第6章电力系统无功功率和电压调整

1、无功功率和电压调整姜彤华北电力大学2011-01-16概述l由于电力网络节点多，结构复杂，负荷变动，各点电压都不一样，很难对一、两点电压调整而使全系统的电压均达到要求，因此，电压调整较频率调整困难l用电设备都是按照在额定电压下运行的条件制造的，当其端电压与额定电压不同时，用电设备的性能就要受到影响。电压偏移对用电设备的影响 l端电压低于额定电压5%时，光通量约减少15%，发光效率约降低10%；l端电压降低10%时，光通量减少30%，发光效率降低20%；l端电压高于额定电压5%时，发光效率增加10%，寿命将减少一半。电压偏移对用电设备的影响 l转矩与端电压的平方成正比；l端电压下降90%，则它的

2、最大转矩将下降到额定电压下最大转矩的81%；l电压降低过多时，电动机可能停止或者无法启动；l电压过低将导致电流显著增大，绕组温度上升，加速绝缘老化，甚至使电动机烧毁。概述l电压的变化不仅影响用电设备的运行特性，而且还影响用电设备所取用的功率。l稳态运行条件下，用电设备所取用的功率随电压变化的关系称为负荷的电压静特性。l无功负荷对电压变动非常敏感，有功负荷则不太敏感。概述l综合负荷的P、Q电压静特性lP随电压变化缓慢，随电压变化缓慢，Q随电压变化明显，随电压变化明显，可见通过调节无功可见通过调节无功功率可以有效地调功率可以有效地调节电压。节电压。l因此要研究调节电因此要研究调节电压的措施，应该首

3、压的措施，应该首先从无功平衡开始。先从无功平衡开始。 概述l从无功负荷的静态特性还可以看出，要维持负荷的电压水平，就得向负荷供给它所需的无功功率；l如果系统无功功率不足，将会导致系统节点电压被迫下降；l维持电压水平与无功功率平衡之间存在着不可分割的关系。电力系统无功功率平衡电力系统无功功率平衡 l无功功率对节点电压的影响无功功率对节点电压的影响l在高压电力网中，任一节点电压幅值与该点无功功率的变化密切相关。l输电线路传输的无功功率输电线路传输的无功功率l当电压为110kV及以上时，有RX，且一般输电线路的较小，cos=1，则222222URQXPUUXQRPU22Q XUU输电线路传输的无功功

4、率21222122(cos)()UUUU UU UUQXXXl输电线路所传输的无功功率取决于U1、U2的大小，无功功率由电压高的一端流向电压低的一端，电压差值愈大，传输的无功功率Q2就愈大。 无功负荷l异步电动机占比例最大，它所消耗的无功功率所占的比例也最大。l线路具有电抗，由电源向用电设备输送功率时，线路上要引起无功功率损耗，无功损耗数值与传输的视在功率的平方成正比。l变压器都要消耗无功功率。l以上三部分构成了电力系统中的感性无功负荷。无功负荷无功负荷 l所有吸收无功的负荷（用电设备所吸取的无功功率，除了白炽灯和电阻性加热设备不消耗无功外，其它设备一般都消耗无功，一般综合负荷的功率因数为0.

5、60.9）。l无功负荷表达式：sinDDQS无功负荷的电压静特性 l额定运行电压额定运行电压UN，当无功供应不足时，当无功供应不足时，负荷的端电压将被迫负荷的端电压将被迫下降；当无功负荷增下降；当无功负荷增加时，电压静特性平加时，电压静特性平行上移，如虚线，如行上移，如虚线，如注入无功不变电压降注入无功不变电压降为为U1,当注入无功增当注入无功增加加Q时，电压保持时，电压保持不变。不变。无功电源l发电机l电力系统主要的无功电源，发出的功率可以调节，但通常发电机的无功输出由有功功率决定。l同步调相机l同步调相机是专门设计的无功功率发电机。可以过励运行（向系统输送无功功率），也可以欠励运行（从系统

6、吸收无功功率），运行状态根据系统的要求来调节（改变调相机的励磁，可以平滑的改变无功功率的大小和方向）。l静电电容器l只能向系统提供无功功率，所提供的无功功率和其端电压U的平方成正比。同步发电机l是系统的唯一有功电源，也是系统最基本的无功电源。同步发电机发出的有功、无功功率之间的关系l当系统有功功率充足，无功电源不足时，可以将同步发电机降低功率因数运行，甚至将发电机作调相机用。222tg1PQPSPtgsinSQ同步发电机l发电机功率因数、视在功率、无功功率与有功功率的关系：同步调相机 l同步调相机相当于空载运行的同步发电机。可以通过调节其励磁平滑地改变它输出无功的方向和大小。l过励磁运行：无功

7、电源，发出无功，提高系统电压水平l欠励磁运行：无功负荷，吸收无功，降低系统电压水平l可装在负荷附近，以减少输送的无功损耗。l调相机是旋转电机，有功功率损耗较大，运行维护较复杂。目前已逐渐被静止补偿器代替。 电力电容器 l单台容量不大，可多台连接使用，可集中，可分散使用，较灵活。运行功率损耗小，维护方便，价格低。是目前广泛使用的无功电源。l当节点电压下降时，它供给的无功功率也急剧减少，使系统电压继续下降，这是电容器的主要缺点。 C2CXUQ高压输电线路的充电功率l线路总的无功功率损耗为：BUUXUQPQQCL22221212121高压输电线路的充电功率l线路电容充电功率与电压平方成正比，35kV

8、及以下电压等级的架空线路充电功率可以忽略不记，对110kV以上电压等级则不能忽略线路的充电功率。当线路传输的功率不大时，可能出现QL-QC0， 此时输电线路成为无功电源。静止补偿器 l静止无功补偿器是由电力电容器和电抗器组成的，可以发出无功功率，也可吸收无功功率。l与调相机相比，它的功率损耗小，运行维护方便，对冲击负荷也有较强的适应性，但其产生高次谐波。l目前在电力系统中越来越广泛使用。 无功功率的平衡l无功平衡是指，任意时刻，系统的无功电源发出的无功功率与系统的无功负荷及无功损耗相平衡，同时还应有一定的无功功率备用电源，其间的关系可表示为：12RQQQQ无功电源容量的总和无功负荷的总和无功损

9、耗的总和无功备用容量无功损耗 l输电线路的无功损耗l线路电抗的无功损耗l线路电容的充电功率222LUQPQ)(22221UUBQCl变压器的无功损耗l包括励磁无功损耗和电抗中无功损耗。由于电能从发电厂到用户需经过多次升压和降压，每级变压器都损耗无功，所以多级变压器的无功损耗很可观。l励磁无功损耗l电抗XT中的无功损耗无功损耗NSIQ100%002100%NNKKSSSUQ电力系统电压调整l用电设备最理想的工作电压就是它的额定电压，但是在电力系统中，如果不采取调压措施，很难保持所有的用电设备都在接近于额定电压的状态下工作。l导致电压损耗变化的原因l负荷大小的改变l负荷大小的改变将引起电力网中电压

10、损耗的相应改变l个别设备因检修或故障退出工作l造成电力网阻抗的变化，从而造成电压损耗的改变l电力系统结线方式的改变l引起电力网中功率分布和阻抗变化，造成电压损耗的改变电力系统电压调整 l35kV及以上供电用户，电压正负偏移绝对值之和不超过额定电压的10%；l10kV及以下系统，电压正负偏移不超过7%l电力系统的电压调整问题可转变成保证电压中枢点电压不越出给定范围的问题。 电压中枢点调压方式 l电压中枢点：l电力系统中监视、控制和调整电压的母线。 l中枢点的选择： l区域性大型发电厂和枢纽变电所高压母线； l枢纽变电所的610kV电压母线； l有大量负荷的发电厂610kV的发电机电压母 线。 正

11、常运行时中枢点的调压方式 l逆调压l中枢点调压范围：最大负荷时，中枢点电压比标称电压高5%；最小负荷时，中枢点电压为标称电压l适用范围：供电线路较长，负荷变动较大（最大负荷与最小负荷数值差较大），电压质量要求较高时l装备要求：调相机、静止补偿器、有载调压变压器等较贵重设备 正常运行时中枢点的调压方式l恒调压l中枢点调压范围：比线路标称电压高25%的某个电压值，保持恒定不变 l适用范围：负荷变动较小，线路上电压损耗不大l装备要求：普通变压器，或装电力电容器 正常运行时中枢点的调压方式l顺调压l中枢点调压范围：最大负荷时，不低于线路标称电压高1.025倍，最小负荷时，不高于线路标称电压的1.075

12、倍。l适用范围：负荷变动较小，线路上电压损耗不大；或用户允许电压偏移较大l装备要求：普通变压器。 电力系统的调压措施l改变发电机的励磁调压l改变变压器变比l改变电力网的无功功率分布l改变输电线路参数改变发电机的励磁调压l当发电机端电压的变动范围在额定值的5%以内时，它能够以额定功率运行。l当输电线路不长，电压损耗不大时（如直接用发电机向用户供电的小型电力系统），该方法一般能满足要求。l当供电范围广，输电线路较长或经过多级变压的大型电力系统。该方法不能满足要求。在大型电力系统中只作为一种辅助调压手段。 改变变压器变比l变压器一次侧接入电压后，只要改变变压器的变比，就可以改变二次侧的电压。l变压器

13、分接头装设于高压（中压）绕组中l对普通变压器l6.3MVA以下变压器设3个抽头：1.05 UN，UN，0.95UNl8MVA以上变压器设5个抽头：1.05 UN，1.025 UN，UN，0.975 UN，0.95UN SF315000/22022.5%型变压器分接头变压器分接头的选择l目的是通过选择变压器高压侧的某一分接头，在已知高压侧实际电压U1和通过变压器的功率P+jQ的情况下，低压侧得到所要求的电压U2。N2t 1N2t 1UUwwK1TTT2T1UQXPRUUUUK变压器分接头的选择l从结构上看：l所以，l从运行上看：N22T1t1UUUUU变压器分接头的选择l最大负荷、最小负荷时，分

14、别代入相应的值即可得到应选择的分接头电压。l对普通变压器l由于不能在带负荷时改变分接头，在最大、最小负荷时只能选择一个分接头，故应选的分接头电压为最大负荷应选分接头电压与最小负荷应选分接头电压的平均。l确定一个数值最接近上述平均电压的标准抽头电压，然后校验最大负荷和最小负荷时变电所低压母线上的电压偏移是否在调压方式要求的允许范围之内。l对有载调压变压器l其高压侧有可调节分接头的调压绕组，能在带负荷的情况下改变分接头，调压范围在15%以上，可做到随负荷的变化将分接头调整到合适的位置上。 变压器分接头的选择l无功就近补偿原则 -无功负荷有设在负荷点附近的无功补偿电源（调相机、电容器组、静止无功补偿

15、器等）供给，减少电网的电压损耗，减少功率和能量的损耗。改变电力网的无功功率分布改变电力网的无功功率分布l不计电压降落次纵分量时l线路末端装设电力电容器后l补偿容量：221UQXPRUUC2CC21UX)QQ(PRUU2C2c2CUUXUQ改变输电线路参数l低压地方电网中，可用增大导线截面的办法改变线路电阻，以减小电压损耗；高压电网中，可采用在线路上串联电容器的方法，利用容抗抵偿线路感抗，以减小电压损耗，适合于供电电压为35kV、或10kV，负荷波动大而频繁、功率因数很低的线路。几种调压措施的比较 l首先选择改变发电机端电压调压；l对无功功率充裕的系统，可通过选择变压器的分接头调压；l对无功功率不足的系统，首先要增设无功电源，在负荷点附近并联电容器组、调相机、静止补偿器；l注：在无功不足的系统中，不能用改变变压器变比的办法来改善用户的电压质量，否则会顾此失彼，不能从根本上解决全系统的调压问题。l当线路电压损耗过大时，可考虑采用串联电容补偿。无功功率