电力系统无功功率平衡和电压调整JXIE

第五章电力系统无功功率平衡和电压调整

无功功率平衡调压原理调压办法第1页电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备会带来不良影响。（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，电机发烧。（4）系统电压瓦解可能使全部节点电压都保持为额定值？（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

电力系统普通要求一个电压偏移最大允许范围，比如:35kV及以上供电电压正负偏移绝对值之和不超出10%;10kV及以下在±7%以内。

电压调整必要性第2页

图沿线路各点电压改变

第3页第一节电力系统无功功率平衡

电压是衡量电能质量主要指标。电力系统运行电压水平取决于无功功率平衡。系统中各种无功电源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需求，不然电压就会偏离额定值。

第4页1．无功功率负荷

一、无功功率负荷和无功功率损耗异步电动机图12-1异步电动机简化等值电路

jX

电压下降,转差增大,定子电流增大.第5页jX

图12-2异步电动机无功功率与端电压关系

受载系数:实际负载和额定负载之比.在额定电压附近，电动机无功功率随电压升降而增减第6页2．变压器无功损耗假定一台变压器空载电流I0%=2.5，短路电压VS%=10.5，在额定满载下运行时，无功功率消耗将达额定容量13%。假如从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗数值是相当可观。RT+jXT变压器第7页3．输电线路无功损耗图12-3输电线路π型等值电路

第8页

线路无功总损耗为普通情况下，35kV及以下系统消耗无功功率；110kV及以上系统，轻载或空载时，成为无功电源，传输功率较大时，消耗无功功率。第9页二、无功功率电源电力系统无功功率电源有发电机、同时调相机、静电电容器及静止赔偿器，后三种装置又称为无功赔偿装置。1.发电机发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：第10页发电机在非额定功率因数下运行时可能发出无功功率。图12-4发电机P-Q极限

第11页（1）当发电机低于额定功率因数运行时，能增加输出无功功率，但发电机视在功率因取决于励磁电流不超出额定值条件，将低于其额定值。（2）当发电机高于额定功率因数运行时，励磁电流不再是限制条件，原动机机械功率又成了限制条件。（3）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到达额定值，使其容量得到最充分利用。第12页2.同时调相机同时调相机相当于空载运行同时电动机。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源作用，能提升系统电压；在欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量（50%～65%）)，它从系统吸收感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。它能依据装设地点电压数值平滑改变输出（或吸收）无功功率，进行电压调整。因而调整性能很好。

第13页缺点：同时调相机是旋转机械，运行维护比较复杂；有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量(1.5~5)%，容量越小，百分值越大；小容量调相机每kVA容量投资费用也较大。故同时调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA普通不装设。同时调相机常安装在枢纽变电所。第14页静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给无功功率QC值与所在节点电压平方成正比，即

缺点：电容器无功功率调整性能比较差。优点：静电电容器装设容量可大可小，既可集中使用，又能够分散安装。且电容器每单位容量投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。QC=V2/XC3.静电电容器第15页静止赔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，二者结合起来，再配以适当调整装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）无功功率。4.静止赔偿器第16页图5-6静止无功赔偿器原理图

(a)可控饱和电抗器型；(b)自饱和电抗器型；(c)可控硅控制电抗器型；(d)可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型第17页第18页三、无功功率平衡电力系统无功功率平衡基本要求：系统中无功电源能够发出无功功率应该大于或最少等于负荷所需无功功率和网络中无功损耗。

Qres>0表示系统中无功功率能够平衡且有适量备用；Qres<0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功赔偿装置。第19页无功不足应采取办法电力系统无功功率平衡应分别按正常运行时最大和最小负荷进行计算。经过无功功率平衡计算发觉无功功率不足时，能够采取办法有：(1)要求各类用户将负荷功率因数提升到现行规程要求数值。(2)挖掘系统无功潜力。比如将系统中暂时闲置发电机改作调相机运行；动员用户同时电动机过励磁运行等。(3)依据无功平衡需要，增添必要无功赔偿容量，并按无功功率就地平衡标准进行赔偿容量分配。小容量、分散无功赔偿可采取静电容电器；大容量、配置在系统中枢点无功赔偿则宜采取同时调相机或静止赔偿器。第20页图12-11等值电路和相量图QGC=QLD+QL四、无功功率平衡和电压水平关系

问题：在什么样电压水平下实现无功功率平衡？例:隐极机经过一段线路向负荷供电第21页

当P为一定值时，得第22页应该力争实现在额定电压下系统无功功率平衡。

图12-12无功平衡与电压水平

例12－2异步电机无功发电机无功第23页“电压瓦解”现象

第24页二、中枢点电压管理电压中枢点：指那些能够反应和控制整个系统电压水平节点（母线）。

1．电压中枢点选择（1）大型发电厂高压母线；（2）枢纽变电所二次母线；（3）有大量地方性负荷发电厂母线。

普通可选择以下母线作为电压中枢点：5.3电力系统电压调整第25页图5-12电力系统电压中枢点

例：中枢点中枢点第26页2．中枢点电压和负荷电压关系图5-13负荷电压与中枢点电压中枢点i电压满足Vimin≤Vi≤Vimax第27页中枢点i最低电压Vimin等于在地域负荷最大时某用户允许最低电压Vmin加上到中枢点电压损耗△Vmax。中枢点i最高电压Vimax等于地域负荷最小时某用户允许最高电压Vmax加上到中枢点电压损耗△Vmin。第28页简单电力网电压损耗例第29页第30页只满足i节点负荷时，中枢点电压VO应维持电压为第31页只满足j节点负荷时，中枢点电压VO应维持电压为

同时考虑i、j两个负荷对O点要求，可得出O点电压改变范围。第32页图12-16中枢点O电压允许改变范围第33页中枢点i最低电压Vimin等于在地域负荷最大时某用户允许最低电压Vmin加上到中枢点电压损耗△Vmax。中枢点i最高电压Vimax等于地域负荷最小时某用户允许最高电压Vmax加上到中枢点电压损耗△Vmin。第34页3．中枢点电压调整方式

中枢点电压调整方式普通分为三类：逆调压、顺调压和常调压。(1)逆调压最大负荷时升高电压，但不超出线路额定电压105%，即1.05VN；最小负荷时降低电压，但不低于线路额定电压，即1.0VN。第35页最大负荷时降低电压，但不低于线路额定电压2.5%，即1.025VN；最小负荷时升高电压，但不超出线路额定电压7.5%，即1.075VN。(3)常调压电压保持在较线路额定电压高2%~5%数值，即(1.02~1.05)VN，不随负荷改变来调整中枢点电压。

(2)顺调压第36页三、电力系统电压调整1．电压调整基本原理

图5-18电压调整原理图

第37页（1）调整发电机励磁电流以改变发电机机端电压VG；（2）改变变压器变比k1、k2；（3）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗△V

改变；（4）改变网络参数R+jX（主要是X），改变电压损耗△V。电压调整办法：第38页一．改变发电机端电压调压图12-18多级变压供电系统电压损耗分布

依据运行情况调整励磁电流来改变机端电压。适合于由孤立发电厂不经升压直接供电小型电力网。在大型电力系统中发电机调压普通只作为一个辅助性调压办法。第三节电压调整办法15%~35%第39页改变变压器变比调压实际上就是依据调压要求适当选择分接头。二、变压器分接头选择1．降压变压器分接头选择

图12-19降压变压器k=V1t/V2N第40页

依据V1t.av值可选择一个与它最靠近分接头。然后依据所选取分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线上实际电压是否满足要求。最大运方平均最小运方k=V1t/V2N第41页例:降压变压器分接头选择、

一个变电所由35KV线路供电。线路送电点电压恒为36KV.变压器10KV母线上最大负荷为8+j5MVA，最小负荷为4+j3MVA。要使10KV母线电压在最大、最小负荷时偏差不超出5%，试选择变压器分接头。第42页

图12-21升压变压器

2．升压变压器分接头选择选择升压变压器分接头方法与选择降压变压器基本相同。

第43页电力系统电压调整普通变压器带负荷调压变压器 有载调压变压器 加压调压变压器第44页有载调压变压器能够在带负荷条件下切换分接头而且调整范围也比较大，普通在15%以上。当前我国暂定，110kV级调压变压器有7个分接头，即VN±3×2.5%；220kV级有9个分接头即VN±4×2.0%。采取有载调压变压器时，能够依据最大负荷算得V1tmax值和最小负荷算得V1tmin分别选择各自适当分接头。这么就能缩小次级电压改变幅度，甚至改变电压改变趋势。

三、有载调压变压器第45页例5－5第46页

四、加压调压变压器图5－19加压调压变压器1－主变压器；2－加压调压变压器；3－电源变压器；4－串联变压器第47页串联变压器4次级绕组串联在主变压器1引出线上，作为加压绕组。这相当于在线路上串联了一个附加电势。改变附加电势大小和相位就能够改变线路上电压大小和相位。通常把附加电势相位与线路电压相位相同变压器称为纵向调压变压器，把附加电势与线路电压有90°相位差变压器称为横向调压变压器，把附加电势与线路电压之间有不等于90°相位差调压变压器称为混合型调压变压器。

第48页1.纵向调压变压器第49页2.横向调压变压器第50页3.混合型调压变压器第51页

加压调压变压器对于辐射形网络，能够作为调压设备。对于环形网络除起调压作用外，还能够改变网络中功率分布。图5-20环网中加压调压变压器第52页三、无功功率赔偿调压

供电点电压V1和负荷功率Ｐ+jQ已给定，线路电容和变压器励磁功率略去不计。且不计电压降落横分量。

图12-22简单电力网无功功率赔偿1、利用并联赔偿调压第53页赔偿前赔偿后假如赔偿前后V1保持不变，则有归算到高压侧变电所低压侧电压第54页由上式可解得忽略第二项第55页

1.赔偿设备为静电电容器

为了充分利用赔偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小荷时全部退出。首先，依据调压要求，按最小负荷时没有赔偿情况确定变压器分接头。

于是(据此选择分接头V1t)（确定变比）第56页其次，按最大负荷时调压要求计算赔偿容量然后，依据算得赔偿容量，从产品目录中选择适当设备。最终，依据确定变比和选定静电电容器容量，校验实际电压改变。第57页首先确定变比k2.赔偿设备为同时调相机

最大负荷时，同时调相机容量为：

最小负荷时调相机容量应为：第58页两式相除，得：

由此可解出：

确定实际变比

据此确定分接头电压V1t第59页在高压电力网中，电抗远大于电阻，中无功功率引发QX/V分量就占很大比重。在这种情况下，降低输送无功功率能够产生比较显著调压效果。反之，对截面不大架空线路和全部电缆线路，用这种方法调压就不适当。尤其注意第60页四、线路串联电容赔偿改进电压质量

未加串联电容前串联了容抗XC后

第61页

所以，依据线路末端电压需要提升数值（ΔV-ΔVc），就可求得需要赔偿电容器容抗值XC。

第62页图5-24串联电容赔偿前后沿线电压分布（a）负荷集中在线路末端（b）沿线路有若干个负荷电容器安装地点选择：使沿线电压尽可能均匀第63页串联电容器提升末端电压数值QXC/V(即调压效果)随无功负荷增大而增大、无功负荷减小而减小，恰与调压要求一致。这是串联电容器调压一个显著优点。但对负荷功率因数高(cosφ>0.95)或导线截面小线路，因为PR/V分量比重大，串联赔偿调压效果就很小。

第64页赔偿所需容抗值XC和被赔偿线路原来感抗值XL之比kc=XC/XL称为赔偿度。在配电网络中以调压为目标串联电容赔偿，其赔偿度常靠近于1或大于1。第65页电力线路采取串联电容赔偿，也带来一些特殊问题，所以作为改进电压质量办法，串联电容器只用于110kV以下电压等级、长度尤其大或有冲击负荷架空分支线路上。10kV及以下电压架空线路，因为RL/XL很大，所以使用串联电容赔偿是不经济和不合理。220kV以上电压等级远距离输电线路中采取串联电容赔偿，其作用在于提升运行稳定性和输电能力。

第66页发电机调压

大中型同时发电机都装有自动励磁调整装置（AVR），依据运行情况调整发电机励磁电流以改变发