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第六章电力系统的无功功率和电压调整6.1概述6.2无功功率的平衡6.3无功平衡与电压水平6.4电压的调整控制第六章电力系统无功功率和电压的调整控制6.1概述（U、Q调控的必要性）36.1概述（U、Q调控的必要性）电压是衡量电能质量的重要指标之一质量合格的电压应该在四个方面都能满足国标供电电压偏移供电电压偏移电压波动和闪变电网谐波三相对称度NUUU−=Δ•对用电设备：（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，异步电动机定子电流增大，温升增加，电机发热。（4）降低生产率，出废品、次品电压偏移过大的不利影响•对电力系统本身：（1）电压过低，危及系统稳定性，系统电压崩溃（2）电压过高，破坏绝缘，高压线路电晕现象图“电压崩溃”现象•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----P、Q（3）运行方式改变----R、X电压偏移可以避免吗？*2222*2222222222()()PjQSdURjXRjXUUPRQXPXQRjUUUjUδ−=+=++−=+=Δ+&图沿线路各点电压的变化8电压偏移的允许范围9如何保证电压偏移在允许范围内？首先研究电力系统的电压水平取决于什么？合理的无功功率平衡（配置）是保证电压水平的关键第六章电力系统无功功率和电压的调整控制6.2无功功率的平衡无功功率平衡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1．无功功率负荷σσXIXVQQQmmM22+=+=一、需求侧---无功功率负荷和无功功率损耗•异步电动机是电力系统的主要无功负荷图5-2异步电动机的简化等值电路jXσ图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系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定2．变压器的无功损耗220220%%100100LTTTTkNNNSQQQUBXUIUSUSSU⎛⎞=Δ+Δ=+⎜⎟⎝⎠⎛⎞≈+⎜⎟⎝⎠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13%。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5-4输电线路的π型等值电路222211222212LPQPQQXXUU++Δ==2212()2BBQUUΔ=−+线路的无功总损耗为22221112212LBPQUUQQXBU++Δ+Δ=−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、无功功率电源侧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无功功率电源无功功率电源图发电机的P-Q极限1.发电机唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源•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。•同步调相机相当于只发无功的同步发电机。•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；•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，进行电压调节。因而调节性能较好。2.同步调相机缺点：•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(1.5~5)%，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=U2/XC3.静电电容器•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245.静止无功发生器¾一种更为先进的静止型无功补偿装置SVG¾主体是电压源型逆变器¾适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG地运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态¾与SVC比较，SVG具有相应快、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。GCLDLresQQQQ−−=•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。无功功率平衡无功功率平衡(1)系统电源的总无功出力QGC包括发电机的无功功率QG∑各种无功补偿设备的无功功率QC∑，QGC＝QG∑＋QG∑(2)总无功负荷QLD按其有功和功率因数计算(3)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∑线路电纳的无功功率ΔQB∑QL＝QLT∑＋ΔQL∑＋ΔQB∑27无功不足应采取的措施(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。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：无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题(1)要考虑总的、分区的无功平衡(2)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按就地平衡的原则进行补偿容量的分配(1)小容量、分散的无功补偿可用静电电容器(2)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无功功率平衡无功功率平衡第六章电力系统无功功率和电压的调整控制6.3无功平衡与电压水平图隐极机等值电路和相量图QGC=QLD+QL无功功率平衡和电压水平的关系例:隐极机经过一段线路向负荷供电δϕsincosXEVVIP==XVXEVVIQ2cossin−==δϕXVPXEVQ222−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=当P为一定值时，得δϕδϕcossinsincosEXIVEXI=+=ϕ应该力求维持电压在额定电压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；要求无功电压充足异步电机无功电压特性曲线发电机无功电压特性曲线初始运行点a（发电机特性曲线1，负荷特性曲线2）负荷增加时，运行点到a’电压降低33第六章电力系统无功功率和电压的调整控制6.4电压的调整控制34一、电压调整概念（中枢点的电压管理）1.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）。2.电压中枢点的选择¾①区域性发电厂的高压母线；¾②枢纽变电所的高压母线和二次母线；¾③有大量地方负荷的发电机电压母线；¾④城市直降变电所的二次母线。图电力系统的电压中枢点例：中枢点中枢点363.中枢点电压的调整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¾最大负荷运行方式时升高电压，但中枢点的电压不能超过线路额定电压高5%；(U损耗大)¾最小负荷运行方式时降低电压，但中枢点的电压要不低于线路额定电压UN。(U损耗小)37③恒调压¾最大和最小负荷方式时保持中枢点电压为线路额定电压的1.02～1.05倍②顺调压¾最大负荷运行方式时降低电压，但中枢点的电压不应低于线路额定电压的102.5%¾最小负荷运行方式时升高电压，但中枢点的电压不应高于线路额定电压的107.5%图电压调整原理图2121/)(kVQXPRkVkVkVVNGGi⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−=−=Δ4.电压调整的基本原理（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△U变化；（4）改变网络参数R+jX（主要是X），改变电压损耗△U。电压调整的措施：21kVQXPRkVVNGi⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=40二、电压调整的措施1.发电机调压¾在直接用发电机母线供电的小型系统中，改变发电机的励磁电流可实现逆调压，是一种最经济、最直接的调压手段。¾在多级电压供电系统中，发电机调压只能作为一种辅助调压措施。412.改变变压器分接头的调压方法5%+2.5%+主抽头2.5%−5%−231KV225.5KV220KV214.5KV209KV11KV5%+2.5%+主抽头2.5%−5%−254KV248KV242KV236KV230KV10.5KV42⑴降压变压器分接头的选择降压变压器1U2UTTjXR+jQP+2U&2U′&TTRjX+12:tNUU2I&1U&1I&1T1t2N2UUUUU−Δ=21T*kUUU=−ΔT1TTPRQXUU+Δ=21T'UUU=−Δ12tNUkU=而1tU高压绕组分接头电压2NU低压绕组额定电压43①最大负荷时分接头电压的计算1maxTmax1tmax2N2maxUUUUU−Δ=②最小负荷时分接头电压的计算1minTmin1tmin2N2minUUUUU−Δ=应用步骤：44③分接头电压的平均值计算()1tav1tmax1tmin12UUU=+④标准分接头电压的选择1t01tavUU≈45⑤最大、最小负荷时变压器低压侧实际运行电压的校验1maxTmax2max2N10tUUUUU−Δ=1minTmin2min2N10tUUUUU−Δ=46⑵升压变压器分接头的选择1maxTmax1tmax2N2maxUUUUU+Δ=1minTmin1tmin2N2minUUUUU+Δ=两点差异：①U2N取值(低压侧)；②“－”号变“＋”号。2U&2U′&TTRjX+12:tNUU2I&1U&1I&21T'UUU=+ΔP+jQ47（3）普通三绕组变压器分接头的选择以高压侧有电源的三绕组降压变压器讨论其分接头电压的选择：①先选择高压侧分接头电压；②再选择低压侧分接头电压。1T131t3N31t2t21T12UUUUUUUUUU−Δ⎫=⎪⎪⎬⎪=⎪−Δ⎭48(4)有载调压变压器分接头的选择¾有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头而且调节范围也比较大，一般在15%以上。¾目前我国暂定，110kV级的调压变压器有7个分接头，即VN±3×2.5%；220kV级的有9个分接头即VN±4×2.0%。¾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。493.利用无功补偿调压T21klA22PjQ+CjQ−RjX+AU2U222222C2C2C22C2(),1AAPRQXUUUPRQQXUUUUUU+′−=′+−′−=′′′分别为补偿前后折算到侧的数值50求出无功补偿容量QC为:()2C2222C2C22C2UPRQXPRQXQUUXUU⎡⎤⎛⎞′++′′=−+−⎢⎥⎜⎟′′⎝⎠⎣⎦()2CC2C2UQUUX′′′≈−降压变压器的变比1t2NUkU=22C2C2CUUQUkXk′⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠51①无功补偿装置都可连接于需要进行无功补偿的变电所或直流输电换流站的母线上；②负荷密集的供电中心集中安装大、