第六章 电力系统的无功功率和电压调整新.doc

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1、第六章 电力系统的无功功率和电压调整6-1 电力系统总无功功率的平衡 电力系统中的电压是衡量电能质量的一个重要指标。保证供给用户的电压与其额定值的 偏移不超过规定的数值是电力系统运行调整的基本任务之一。从前面分析可知，电力系统中 的电压与系统中的无功功率密切相关，为保证系统的电压水平，系统中应有充足的无功电 源。本节就是分析无功功率与电压的关系，以及对电压的调整问题。一、 无功功率负荷和无功功率损耗1.无功负荷：除白只灯消耗有功外，绝大部分异步电动机消耗无功。要保持负荷的电压水平，就得供给负荷所需要的无功功率，只有当系统有能力供给足够的无功时，负荷的端电压才能维持在正常的水平。如果系统的无功电

2、源容量不足，负荷的端电压将被迫降低，所以维持电力系统的电压水平与无功功率之间有着不可分割的关系。 电力系统综合无功负荷的静态电压特性如图43所示。它的特点是：电压略低于额定值时，无功功率随电压下降较为明显；当电压下降幅度较大时，无功功率减小的程度逐渐变小。2. 变压器无功损耗变压器中的无功功率损耗分为两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流的百分值，约为；绕组漏抗中损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压的百分值，约为。因此，对一台变压器或一级变压器的网络而言，变压器中的无功功率损耗并不大，满载时约为它额定容量的百分之十几。但对多级电压网络，变压器中

3、的无功功率损耗就相当可观。3. 输电线路无功损耗电力线路上的无功功率损耗也分为两部分，即并联导纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的无功功率损耗可表示为可见，并联电纳中的无功功率与线路电压的平方成正比，呈容性，又称为线路的充电功率。而串联电抗中的无功功率损耗可表示为可见，串联电抗中的无功功率与负荷电流的平方成正比，呈感性。以上两部分无功功率的总和反映线路上的无功功率损耗。如果容性大于感性，则向系统输送无功；如果感性大于容性，则向系统吸收无功。因此，电力线路究竟是损耗无功还是发无功，则需要按具体情况作具体的分析、计算。二、电网中的无功电源1. 发电机 同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的

4、无功功率电源。在正常运行时，其定子电流和转子电流都不应超过额定值。设发电机额定视在功率为，额定有功功率为，额定功率因数为，则发电机在额定状态下运行时，可发出的额定无功功率为由上分析可知，发电机供给的无功不是无限可调的，当发电厂距用户较远时，无功所引起的线损较大，这种情况下，则应在用户中心设置补偿装置。2电容器电容器只能向系统供给无功功率，它可以根据需要由许多电容器连接成组。因此，优点：静电电容器组的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。静电电容器在运行时的功率损耗较小，约为额定容量的0.30.5。电容器所供出的无功功率与其端电压的平方成正比，即式中 电容器的容抗。缺点：当

5、节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小，导致系统电压水平进一步下降，这是其不足的地方。特点：电容器所供应的感性无功与其端电压的平方成正比，电容器分组投切，非连续可调。3.调相机 同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，它在过激运行时向系统供给无功功率，欠激运行时从系统吸取无功功率。优点：平滑地改变它的无功功率的大小及方向，从而平滑地调节所在地区的电压。但在欠激状态下运行时，其容量约为过激运行时额定容量的5060。同步调相机可以装设自动励磁调节装置，能自动地在系统电压降低时增加输出无功以维持系统电压。在有强行励磁装置时，在系统故障情况下也能调节系统电压，有利于系统稳定运行。缺点：运行时

6、要产生有功功率损耗，一般在满负荷运行时，有功功率损耗为额定容量的1.53，容量越小，所占的比重越大，在轻负荷时，这一比例数也要增大；小容量的同步调相机每千伏安的费用大，故同步调相机适用于大容量集中使用；同步调相机为转动设备，维护工作量相对较大。3静止补偿器和静止调相机静止无功功率补偿器（SVC）P245页和静止调相机是分别与电容器和调相机相对应而又同属“灵活交流输电系统”范畴的两种无功功率电源。静止补偿器由电力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，就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。静止补偿器有很多类型，目前

7、较为完善的有直流助磁饱和电抗器型、晶闸管控制电抗器型、自饱和电抗器型三种，如图4-5所示。这三种补偿器都有两个支路，左侧支路为电抗器支路，右侧支路为电容器支路。它们的共同点是其中的电容器支路，既为同步频率下感性无功功率的电源，又因电容C与电感串联构成谐振回路，并作高次谐波的滤波器，滤去补偿器中各电磁元件产生的5、7、11、13、等奇次谐波电流，这类支路是不可控的。它们的不同点集中在电抗器支路，直流助磁饱和电抗器和晶闸管控制电抗器都是可控电抗器，而自饱和电抗器则不可控；晶闸管控制电抗器是不饱和电抗器，其他两种则都是饱和电抗器。显然，静止补偿器向系统供应感性无功功率的容量取决于它的电容器支路，从系

8、统吸取感性无功功率的容量则取决于它的电抗器支路。 优点：快速平滑地调节无功功率，以满足无功功率的要求，这样就克服了电容器作为无功补偿装置只能作电源不能作负荷、调节不连续的缺点；与同步调相机相比较，静止补偿器运行维护简单、功率损耗小，能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性，因此在电力系统中得到越来越广泛的应用。缺点：费用高。三、无功功率平衡综合以上所述的无功功率负荷、无功功率损耗及无功功率电源，就可以作出系统的无功功率平衡。如果发电机所发无功功率为，调相机所发无功功率为，电容器所供无功功率为，静止补偿器所供无功功率为，而负荷消耗的无功功率为，变压器的无功损耗为，线路

9、电抗无功损耗为，线路电纳无功损耗为，因此，相似于有功功率的平衡，无功功率的平衡式为 (4-1)此式还可简写为 (4-2)式中 无功功率电源容量之和； 无功功率负荷之和； 电力网中的无功功率损耗。在无功平衡的基础上，应有一定的无功备用。无功备用容量一般为无功负荷的78，以防止负荷增大时电压质量下降。通常将无功备用容量放在发电厂内。发电机一般在额定功率因数以下运行，若发电机有一定的有功备用容量，也就保持了一定的无功备用容量。应该指出，进行无功功率平衡计算的前提应是系统的电压水平正常。若不能在正常电压水平下保证无功功率的平衡，则系统的电压质量就不能保证。从系统综合负荷无功功率-电压静态特性曲线可清楚

10、地看到这一点。当系统中某些负荷节点电压低落的原因是由于系统中无功电源不足时，那么调压问题就与无功功率的合理供应和合理使用是分不开的。如果不从解决无功电力不足的问题着手，而是调节电源，使发电机多发无功，这是很不合理的。因为电源与负荷间距离较远，发电机多发的功率在网络中的无功损耗也大，不易调高末端电压。而且，为了防止发电机因输出过多的功率而严重过负荷，往往不得不降低整个系统的电压水平，以减小无功功率的消耗量，所以这就不免出现电压水平低落和无功出力不足的恶性循环。因此，在个别负荷节点电压较低的情况下，就应想法增加无功补偿装置，补充系统的无功，从而抬高电压水平。63 电力系统的电压调整一、调整电压的必

11、要性电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压偏移过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起系统性的“电压崩溃“，造成大面积停电。l 系统电压降低时，发电机的定子电流将因其功率角的增大而增大。如这时电流源已达额定值，则电压降低后，将使其超过额定值。l 当系统电压降低时，各类负荷中占比重最大的异步电动机的转差率增大，从而，电动机各绕组中的电流将增大，温升将增加，效率将降低，寿命将缩短。l 照明负荷，尤其是白炽灯，对电压变化的反应最灵敏。电压过高，白炽灯的寿命将大为缩短；电压过低，亮度和发光效率又要大幅下降。l 系统电压过高将使所有电气设备绝缘受损，而且变压器、电动机铁芯会

12、饱和，铁芯损耗增大，温升将增加，寿命将缩短。二、 电压波动和电压管理1电压波动电压波动分为两类：l 周期长、波动面大、主要由生产、生活和气象条件变化引起的负荷变动所导致的电压变动。l 冲击性和间歇性负荷引起的电压波动。如往复式泵、电弧炉、卷扬机、通风设备等。电压闪变、电压跌落等。习惯上所谓的电压调整是针对第一类的，对第二类可采取专门措施。2 电压管理（1） 电压中枢点的选择电力系统调整电压的目的，是要在各种运行方式下，能维持各用电设备的端电压在规定的波动范围内，从而保证电力系统运行的电能质量和经济性。由于电力系统结构复杂，用电设备数量极大，因此电力系统运行部门对网络各母线电压及各用电设备的端电

13、压进行监视和调整是不可能的，而且也没有必要。在电力系统中常常选择一些有代表性的点作为电压中枢点，运行人员监视中枢点电压，将中枢点电压控制调整在允许的电压偏移范围内。只要这些中枢点的电压质量满足要求，其他各点的电压质量基本上满足要求。所谓电压中枢点系指那些能反映和控制整个系统电压水平的点。一般选择下列母线作为中枢点：(1)大型发电厂的高压母线(高压母线上有多回出线时)；(2)枢纽变电所的二次母线；(3)有大量地方性负荷的发电厂母线。下图所示发电厂低压母线I和末端变电所二次母线可作为中枢点。（2）中枢点电压和负荷电压的关系为对中枢点电压进行控制和调整，必须首先确定中枢点电压的允许波动范围。一般各负

14、荷点都允许有一定的电压偏移，例如，负荷点允许电压偏移为5，再计及由负荷点到中枢点的线路上的电压损耗，便可确定中枢点电压的波动范围。这就是常说的电压的不等约束条件。对一个实际运行的系统，网络参数和负荷曲线已知后，要确定中枢点的电压波动范围，如图4-12 (a) 所示由一个中枢点i向两个负荷j、k供电的简单网络。设j、k两负荷允许电压偏移都为5，如图4-12 (b) 所示；负荷j、k的简化日负荷曲线如图4-12 (c) (d) 所示；设由于这两个负荷功率的流通，线路i-j、i-k上的电压损耗分别如图4-12 (e) 、(f)所示。求中枢点电压的波动范围。即编制中枢点电压变化曲线。根据负荷对电压的要

15、求，可求出中枢点电压的波动范围。只满足j负荷时，中枢点电压应维持的电压为：08时 ；824时 。只满足k负荷时，中枢点电压应维持的电压为：016时 ；1624时 。根据这些要求可作出中枢点i电压的变动范围如图4-13所示。将图4-13 (a) 、(b) 合并，就可得同时满足负荷j、k要求的中枢点i的电压允许变动范围，如图4-14 (a) 中的阴影部分。可见，同时满足j、k两点电压要求时，中枢点电压的变动范围为：08时 ；816时 ；1624时 。由以上可知，虽然负荷j、k允许的电压偏移都是5，即都有10的允许变化范围，但由于中枢点i与这些负荷之间线路上电压损耗、的大小和变化规律都不相同，要同时

16、满足这两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变化范围大大缩小了，最小时仅有1。若同时考虑两个负荷，两个负荷对中枢点电压的允许波动范围没有相交的阴影部分，则中枢点不能同时满足两个负荷对电压的要求。例如，设824时，增大为0.12，则816时，从曲线上找不到公共的阴影部分，中枢点i的电压就难以同时满足负荷j、k对电压质量的要求，如图4-14 (b) 所示。一旦出现这种情况，仅靠控制中枢点电压已不足以控制所有负荷点的电压，则应考虑采取其他措施。（3）中枢点的调压方式当在实际运行的电力系统中，由于缺乏必要的数据而无法确定中枢点的电压控制范围时，可根据中枢点所管辖的电力系统中负荷分布的远近及负荷波动

17、的程度，对中枢点的电压调整方式提出原则性要求，以确定一个大致的电压波动范围。这种电压调整方式一般分为逆调压、顺调压和常调压三类。(1)逆调压。对于大型网络，如中枢点至负荷点的供电线较长，且负荷变动较大，则在最大负荷时要提高中枢点的电压，以抵偿线路上因最大负荷而增大的电压损耗；在最小负荷时则要将中枢点电压降低一些，以防止负荷点的电压过高，一般对这种情况的中枢点实行“逆调压”。采用逆调压方式的中枢点电压，在最大负荷时较线路的额定电压高5，即1.05；在最小负荷时等于线路的额定电压，即1.0。(2)顺调压。对于小型网络，如中枢点至负荷点的供电线路不长，负荷大小变动不大，线路上的电压损耗也很小，在这种

18、情况下，可对中枢点采用“顺调压”。采用顺调压方式的中枢点电压，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+2.5，即1.025；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+7.5，即1.075。(3)常调压。对于中型网络，如负荷变动较小，线路上电压损耗也较小，这种情况只要把中枢点电压保持在较线路电压高25%的数值，即1.02-1.05，不必随负荷变化来调整中枢点的电压，仍可保证负荷点的电压质量，这种方式称为“常调压”。以上都是指系统正常运行时的调压方式，当系统发生事故时，因电压损耗比正常时大，故电压质量允许降低一些。如前所述，事故时负荷点的电压偏移允许较正常时再增大

19、5。（3）电压调整的基本原理如上图所以调压措施有：1）改变发电机端电压；2）调节变压器分接头；3）并联无功补偿；4）串联电容器补偿。因运行和技术方面的原因，已很少用。四、借改变发电机端电压调压现代大中型同步发电机大都装有自动励磁调节装置，发电机端电压调整就是借助于发电机的自动励磁调节器，改变励磁机电压而实现的。改变发电机转子电流，就可以改变发电机定子的端电压。现在用于同步发电机的励磁调节装置种类很多，但原理是相同的。如图4-15所示，发电机的自动励磁调节器由量测滤波、综合放大、移相触发、晶闸管输出及转子电压软负反馈等环节组成。当发电机端电压变化时，测量单元测得的信号与给定电压相比较，得到的电压

20、偏差信号经放大后，又作用于移相触发单元，产生不同相位的触发脉冲，进而改变晶闸管元件的导通角，使调节器输出发生变化，励磁机电压随之变化，从而达到调节发电机端电压的目的。这种调压方法，不需增加额外的设备，因此是最经济合理的调压措施，应优先考虑。但对线路较长且是多电压级网络，并有地方负荷的情况下，单靠发电机调压就不能满足负荷点的电压要求。图4-16所示为一多电压级网络，各级网络的额定电压及最大、最小负荷时的电压损耗均标于图中。最大负荷时，从发电机至线路末端的总电压损耗为35，最小负荷时，总电压损耗为15，两者相差20，而对发电机来说，考虑机端负荷的要求及供电至地方负荷线路上的电压损耗，其电压调整范围

21、为05，因此，仅靠发电机机端调压不能满足远方负荷的电压要求，还应采用其他调压方法。 五、借改变变压器变比调压1、降压变压器普通双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组都留有几个抽头供调压选择使用。一般容量为6300kVA及以下的变压器有三个抽头，分别为1.05、095处引出，调压范围为5，其为高压侧额定电压，在处引出的抽头被称为主抽头。容量为8000kVA及以上的变压器有五个抽头，分别为1.05、1.025、0.975、0.95处引出，调压范围为225。如上图，为一降压变压器，最大负荷时：高压侧母线电压； 归算到高压侧的变压器中的电压损耗；低压侧的额定电压； 低压侧要求的实际电压；应

22、选择的高压侧分接头电压；Uimax-归算到高压侧的低压母线电压最大负荷下：最小负荷下：如果变压器为无载调压变压器，（分接头不能在线调节）根据选定一个最接近的分接头后，再按选定的分接头校验母线实际电压是否满足要求。其返回校验过程为：（1） 求低压母线电压最大负荷时： 最小负荷时： （2） 求电压偏移百分数最大负荷时： 最小负荷时：将上述结果与调压要求相比较，如果电压偏移均在要求范围内，即说明所选分接头合适。例4-1 图4-18所示某降压变电所装设一台容量为20MVA、电压为11011kV的变压器及其等值电路。要求变压器低压侧的电压偏移在最大、最小负荷时分别不超过额定值的2.5和7.5，最大负荷为

23、18MVA，最小负荷为7MVA，变压器高压侧的电压在任何运行情况下均维持107.5kV，变压器参数为：，kW，励磁影响不计，试选择变压器的分接头。解 变压器的电阻和电抗末端最大、最小负荷为最大、最小负荷时低压侧实际调压要求的电压为在最大、最小负荷时，低压侧的电压由下式求得(忽略变压器的功率损耗)解得 于是，可按式(4-5)、式(4-6)求最大、最小负荷时分接头电压所以由式(4-7) 得 故选择电压为110 (12.5)：107.25kV的分接头。校验：按式(4-8)求低压母线电压：最大负荷时 kV 最小负荷时 kV按式(4-9)求电压偏移最大负荷时 最小负荷时 可比较知，所选择的分接头满足调压

24、要求。注意：只有当系统无功功率电源容量充足时，用改变变压器变比调压才能奏效。因此，当系统无功功率不足时，首先应装设无功功率补偿设备。2、升压变压器与降压变压器的区别只是功率流向是从低压侧到高压侧，故高压母线电压应与变压器损耗相加，其余步骤相同。最大负荷下： 最小负荷下：3、三绕组变压器三绕组变压器在高中压绕组有分接头，可两次套用双绕组变压器分接头的选择方法。一般先按低压侧调压要求确定高压侧分接头，然后再用选定的高压侧分接头考虑中压侧调压要求，确定中压侧分接头。最后再校验。4、有载调压变压器有载调压变压器可以在带负载情况下调整分接头，可以在最大和最小负荷时分别选用合适的分接头，而且调节范围比较大

25、，一般在15%以上。图4-20是内部具有调压绕组的有载调压变压器的原理接线图。它的主绕组同一个具有若干个分接头的调压绕组串联，依靠特殊的切换装置可以在负荷电流下改换分接头。切换装置有两个可动触头和，改换分接头时，先将一个可动触头移到另一个分接头上，然后再把另一个可动触头也移到该分接头上。这样在不断开电路的情况下完成了分接头的切换。为了防止可动触头在切换过程中产生电弧，造成变压器绝缘油劣化，在可动触头、上串联两个接触器KMa、KMb，将它们放在单独的油箱里。当变压器切换分接头时，首先断开KMa，将切换到另一个分接头上，然后将KMa接通。另一个触头也采用同样的切换步骤，使两个触头都接到另一个分接头

26、上。切换装置中的电抗器L是为了在切换过程中限流用的，当两个可动触头在不同的分接头上时，限制两个分接头之间的短路电流。对110kV及更高电压级的变压器，一般将调压绕组放在变压器中性点侧，因变压器中性点接地后，中性点侧电压很低，可以降低调整装置的绝缘要求。三绕组变压器一般在高压侧有有载分接头，中压侧选平均值。63 借补偿设备调压和组合调压当系统中某些负荷节点电压低落的原因是由于系统中无功电源不足时，那么调压问题就与无功功率的合理供应和合理使用是分不开的。如果不从解决无功电力不足的问题着手，而是调节电源，使发电机多发无功，这是很不合理的。因为电源与负荷间距离较远，发电机多发的功率在网络中的无功损耗也

27、大，不易调高末端电压。而且，为了防止发电机因输出过多的功率而严重过负荷，往往不得不降低整个系统的电压水平，以减小无功功率的消耗量，所以这就不免出现电压水平低落和无功出力不足的恶性循环。因此，在个别负荷节点电压较低的情况下，就应想法增加无功补偿装置，补充系统的无功，从而抬高电压水平。一、借补偿设备调压1、各种补偿设备的调节方式P268页2、补偿设备容量的计算和分别为补偿前和补偿后低压侧归算到高压侧的低压母线电压（忽略电压降的横分量）补偿前： 补偿后：设Ui不变，则上两式相等可得： 忽略第二项3、最小补偿设备容量的确定实际上补偿设备容量的计算一般和变压器变比配合进行。设为变电所低压侧要保持的电压，

28、变压器变比为k=UtJ/UNj ， （1） 选用电容器按最大负荷时全部投入，最小负荷时全部退出的运行条件考虑。即按选定变压器分接头后，再按选择电容器容量。最后按选择的电容器容量进行校验。（2） 选调相机最大负荷时，过激运行发出额定容量的无功，最小负荷时，欠激运行吸收1/2额定容量的无功。 （1） （2）两式联立求解，解得变压器变比k后，选择分接头，再将对应所选分接头的变比代入（1 ）式求得调相机容量Qc, 然后选择最接近Qc的调相机。最后按选择的调相机容量进行校验。静止补偿器容量的计算可参考调相机。二、 几种调压措施的比较（1） 首先考虑发电机调压，因不需附加投资；（2） 无功充足的系统可采用变压器分接头调压；（3） 无功不足的系统，首要问题是增加无功电源。（4） 为合理选择调压措施应进行技术经济比较。例（6-3-11）如图所示系统,为了使U2能维持额定运行，在用户处应装电容器的容量QK是多少?(忽略电压降落横分量的影响) 注意：1、在高压电力网中，电抗远大于电阻， 电压损耗中无功功率引起的QX/V分量就占很大的比重。在这种情况下，减少输送无功功率可以产生比较显著的调压效果。反之，对截面不大的架空线路和所有电缆线路，用这种方法调压就不合适。2、如按调压要求确定的补偿容量大于经济上最优的补偿设备容量，则应按调压要求设置补偿设备，因电压质量必须首先保证。16