容器静止无功补偿器无功补偿装置静止无功发生器2/4/202317电力系统无功功率与电压调整同步发电机发电机的无功输出受定子额定电流、转子额定电流和原动机出力限制，由其P-Q极限曲线决定。5.2.2无功功率电源发电机的P-Q极限

2/4/202318电力系统无功功率与电压调整5.2.2无功功率电源过励磁运行：发出感性无功功率（无功电源），过励磁运行时的容量是调相机的容量

欠励磁运行：吸取感性无功（无功负荷），欠励磁运行时的容量为调相机容量的50％～65％

优点：调节平滑，系统故障时亦能调节缺点：投资大；运行维护不方便；消耗有功功率（额定容量的1.5%～5%）—安装在枢纽变电站同步调相机—相当于空载运行的同步电动机2/4/202319电力系统无功功率与电压调整5.2.2无功功率电源静电电容器—三角形和星型接法连接在变电所母线上优点：容量可调；集中或分散使用；投资费用小；有功功率损耗小（额定容量的0.3%～0.5%）缺点：无法连续调节且只能向系统供给感性无功功率；节点电压下降时，向系统供给无功功率下降2/4/202320电力系统无功功率与电压调整5.2.2无功功率电源静止无功补偿器(StaticCompensator,SVC)优点：调节能力强，反应速度快，特性平滑,可分相补偿,维护简单,损耗小。缺点：最大补偿量正比于电压平方，电压低时补偿量小；谐波对电力系统产生污染。由电容器组与可调电抗器组成。既可通过电容发出无功，又可通过电抗器吸收无功。2/4/202321电力系统无功功率与电压调整5.2.2无功功率电源静止无功发生器(StaticVarGenerator,SVG)优点：响应速度快，运行范围宽，谐波电流含量少，电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流。SVG原理图

2/4/202322电力系统无功功率与电压调整无功平衡的基本要求当Qres>0表示系统无功功率可以平衡且有适量备用；当Qres<0表示系统无功不足，应考虑加设无功补偿装置。5.2.3无功功率平衡无功负荷无功电源无功备用无功损耗2/4/202323电力系统无功功率与电压调整5.2.4无功平衡和电压水平的关系无功功率应在额定电压下维持平衡2/4/202324电力系统无功功率与电压调整5.2.4无功平衡和电压水平的关系无功功率应在额定电压下维持平衡无功平衡与电压水平2/4/202325电力系统无功功率与电压调整例5-1某输电系统的等值电路如图所示。已知电压V1=115kV维持不变。负荷有功功率PLD=40MW保持恒定，无功功率与电压平方成正比，即QLD=Q0(V2/110)2。试就Q0=20Mvar和Q0=30Mvar两种情况按无功功率平衡的条件确定节点2的电压V2。5.2.4无功平衡和电压水平的关系(习题)等值电路图

2/4/202326电力系统无功功率与电压调整5.3电力系统中枢点的电压管理5.3.1电压中枢点的选择5.3.2中枢点电压允许变化范围5.3.3中枢点电压的调整方式2/4/202327电力系统无功功率与电压调整5.3.1电压中枢点的选择电压中枢点包括：大型发电厂的高压母线枢纽变电所的二次母线有大量地方负荷的发电厂母线电力系统的电压中枢点2/4/202328电力系统无功功率与电压调整单负荷节点时5.3.2中枢点电压允许变化范围负荷电压与中枢点电压2/4/202329电力系统无功功率与电压调整双负荷节点时5.3.2中枢点电压允许变化范围简单网络负荷i的日负荷曲线和电压损耗负荷i的日负荷曲线和电压损耗负荷i、j允许电压偏移范围2/4/202330电力系统无功功率与电压调整双负荷节点时5.3.2中枢点电压允许变化范围2/4/202331电力系统无功功率与电压调整在实际运行或规划设计中由于缺乏必要数据而无法确定中枢点电压控制范围时，依据电力网中负荷分布远近及负荷变化程度，对中枢点电压调整方式提出原则性要求，以确定一个大致范围：5.3.3中枢点电压调整的方式调压方式逆调压常调压顺调压2/4/202332电力系统无功功率与电压调整逆调压针对条件：大型网络如中枢点到负荷的线路较长，且负荷变化较大。调整方式：在最大负荷时较线路额定电压高5%，即1.05VN；在最小负荷时等于线路的额定电压，即1.0VN。5.3.3中枢点电压调整的方式2/4/202333电力系统无功功率与电压调整常调压针对条件：中型网络负荷变化较小，且线路上电压损耗也较小。调整方式：使中枢点电压保持在较线路额定电压高2%~5%数值，即(1.02~1.05)VN，不必随负荷变化来调整。5.3.3中枢点电压调整的方式2/4/202334电力系统无功功率与电压调整顺调压针对条件：小型网络如中枢点到负荷的线路不长，负荷变化很小。调整方式：在最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%，即1.025VN；在最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%，即1.075VN。5.3.3中枢点电压调整的方式2/4/202335电力系统无功功率与电压调整5.4电力系统的电压调整5.4.1电压调整的基本原理5.4.2改变发电机调压(了解)5.4.3改变变压器变比调压5.4.4有载调压变压器(了解)5.4.5加压调压变压器5.4.6无功功率补偿调压(了解)5.4.7改变输电线路参数调压(了解)5.4.8各种调压措施的比较及合理选用

具体调压方法2/4/202336电力系统无功功率与电压调整5.4.1电压调整的基本原理电压调整原理图2/4/202337电力系统无功功率与电压调整5.4.1电压调整的基本原理调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；改变变压器的变比k1、k2；改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗△V；改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗△V。2/4/202338电力系统无功功率与电压调整电压调整的基本原理调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；改变变压器的变比k1、k2；改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗△V；改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗△V。2/4/202339电力系统无功功率与电压调整5.4.2改变发电机端电压调压对于孤立发电厂不经升压直接供电的小型网络负荷增大增加发电机励磁电流提高发电机电压负荷降低减小发电机励磁电流降低发电机电压2/4/202340电力系统无功功率与电压调整5.4.2改变发电机端电压调压对于线路较长+供电范围大+多级变压系统单靠发电机调压无法满足要求；发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求，即最大负荷时提高5%，最小负荷时保持额定电压。2/4/202341电力系统无功功率与电压调整5.4.2改变发电机端电压调压对于有若干发电厂并列运行的大型电力系统调整个别发电厂的母线电压，会引起系统中无功功率的重新分配；发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。2/4/202342电力系统无功功率与电压调整电压调整的基本原理调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；改变变压器的变比k1、k2；改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗△V；改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗△V。2/4/202343电力系统无功功率与电压调整5.4.3改变变压器变比调压变压器高（中）压侧通常设计有多个分接头，与额定电压对应分接头称为主接头（主抽头）

主抽头，242kV+2.5%，248kV+5%，254kV-5%，230kV-2.5%，236kV

主抽头，220kV+2.5%，225.5kV+5%，231kV-5%，209kV-2.5%，214.5kV10.5kV11kV升压变降压变10.5/242±2×2.5%kV220±2×2.5%/11kV改变变压器变比调压实际就是根据要求适当选择分接头。1、降压变压器；2、升压变压器；3、三绕组变压器2/4/202344电力系统无功功率与电压调整5.4.3改变变压器变比调压1.降压变压器分接头的选择2/4/202345电力系统无功功率与电压调整5.4.3改变变压器变比调压1.降压变压器分接头的选择找出相应接头并验证降压变顺调压2/4/202346电力系统无功功率与电压调整例5-2某变电所由阻抗为4.32+j10.5Ω的35kV线路供电。变电所负荷集中在变压器10kV母线B点。最大负荷8+j5MVA，最小负荷4+j3MVA，线路送端母线A的电压在最大负荷与最小负荷时均为36kV，要求变电所10kV母线上的电压在最小负荷与最大负荷时电压偏移不超过±5%，试选择变压器分接头。变压器阻抗折算到高压侧为0.69+j7.84Ω，变比为35±2×2.5%/10.5kV。等值电路图

5.4.3改变变压器变比调压(习题)2/4/202347电力系统无功功率与电压调整5.4.3改变变压器变比调压2.升压变压器分接头的选择2/4/202348电力系统无功功率与电压调整5.4.3改变变压器变比调压2.升压变压器分接头的选择找出相应接头并验证发电机逆调压2/4/202349电力系统无功功率与电压调整例5-3一升压变压器，其归算到高压侧的参数、负荷、分接头范围如图所示，最大负荷时高压母线电压为120kV，最小负荷时高压母线电压为114kV，发电机电压调节范围为6-6.6kV，试选择变压器分接头。等值电路图

5.4.3改变变压器变比调压(习题)2/4/202350电力系统无功功率与电压调整5.4.3改变变压器变比调压3.普通三绕组变压器分接头选择（了解）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第一步：根据低压母线的调压要求，在高-低压绕组之间进行计算，选取高压绕组的分接头。第二部：根据中压母线的调压要求及选取的高压绕组分接头，在高-中压绕组之间进行计算，选取中压绕组的分接头。2/4/202351电力系统无功功率与电压调整5.4.3改变变压器变比调压存在的缺点(双绕组升/降压、三绕组变压器)：不可能改变电压损耗的数值，也不可能改变负荷变化时次级电压的变化幅度；通过对变比的适当选择，只能把这一电压幅度对于次级额定电压的相对位置进行适当的调整。如果计及变压器电压损耗在内的总电压损耗，最大负荷和最小负荷时电压变化幅度(12%)超过分接头可能的调整范围(5%)，或者逆调压时，则靠选分接头的方法就无法满足。2/4/202352电力系统无功功率与电压调整5.4.4有载调压变压器(了解)有载调压变压器(又称带负荷调压变压器)，可以在带负荷情况下切换分接头，且调节范围也比较宽。电压为110KV及以下的有载调压器，高压绕组有7个分接头，即VN±3×2.5%;220KV级的有9个分接头即VN±4×2.0%，如有特殊需要，制造厂可提供更多数量的分接头。有载调压器可按普通变压器的计算公式计算各种运行方式下变压器的分接头电压。2/4/202353电力系统无功功率与电压调整5.4.4有载调压变压器(了解)有载调压变压器原理示意图2/4/202354电力系统无功功率与电压调整电压调整的基本原理调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；改变变压器的变比k1、k2；改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗△V；改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗△V。2/4/202355电力系统无功功率与电压调整5.4.6无功功率补偿调压(了解)无功补偿装置：同步调相机、C、SVC、SVGC：只能发出感性无功提高电压；其它：电压低时提供感性无功无功，高时吸收感性无功。简单电力网的无功功率补偿2/4/202356电力系统无功功率与电压调整5.4.6无功功率补偿调压(了解)无功补偿原理2/4/202357电力系统无功功率与电压调整5.4.6无功功率补偿调压(了解)补偿设备为静电电容器C2.补偿设备为同步调相机(SVC、SVG类似)2/4/202358电力系统无功功率与电压调整第一步：根据调压要求，按最小负荷时没有补偿的情况确定变压器的分接头；5.4.6无功功率补偿调压(了解)1.补偿设备为静电电容器2/4/202359电力系统无功功率与电压调整第二步：按最大负荷时的调压要求计算补偿容量；5.4.6无功功率补偿调压(了解)1.补偿设备为静电电容器第三步：根据算得的补偿量，进行电压校验。2/4/202360电力系统无功功率与电压调整5.4.6无功功率补偿调压(了解)1.补偿设备为同步调相机过励磁运行：发出感性无功功率（无功电源），过励磁运行时的容量是调相机的容量。

欠励磁运行：吸取感性无功（无功负荷），欠励磁运行时的容量为调相机容量的50％～65％。

2/4/202361电力系统无功功率与电压调整5.4.6无功功率补偿调压(了解)1.补偿设备为同步调相机第一步：根据调压要求，按最大负荷和最小负荷时调相机的容量确定变压器的分接头；2/4/202362电力系统无功功率与电压调整5.4.6无功功率补偿调压(了解)1.补偿设备为同步调相机第一步：根据调压要求，按最大负荷和最小负荷时调相机的容量确定变压器的分接头；2/4/202363电力系统无功功率与电压调整第二步：按最大负荷时的调压要求计算补偿容量；5.4.6无功功率补偿调压(了解)1.补偿设备为同步调相机第三步：根据算得的补偿量，进行电压校验。2/4/202364电力系统无功功率与电压调整例5-6某一降压变电所由双回110kV,长70km的架空线路供电,导线型号为LGJ-120,单位长度阻抗为0.263+j0.423Ω/km。变电所两台变压器并联运行，参数为SN=31.5MVA,VN=110±2×2.5%/11kV,Vs%=10.5。变电所最大负荷为40+j30MVA,最小负荷为30+j20MVA。线路首端电压为116kV维持不变。变电所二次母线允许电压偏移在最大、最小负荷时为额定电压的2.5％～7.5％。试根据调压要求，按电容器和同步调相机两种措施，确定变电所二次母线上所需补偿设备最小容量。5.4.6无功功率补偿调压(习题)2/4/202365电力系统无功功率与电压调整电压调整的基本原理调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；改变变压器的变比k1、k2；改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗△V；改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗△V。2/4/202366电力系统无功功率与电压调整5.4.7改变输电线路参数调压(了解)线路串联电容器串联电容器补偿前串联电容器补偿后适用于35-110kV长度大、负荷变化范围大的架空线路；10kV及以下架空线路，由于RL/XL很大，使用不经济。2/4/202367电力系统无功功率与电压调整5.4.7改变输电线路参数调压(了解)线路串联电容器串联电容器补偿后提高的电压值串联电容器组2/4/202368电力系统无功功率与电压调整5.4.7改变输电线路参数调压(了解)线路串联电容器串联电容器组缺点：增加了过压保护、继电保护、运行维护的复杂性。2/4/202369电力系统无功功率与电压调整5.4.7改变输电线路参数调压(了解)线路串联电容器负荷集中在线路末端沿线路有若干负荷串联电容器补偿前后的沿线电压分布2/4/202370电力系统无功功率与电压调整5.4.8各种调压措施的比较及合理选用从经济、技术等方面折中考虑调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；改变变压器的变比k1、k2；改变功率分布P+jQ(主要是Q)，减小电压损耗△V；改变网络参数R+jX(主要是X)，减小电压损耗△V。无功优化方案？2/4/202371电力系统无功功率与电压调整5.5频率