第四章 电力系统电压调整和无功功率控制技术

第四章

电力系统电压调整和无功功率控制技术本章内容4.1电力系统电压控制的意义4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系4.3电力系统电压控制的措施4.4电力系统电压的综合控制4.5电力系统无功功率电源的最优控制第1节电力系统电压控制的意义频率调整:

1.全系统频率相同2.调发电机3.消耗能源4.集中控制5.调进汽量电压调整：1.电压水平各点不同2.调发电机、调相机、电容器和静止补偿器等3.不消耗能源4.电压控制分散进行5.调节手段多种多样4.1电力系统电压控制的意义电压是衡量电能质量的一个重要指标。质量合格的电压应该在供电电压偏移、电压波动与闪变、高次谐波和三相不对称程度（负序电压系数）这四个方面都能满足有关国家标准规定的要求电压降低的不良影响：1.减少发电机所发有功功率。2.异步电动机的转差率将增大，电流也将增大，温升将增加。当转差增大、转速下降时，其输出功率将迅速减少。3.电动机的启动过程将大为增加，启动过程温度过高。4.电炉等电热设备的发热量降低。5.危及电力系统运行的稳定性。4.1电力系统电压控制的意义4.1电力系统电压控制的意义严格保证电压在额定水平下工作，也没有必要，允许的电压偏移：

35kV及以上：±5%10kV以下：±7%低压照明：+5%，-10%农村电网：±7.5%，-10%（+10%，-15%）第2节电力系统的无功功率平衡与电压的关系4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡无功负荷与无功电源失去平衡时，会引起系统电压的升高或下降无功功率的平衡应本着分层、分区、就地平衡的原则无功电源的无功输出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4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系异步电动机是电力系统主要的无功负荷系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定

无功功率负荷R/SjXaioijXmVß=0.6ß=0.3QVß=0.84.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率损耗

输电线路的无功损耗变压器的无功损耗变压器的无功损耗QLT包括励磁损耗△Q0和漏抗中的损耗△QT

QLT＝△Q0＋△QT＝V2BT＋(S/V)2XT≈SN＋(VN/V)24.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系输电线路的无功损耗△QL＝△QB＝△QL+△QB＝无功功率损耗变压器的无功损耗

输电线路的无功损耗4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系输电线路损耗

35KV及以下的架空线路

110KV及以上的架空线路jB/2R+jXP2+jQ2P1+jQ1jB/2V1V24.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率电源

发电机

同步调相机

静电电容器

静止无功补偿器

静止无功发生器

4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率电源

发电机

发电机发电机是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源QBDCAPOEjXdIN4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率电源

同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步发电机。在过励磁运行时，向系统供给无功功率，起无功电源的作用；在欠励磁运行时，它吸收感性无功功率，起无功负荷作用。由于响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求，20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代。4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率电源

静电电容器

静电电容器供给的无功功率Qc与所在节点的电压V的平方成正比，即：Qc＝V2/Xc，式中，Xc＝1/ωc为静电电容器的电抗。当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少。因此，当系统发生故障或由于其他原因电压下降时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。换言之，电容器的无功功率调节性能比较差。4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率电源

静止无功补偿器

SVC由静电电容器与电抗器并联组成，SVC在我国电力系统中得到广泛应用。饱和电抗器型可控硅控制电抗器型(TCR)可控硅投切电容器型(TCR)TCR和TSC组合型4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率电源

静止无功发生器

它是一种更为先进的静止型无功补偿装置(SVG)，它的主体是电压源型逆变器。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与SVC比较，SVG具有响应快、运行范围宽、谐波电流含量少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流。4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡无功功率平衡的基本要求无功电源发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和；系统还必须配置一定的无功备用容量；尽量避免通过电网元件大量地传送无功功率，应该分地区分电压级地进行无功功率平衡；一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方式计算无功平衡，必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡。4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡系统无功功率平衡关系式：

QGC－QLD－QL＝QresQGC为电源供应的无功功率之和，QLD为无功负荷之和，QL为网络无功功率损耗之和，Qres为无功功率备用；

Qres>0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；Qres<0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡系统电源的总无功出力QGC包括发电机的无功功率QG∑和各种无功补偿设备的无功功率QC∑，即

QGC＝QG∑＋QC∑总无功负荷QLD按负荷的有功功率和功率因数计算。网络的总无功损耗QL包括变压器的无功损耗QLT∑、线路电抗的无功损耗ΔQL∑和线路电纳的无功功率ΔQB∑，即

QL＝QLT∑＋ΔQL∑＋ΔQB∑

4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系总之，无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。一方面，要考虑总的无功功率平衡，要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及各种大用户对无功平衡的影响。

一般无功功率按照就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静止电容器；大容量的配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或SVC。4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡的讨论：

1、全局平衡和分地区平衡，保证满足以上总的平衡条件，不一定满足电压要求，还必需实现局部无功功率平衡，无功功率的分层次就地平衡是一个基本原则。2、任何时候网络中实际产生和消耗和无功功率相等。3、快速无功功率，无功功率动态平衡。4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率对电压有决定性的影响；无功功率是引起电压损耗的主要原因；无功功率的远距离传输和就地平衡；节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定性作用。无功功率和电压的关系4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡与电压水平的关系jXViP+jQEIVjXIEδ

α

4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡与电压水平的关系2'1'1a'ac2QVVa'VaO4.2电力系统的无功功率平衡与电压的关系无功功率平衡与电压水平的关系总之，实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件。第2章思考题1、同步发电机励磁控制系统的有哪些任务？2、同步发电机励磁系统的基本要求有哪些？3、简述同步发电机励磁调节器的功能和基本原理？4、简述励磁调节器有哪几部分构成？第3章思考题1、简述电力系统频率和有功功率控制的必要性？2、简述频率和有功功率平衡之间的关系？3、简述一次调频和二次调频4、简述实现自动调频的方法有哪些？第3节电力系统电压控制的措施4.3电力系统电压控制的措施中枢点的定义电力系统中重要的电压支撑点；电力系统中负荷点数目众多又很分散，有必要选择一些有代表性的负荷点；这些点的电压质量符合要求，其它各点的电压质量也能基本满足要求。中枢点的选择区域性水、火电厂的高压母线；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；中枢点设置数量不少于全网220KV及以上电压等级变电所总数的7％。

中枢点的电压管理4.3电力系统电压控制的措施中枢点调压模式

逆调压模式

顺调压模式

恒调压模式4.3电力系统电压控制的措施中枢点调压模式

逆调压模式在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方式。一般采用逆调压方式，在最大负荷时可保持中枢点电压比线路额定电压高5％，在最小负荷时保持为线路额定电压。供电线路较长、负荷变动较大的中枢点往往要求采用这种调压方式。4.3电力系统电压控制的措施中枢点调压模式

顺调压模式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％；小负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的107.5％的调压模式。对于某些供电距离较近，或者负荷变动不大的变电所，可以采用这种调压方式。4.3电力系统电压控制的措施中枢点调压模式

恒调压模式介于前面两种调压方式之间的调压方式是恒调压。即在任何负荷下，中枢点电压保持为大约恒定的数值，一般较线路额定电压高2％～5％4.3电力系统电压控制的措施

电压调整的基本原理R+jXP+jQ1:K1Vb1:K2VGVb=(VGk1－△V)/k2≈(VGk1－)/k2

式中k1和k2分别为升压和降压变压器的变比，R和X分别为变压器和线路的总电阻和总电抗4.3电力系统电压控制的措施

电压调整的基本原理由公式可见，为了调整用户端电压Vb可以采取以下措施：

1、调节励磁电流以改变发电机端电压VG2、适当选择变压器的变比

3、改变线路的参数

4、改变无功功率的分布4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

发电机调压

改变变压器变比调压利用无功功率补偿调压线路串联电容补偿调压4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

发电机调压对于不同类型的供电网络，发电机调压所起作用不同：（1）由孤立的发电厂不经升压直接供电的小型电力网，改变发电机端电压就可以满足负荷点的电压质量要求，不必另外再增加调压设备；（2）对于线路较长、供电范围较大、有多级变压的供电系统，发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求；4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

发电机调压（3）对于由若干发电厂并列运行的电力系统，进行电压调整的电厂需有相当充裕的无功容量储备，一般不易满足。另外调整个别发电厂的母线电压，会引起无功功率重新分配，可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。在最大负荷时，由电源到负荷点之间电压损耗达到35%，在最小负荷时，电压损耗为18%，其变化幅度达到17%。4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

发电机调压

改变变压器变比调压利用无功功率补偿调压线路串联电容补偿调压4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

改变变压器变比调压改变变压器变比可以升高或降低次级绕组的电压。改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择分接头。（1）降压变压器分接头的选择V2P+jQV1RT＋jXT4.3电力系统电压控制的措施

1、降压变压器分接头的选择V2P+jQV1RT＋jXT

改变变压器变比调压△VT＝（PRT＋QXT）/V1V2＝(V1－△VT)/k式中，k＝V1t/V2N是变压器的变比，即高压绕组分接头电压V1t和低压绕组额定电压V2N之比。将k代入上式，得高压侧分接头电压：

V1t＝[(V1－△VT)/V2]*V2N当变压器通过不同的功率时，可以通过计算求出在不同负荷下为满足低压侧调压要求所应选择的高压侧分接头电压。4.3电力系统电压控制的措施

1、降压变压器分接头的选择

改变变压器变比调压普通的双绕组变压器的分接头只能在停电情况下改变，在正常运行中无论负荷怎样变化只能使用一个固定的分接头。这样可以计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压。

V1tmax＝（V1max－△Vtmax）V2N/V2maxV1tmin＝（V1min－△Vtmin）V2N/V2min

然后求取它们的算术平均值，即

V1t.av＝（V1tmax

＋V1tmin）/2

根据计算值可选择一个与它最接近的分接头，然后根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线电压上的实际电压是否符合要求。

1、降压变压器分接头的选择

改变变压器变比调压4.3电力系统电压控制的措施当考虑负荷变化时，分别求出最大和最小负荷时的抽头选择，然后取其算术平均值，再进行校验是否满足电压要求，基本步骤如下：

1）根据最大和最小负荷的运行情况，求出其一次侧电压和，以及通过变压器的负荷，求取变压器的电压损耗和。

2）套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择。

1、降压变压器分接头的选择

改变变压器变比调压4）选择最接近的分接头作为所选分接头3）取其算术平均值4.3电力系统电压控制的措施

1、降压变压器分接头的选择

改变变压器变比调压5）套用低压侧电压计算公式进行校验4.3电力系统电压控制的措施2、升压变压器分接头的选择

改变变压器变比调压V2P+jQV1RT＋jXT电压调整措施选择升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同4.3电力系统电压控制的措施2、升压变压器分接头的选择

改变变压器变比调压由于升压变压器中功率方向是从低压侧送往高压侧的，故公式中△VT前的符号应相反，即应将电压损耗和高压侧电压相加。因而有V1t＝[(V1+△VT)/V2]*V2N式中，V2为变压器低压侧的实际电压或给定电压；V1为高压侧所要求的电压。4.3电力系统电压控制的措施（1）采用固定分接头的变压器进行调压，不可能改变电压损耗的数值，也不能改变负荷变化时次级电压的变化幅度；通过对变比的适当选择，只能把这一电压变化幅度对于次级额定电压的相对位置进行适当的调整。（2）如果计及变压器电压损耗在内的总损耗，最大负荷和最小负荷时的电压变化幅度超过了分接头的可能调整范围，或者调压要求的变化趋势与实际的相反，则此时要装设带负荷调压的变压器或采用其它调压措施。

改变变压器变比调压总结4.3电力系统电压控制的措施三绕组变压器分接头的选择

①将高低压绕组看作双绕组，确定高压绕组抽头；②将高中压绕组看作双绕组，确定中压绕组分抽头位置。注意：功率分布4.3电力系统电压控制的措施有载调压变压器（加压调压变压器）有载调压变压器（加压调压变压器），一般只用于枢纽变电所，控制策略一般与静电电容器C、静止无功发生器SVG等联合控制。

4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施利用无功功率补偿调压无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。合理地配置无功功率补偿容量以改变电力网的无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的电压质量。并联补偿设备有调相机、静止补偿器、电容器，它们的作用都是在重负荷时发出感性无功功率，补偿负荷的需要，减少由于输送这些感性无功功率而在输电线路上产生的电压降落，提高负荷端的输电电压。4.3电力系统电压控制的措施

利用无功功率补偿调压1、并联无功补偿调压的基本原理

2、按调压要求选择补偿量的基本原理4.3电力系统电压控制的措施补偿前：补偿后：

利用无功功率补偿调压第二项很小

4.3电力系统电压控制的措施

利用无功功率补偿调压选择补偿容量的基本原则：在满足各种运行方式下的调压要求下，与其它调压方式配合，使补偿容量最小。有补偿的变压器选择的基本原则：在满足调压的要求下，使补偿容量最小。

4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

利用无功功率补偿调压（1）补偿设备为静电电容器通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时全部退出。4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

利用无功功率补偿调压（1）补偿设备为静电电容器

①根据调压要求，按最小负荷时没有补偿，这样变压器变比

②按最大负荷时的调压要求选择补偿容量

③校验实际电压是否满足要求4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

利用无功功率补偿调压（2）补偿设备为同步调相机调相机的特点是既能过励磁运行，又能欠励磁运行。如果调相机在最大负荷时按额定容量过励磁运行，在最小负荷按（0.5～0.65）额定容量欠励磁运行，那么，调相机的容量将得到最充分的利用。4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

利用无功功率补偿调压（2）补偿设备为同步调相机同步调相机容量选择最大负荷时调相机发出全部容性无功，最小负荷时吸收感性无功，（），有：两式相除：

4.3电力系统电压控制的措施电压调整措施

利用无功功率补偿调压（2）补偿设备为同步调相机按以上公式选择k和

4.3电力系统电压控制的措施利用无功功率补偿调压总结（1）电压损耗△V＝（PR＋QX）/V

中包含两个分量：一个是有功负荷及电阻产生的PR/V分量；另一个是无功负荷及电抗产生的QX/V分量。利用无功补偿调压的效果与网络性质及负荷情况有关。（2）在低压电网中，△V中有功功率引起的PR/V分量所占的比重大；在高压电网中，△V中无功功率引起的QX/V分量所占比重大。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。4.3电力系统电压控制的措施四、利用串联电容器控制电压在输电线路上接入电容器，利用电容器上的容抗补偿输电线路中的感抗，使电压损耗后的QX/U分量减小，从而提高输电线路末端的电压。五、电力系统电压控制措施的比较

在各种电压控制措施中，首先应该考虑发电机调压。对无功功率电源供应较为充裕的系统，采用变压器有载调压既灵活又方便。对无功功率电源不足的电力系统，首先应该解决的问题是增加无功功率电源，因此以采用并联电容器、调相机或静止补偿器为宜。同时，并联电容器或调相机还可以降低电力网中功率传输中的有功功率损耗。4.3电力系统电压控制的措施第4节电力系统电压的综合控制4.4

电力系统电压的综合控制

发电机G1和G2具有自动励磁调节装置，可以使母线电压U1、U2发生改变；T为有载调压变压器，变比K可以调节；q代表无功补偿设备，它可以是静电电容器、同步调相机和静止无功补偿器。现分析G1和G2控制的电压U1和U2、变压器变比K、补偿容量q这些控制措施对节点3母线电压U3的影响。由于电压与无功功率分布密切相关，所以改变电压的同时也会对无功功率Q产生影响。将节点3电压U3、无功功率Q定义为状态变量，发电机母线电压U1、U2以及变压器变比K和无功补偿量q定义为控制变量。一、电力系统电压的综合控制原理根据图4-13，有由此可以解得由此可以分析各种电压控制措施对节点电压和无功功率Q的影响以及各种控制措施配合的效果。一、电力系统电压的综合控制原理通过公式（4-39）、（4-40）可以获得如下结论：①改变变压器变比K和改变发电机G1的母线电压对节点3电压控制效果相同，并且可以使无功功率Q增加，而且参数比值X1/X2越小，电压控制效果越显著。

②改变发电机G2的母线电压U2对节点3的母线电压U3的影响与参数比值X2/X1有关，比值越小，影响越显著。一、电力系统电压的综合控制原理③当X2越大，即G2离节点3的距离相对较远时，改变发电机G1的母线电压U1对节点3的电压影响较大，会使无功功率Q增加。反之，当X1越大，即G1离节点3的距离相对远一些时，改变发电机G2的电压U2对节点3的电压影响较大，会使无功功率Q减少。

④控制节点3的无功补偿容量q的效果与等效电抗X1X2/(X1+X2)有关；等效电抗越大，控制电压U3效果越好。

⑤节点3的无功补偿输出容量q按与输电线路电抗成反比的关系向两侧流动，其结果使无功功率Q减少。一、电力系统电压的综合控制原理二、变电站电压无功综合控制目标电力系统中电压和无功功率的调整对电网的输电能力、安全稳定运行水平和降低电能的损耗有极大影响，故要对电压和无功功率进行综合调控。其具体的调控目标如下：(1)维持供电电压在规定的范围内。各级供电母线电压的允许波动范围(以额定电压为基准)规定如下：

1)500(330)kV变电站的220kV母线，正常时0％～+10％，事故时一5％～+10％。

2)220kV变电站的35～110kV母线，正常时-3％～+7％，事故时±10％。

3)配电网的10kV母线，电压合格范围为10.0～10.7kV。二、变电站电压的综合控制目标(2)保持电力系统稳定和合适的无功平衡。主输电网络应实现无功分层平衡；地区供电网络应实现无功分区就地平衡，才能保证各级供电母线电压在规定的范围内。(3)保证在电压合格的前提下使电能损耗为最小。为了达到以上目标，必须增强对无功功率和电压的调控能力，充分利用现有的无功补偿设备和调压设备(调相机、静止补偿器、补偿电容器、电抗器、有载调压变压器等)的作用，对它们进行合理的优化调控。二、变电站电压的综合控制目标造成系统电压下降的主要原因是系统的无功功率不足或无功功率分布不合理。2.解决方法：调压手段：发电厂---调整发电机励磁变电站---有载调压变压器的分接头、控制无功补偿电容器变电站中利用有载调压变压器和补偿电容器组进行局