电力系统无功功率和电压调整课件

2025/4/120:26

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电力系统无功功率和电压调整

照明设备：白炽灯白炽灯的电压特性

异步电动机：当U

70%UN若电机满载运行，会造成电机停转。

转子堵转→I↗→T

↗→烧坏。

§6-1

概述一、电压波动对用户的影响2025/4/120:26

2§6-1

概述

电子设备:(例如电视机)U↓

图像不稳定（波动、变形）。

U↑

显像管寿命↓。

因而，我国对各类供电电压和网络的节点规定了允许的电压偏移。以前分析：在高压电力系统中，节点电压幅值仅与无功功率变化有关。二、影响节点电压的因素下面以单回线路为例：2025/4/120:26

3R+jXP2+jQ2U2U1110kV以上线路：X>>R①

有功功率主要与线路两端的电压夹角有关；δ↑

P2↑。当U1超前U2时，δ>0，P2>0，即P2方向总从超前电压流向滞后电压；分析：§6-1

概述2025/4/120:26

4②

无功功率的大小和方向取决于U1和U2的大小；若cosδ≈1，

当U1>U2时，Q2>0，即无功功率总是从电压高的一端流向电压低的一端；

U1不变时：

Q越大，U2越低；Q越小，U2越高；R+jXP2+jQ2§6-1

概述2025/4/120:26

5可见，在负荷吸收无功不变的情况下，由于传输的无功较大，会导致U2数值过低，超出了线路末端允许的电压偏移值。◆提高U1，但是，可能会造成U1超出允许电压偏移值。◆如果所欠的无功功率由设在线路末端的无功电源满足，这种满足电压要求而设置的无功电源称为无功补偿电源，简称无功补偿。无功补偿减少了线路流动，从而提高了输电线路末端的电压。这种方法调压在低压配电系统中应用极为广泛。§6-1

概述保证U2电压质量，有三种方法：◆增大线路的截面积（低压）或减少线路的电抗。2025/4/120:26

6根据系统的能量守恒，系统中任意时刻发出的无功功率应等于消耗的无功功率。系统无功功率的平衡可以从无功电压特性曲线可以看出。例如：一个简单系统。～D对系统综合用电负荷，一般表现的是异步电动机的无功电压特性。其特性曲线在电机学学过，如图。做发电机和线路的等值电路，如图。(假若发电机为隐极机。)§6-1

概述三、无功功率平衡与电压水平的关系2025/4/120:26

7其中，X—发电机、线路的总电抗

E—发电机电动势

P＋jQ—发电机送到用户的功率～DjxE·U·I·P+jQ发电机的无功电压特性(表达式)，前面已经推导。可见，发电机的无功电压特性曲线是一条向下开口的抛物线，如图。§6-1

概述2025/4/120:26

8QGQUQLUN如果该系统正常运行，则工作点应在负荷和发电机的无功曲线交点。(产生和消耗相等)在系统有功不变的情况下：QL′△QabU1可见，系统无功不足时，导致电压下降，在较低电压下达到无功平衡。QG′c系统在额定电压下达到无功平衡。§6-1

概述2025/4/120:26

9同样，当发电机无功过剩时，会导致系统电压上升，系统在较高的电压下再达到平衡。即：电力系统无功功率必须保持平衡（产生无功等于消耗无功）-----是维持电压水平的必要条件。注意：希望是在额定电压下的无功功率平衡，不是在电压过高（无功过剩）和过低（无功不足）下的平衡。结论：无功功率与电压调整密切相关。系统无功不足会导致系统电压下降。系统无功过剩，会导致系统电压上升。增加或减少无功电源的无功输出可以调节系统的电压水平。§6-1

概述2025/4/120:26

10当系统无功严重不足时，如图：QGQUUNaoU1QGQG′当系统无功上升到与发电机曲线相切时（d点），系统的工作点是不稳定的。任何一个小的扰动，都会导致电压急剧下降，而不能恢复。这种现象称为电压崩溃，o点成临界点。§6-1

概述即：系统运行电压不能太低（无功缺额不能太大）Uo2025/4/120:26

11“电压崩溃”现象

例如：上海一发电厂的发电机失去励磁事故。§6-1

概述电压临界点2025/4/120:26

12电力系统正常运行必须保证无功功率平衡，所以电网的无功功率平衡公式：其中，注意：

这里所说的无功功率平衡是在正常电压水平下的无功功率平衡；在无功不足时，由于电压下降，负荷减少了吸收无功也达到了平衡，这不是所希望的；§6-1

概述四、无功功率平衡2025/4/120:26

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无功功率平衡计算是电力部门的一项重要计算内容；

为了保证电力系统的电压质量，对无功功率平衡的要求是：系统无功功率电源所能发出的最大无功功率电源应大于或等于系统消耗的无功功率；其中，§6-1

概述2025/4/120:26

14QC>0系统有无功备用QC<0系统无功缺额，应增加无功电源下面讨论无功平衡中的各量：电力系统的无功负荷指的是用电设备所吸收的无功功率，在系统中，以异步电动机需用的无功功率占的比重最大。电力系统的负荷大多是吸收感性无功功率的，极少一部分负荷具有纯电阻负载（白炽灯、电加热器），不消耗无功。还有一部分负荷可以发出无功（例如：同步电动机）。§6-1

概述1.无功负荷：【例如】异步电动机：2025/4/120:26

15§6-1

概述异步电动机的简化等值电路jX

电压下降,转差增大,定子电流增大。可见：①负载率不同，消耗的无功不同；异步电动机的无功功率与端电压的关系

②在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减。2.无功损耗：2025/4/120:26

16无功损耗是指电能在传输中，电网元件消耗的无功功率，主要有线路和变压器。ⅰ变压器无功损耗：变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。RTjXT-jBTGT可见，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流I0的百分值，约为1％～2％；绕组漏抗中损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压Uk的百分值，约为10.5％。若变压器额定满载运行时所消耗的无功功率达到其自身额定容量的12%，§6-1

概述2025/4/120:26

17对多电压级网络,变压器中的无功功率损耗就相当可观，对于一个五级变压的网络来说，可达50%以上。ⅱ线路无功损耗：电力线路上的无功功率损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的这种损耗又称充电功率，与线路电压的平方成正比，呈容性。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。RjXU1●U2●§6-1

概述2025/4/120:26

18可见，线路作为电力系统的一个元件究竟消耗容性或感性无功功率就不能肯定。一般当通过线路输送的有功功率大于自然功率时，线路将消耗感性无功功率；当通过线路输送的有功功率小于自然功率时，线路将消耗容性无功功率。即：一般，35kV以下，△Q>0，线路消耗无功；

110kV以上，与运行方式有关(负荷大小)，线路长度有关；§6-1

概述输电线末端负荷的等值阻抗等于输电线的波阻抗时，输电线输送的功率为自然功率或"波阻抗功率"。2025/4/120:26

19ⅰ发电机：～如图示同步发电机：做等值电路图(隐极机)：jxdE·U·I·做向量图：若发电机在额定运行状态；§6-1

概述3.无功电源：2025/4/120:26

20建立坐标，可知：QQNPNCAPOEN●jXdIN●IN●UN●SN即：§6-1

概述(ifN)2025/4/120:26

21QQNPNCAPOEN●jXdIN●IN●UN●EN●SNSQPIf限制了发电机输出功率；★S<SN--发电机输出功率减小，容量不能充分利用；★Q>QN--发电机输出无功增大；★P<PN--发电机输出有功减少；C工作点向下移动§6-1

概述(ifN)SN2025/4/120:26

22QQNPNCAPOEN●jXdIN●IN●UN●SNE●原动机限制了输出功率；★S<SN--发电机输出功率减小，容量不能充分利用；★Q<QN--无功输出减少；★P=PN--发电机输出有功最大；§6-1

概述2025/4/120:26

23PNQQNCAPOEN●jXdIN●IN●UN●受到系统稳定性的限制；E●S容量也得不到充分利用；红线的包络线是发电机的极限运行线ⅱ调相机：实际上是一个当电动机运行的同步发电机；§6-1

概述IN●2025/4/120:26

24有两种运行方式：过激运行：向电网输送无功功率（+Q）；欠激运行：向电网吸收无功功率(-Q)；注意：调相机在欠励磁运行时的容量是过励磁运行时容量的50％～65％。它一般装在接近负荷中心处，以减少传输无功功率引起的电能损耗和电压损耗。所以改变调相机的励磁可以平滑地改变无功功率的大小和方向。ⅲ静电电容器：§6-1

概述2025/4/120:26

25静电电容器供给的无功功率Qc与所在节点的电压U的平方成正比，即：仅发出无功的电源。特点：当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少，即具有负的调节效应。但由于是静止元件，使用灵活，维护简单方便。ⅳ并联电抗器：§6-1

概述2025/4/120:26

26仅吸收无功功率。一般用于超高压、长距离、轻载线路。吸收过剩的无功功率。ⅴ静止无功补偿器：静止无功补偿器是由可控硅控制的可调电抗器与电容器并联组成的新型无功补偿装置，具有极好的调节性能，能快速跟踪负荷的变动，改变无功功率的大小，能根据需要改变无功功率的方向，响应速度快，不仅可以作为一般的无功补偿装置，而且是唯一能用于冲击性负荷的无功补偿装置。静止无功补偿器（SVC）－StaticVarCompensator。§6-1

概述静止无功补偿器有几种类型：2025/4/120:26

27例如：TCR型补偿器:

CLfC滤波器滤波器：利用CL构成串联谐振，作为高次谐波通路。§6-1

概述(1)结构：由静止电容器与可调电抗器并联组成。(2)调节特性：电容器发出感性无功功率，电抗器根据系统电压的变化调节其自身对感性无功功率的吸收量，以保证系统电压的稳定。2025/4/120:26

28(3)特点：调节性能好，快速、平滑，满足动态的无功功率的需要，静止元件，运行维护简单方便，有功损耗小，但运行过程中向系统注入谐波电流，要有相应的滤波措施。通过以上可见：无功电源多种多样，可在电力系统各个节点随意装设，进行无功调节，无功电源的布置具有很大的分散性。§6-1

概述2025/4/120:26

29第六章电力系统无功功率和电压调整在电力系统运行中，由于负荷的变化，会导致电压的波动，为了保证供电的电压质量，对电压偏移较大的节点必须进行调整。一、中枢点的电压管理：电压管理方式：对于一个电力系统来说，系统的节点数量是非常多的，因而对系统的每一个节点的电压都进行管理是非常困难的。因此，电力系统运行部门仅仅监视和调整一部分重要的节点（中枢点），以期达到全面调节各节点电压的目的。§6-2

电力系统电压调整中枢点的特点：2025/4/120:26

30①

该点反应了系统电压水平；②

大多数负荷都由这些中枢点供电；就是说，该点的电压较低，则与其相关的节点的电压也会较低，提高该点的电压，也会相应提高其它节点的电压；中枢点的选择：①

区域性水、火电厂的高压母线（高压母线有几回出线的情况）；②

枢纽变电所的二次母线；§6-2

电力系统电压调整③

有大量地方负荷的发电厂母线；中枢点电压与负荷电压的关系：2025/4/120:26

31§6-2

电力系统电压调整在满足负荷的电压要求下（Vmin≤V≤Vmax

），可确定中枢点i的电压范围：Vimin≤Vi≤Vimax；即：★中枢点i的最低电压Vimin等于在地区负荷最大时某用户允许的最低电压Vmin加上到中枢点的电压损耗△Vmax。2025/4/120:26

32★中枢点i的最高电压Vimax等于地区负荷最小时某用户允许的最高电压Vmax加上到中枢点的电压损耗△Vmin。§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

331.中枢点电压上、下限确定：SjkjSki△Uij△Uik例如：如图示系统，i点是中枢点；确定方法：若j、k点的日负荷曲线如图：Sjmax

tSjSjmin24816Skmax

SkSkmin24816t3§6-2

电力系统电压调整试确定满足j、k点的电压要求时的i节点的电压允许变化范围；2025/4/120:26

34①根据最大负荷、最小负荷求出线路电压损耗；t△Uij0.04UN248160.1UNt△Uik0.01UN248160.03UN②假设j、k节点电压允许波动±5%UN；编制出中枢点i的电压变动曲线；j点对点i允许电压变化范围：SjkjSki△Uij△Uik§6-2

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35tUi24816UN1.09UN1.05UN1.15UN0.99UN8~24小时：Ui=Uj+△Uij=（0.95~1.05）UN+0.1UN=(1.05~1.15)UN0～8小时：Ui=Uj+△Uij=（0.95~1.05）UN+0.04UN=(0.99~1.09)UNk点对点i允许电压变化范围：0～16小时：Ui=Uk+△Uik=（0.95~1.05）UN+0.01UN=(0.96~1.06)UNi点的电压只要在这个范围内，j点就可获得合格电压§6-2

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3616～24小时：Ui=Uk+△Uik=（0.95~1.05）UN+0.03UN=(0.98~1.08)UNtUi24816UN0.98UN1.08UN0.96UN1.06UN为同时满足j、k点电压要求，i节点的波动范围：tUi24816UN0.98UN1.08UN0.96UN1.06UN1.15UN1.05UN1.09UN0.99UNSjkjSki△Uij△Uik§6-2

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37①为同时满足两负荷点的电压要求，i节点的电压变动范围变小了，最小时仅有1％，最大时为9％；可见，②若两条线路负荷相差悬殊，或线路参数相差较大，即△U相差较大，会有可能在某一段时间内，中枢点无论如何都不能满足负荷点的调压要求；在实际电力设计和运行中，为了避免这种情况，规定了电力网的允许最大电压损耗。电力网性质△Umax%正常情况下的区域电力网10%§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

38电力网性质△Umax%事故情况下的区域电力网较正常增加5%正常情况下的中压配电网3~5%正常情况下的中压供电网4~7%两项之和不超过10%例如：△U4△U1△U2△U3～△U中压供电线中压配电网△U+△Ui<10%§6-2

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392.中枢点的调压方式：①逆调压：高峰负荷时升高中枢点电压（105%），低谷负荷时降低中枢点电压（UN）；一般用于供电线路较长，负荷变动规律大致相同的情况；②顺调压：高峰负荷时允许中枢点电压低一些，低谷负荷时允许中枢点电压高一些；一般用于供电线路距离较短，负荷变动小的情况；③恒调压：中枢点电压保持恒定数值（2~5%）；§6-2

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40改变If

改变发电机端电压U（±5%）。特点：简单、方便、易于实现逆调压、可以平滑调节，不用任何投资。使用：直接供电的小系统，线路不长，损耗不大的情况。对大型电力系统：只能作为辅助调压措施。限制：①

励磁电流的限制；二、电压调整措施：§6-2

电力系统电压调整1.利用发电机调压：2025/4/120:26

41②

并联发电机无功功率经济运行；③

远近负荷的限制（远近负荷对电压的要求，△U较大）；～5%5%5%10%10%负荷可见，由于线路较长，电压损失较大，通过改变发电机端电压很难改善系统末端的电压水平。同时发电机母线电压如果提高较大，对附近的负荷也有较大影响。§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

42调压方式有两种：不带负荷调压-----无载调压带负荷调压-----有载调压Ⅰ.有载调压变压器：造价高，抽头多，7、9、15、27、33等；可实现自动和手动的远方操作；调节方便，调节速度快；特点：Ⅱ.普通变压器：§6-2

电力系统电压调整2.改变变压器的分接头调压：2025/4/120:26

43这类变压器在停电情况下才能改变分接头，所以，必须事先选好一个合适的分接头，使在最大负荷和最小负荷情况下都能满足电压要求。SMSmU1●U2●做等值电路图（参数归算到高压侧）：R+jXP+jQU1●′U2●要求：

已知变压器负荷最大值SM、最小值Sm；

U1变化范围：U1M~U1m；

二次侧电压要求：U2M~U2m

；

试选择合适分接头；§6-2

电力系统电压调整ⅰ降压变压器：2025/4/120:26

44R+jXPM+jQMU1M●′U2M●高压母线电压运行是：U1M低压母线要求电压是：U2M计算此时变压器变比，为了简单，计算时不计网损。变压器负荷功率SM=PM+jQM；△UM可使用额定电压代替U2M§6-2

电力系统电压调整最大负荷时：2025/4/120:26

45高压母线电压运行是：U1m低压母线要求电压是：U2m变压器负荷功率：Sm=Pm+jQm；§6-2

电力系统电压调整最小负荷时：R+jXPm+jQmU1m●′U2m●2025/4/120:26

46R+jXPm+jQmU1m●′U2m●计算此时变压器变比，为了简单，计算时不计网损。U2m§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

47为了同时满足最大负荷和最小负荷的调压要求,取平均值：根据U1t选一个较近的分接头。§6-2

电力系统电压调整ⅱ升压变压器：102025/4/120:26

48SMSmUG●U2●R+jXP+jQUG●′U2●升压变压器的分接头在高压侧，一般升压变压器的低压侧大多接发电机母线。参数归算到高压侧，做等值电路；计算方法同于降压变压器；

已知变压器负荷最大值SM、最小值Sm；

U1变化范围：U1M~U1m；

二次侧电压要求：U2M~U2m

；

试选择合适分接头；同样得，最大负荷时：§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

49最大负荷时，发电机母线的运行电压与降压变压器相比，区别仅仅是电压损耗的减和加。注意：发电机电压调节范围：UN(95~105)%。§6-2

电力系统电压调整ⅲ三绕组变压器分接头选择：2025/4/120:26

50计算方法同于双绕组变压器。计算方法是：根据高、低压侧电压要求，求出高、低压侧变比，即高压侧的分接头（看成一个双绕组变压器）；根据高中或者中低压侧的电压要求，再确定中压侧的分接头（也可以看成双绕组变压器）。三绕组变压器的分接头在高、中压侧。注意：改变变压器变比调压，一般适合于系统无功充足的情况。当电力系统中无功电源不足时，如果采用改变变压器变比§6-2

电力系统电压调整3.利用无功功率补偿调压：2025/4/120:26

51调压。虽然能提高系统局部电压水平，但是这会造成系统其它节点电压下降更加严重。因而由于无功不足造成的电压下降，宜采用无功进行补偿来调压。U1U2R+jXP+jQ如图系统，参数归算到一次侧：U1保持不变；若将U2提高到U2C，试按照调压要求选择补偿容量。未加无功补偿：R+jXP+jQU1●U2●′§6-2

电力系统电压调整U2C2025/4/120:26

52U1U2R+jXP+jQ在U2母线上加无功补偿电源-jQC：R+jXP+jQU1●U2c●′P+j(Q-Qc)可求出由提高到时，需要的无功补偿容量。U2′U2c′U1保持不变,可得：由提高到时电压损耗的变化量，一般很小，可略去。U2′U2c′§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

53未加装无功补偿时的电压；加装无功补偿时的电压；，带入上式：算出QC，但是不同的无功补偿电源选取的QC的规则不同，下面根据无功补偿电源不同，分别讨论。§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

54ⅰ用静止电容器补偿：特点:只能发感性无功,可全部或部分切除，不能平滑调节。补偿原则（最小容量补偿原则）:最大负荷时补偿容量全部投入，最小负荷时全部退出。可见，应根据变压器分接头配合。

最小负荷时，选变压器分接头来满足调压要求：潮流计算出的二次侧电压归算值二次侧电压要求值§6-2

电力系统电压调整R+jXPm+jQmU1●U2m●′2025/4/120:26

55R+jXPM+jQMU1●U2cM●′P+j(Q-Qc)

最大负荷时，用补偿容量满足调压要求：注意：计算出QC后

查出合适设备

校验。ⅱ调相机补偿：特点:过激运行时，向电力系统供给感性无功功率，欠激运行时从电力系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

56过激运行时容量的50%-60%。为了充分利用调相机容量，补偿原则：最大负荷时，按额定容量过激运行；最小负荷时，按（0.5～0.6）倍额定容量欠激运行；显然，为了达到上要求，也必须与变压器的变比选择配合。最大负荷时：(1)最小负荷时：§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

57(2)将上式相比,得：式中：计算步骤：①用(2)式求出变压器的变比k，选择变压器的分接头U1t;②令k=U1t/U2N，带入(1)式求QSC;③根据QSC查相应的调相机型号，并校验;§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

58R+jXP+jQU1●U2●如图系统，电压损耗：可见，X

△U

U2

，减少线路电抗可以改善电压水平；采用串联电容器补偿：解决问题：将末端电压由U2

U2C，求补偿电容器的容量。未加补偿前电压损耗：§6-2

电力系统电压调整4.改善线路参数调压：2025/4/120:26

59补偿后电压损耗：R+jXP+jQU1●U2●-jXcR+j(X-Xc)上式两电压损耗之差就是线路末端提高的电压值：接近零为了将末端电压U2提高到

U2C，必须满足上式。§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

60其中，△U-△UC是要求电压损耗减少的量；近似计算认为U2C与UN相近，所以：①计算XC；②决定电容器容量和个数；串联电容器补偿必须是用一组电容：IM●●

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●●

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●●●●●●nm每个电容器额定参数：额定电压：VNC、额定电流INC，额定容量QNC=UNC·INC§6-2

电力系统电压调整计算步骤：2025/4/120:26

61可根据最大负荷电流计算电容器个数：总容量：Qc=3·m·n·QNc个数：3·m·n③校验；应用场合：

用于110kV及以下电压级的分支线上，X>>R;IM●●

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●●

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●●

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●●●●●●nm注意：电容器的最大工作电流及耐压要满足要求。

负荷波动大、频繁，功率因数低的情况;§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

62一般：110kV可采用并联电容补偿；10kV~35kV宜采用串联电容补偿；10kV及以下，采用按调压选择导线截面积；§6-2

电力系统电压调整2025/4/120:26

63例题：（习题3-17）

如图所示变压器，图中给出了最大和最小负荷时的功率分布及电压偏移范围，变压器变比为110±2×2.5%/38.5±2×2.5%/6.6kV,阻抗均为归算至高压侧的值，试选择变压器中压、高压绕组的分接头。例题3+j65

ⅠⅢⅡ112~115kV35~38kV6~6.5kV4-j1

5+j30

6+j5MVA(4+j3)6+j4MVA(2+j1)S0SⅠ2025/4/120:26

643+j65

ⅠⅢⅡ112~115kV35~38kV6~6.5kV4-j1

5+j30

6+j5MVA(4+j3)6+j4MVA(2+j1)解：计算Ⅱ、Ⅲ母线的运行