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1、第七章 电力系统无功功率和电压调整,电力系统各元件的无功功率-电压特性 无功功率平衡 调压的原理及措施,电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备会带来不良的影响。（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，电机发热。（4）系统电压崩溃不可能使所有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 电力系统一般规定一个电压偏移的最大允许范围，例如:35kV及以上供电电压正负偏移的绝对值之和不超过10%;10kV及以下在7%以内。,7.1 电压调整的必要性,图7-1 沿线路各点电压的变化,7.2 电力系统的无功功率平
2、衡,电压是衡量电能质量的重要指标。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的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的需求，否则电压就会偏离额定值。,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7-2 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.,图7-3 异步电动机的无功功率与端电压的关系,受载系数:实际负载和额定负载之比.,在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减,2变压器的无功损耗,假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压VS%=10.5，在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的12%
3、。如果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的数值是相当可观的。,3输电线路的无功损耗,图7-4 输电线路的型等值电路,线路的无功总损耗为,一般情况下，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。,二、无功功率电源电力系统的无功功率电源有发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器，后三种装置又称为无功补偿装置。1.发电机发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：,发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功功率。,图7-5 发电机的P-Q极限,（1）当发电机低于额定功率因数运行时，能增加输出的无功功率，但发电机
4、的视在功率因取决于励磁电流不超过额定值的条件，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，原动机的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达到额定值，使其容量得到最充分的利用。,2.同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。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的作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量的（50%65%）)，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。它能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取）的无功功率，进行电压
5、调节。因而调节性能较好。,缺点：同步调相机是旋转机械，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的(1.55)%，容量越小，百分值越大；小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设。同步调相机常安装在枢纽变电所。,静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的平方成正比，即,缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。,QC=V 2/XC,3.静电电容
6、器,静止补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，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。,4.静止补偿器,图7-6 静止无功补偿器的原理图,(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,三、无功功率平衡电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以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。,Qres0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；Qres0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。,无功不足应采
7、取的措施,电力系统的无功功率平衡应分别按正常运行时的最大和最小负荷进行计算。经过无功功率平衡计算发现无功功率不足时，可以采取的措施有：(1)要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的数值。(2)挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。(3)根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率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电容电器；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静止补偿器。,四、无功功率平衡与电压水平的关系,EV，无功功率将从电压高的一端流向电压低的一端。压差越大，流
8、过的Q越大；如果两端电压差为0，线路流过的无功也为0。电力网中节点电压的变化，会改变无功功率潮流的变化。远处的无功电源向负荷提供无功，会使沿线电压下降，甚至不能满足电压偏移的要求。负荷的无功需求，要就地由附近的电源供给。,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,图7-10 无功平衡与电压水平,7.3 电力系统的电压调整,1造成电压偏移的原因（1）设备及线路压降（2）负荷波动（3）运行方式改变（4）无功不足或过剩,一、电力系统电压偏移的原因及影响,2电压偏移的影响,（1）电压偏移，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，电机发热。（4）系
9、统电压崩溃。,允许电压偏移指标,在事故情况下或事故后，允许的电压偏移可再增加5。,允许电压偏移,事故分析,日本东京电力系统1987年7月23日发生电压崩溃造成大停电事故。起因是由于负荷增加过快，电压开始下降，最后发展到继电保护动作跳闸，导致三个变电所全停,美国于1965年11月9日发生东北部大面积停电事故，起因是线路过负荷使后备保护起动，导致系统解列,1982年8月7日，华中电网因220KV联络线A相对支路放电，继电保护动作跳闸，导致系统稳定破坏，各电厂和变电站电压大幅度下降，系统解环，电网失去大量无功电源，结果使湖北地区大面积停电，武汉钢铁公司等重要用户受到很大的损害，部分设备损坏,二、中枢
10、点的电压管理,电压中枢点：指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）。,1电压中枢点的选择,（1）大型发电厂的高压母线；（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。,一般可选择下列母线作为电压中枢点：,2中枢点电压和负荷电压的关系,图7-13 负荷电压与中枢点电压,中枢点i的电压满足ViminVi Vimax,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。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。,简单电力网电压损耗,例,所示电压中枢点O向两
11、个负荷i，j供电的简单网络,其负荷i、j的简化日负荷曲线如图(b)(c),并且由于这两个负荷功率的流通,线路 o-i、o-j上的电压损耗如图(d)(e),只满足i节点负荷时，中枢点电压VO应维持的电压为,只满足j节点负荷时，中枢点电压VO应维持的电压为,同时考虑i、j两个负荷对O点的要求，可得出O点电压的允许变化范围。,图7-14 中枢点O 电压容许变化范围(a)中枢点O到i及j变电所的电压损耗不大时的电压变化范围；(b)中枢点O到i及j变电所的电压损耗相差较大时的电压变化范围,3中枢点电压调整的方式 中枢点电压调整方式一般分为三类：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
12、超过线路额定电压的105%，即1.05VN；最小负荷时降低电压，但不低于线路的额定电压，即1.0VN。适用：中枢点供电至各负荷点的电力线路较长，各负荷的变化规律大致相同，且各负荷的变动较大,最大负荷时降低电压，但不低于线路额定电压的2.5%，即1.025VN；最小负荷时升高电压，但不超过线路额定电压的7.5%，即1.075VN。适用：负荷变动甚小，电力线路电压损耗也小，或用户处允许电压偏移较大的农业电网(3)常调压电压保持在较线路额定电压高2%5%的数值，即(1.021.05)VN，不随负荷变化来调整中枢点的电压。适用：负荷变动较小，电力线路电压损耗也小，或用户处允许电压偏移较大的农业电网,(
13、2)顺调压,三、电力系统的电压调整1电压调整的基本原理,图7-15 电压调整原理图,（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压VG；（2）改变变压器的变比k1、k2；（3）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗V 变化；（4）改变网络参数R+jX（主要是X），改变电压损耗 V。,电压调整的措施：,一改变发电机端电压调压,图7-16 多级变压供电系统的电压损耗分布,根据运行情况调节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的小型电力网。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。,7.4 利用发电机和变压器调压,15%35%,改变变压器变比可以升高或降低次级
14、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普通双绕组变压器高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组有3个抽头，可调范围为VN5。有5个抽头，可调范围为VN22.5。,二、改变变压器变比调压,（1）降压变压器分接头的选择,降压变压器，则节点1为高压母线节点2为低压母线。通过变压器的功率为PjQ，归算到高压侧变压器阻抗RT jXT,归算到高压侧电压损耗 VT（PRTQXT）/V1则 V2(V1VT)/K变压器的变比 kV1t/V2N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(V1VT)/V2V2N当变压器通过不同得功率时，
15、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,普通的双绕组变压器的分接头只能在停电得情况下改变，在正常的运行中无论负荷怎样变化只能使用一个固定的分接头。计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压V1tmax（V1maxVtmax）V2N/V2maxV1tmin（V1minVtmin）V2N/V2min求取算术平均值，即V1t.av（V1tmax V1tmin）/2根据值可选择一个与它最接近的分接头。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。,分接头调压基本步骤：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
16、压器的负荷，求取变压器的电压损耗。2、套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择,4、选择接近的接头作为所选择的接头,3、取其算数平均值,5、套用低压则电压计算公式进行验算,与选择降压变压器的基本相同节点2为低压母线，节点1为高压母线。低压母线2的电压归算到高压母线1侧，因功率由低压侧流向高压侧，此时由高压母线1的电压推算低压母线2的电压时，应将高压母线电压与电压损耗相加。,（2）升压变压器分接头的选择,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。有V1t(V1+VT)/V2V2NV2变压器低压侧的实际电压或给定电压；V1高压侧
17、所要求的电压,能够在电力网电压变化和负荷变化时，不停电地改变分接头位置满足调压要求。改变一档分接头约需25s。可调范围大：一般在15%以上有7个抽头，可调范围为VN32.5。有9个抽头，可调范围为VN42.0。,有载调压变压器,如果负荷方向是变化的或负荷变动范围很大，需要采用有载调压变压器。,采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的V1tmax值和最小负荷算得的V1tmin 分别选择各自合适的分接头。这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。,三、有载调压变压器,采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的V1tmax值和最小负荷算得的V1tmin 分别选择各自合适的分接头。
18、这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。,四、加压调压变压器,图 719 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,串联变压器4的次级绕组串联在主变压器1的引出线上，作为加压绕组。这相当于在线路上串联了一个附加电势。改变附加电势的大小和相位就可以改变线路上电压的大小和相位。通常把附加电势的相位与线路电压的相位相同的变压器称为纵向调压变压器，把附加电势与线路电压有90相位差的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相位差的调压变压器称为混合型调压变压器。,1.纵向调压变压器,附加电势的相位与线路电压的相位相同的变压器,只有纵向
19、电势，只改变线路电压大小，不改变线路电压相位纵向电势影响无功功率分布,2.横向调压变压器,附加电势的相位与线路电压的相位有90相位差的变压器只有横向电势，只改变线路电压相位，几乎不改变线路电压大小横向电势影响有功功率分布,3.混合型调压变压器,既有纵向调压变压器，又有横向调压变压器。即改变线路电压相位，又改变线路电压大小,加压调压变压器对于辐射形网络，可以作为调压设备。对于环形网络除起调压作用外，还可以改变网络中的功率分布。,图7-20 环网中的加压调压变压器,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。,图7-21 简单的电力系统图,因此，当系统无功功率不足时，首先
20、应装设无功功率补偿设备。,7.5 无功功率补偿调压,供电点电压V1和负荷功率+jQ已给定，线路电容和变压器的励磁功率略去不计。且不计电压降落的横分量。,图7-22 简单电力网的无功功率补偿,一、利用并联补偿调压,1、必要性,P输送有功，不能因为调压调压改变有功功率分布Q改变发电机Q；在负荷点附近通过无功功率的补偿设备供给无功功率,在电力网适当地点接入无功补偿装置，能够减小线路和变压器输送的无功功率，因而可减小线路变压器的电压损耗和提高电网的电压水平，同时还能减小电力网的功率损耗，提高经济效益。,补偿前,补偿后,如果补偿前后V1保持不变，则有,归算到高压侧的变电所低压侧电压,由上式可解得,忽略第
21、二项,由此可见:补偿容量与调压要求和降压变压器的变比选择均有关。变比k的选择原则：在满足调压的要求下，使无功补偿容量为最小。无功补偿设备的性能不同，选择变比的条件也不相同。,2、适用范围,改变无功功率分布对电压损耗的影响程度，随所用导线的截面积不同而不同。小截面导线构成架空线路：RX,V主要由PR/V（有功）引起的，借改变无功功率来影响V效果不佳。适合低压电力网大截面导线构成架空线路：RX,V主要由QX/V（无功）引起的，通过Q补偿设备从而减小输送的无功功率，可以起到调压效果。适合高压电力网,1.补偿设备为静电电容器 为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小荷时全部退出。首先
22、，根据调压要求，按最小负荷时没有补偿的情况确定变压器的分接头。,于是,(据此选择分接头V1t),（确定变比）,其次，按最大负荷时的调压要求计算补偿容量,然后，根据算得的补偿容量，从产品目录中选择合适的设备。最后，根据确定的变比和选定的静电电容器容量，校验实际的电压变化。,首先确定变比k,2.补偿设备为同步调相机,最大负荷时，同步调相机容量为：,最小负荷时调相机容量应为：,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,二、线路串联电容补偿改善电压质量,未加串联电容前,串联了容抗XC后,因此，根据线路末端电压需要提高的数值（V-Vc），就可求得需要补偿的电容器的容抗值XC。
23、,如果每台电容器的额定电流为INC，额定电压为VNC，额定容量为QNC=VNCINC，则可根据通过的最大负荷电流Icmax和所需的容抗值XC分别计算电容器串、并联的台数n，m以及三相电容器的总容量QC。,图5-23 串联电容器组,确定线路上串联接入的电容器的个数：,三相总共需要的电容器台数为3mn。安装时，全部电容器串、并联后装在绝缘平台上。,nVNCICmaxXC,mINCICmax,图5-24 串联电容补偿前后的沿线电压分布（a）负荷集中在线路末端（b）沿线路有若干个负荷,电容器安装地点的选择：使沿线电压尽可能均匀,串联电容器提升的末端电压的数值QXC/V(即调压效果)随无功负荷增大而增大
24、、无功负荷的减小而减小，恰与调压的要求一致。这是串联电容器调压的一个显著优点。但对负荷功率因数高(cos0.95)或导线截面小的线路，由于PR/V分量的比重大，串联补偿的调压效果就很小。,补偿所需的容抗值XC和被补偿线路原来的感抗值XL之比,kc=XC/XL,称为补偿度。在配电网络中以调压为目的的串联电容补偿，其补偿度常接近于1或大于1。,电力线路采用串联电容补偿，也带来一些特殊问题，因此作为改善电压质量的措施，串联电容器只用于110kV以下电压等级、长度特别大或有冲击负荷的架空分支线路上。10kV及以下电压的架空线路，由于RL/XL很大，所以使用串联电容补偿是不经济和不合理的。220kV以上
25、电压等级的远距离输电线路中采用串联电容补偿，其作用在于提高运行稳定性和输电能力。,利用发电机调压是首先考虑的调压措施。当发电机母线没有负荷时，一般可在95105的范围内调压；当发电机母线有负荷时，一般采用逆调压。合理使用发电机调压后，在大多数情况下部可以减轻其他调压措施的负担。,几种调压措施的比较,当电力系统中的无功功率供应比较充裕时，利用改变变压器的变比或分接头调压可以取得成效。普通变压器只能在退出运行后才能改变分接头，在不要求逆调压时，适当调整分接头可满足调压要求，在要求逆调压时，必须采用有载调压变压器或串联加压器。,在系统中无功功率供应不足时，靠改变变压器的变比或分接头调压，可能会使系统
26、中局部的电压升高，需要的无功功率反而增加，系统中总的无功功率更缺乏，电压质量更不能得到保证。因此，对无功功率不足的系统，应设置无功功率补偿设备进行调压。,对无功功率不足的电力系统，首先应该增加无功功率电源，如采用并联电容器、调相机或静止补偿器等附加的设备。在采用这些并联补偿设备后，还可以减少网络中无功功率的流通，降低网络中有功功率和电能的损耗。作为调压措施之一的串联补偿电容器，可用于个别地区无功不平衡。,串联电容补偿和并联电容补偿比较,串联电容补偿 线路电抗并联电容补偿 无功功率由于串联电容器电压降落具有负值的电压降落，起直接低偿线路电压降落的作用，比并联电容补偿借减少线路中流通的无功功率来减小线路电压降落作用显著很多。为减小同样大小电压降落，所设置的并联电容器容量仅为并联的电容器的1725串联电容器补偿适合于电压波动频繁的场合；而并联电容器不适用。,串联电容补偿 线路电抗并联电容补偿 无功功率串联电容器补偿效果随着负荷本身功率因数提高，逐渐消失。并联电容器减小线路流通无功功率，直接减小线路上的有功功率损耗作用，比串联借提高线路电压水平来减小线路有功功率损耗显著很多。,
