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1、第十二章电力系统的无功功率平衡和电压调整,12-1:电力系统的无功功率平衡,12-2:电压调整的基本概念,12-3:电压调整的措施,12-4:调压措施的应用,12.0,目录,电力系统无功功率平衡,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。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。,12.1,电力系统无功功率平衡,12.1,1.无功功率负荷和无功功率损耗,1）无功功率负荷QLD：以异步电动机为例说明负荷消耗无功功率的特点,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,Qm:励磁功率。当电压较高时，由于饱和的影响，Xm
2、下降，Qm 随 V 变化的曲线稍高于二次曲线。Q:漏抗X的无功损耗，若负载功率=常数，当电压降低时，转差 s 增大，I 增大，Q 也增大。,在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的增减而增减。但当电压明显降低时，无功功率主要由无功损耗决定，随电压下降反而上升。为受载系数实际负荷/额定负荷,电力系统无功功率平衡,12.1,1.无功功率负荷和无功功率损耗,2）变压器的无功损耗,Q0：励磁损耗，与 V 2 成正比QT：漏抗损耗，当 S 不变时，与 V 2 成反比,变压器的无功损耗电压特性与异步电动机类似,电力系统无功功率平衡,12.1,1.无功功率负荷和无功功率损耗,3）线路的无功损耗,QL：线路电
3、抗的无功功率QB：充电无功功率,35kV及以下输电线的充电功率小，线路消耗无功功率110kV及以上输电线，重载时是无功负载，轻载时能成为无功源,电力系统无功功率平衡,12.1,2.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,电力系统无功功率平衡,12.1,2.无功功率电源,1）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,SGN：额定视在功率 GN：额定功率因数角,电力系统无功功率平衡,12.1,2.无功功率电源,1)发电机,隐极机联接在恒压母线上,可见，发电机只在额定电压、电流和功率因数下运行（C点）才能达到额定视在功率，使容量得到最充分利用
4、。降低功率因数运行时，无功受转子电流限制。,发电机一般以滞后功率因数运行，必要时可以减少励磁电流在超前功率因数下运行，即进相运行，以吸收系统多余的无功功率。（系统低负荷运行时，线路电抗无功损耗明显减少，线路充电功率大量剩余，引起系统电压升高，发电机进相运行有利于调压）,旋转元件，运行维护复杂；有功损耗较大，满负荷时约为额定容量的1.5%5%，容量越小，比例越大；小容量机组投资费用高（每kVA），仅利于集中大容量使用；响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求20世纪70年代后，逐渐为静止无功补偿器取代；,2)同步调相机过励磁运行，向电网输出感性无功功率；欠励磁运行，从电网吸收感性无功功率；欠励磁
5、最大容量为过励磁容量的50%65%；可实现无功电压连续调节；具有强励功能，有利于提高稳定性,3)静电电容器输出无功与节点电压平方成正比，无功功率调节性能较差；装设容量可达可小，既可集中安装，亦可分散安装；单位容量投资费用较小，与总容量无关；运行损耗约为额定容量的0.3%0.5%；无旋转元件，运行维护方便；可根据负荷变化，分组投切电容器，实现补偿功率的分级调节（不连续）；目前广泛低压配网中广泛采用的无功补偿技术工程上遇到由于谐波引起的电容器损坏事故较为突出，值得关注,4)静止无功补偿器饱和电抗器型静止补偿器,4)静止无功补偿器晶闸管控制电抗器型静止补偿器,TCR支路正负半周内部分导通等值电感可连
6、续调节有谐波,4)静止无功补偿器晶闸管投切电容器型静止补偿器,TSC：整周波投切，不产生谐波分级调节快速响应,5)静止无功发生器（SVG：Static Var Generator）,与SVC相比，响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更少电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流储能电容的容量远小于装置无功容量,电力系统无功功率平衡,12.1,3.无功功率平衡,无功功率平衡计算,系统无功功率平衡关系式：QGCQLDQLQres QGC：电源供应的无功功率之和QLD：无功负荷之和QL：网络无功功率损耗之和Qres：无功功率备用,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
7、统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置,电力系统无功功率平衡,12.1,3.无功功率平衡,无功功率平衡计算,系统无功功率平衡关系式：QGCQLDQLQres,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：QGCQGQG总无功负荷QLD按负荷的有功功率和功率因数计算。为减少网损，一般规定35kV及以上电压等级直接供电的负荷的 cos0.9，其它负荷的 cos0.85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QL和线路电纳的无功功率QB，即：QL QLTQLQB,电力系统无功功率平衡,12.1,3.无功功率平衡,无功功率平衡的基本要求,
8、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 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的传送无功功率，应该分地区、分电压级、就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,总之，无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还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、新变压器投运及大用户等各种对无功平衡有影响的因素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电电容
9、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,电力系统无功功率平衡,12.1,3.无功功率平衡,电力系统无功功率平衡,12.1,4.无功功率与电压的关系,无功功率对电压水平有决定性的影响，是引起电压损耗的重要因素,在高压网络中，XR，当Q与P可比时，电压降落的绝大部分为QX项，如果减少Q，则可以大大减少电压损耗。,无功功率的远距离传输和就地平衡,电力系统无功功率平衡,12.1,4.无功功率与电压的关系,节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用,忽略 R,电力系统无功功率平衡,12.1,4.无功功率与电压的关系,节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用,当 P 和
10、E 为定值时，Q 与 V 的关系如右图：,由此可见，系统无功电源充足，可以满足较高电压水平下的无功功率平衡，无功不足，则运行电压水平较低。节点电压有效值的大小对于无功功率分布起决定作用。,5.例12-1,电力系统无功功率平衡,12.1,电压调整的基本概念,电压是电能质量的重要指标之一。电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有重要的影响。因此电压调整具有一定的重要性。,12.2,电压调整的基本概念,12.2,1.允许电压偏移指标,严格保证电压经济上不可行，也没有必要，允许的电压偏移：,35kV及以上：正负偏移的绝对值之和不超过额定电压的10%10
11、kV以下三相供电电压：7%低压照明（220V单相供电）：+7%，-10%农村电网：+15%，-10%（+10%，-15%）,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,1)中枢点：电力系统中重要的供电点（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节点，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。,如：区域性水、火电厂高压母线 有大量地方负荷的发电机电压母线 枢纽变电所的二次母线,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,2)中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向两个负荷点供电,中枢点向多个负荷点供电,如果中枢点是发电机母线,在任何时候
12、，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围应有公共部分,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,2)中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向两个负荷点供电,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,2)中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向两个负荷点供电,由图可见，尽管A、B两负荷点的电压有10的变化范围，但是由于两处负荷大小和变化规律不同，两段线路的电压损耗值及变化规律亦不相同。为同时满足两负荷点的电压质量要求，中枢点电压的允许变化范围就大大缩小，最大时为7，最小时仅有1,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,2)中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向多个负荷点供电,一般选
13、择最高点和最低点来确定中枢点电压即可。即地区负荷最大时，电压最低的负荷点的允许电压下限电压损耗作为中枢点的最低电压；地区负荷最小时，电压最高的负荷点的允许电压上限电压损耗作为中枢点的最高电压。,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,2)中枢点电压允许变化范围确定,中枢点为发电机母线,除了上述要求外，还应受厂用电设备和发电机的最高允许电压、保持系统稳定的最低允许电压的限制。,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,2)中枢点电压允许变化范围确定,在任何时候，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围应有公共部分,调整中枢点电压，使其在公共部分的允许范围内变动，就可以满足各负荷点的
14、调压要求，而不必在各负荷点再装设调压设备。,并不是所有情况下都可以调压中枢点电压来满足所有负荷节点的电压要求，有时要采取附加措施，如在负荷点装设调压设备。,电压调整的基本概念,12.2,2.中枢点电压管理,2)中枢点电压允许变化范围确定 弄清由中枢点调压的各负荷节点的负荷的变化规律和电压允许的范围；根据，计算各负荷节点对中枢点电压的要求；各负荷对中枢点电压要求的公共区域，即为中枢点电压容许变化范围，反过来说，只要中枢点电压在这一范围内，即可以满足各点的调压要求,逆调压模式,顺调压模式,恒调压模式,在高峰负荷时升高中枢点电压（1.05VN），在低谷负荷时降低中枢点电压（1.0VN，保持额定电压）
15、适用于：线路长，负荷变动大的场合 若发电机电压一定，则大负荷时，中枢点电压下降，小负荷时，中枢点电压稍高，与逆调压相反，所以逆调压往往难实现,逆调压模式,电压调整的基本概念,12.2,3.中枢点电压调整方式,逆调压模式,顺调压模式,恒调压模式,高峰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；低谷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。适用于：某些供电距离较近，或者负荷变动不大的变电所,顺调压模式,电压调整的基本概念,12.2,3.中枢点电压调整方式,逆调压模式,顺调压模式,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。任何负荷下中枢点电压
16、基本保持不变且略大于VN，一般较线路电压高2%-5%。,恒调压模式,电压调整的基本概念,12.2,3.中枢点电压调整方式,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,电压调整的基本概念,12.2,3.电压调整的基本原理,电压调整的基本概念,12.2,3.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机端电压 VG（2）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,电压调整的措施,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,12.
17、3,依靠自动励磁装置调节励磁电流来改变端电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（逆调压），不必另外再增加调压设备。（2）对于线路较长、供电范围交大、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（逆调压）。,电压调整的措施,12.3,1.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（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
18、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。,电压调整的措施,12.3,1.发电机调压,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,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（1）降压变压器分接头的选择,（2）升压变压器分接头的选择,调压分接头在高压绕组，高压/中压绕组 对应额定电压的分接头为主接头 6300kVA及以下 3个分接头 0.5%8000kVA及以上 5个分接头 22.5%,用于在系统无功充足时，解决各变电所的调压问题,VT(PRTQXT)/V1V2(V1VT)/kkV1t/V2
19、N 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，低压侧要求得到的电压为V2。将 k 代入上式，得高压侧分接头电压：V1t(V1VT)*V2N/V2 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,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（1）降压变压器分接头的选择,普通的双绕组变压器的分接头只能在停电的情况下改变，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。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(V1maxVtmax)V2N/V2maxV1tmin(V1minVtmi
20、n)V2N/V2min然后求取它们的算术平均值，即V1t.av(V1tmax V1tmin)/2根据值可选择一个与它最接近的分接头。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,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（1）降压变压器分接头的选择,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 V1max 和 V1min，以及通过变压器的负荷 Pmax+jQmax 和 Pmin+jQmin，求取变压器的电压损耗 Vmax 和 V
21、min。,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（1）降压变压器分接头的选择,4).选择邻近的接头作为所选择的接头,3).取其算术平均值,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（1）降压变压器分接头的选择,2).套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择,5).套用低压侧电压计算公式进行验算,与选择降压变压器分接头的方法基本相同,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（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。因而有：V1t(V1+VT)*V2N/V2式中，V2为
22、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注意：升压变压器和降压变压器绕组的额定电压略有差别。,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。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。,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（3）总结,将高低绕组看作双绕组，确定高绕组分接头 将高中绕组看作双
23、绕组，确定中绕组分接头注意：功率分布,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（4）三绕组变压器分接头的选择,有载调压变压器：OLTC（OnLoad TapChanger）变压器无载调压原理:无励磁调压是在变压器一，二次侧都脱离 电源的情况下，变换高压侧分接头来改变绕组匝数进行调压的。变压器有载调压原理:有载调压是 有载分接开关，在保证不切 断负载电流的情况下，变换高压绕组分接头，来改变高压匝数进 行调压的。,12.3,电压调整的措施,2.改变变压器变比调压,（5）有载调压变压器（加压调压变压器）,系统无功不足时，不宜采用调整 K 的方法（某地区 V 上升后，所需 Q 上升，扩大无功
24、缺额，全局效果不好），宜用补偿法。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。合理的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。,12.3,电压调整的措施,3.利用无功功率补偿调压,并补：串补：,减少Q,减少X,第二项很小,12.3,电压调整的措施,3.利用无功功率补偿调压,按调压要求选择补偿量的基本原理,V1 和P+jQ 给定,12.3,电压调整的措施,3.利用无功功率补偿调压,按调压要求选择补偿量的基本原理,V1 和P+jQ 给定,选择补偿容量的基本原则：在满足各种运行方式下
25、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,补偿容量与调压要求和降压变压器的变比选择均有关,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。,12.3,电压调整的措施,3.利用无功功率补偿调压,(1)静电电容器补偿容量选择,根据调压要求，按最小负荷时没有补偿确定变压器变比,按最大负荷时的调压要求选择补偿容量,校验实际电压是否满足要求,12.3,电压调整的措施,
26、3.利用无功功率补偿调压,(1)静电电容器补偿容量选择,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（0.50.65）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。,12.3,电压调整的措施,3.利用无功功率补偿调压,(2)同步调相机补偿容量选择,12.3,电压调整的措施,3.利用无功功率补偿调压,(2)同步调相机补偿容量选择,最大负荷时调相机发出全部感性无功，最小负荷时吸收 感性无功()，有：,注意：按计算的k选择分接头，再计算实际的k，然后计算实际的调相机容量 QcN。,（1）电压损耗V（PRQX）/V 中包含两个分量：
27、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，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。,12.3,电压调整的措施,3.利用无功功率补偿调压,讨论,变压器参数不易改变在线路上串联接入静电电容器，利用电容器的容抗补偿线路的感抗，使电压损耗中QX/V分量减小，从而可提高线路末端电压TCSC：Thyristor Contr
28、olled Series Compensator，可控硅控制的串联补偿,12.3,电压调整的措施,4.改善线路参数调压（线路串联电容补偿）,12.3,电压调整的措施,4.改善线路参数调压（线路串联电容补偿）,(1)根据调压要求选择串补 XC,已知线路首端电压和功率,12.3,电压调整的措施,4.改善线路参数调压（线路串联电容补偿）,12.3,电压调整的措施,4.改善线路参数调压（线路串联电容补偿）,讨论,主要用在1035kV、负荷波动大、功率因数低的配电线路上10kV以下 R/X 大，不经济 220kV以上功率因数大，Q小，串补主要是作为提高稳定的措施,定义补偿度:,其中 XL 为线路原来的感
29、抗,KC 1,过补偿KC=1,全补偿,各种调压措施的简要述评发电机调压不需增加费用，是发电机直接供电的小系统的主要调压手段；多机系统中，调节任一台发电机励磁电流，会引起发电机间无功功率重新分配，应根据发电机与系统连接方式和承担有功功率情况，合理确定调压整定值；系统无功电源充足时，可通过改变变压器变比进行调压，电压变化幅度较大或要求逆调压时，宜采用变压器有载调压方式；系统无功不足时，不宜采用改变变压器变比的方式调压；并联电容器和串联电容器补偿的作用在于减少电压损耗的QX/V分量；只有该分量占比重较大时，调压效果才明显；并联电容补偿和串联电容补偿需要增加设备费用，并联补偿可以减小网损；,电压调整的措施,12.3,
