電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓調(diào)整學(xué)習(xí)資料

1、電力系統(tǒng)無功功率平衡與電壓調(diào)整由于電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)很多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷分布不均勻，各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷 變動時，會引起各節(jié)點(diǎn)電壓的波動。要使各節(jié)點(diǎn)電壓維持在額定值是不可能的。 所以，電力系統(tǒng)調(diào)壓的任務(wù)，就是在滿足各負(fù)荷正常需求的條件下， 使各節(jié)點(diǎn)的 電壓偏移在允許范圍之內(nèi)。由綜合負(fù)荷的無功功率一電壓靜態(tài)特性分析可知，負(fù)荷的無功功率是隨電壓 的降低而減少的，要想保持負(fù)荷端電壓水平，就得向負(fù)荷供應(yīng)所需要的無功功率。 所以，電力系統(tǒng)的無功功率必須保持平衡，即無功功率電源發(fā)出的無功功率要與 無功功率負(fù)荷和無功功率損耗平衡。這是維持電力系統(tǒng)電壓水平的必要條件。一、無功功率負(fù)荷和無功功率損耗1 無功功率負(fù)荷無功

2、功率負(fù)荷是以滯后功率因數(shù)運(yùn)行的用電設(shè)備 (主要是異步電動機(jī))所吸 收的無功功率。一般綜合負(fù)荷的功率因數(shù)為0.60.9，其中，較大的數(shù)值對應(yīng)于采用大容量同步電動機(jī)的場合。2 電力系統(tǒng)中的無功損耗(1) 變壓器的無功損耗。變壓器的無功損耗包括兩部分。一部分為勵磁損耗，這種無功損耗占額定容量的百分?jǐn)?shù)，基本上等于空載電流百分?jǐn)?shù)Io %，約為1 %2%。因此勵磁損耗為(5-1-1)VQTy I0Stn/100 (Mvar)另一部分為繞組中的無功損耗。在變壓器滿載時，基本上等于短路電壓Uk的 百分值，約為10%這損耗可用式(6-2)求得VQtz Uk(%)SrN (-Stl)2 (Mvar)(5-1-2)

3、100Stn式中，Stn為變壓器的額定容量(MVA); Stl為變壓器的負(fù)荷功率(MVA)。由發(fā)電廠到用戶，中間要經(jīng)過多級變壓，雖然每臺變壓器的無功損耗只占每 臺變壓器容量的百分之十幾，但多級變壓器無功損耗的總和可達(dá)用戶無功負(fù)荷的 75%100%左右。(2) 電力線路的無功損耗。電力線路上的無功功率損耗也分為兩部分，即并 聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗。 并聯(lián)電納中的無功損耗又稱充電功率， 與 電力線路電壓的平方成正比，呈容性。串聯(lián)電抗中的無功損耗與負(fù)荷電流的平方 成正比，呈感性。因此電力線路作為電力系統(tǒng)的一個元件，究竟是消耗容性還是 感性無功功率，根據(jù)長線路運(yùn)行分析理論，可作一個大致估計(jì)。

4、對線路不長，長 度不超過100km電壓等級為220kV電力線路，線路將消耗感性無功功率。對線 路較長，其長度為300km左右時，對220kV電力線路，線路基本上既不消耗感性 無功功率也不消耗容性無功功率，呈電阻性。大于 300km時，線路為電容性的。二、系統(tǒng)綜合負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性電力系統(tǒng)中某額定功率的用電設(shè)備實(shí)際吸收的有功功率和無功功率的大小 是隨電力網(wǎng)的電壓變化而變的，尤其是無功功率受電壓的影響很大。 電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性是指：在系統(tǒng)頻率等于額定值且負(fù)荷連接容量不變時， 綜 合負(fù)荷所消耗的有功功率和無功功率與電壓的關(guān)系曲線。電力系統(tǒng)主要負(fù)荷的電 壓靜態(tài)特性如下。1 白熾燈負(fù)荷白熾燈

5、由于其燈絲電阻隨溫度而變化， 且不消耗無功功率，所消耗的有功功 率可用式(3 9)表示P KU(5-1-3)式中P有功功率(w)；K 與溫度有關(guān)的燈絲系數(shù)；U端電壓(V)。2電熱負(fù)荷電爐和電弧爐均只消耗有功功率，所消耗的有功功率為(5-1-4)式中R電熱設(shè)備電阻(Q)。3 電抗器負(fù)荷(3-11)表示(5-1-5)電抗器負(fù)荷主要消耗無功功率，所消耗的無功功率可用式式中Q無功功率(var);x 電抗器感抗()。4 異步電動機(jī)負(fù)荷異步電動機(jī)需要消耗有功功率來轉(zhuǎn)動機(jī)器，又要取用感性無功功率來建立磁場。異步電動機(jī)的功率轉(zhuǎn)差率特性曲線如圖5-1-1(a)所示。若電動機(jī)所帶的機(jī)械負(fù)荷不變，當(dāng)外電壓從額定電壓

6、降低到 80% UN時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率將從增大到S2。轉(zhuǎn)差率增大，將使電動機(jī)的電流增大，因此，電動機(jī)吸收的有功功率可近似地看作不變。異步電動機(jī)的有功功率電壓靜態(tài)特性曲線如圖5-1-1(b)所示,近似于一條水平直線。圖5-1-1異步電動機(jī)特性曲線（a）功率轉(zhuǎn)差率特性；（b）功率電壓靜態(tài)特性1 U=100% Un ； 2U=90% Un ； 3 U=8C Un ； 4 U=70% Un異步電動機(jī)吸收的無功功率受端電壓的影響很大。當(dāng)端電壓接近額定電壓 時，異步電 動機(jī)的鐵芯磁路接近飽和。當(dāng)端電壓高于額定電壓時，由于磁路飽 和，勵磁無功將按電壓的高次方比例增加。當(dāng)端電壓低于額定電壓時，由于磁路尚未飽和

7、，勵磁無功將按電壓的平方比例減少。 若電壓低于額定電壓很多，電 動機(jī)的轉(zhuǎn)差率將顯著增加，引起定子電流大幅升高，從而使電動機(jī)的漏磁無功損 耗大幅增加。綜上所述，異步電動機(jī)的無功功率電壓靜態(tài)特性曲線如圖5-1-1（b）所示。在電力系統(tǒng)中，異步電動機(jī)占綜合負(fù)荷的絕大多數(shù)。因此，系統(tǒng)綜合負(fù)荷的 電壓靜態(tài)特性曲線近似于異步電動機(jī)的電壓靜態(tài)特性曲線，如圖5-1-2所示。圖5-1-2系統(tǒng)綜合負(fù)荷電壓靜態(tài)特性曲線（a）有功負(fù)荷；（b）無功負(fù)荷由圖5-1-2可以看出，電壓變化對有功負(fù)荷的影響不大，而對無功負(fù)荷的影 響很大。當(dāng)電壓升高時，負(fù)荷吸收的無功功率顯著增加；當(dāng)電壓降低時，負(fù)荷吸 收的無功功率明顯減少。若電

8、力系統(tǒng)的無功電源不足，為維持系統(tǒng)無功平衡，則 不得不降低運(yùn)行電壓，減少負(fù)荷吸收的無功功率。若運(yùn)行電壓過高，則表示電力 系統(tǒng)的無功電源過剩，應(yīng)盡量減少各電源的無功功率。三、電力系統(tǒng)的無功功率平衡電力系統(tǒng)的無功功率和有功功率一樣在運(yùn)行時也要保持平衡。電力系統(tǒng)的無功功率平衡方程為QgQc式中 Qg系統(tǒng)各發(fā)電廠發(fā)出的無功功率總和；QC 無功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出的無功功率總和（包括同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容 器、靜止補(bǔ)償器及輸電線路容納中電容無功功率等 ）q 系統(tǒng)無功負(fù)荷的總和；Qce 各發(fā)電廠廠用無功負(fù)荷的總和；q電力網(wǎng)各元件無功損耗的總和（包括并聯(lián)電抗器）電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷主要包括異步電動機(jī)、電抗器消耗的無功功率

9、，以及變 壓器和線路的無功功率損耗。為維持電力系統(tǒng)的無功功率平衡， 還應(yīng)有一定的無功功率備用容量。 無功備 用容量一般為無功負(fù)荷的 7%8%。同步發(fā)電機(jī)在額定功率因數(shù)下運(yùn)行，若發(fā) 電機(jī)留有一定的有功功率備用容量，也就保持了一定的無功功率備用容量。根據(jù)電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性曲線和系統(tǒng)無功功率平衡方程，可 知，系統(tǒng)電壓過低的根本原因，就是系統(tǒng)無功電源不足。當(dāng)系統(tǒng)電壓過低時，首 先要增加系統(tǒng)的無功電源， 保持系統(tǒng)無功平衡。 關(guān)于無功電源的設(shè)置， 除發(fā)電廠 里的發(fā)電機(jī)以外，無功補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)置則根據(jù)無功分層 （電壓層次 ）分區(qū)（地區(qū)、 縣或站網(wǎng)絡(luò) ） 和就地平衡以及便于調(diào)整電壓的原則來進(jìn)行設(shè)置。

10、無功補(bǔ)償設(shè)備的 容量需要根據(jù)調(diào)壓要求及系統(tǒng)對功率因數(shù)的要求來進(jìn)行計(jì)算。課題二 電力系統(tǒng)無功電源教學(xué)目標(biāo)知道電力系統(tǒng)的無功電源。知識點(diǎn)發(fā)電機(jī)，調(diào)相機(jī)，電容器，靜止補(bǔ)償器。技能點(diǎn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限圖。教學(xué)內(nèi)容電力系統(tǒng)的無功電源包括同步發(fā)電機(jī)、同期調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和靜止補(bǔ)償 器等。1.同步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中唯一的有功功率電源，同時也是基本的無功功率電源。發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時，其定子電流和轉(zhuǎn)子電流都不應(yīng)超過額定值。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)容量得到最充分的利用。設(shè)發(fā)電機(jī)額定視在功率為Sgn，額定有功功率為Pgn，額定功率因數(shù)為COS N，則額定無功功率Qgn為COS nQgn Sgn sin n P

11、GNtg n(5-2-1)下面討論發(fā)電機(jī)可能發(fā)出的感性無功功率。圖5-2-1(a)所示一隱極機(jī)接在Un為常數(shù)的系統(tǒng)母線上，圖5-2-1(b)為其等值電路，圖5-2-1(c)為額定運(yùn)行時 的相量圖。電壓降相量 AC的長度代表iNXd，正比于額定視在功率Sgn，它在縱 軸上的投影正比于Pgn，在橫軸上的投影正比于Qgn，相量0C的長度代表空載電 動勢En，它正比于發(fā)電機(jī)的額定勵磁電流。圖5-2-1發(fā)電機(jī)的運(yùn)行極限圖(a)接線圖；(b)等值電路；(c)相量圖當(dāng)改變功率因數(shù)時，發(fā)電機(jī)可能發(fā)出的功率P和Q受到以下限制(1) 受額定視在功率(定子額定電流)的限制。如圖5-2-1(c)中，用以A為圓 心、以

12、AC為半徑的圓弧表示。(2) 受轉(zhuǎn)子額定電流的限制。即用圖 5-2-1(c)中以0為圓心、以0C為半徑 的圓弧表示。(3) 受原動機(jī)出力(額定有功功率)的限制。即用以圖 5-2-1(c)中的水平線FGn c表示。所以發(fā)電機(jī)的P Q極限曲線如圖5-2-1(c)中陰影線所示。從圖中可以看到， 發(fā)電機(jī)只有在額定的電壓、電流和功率因數(shù)下運(yùn)行時 (即運(yùn)行點(diǎn)C)，視在功率才 能抵達(dá)額定值，其容量得到最充分的利用。當(dāng)系統(tǒng)中無功電源不足，而有功備用容量又較充裕時，可利用靠近負(fù)荷中心 的發(fā)電機(jī)降低功率因數(shù)運(yùn)行，多發(fā)無功功率以提高電力系統(tǒng)的電壓水平。 但是發(fā) 電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)不應(yīng)越出F Q極限曲線的范圍。2 同期調(diào)相

13、機(jī)調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上就是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機(jī)。它在過激運(yùn)行時向電力系統(tǒng)供 給感性無功功率，欠激運(yùn)行時從電力系統(tǒng)吸取感性無功功率。所以改變同期調(diào)相 機(jī)的勵磁，可以平滑地改變它的無功功率大小及方向，因而它可以平滑地調(diào)節(jié)所 在地區(qū)的電壓。欠激運(yùn)行時的容量約為過激運(yùn)行時容量的 50%60%，這也是 作為無功功率電源的調(diào)相機(jī)的運(yùn)行極限。同期調(diào)相機(jī)可以裝設(shè)自動調(diào)節(jié)勵磁裝置， 能自動地在電力系統(tǒng)電壓降低時增 加輸出的無功功率以維持系統(tǒng)的電壓。 特別是有強(qiáng)行勵磁裝置時，在系統(tǒng)故障情 況下也能調(diào)整系統(tǒng)的電壓，這對提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性是有利的。 但是調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn) 機(jī)械，運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜。它的有功功率損耗較大，在滿載時損失

14、約為額定容量 的1.5 %5%。同期調(diào)相機(jī)常安裝在樞紐變電所，現(xiàn)已很少采用同期調(diào)相機(jī)， 而改用靜止補(bǔ)償器。3 并聯(lián)電容器及靜止補(bǔ)償器并聯(lián)電容器可按三角形和星形接法連接在變電所母線上，只能供給系統(tǒng)無功 功率而不能吸收無功功率，它供給的無功功率 Qc值與所在節(jié)點(diǎn)的電壓 U的平方成正比，即QcXc(5-2-2)式中，Xc 丄為并聯(lián)電容器的容抗。C故當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降時，它供給的無功功率也減少。因此在系統(tǒng)發(fā)生故障或其 它原因而使電壓下降時，其輸出的無功功率反而減少，結(jié)果導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓的 繼續(xù)下降。這是并聯(lián)電容器的缺點(diǎn)。并聯(lián)電容器的裝設(shè)既可集中使用，又可分散裝設(shè)就地供給無功功率。 并聯(lián)電 容器投資費(fèi)用少，

15、運(yùn)行時功率損耗也較小，約為額定容量的 0.3 %0.5 %，維 護(hù)也較方便。為了在運(yùn)行中調(diào)節(jié)電容器的功率， 可將電容器連接成若干組，根據(jù) 負(fù)荷的變化，采用真空斷路器分組投入或切除。近年來采用將電容器同可控電抗器并聯(lián)使用的靜止補(bǔ)償器， 可以按負(fù)荷變化 調(diào)節(jié)輸出無功功率的大小和方向， 調(diào)節(jié)性能也好。 國外已廣泛使用， 我國也開始 試用并取得較好的效果。靜止補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn)：（1）能快速調(diào)節(jié)無功功率以適應(yīng)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)囊?；?）調(diào)節(jié)連續(xù)平滑，對系統(tǒng)不致引起大的波動；（3）濾波電路可消除高次諧波對負(fù)荷的干擾；（4）運(yùn)行維護(hù)方便，功率損耗??；（5）對不平衡的負(fù)荷變動有較高的補(bǔ)償能力，可以作到分相補(bǔ)償；（6

16、）對沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性較強(qiáng)。課題三 電壓管理和調(diào)壓措施教學(xué)目標(biāo)知道電壓中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式；知道電壓調(diào)整的基本原理 知識點(diǎn)電壓中樞點(diǎn)，逆調(diào)壓，恒調(diào)壓，順調(diào)壓。技能點(diǎn)電壓調(diào)整的措施。教學(xué)內(nèi)容一、中樞點(diǎn)電壓管理1. 電壓中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式 電力系統(tǒng)中監(jiān)視、控制和調(diào)整電壓的母線，稱為電壓中樞點(diǎn)。只要控制、監(jiān) 視中樞點(diǎn)的電壓在一定的允許范圍之內(nèi)， 就可以使由其供電的各負(fù)荷點(diǎn)的電壓質(zhì) 量都得到保證。通常選擇下列母線作為電壓中樞點(diǎn)：(1) 區(qū)域性水、火電廠的高壓母線；(2) 樞紐變電所二次母線；(3) 有大量地方負(fù)荷的發(fā)電廠母線；(4) 城市直降變電所的二次母線。2 中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式 電壓中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式， 按電

17、力網(wǎng)的性質(zhì)和用電設(shè)備對電壓的要求不同而有 所不同，通常的調(diào)壓方式有：逆調(diào)壓、恒調(diào)壓和順調(diào)壓三種類型。(1) 逆調(diào)壓。如中樞點(diǎn)供電至各負(fù)荷的電力線路較長，各負(fù)荷的變化規(guī)律大 致相同，且各負(fù)荷的變動較大 ( 即最大負(fù)荷與最小負(fù)荷的差值較大 ) ，則在最大負(fù) 荷時要提高中樞點(diǎn)的電壓以抵償電力線路上因最大負(fù)荷而增大的電壓損耗， 在最 小負(fù)荷時要將中樞點(diǎn)電壓降低一些以防止負(fù)荷點(diǎn)的電壓過高。 這種最大負(fù)荷時升 高電壓，最小負(fù)荷時降低電壓的中樞點(diǎn)電壓調(diào)整方式稱“逆調(diào)壓” 。逆調(diào)壓時，要求最大負(fù)荷時將中樞點(diǎn)電壓升高至 105% U N ,最小負(fù)荷時將其下降為Un。Un 為電力線路額定電壓。(2) 順調(diào)壓。如負(fù)

18、荷變動甚小，電力線路電壓損耗也小，或用戶為允許電壓 偏移較大的農(nóng)業(yè)電網(wǎng)，可采用“順調(diào)壓”方式，即在最大負(fù)荷時允許中樞點(diǎn)電壓 低一些，但不得低于電力線路額定電壓的 102.5 %，最小負(fù)荷時允許中樞點(diǎn)電壓 高一些，但不得高于電力線路額定電壓的 107.5 %。(3) 恒調(diào)壓。如負(fù)荷變動較小，電力線路上電壓損耗也較小，則采用介于上述兩種調(diào)壓要求之間的調(diào)壓方式一一恒調(diào)壓 (常調(diào)壓)，即在任何負(fù)荷下，中樞點(diǎn) 電壓保持為大約恒定的數(shù)值，一般比電力線路額定電壓高2%5%。以上所述的都是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時的調(diào)壓要求。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故時，因電壓損耗比正常時大，對電壓質(zhì)量的要求允許降低一點(diǎn)。 通常事故時的電壓偏移

19、允 許較正常時再增大5%。二、電壓調(diào)整的基本原理擁有較充足的無功功率電源是保證電力系統(tǒng)有較好的運(yùn)行電壓水平的必要條件，但是要使所有用戶的電壓質(zhì)量都符合要求，還必須采用各種調(diào)壓手段。現(xiàn)以圖62所示電力系統(tǒng)為例，說明常用的各種調(diào)壓措施所依據(jù)的基本原理。v KXKg" UhG 、v1R -jX圖5-3-1 電力系統(tǒng)為簡便起見，略去電力線路的電容功率，變壓器的勵磁功率和網(wǎng)絡(luò)的功率損 耗。變壓器參數(shù)已歸算到高壓側(cè)。負(fù)荷節(jié)點(diǎn) b的電壓為PR QXUb (UgQU)/K2 (UgQ)/K2(5QU G-3-1)式中，K1和K2分別為升壓和降壓變壓器的變比(高壓比低壓)，R和X為變 壓器和電力線路總

20、電阻和總電抗。由式(5-3-1)可見，為了調(diào)整用戶端電壓Ub可以采用以下措施：(1) 調(diào)節(jié)勵磁電流以改變發(fā)電機(jī)端電壓 UG ；(2) 適當(dāng)選擇變壓器的變比K;(3) 改善網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R和X,改變無功功率Q分布，以減少網(wǎng)絡(luò)的電壓損耗。三、改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓這種調(diào)壓手段是一種不需耗費(fèi)投資， 且是最直接的調(diào)壓方法，應(yīng)首先考慮采 用。發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整是借助于調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵磁電壓，以改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流，就可以改變發(fā)電機(jī)定子端電壓。現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)在端電壓偏離額定 值不超過土 5%范圍內(nèi)，能夠以額定功率運(yùn)行。對于不同類型的供電網(wǎng)絡(luò)，發(fā)電機(jī)調(diào)壓所起的作用是不同的。對由發(fā)電機(jī)不經(jīng)升壓直接供電的小型電力系

21、統(tǒng)， 供電線路不長，線路上電壓 損耗不大，借改變發(fā)電機(jī)端電壓的方法，例如實(shí)行逆調(diào)壓，就可以滿足負(fù)荷點(diǎn)要 求的電壓質(zhì)量。對由發(fā)電機(jī)經(jīng)多級變壓向負(fù)荷供電的大中型電力系統(tǒng)， 線路較長，供電范圍 較大，從發(fā)電廠到最遠(yuǎn)處的負(fù)荷之間的電壓損耗和變化幅度都很大。 這時， 單靠 發(fā)電機(jī)調(diào)壓是不能解決問題的。 發(fā)電機(jī)調(diào)壓主要是為了滿足近處地方負(fù)荷的電壓 質(zhì)量要求， 即發(fā)電機(jī)采用逆調(diào)壓方式。 對于遠(yuǎn)處負(fù)荷的電壓變動， 只能靠其它調(diào) 壓方法來解決。對有若干發(fā)電廠并列運(yùn)行的大型電力系統(tǒng)， 利用發(fā)電機(jī)調(diào)壓， 會出現(xiàn)新的問 題。首先，當(dāng)要提高發(fā)電機(jī)的電壓時，則該發(fā)電機(jī)就要多輸出無功功率，這就要 求進(jìn)行電壓調(diào)整的電廠有相當(dāng)充裕的無功容量儲備。 另外，電力系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)運(yùn)行 的發(fā)電廠中，調(diào)整個別發(fā)電廠的母線電壓，會引起系統(tǒng)中無功功率的重新分配， 這還可能同無功功率的經(jīng)濟(jì)分配發(fā)生矛盾。 所以在大型電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)調(diào)壓一 般只作為一種輔助的調(diào)壓措施。四、改變變壓器變比調(diào)壓 考慮到利用變壓器調(diào)節(jié)電壓的需要， 在雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變 壓器的