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第1页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整电压是衡量电能质量的重要指标。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。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。

电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备会带来不良的影响。（1）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。（3）电压过低，电机发热。（4）系统电压崩溃第2页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率负荷异步电动机等值电路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，系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定异步电动机的无功功率和有功功率异步电动机的无功电压特性受载系数负载不变电压降低无功损耗反而升高受饱和影响，励磁功率稍高于二次曲线第3页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率负荷变压器的无功损耗变压器的无功损耗变压器等值电路输电线路的无功损耗输电线路的无功消耗输电线路等值电路35kV及以下线路充电功率很小，消耗无功功率；110kV及以上线路轻载时为无功电源，重载时消耗无功功率。无功需求比重大：空载电流I0%=2.5，短路电压VS%=10.5，在额定满载下运行时，无功消耗将达额定容量的12%。第4页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源发电机—P-Q极限受额定励磁电流限制，发电机电抗压降限值，以O点为圆心，OC为半径进相运行的稳定约束和定子绕组端部温升受定子额定电流限制，发电机电抗压降限值，以A点为圆心，AC为半径OC—空载电势OA—机端电压AC—发电机电抗压降，正比于视在功率；AD—正比于机端有功功率AB—正比于机端无功功率DC—原动机输入功率（额定有功功率）约束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）下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。第5页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源旋转元件，运行维护复杂；有功损耗较大，满负荷时约为额定容量的1.5%~5%，容量越小，比例越大；小容量机组投资费用高（每kVA），仅利于集中大容量使用；响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求20世纪70年代后，逐渐为静止无功补偿器取代；同步调相机过励磁运行，向电网输出感性无功功率；欠励磁运行，从电网吸收感性无功功率；欠励磁最大容量为过励磁容量的50%~65%；装有自动励磁，可实现无功电压连续调节；具有强励功能，可调节系统电压，有利于提高稳定性第6页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静电电容器输出无功与节点电压平方成正比，无功功率调节性能较差；装设容量可大可小，既可集中安装，亦可分散安装；单位容量投资费用较小，与总容量无关；运行功率损耗小，约为额定容量的0.3%~0.5%；无旋转元件，运行维护方便；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（不连续）；目前广泛低压配网中广泛采用的无功补偿技术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=V2/XC第7页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静止无功补偿器—饱和电抗器型静止补偿器静止补偿器由静电电容器与电抗器并联组成电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。第8页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静止无功补偿器—晶闸管控制电抗器型静止补偿器TCR支路正负半周内部分导通等值电感可连续调节有谐波第9页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静止无功补偿器—晶闸管投切电容器型静止补偿器TSC：整周波投切，不产生谐波分级调节快速响应第10页，共28页，2023年，2月20日，星期一电力系统的无功功率平衡和电压调整—无功功率电源静止无功补偿器—静止无功发生器（SVG：StaticVarGenerator）与SVC相比，响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更少电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流储能电容的容量远小于装置无功容量第11页，共28页，2023年，2月20日，星期一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的基本概念无功平衡的基本要求：系统无功电源容量大于无功负荷与无功损耗之和，并具有备用容量无功电源总出力包括发电机无功功率和各种无功补偿设备的无功功率发电机无功功率按额定功率因数计算无功负荷按照负荷有功功率和功率因数计算，35kV及以上电压等级要求功率因数要达到0.9以上。无功功率分地区、分电压等级就地平衡—避免无功大容量远距离传送超高压线路并联高压电抗：90%QB变电站低容低抗、配电网电容补偿无功平衡应分别按最大和最小负荷计算小容量的采用电容器，大容量的调相机或补偿器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第12页，共28页，2023年，2月20日，星期一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与电压水平的关系P为一定值，Q(V)特性曲线为下开口抛物线；调节励磁电流，改变E可调整Q(V)特性系统无功电源输出不足，运行电压水平偏低；系统无功电源输出过剩，运行电压水平偏高；实现额定电压水平下的无功功率平衡，据此配置无功电源设备QGC=QLD+QL

在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？第13页，共28页，2023年，2月20日，星期一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与电压水平的关系-Ex12-2V2/kV103104105106107Q/Mvar28.1925.9123.5921.2118.79QLD-117.5417.8818.2218.5718.92QLD-226.3026.8227.3327.8628.39第14页，共28页，2023年，2月20日，星期一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偏移过大的危害电压偏低对系统和用户的影响电动机输出转矩降低或定子电流增大，失速甚至停转；电热设备生产效率降低照明光线不足，影响人的视力网络功率和能量损耗增加降低系统运行的稳定性电压偏高对系统和用户的影响电气设备绝缘受损，寿命缩短超高压网络电晕损耗允许电压偏移35kV及以上供电电压：正、负偏移的绝对值之和不超过10%VN；上下偏移同号时，按较大偏移绝对值衡量10kV及以下三相供电电压：±7%VN220V单相供电电压：+7%~-10%VN造成电压偏移的原因（1）设备及线路压降（2）负荷波动（3）运行方式改变（4）无功不足或过剩

第15页，共28页，2023年，2月20日，星期一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中枢点的电压管理中枢点的概念电压中枢点：指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）。区域性水、火电厂高压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例：中枢点中枢点确定中枢点电压的允许变化范围第16页，共28页，2023年，2月20日，星期一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中枢点的电压管理—确定允许电压运行范围VA：(0.95~1.05)VN时间△VOAVOA0~80.040.99~1.098~240.11.05~1.15VB：(0.95~1.05)VN时间△VOBVOB0~160.010.96~1.068~240.030.98~1.08第17页，共28页，2023年，2月20日，星期一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中枢点的电压管理—调压方式逆调压(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；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，因此，逆调压要求较高，较难实现；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107.5%；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2%~5%；第18页，共28页，2023年，2月20日，星期一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基本原理调节励磁电流改变VG适当选择变压器变比k改变线路参数改变无功功率分布1:k1VGk2:1VbGR+jXP+jQ电压调整的措施发电机调压改变变压器变比无功补偿调压采用静电电容器采用同步调相机4%2%G4%2%3%1%10%5%8%3%6%2%110kV3~10kV380V多级变压供电系统的电压损耗分布与发电机调压适合于由孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网机端电压允许偏移：±5%VGN，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第19页，共28页，2023年，2月20日，星期一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改变变压器变比调压降压变压器分接头选择V1RT+jXTP+jQV2升压变压器分接头选择k:1V2RT+jXTP+jQV11: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；第20页，共28页，2023年，2月20日，星期一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改变变压器变比调压采用固定分接头的变压器调压，电压损耗不会改变，负荷变化时次级电压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（±5%），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；采用有载调压方式，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；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；加压调压器：与主变压器配合使用，相当于有载调压变压器；第21页，共28页，2023年，2月20日，星期一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改变变压器变比调压采用固定分接头的变压器调压，电压损耗不会改变，负荷变化时次级电压变化幅度也不会改变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目前我国暂定，110kV级的调压变压器有7个分接头，即VN±3×2.5%；220kV级的有9个分接头即VN±4×2.0%。第22页，共28页，2023年，2月20日，星期一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利用无功补偿调压V1V2R+jXP+jQjQCV1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC补偿容量与调压要求和变压器变比选择均有关变比k选取原则：满足调压要求的前提下，使得无功补偿容量最小低压配电线路和电缆线路，R>X，PR/V占电压损耗较大，无功补偿调压效果一般；第23页，共28页，2023年，2月20日，星期一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利用无功补偿调压—静电电容器最小负荷时，无电容器补偿，确定变压器分接头位置；最大负荷时，全部电容器投入，按调压要求确定补偿容量利用无功补偿调压—同步调相机最小负荷时，调相机按(0.5~0.65)额定容量欠励磁运行；最大负荷时，调相机按额定容量过励磁运行V1k:1V2=V2cR+jXP+jQjQC低压配电线路和电缆线路，R>X，PR/V占电压损耗较大，无功补偿调压效果一般第24页，共28页，2023年，2月20日，星期一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线路串联电容补偿调压V1V2R+jXP1+jQ1-jXC确定串联电容器台数及总容量nmIC串联电容器提升末端电压：QX/V随无功负荷增大而增大，与调压要求一致；功率因数高或R>X的线路，由于电压损耗中QX/V分量小，调压效果不明显；每台的额定电流为INC，额定电压为VNC，额定容量为QNC=VNCINC，则可根据最大负荷电流Icmax和所需的容抗值XC分别计算电容器串、并联的台数n，m以及三相电容器的总容量QC。