孫瑩編第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)

1第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)電力系統(tǒng)電壓控制的意義；無功功率的產(chǎn)生、消耗與平衡2本講主要內(nèi)容31、有功和無功的不同特點(diǎn)產(chǎn)生：有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)；有功功率電源需要消耗能源;無功功率電源工作時(shí)基本不消耗能源；運(yùn)行：由于電網(wǎng)中的線路以及變壓器等設(shè)備均以感性元件為主，因此系統(tǒng)中無功功率損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功功率損耗。無功功率電源除發(fā)電機(jī)外，還有調(diào)相機(jī)、電容器和靜止補(bǔ)償器等，它們分散安裝在各個(gè)變電所。4電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，全系統(tǒng)頻率相同。頻率調(diào)整集中在發(fā)電廠，調(diào)頻控制手段只有調(diào)整原動(dòng)機(jī)功率一種。調(diào)整：電壓水平在全系統(tǒng)各點(diǎn)不同，并且電壓控制可分散進(jìn)行，調(diào)節(jié)控制電壓手段也多種多樣。52、電壓控制的意義

電力系統(tǒng)的電壓和頻率一樣，都是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。用電設(shè)備只有在額定電壓下運(yùn)行才能取得最佳的工作效率。當(dāng)電壓偏離額定值較大時(shí)，會(huì)對負(fù)荷的運(yùn)行帶來不良影響。影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞設(shè)備，甚至引起電力系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電。6

電力系統(tǒng)電壓降低時(shí)，為了維持恒定功率，發(fā)電機(jī)的定子電流增大。A、對發(fā)電機(jī)和變壓器的影響為了使發(fā)電機(jī)定子繞組不致過熱，不得不減少發(fā)電機(jī)所發(fā)有功功率。類似的，電力系統(tǒng)電壓降低后，也不得不減少變壓器所帶的有功負(fù)荷。7電壓降低，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率將增大。因而，電動(dòng)機(jī)各繞組中的電流也將增大，溫升將增加，效率將降低，壽命會(huì)縮短。轉(zhuǎn)差增大轉(zhuǎn)速下降輸出功率減少影響鍋爐、汽輪機(jī)的工作最終影響發(fā)電廠所發(fā)出的功率。B、對電動(dòng)機(jī)的影響電壓降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程增加，可能在啟動(dòng)過程中因溫度過高而燒毀。電壓偏高將加速設(shè)備絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)壽命。8

電爐等電熱設(shè)備的發(fā)熱量與電壓平方成正比，電壓降低將大大降低發(fā)熱量，使效率降低。

電壓降低時(shí)，會(huì)使電網(wǎng)中的有功功率損耗和無功損耗增加，過低還會(huì)危及電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；C、對電熱設(shè)備的影響

照明負(fù)荷，對電壓變化反應(yīng)靈敏。電壓過高，白熾燈的壽命將大為縮短；電壓過低，亮度和發(fā)光效率要大幅度下降。

而電壓過高，各種電氣設(shè)備的絕緣會(huì)受到損壞，在超高壓輸電線路中還將增加電暈損耗。D、損耗和絕緣9在事故后運(yùn)行狀態(tài)下，由于電力系統(tǒng)部分設(shè)備退出運(yùn)行，電壓損耗比正常時(shí)大?？紤]故障時(shí)間較短，電壓偏移允許比正常值再多5％，但電壓的正偏移不應(yīng)超過10％。

我國規(guī)定在正常運(yùn)行情況下各類用戶允許電壓偏移為：10kV及以下電壓供電的負(fù)荷35kV及以上電壓供電的負(fù)荷低壓照明負(fù)荷農(nóng)村電網(wǎng)（正常）（事故）103、無功的產(chǎn)生

同步發(fā)電機(jī)目前是電力系統(tǒng)中惟一的有功功率電源，它又是基本的無功功率電源。（1）同步發(fā)電機(jī)

它所提供給電力系統(tǒng)的無功功率與同時(shí)輸出的有功功率有一定的關(guān)系，由同步發(fā)電機(jī)的P-Q曲線決定。11圖4-4同步發(fā)發(fā)電機(jī)機(jī)的P-Q曲線12發(fā)電機(jī)機(jī)以超前功功率因因數(shù)運(yùn)行時(shí)時(shí)，定定子電電流和和勵(lì)磁磁電流流大小小都不不再是是限制制條件件，而而此時(shí)時(shí)并聯(lián)聯(lián)運(yùn)行行的穩(wěn)定性性或定定子端端部鐵鐵芯發(fā)發(fā)熱成了限限制條條件。。當(dāng)電力力系統(tǒng)統(tǒng)中有一定定備用用有功功電源時(shí)時(shí)，可可以將將離負(fù)荷荷中心心近的發(fā)電電機(jī)低低于額額定功功率因因數(shù)運(yùn)運(yùn)行，，適當(dāng)當(dāng)降低有有功功率輸輸出而而多發(fā)一一些無無功功率，，這樣樣有利利于提高電電力系系統(tǒng)電電壓水水平。13（2）并聯(lián)聯(lián)電容容器提供無無功功功率和和電壓壓支持持最廉價(jià)價(jià)的方法法設(shè)在負(fù)荷區(qū)區(qū)附近近，通過過提高高受端端負(fù)荷荷功率率因數(shù)數(shù)可以以有效效地?cái)U(kuò)擴(kuò)大其其電壓壓穩(wěn)定定極限限（4-6）

式中—電容器的容抗；—交流電的角頻率;C—電容器的電容量。基本工工作原原理優(yōu)點(diǎn)：：人工投投入，，自動(dòng)動(dòng)切除除14容量可可大可可小，，既可可集中中使用用，又又可分分散使使用，，并且且可以分分相補(bǔ)補(bǔ)償，隨時(shí)時(shí)投入入、切切除部部分或或全部部電容容器組組，運(yùn)行靈靈活。電容器器的有功損損耗小?。s占占額定定容量量的0.3％一0.5％），，投資資也節(jié)節(jié)省。。允許附附近的的發(fā)電電機(jī)在在功率率因數(shù)數(shù)為1.0附近運(yùn)運(yùn)行，，增加加了系系統(tǒng)快速響響應(yīng)的的無功功儲(chǔ)備備，對電電壓穩(wěn)穩(wěn)定有有利。。15其產(chǎn)生生的無無功功功率正比于于電壓壓的平平方，在系系統(tǒng)低低電壓壓期間間無功功輸出出反而而下降降，這這是一一個(gè)惡惡性循循環(huán)問問題。。缺點(diǎn)：：一個(gè)大量應(yīng)應(yīng)用并聯(lián)電電容器器補(bǔ)償償無功功的系系統(tǒng)，，電壓壓調(diào)節(jié)節(jié)能力力反而而變差；16靜止無無功功功率補(bǔ)補(bǔ)償器器（StaticVARCompensator，簡稱稱SVC）是一一種發(fā)發(fā)展很很快的的無功功功率率補(bǔ)償償裝置置，其其工作作原理理下圖圖所示示。（3）靜止止無功功功率率補(bǔ)償償器（（SVC）圖4-5靜止無功補(bǔ)償器工作原理17靜止無無功補(bǔ)補(bǔ)償器器不僅僅用于于傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，而且且廣泛泛用于于配電系系統(tǒng)中。如在大大型電電動(dòng)機(jī)機(jī)的啟啟動(dòng)中中應(yīng)用用SVC可以降降低電電壓跌跌落值值；SVC亦可應(yīng)應(yīng)用于于單相相負(fù)荷荷入電焊機(jī)機(jī)和電電氣化化鐵路路供電系系統(tǒng)中中。18SVC能快速、、平滑滑的調(diào)調(diào)節(jié)無無功功功率的的大小小和方方向，以滿滿足動(dòng)動(dòng)態(tài)無無功功功率補(bǔ)補(bǔ)償要要求，，尤其其是對沖擊擊性負(fù)負(fù)荷適適應(yīng)性性較好好。與同步步調(diào)相相機(jī)比比較，，運(yùn)行行維護(hù)簡簡單，功率率損耗較較小，能夠夠作到到分相補(bǔ)補(bǔ)償以適應(yīng)應(yīng)不平平衡的的負(fù)荷荷變化化。其其缺點(diǎn)點(diǎn)是最大無無功補(bǔ)補(bǔ)償量量正比比于端端電壓壓的平平方，在電電壓很很低時(shí)時(shí)，無無功補(bǔ)補(bǔ)償量量將大大大降降低。。19同步調(diào)相機(jī)機(jī)是特殊運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)下下的同步電電動(dòng)機(jī)，可視為不帶帶有功負(fù)荷荷的同步發(fā)發(fā)電機(jī)或是是不帶機(jī)械械負(fù)荷的同同步電動(dòng)機(jī)機(jī)。（4）同步調(diào)相相機(jī)及同步步電動(dòng)機(jī)當(dāng)過激運(yùn)行時(shí)，它它向電力系系統(tǒng)提供感性無功功功率；欠激運(yùn)行時(shí)，從從電力系統(tǒng)統(tǒng)中吸收感性無功功功率。因此，改變變同步調(diào)相相機(jī)的勵(lì)磁，可以平滑滑地改變它它的無功功功率的大小小及方向，，從而平滑滑地調(diào)節(jié)所所在地區(qū)的的電壓。20運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生生有功損耗，滿負(fù)荷時(shí)時(shí)，有功損損耗為額定定容量1.5％～5％，容量越小，，有功損耗耗所占的比比重越大。。但在欠激狀狀態(tài)下運(yùn)行行時(shí)，其輸輸出功率為為過激運(yùn)行行時(shí)輸出功功率的50％～60％。21高壓輸電線線路，特別別是分裂導(dǎo)導(dǎo)線，其充充電功率相相當(dāng)可觀，，是電力系系統(tǒng)所固有有的無功功功率電源。。（5）高壓輸電電線路高壓輸電線線即產(chǎn)生無無功，又消消耗無功產(chǎn)生無功：：消耗無功：：變化不大隨潮流而變變傳輸線無功功發(fā)出量等等于消耗量量時(shí)所傳輸輸?shù)呢?fù)荷叫叫波阻抗負(fù)荷荷。各點(diǎn)電壓電電流都一樣樣，同相位位。224、無功的消消耗（1）異步電動(dòng)動(dòng)機(jī)負(fù)荷中大部分是電電動(dòng)機(jī)；象居民區(qū)區(qū)中的空調(diào)調(diào)、冰箱；；工業(yè)中的的各種泵、、鼓風(fēng)機(jī)、、風(fēng)扇等。。電動(dòng)機(jī)選擇擇通常是容容量過大，，約有一半半的大馬力力電動(dòng)機(jī)運(yùn)運(yùn)行在額定定功率的60%以下。電動(dòng)機(jī)吸收收的穩(wěn)態(tài)有功值基本本上與電壓壓無關(guān)；但無功值對電電壓水平較較靈敏。當(dāng)電壓開始始降低時(shí)，，無功會(huì)瞬瞬時(shí)減少；；但電壓進(jìn)進(jìn)一步降低低時(shí)，無功功反而增加加。23（2）空調(diào)和熱熱泵空調(diào)屬于電電動(dòng)機(jī)一類類，但很多多空調(diào)器不不用接觸器器，所以發(fā)發(fā)生故障和和電壓下降降時(shí)不會(huì)從從系統(tǒng)斷開開；電壓不穩(wěn)現(xiàn)現(xiàn)象極易發(fā)發(fā)生在氣溫溫較高或較較低及負(fù)荷較重的的情況下；測試表明，，當(dāng)故障清清除時(shí)間在在5周波及以上上時(shí)，空調(diào)在在電壓降至至60%時(shí)減速直至失失速；當(dāng)故障清除除更為緩慢慢時(shí)，空調(diào)調(diào)在較高電電壓便可失失速；24（3）放電照明明設(shè)備照明可能占占到商用負(fù)負(fù)荷的20%；照明基本上上是靜態(tài)的的，但在低低電壓期間間會(huì)熄滅；；直至電壓壓恢復(fù)，在在一個(gè)短時(shí)時(shí)延遲后重重新點(diǎn)燃；；一般有功部部分為恒流，無功部分分為電壓四次方方；無功特性性有助于電電壓穩(wěn)定性性新的電子鎮(zhèn)鎮(zhèn)流器、高高效率燈和和光控設(shè)備備接近于恒定視在功功率負(fù)荷；白熾燈通常常被看作具具有恒定阻抗特性；255、無功功率率的傳輸無功功率傳傳輸主要取取決于電壓壓幅值，總是從高電電壓節(jié)點(diǎn)流流向低電壓壓節(jié)點(diǎn)26例：當(dāng)Us=1.05p.u.，Ur=0.95p.u.，X=0.5p.u.，兩端角度度差為45度，求兩側(cè)側(cè)無功功率率。如果受端不不吸收也不不反送無功功功率，則則有不能在大的的角度差下下傳輸無功功27無功功率傳傳輸困難在在于：（1）無功功率率不能在傳傳輸線兩端端間有大的的角度下傳輸；（2）大量傳輸輸無功會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致大的功率損耗和和電壓損耗耗；（3）防范“甩負(fù)荷”引起的瞬時(shí)過電壓壓不能大幅度度傳輸無功功286、無功的平平衡電源所發(fā)出出的無功功功率必須滿滿足負(fù)荷與與損耗的需需要電源供應(yīng)的的無功功率率，包括發(fā)電機(jī)、無無功補(bǔ)償設(shè)備備供供應(yīng)應(yīng)無無功功功功率率，，后后者者又又可可分分為為調(diào)相相機(jī)機(jī)、、并并聯(lián)聯(lián)電電容容器器和靜止止補(bǔ)補(bǔ)償償器器。（4-1）無功功損損耗耗包包括括三三部部分分：：變壓壓器器、、線線路路電電抗抗、、線線路路電電納納無功功損損耗耗。。（4-2）29電力力系系統(tǒng)統(tǒng)無無功功平平衡衡與與電電壓壓水水平平的的關(guān)關(guān)系系圖4-1電力系統(tǒng)接線圖30當(dāng)電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)無功功功功率率電電源源充充足足，電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)可可在在較高高電電壓壓水水平平上保保持持平平衡衡；；無功功功功率率輸輸送送引引起起有功功損損耗耗及電壓壓損損耗耗，不不能能遠(yuǎn)遠(yuǎn)距距離離輸輸送送，，無無功功功功率率補(bǔ)補(bǔ)償償要要在在負(fù)負(fù)荷荷中中心心地地區(qū)區(qū)設(shè)設(shè)置置。。系統(tǒng)統(tǒng)層層面面無無功功功功率率平平衡衡外外，，地區(qū)區(qū)也也要要基基本本上上達(dá)達(dá)到到無無功功功功率率的的平平衡衡，避避免免無無功功電電網(wǎng)網(wǎng)中中大大量量傳傳輸輸。。電力力系系統(tǒng)統(tǒng)電電壓壓控控制制原原理理經(jīng)濟(jì)濟(jì)性性無功功潮潮流流引引起起的的有功功損損耗耗應(yīng)最最小??；；安全全穩(wěn)穩(wěn)定定性性電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)內(nèi)各各點(diǎn)點(diǎn)電電壓壓都都應(yīng)應(yīng)在在允許許范范圍圍內(nèi)；；電網(wǎng)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)具具有有足足夠夠的的無功功功功率率余余量量；；一、、電電壓壓控控制制總總原原則則基于于分層層和分區(qū)區(qū)基本本平平衡衡的的原原則則進(jìn)進(jìn)行行控控制制無功功無無法法遠(yuǎn)遠(yuǎn)距距離離大大規(guī)規(guī)模模傳傳輸輸二、、電力力系系統(tǒng)統(tǒng)電電壓壓控控制制的的措措施施圖4-6電力系統(tǒng)電壓控制原理圖控制制負(fù)負(fù)荷荷點(diǎn)點(diǎn)電電壓壓可可采采取取以以下下控控制制方方式式控制制發(fā)電電機(jī)機(jī)勵(lì)勵(lì)磁磁電流流；控制制變壓壓器器變變比比；改變變輸輸送送功率率分分布布P+jQ（主主要要是是Q）改變變網(wǎng)絡(luò)絡(luò)參參數(shù)數(shù)R+jX（主主要要是是X）原理理：：控制制發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)勵(lì)磁磁電電流流，可可以以改改變變發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)的的端電電壓壓；限制制因因素素：：發(fā)熱熱；；絕緣緣；；發(fā)電電機(jī)機(jī)在在端端電電壓壓偏偏離離額額定定值值不不超超過過±5％范圍圍運(yùn)運(yùn)行行；；對于于由由發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)直接接供供電電的的小小系系統(tǒng)統(tǒng)，供供電電線線路路不不長長，，可可采采用用發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)直直接接控控制制電電壓壓方方式式。。1、發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)調(diào)調(diào)壓壓特點(diǎn)點(diǎn)：：不需需要要增增加加額額外外設(shè)設(shè)備備，，是是最經(jīng)經(jīng)濟(jì)濟(jì)的控控制制電電壓壓措措施施，，可可以以優(yōu)優(yōu)先先考考慮慮。。輸電電線路路較較長長、、多多電電壓壓等等級級的網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，，并并且且有有地地方方負(fù)負(fù)荷荷的的情情況況下下，，僅僅僅僅依依靠靠發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)控控制制調(diào)調(diào)壓壓不不能能滿滿足足要要求求。。在由由多多臺臺發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)供供電電系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，改改變變并并聯(lián)聯(lián)發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)母母線線電電壓壓會(huì)會(huì)引引起起無功功功功率率重重新新分分配配；在大型型電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)中中僅僅僅僅作作為為一一種種輔輔助助性性的的控控制制措措施施。為什什么么分分接接頭頭設(shè)設(shè)在在高高壓壓側(cè)側(cè)？？2、控控制制變變壓壓器器變變比比調(diào)調(diào)壓壓容量為6300kVA及以下的變壓器器，高壓壓側(cè)有三三個(gè)分接接抽頭，，分別為為1.05、1、0.95倍的額定定電壓。。容量為8000kVA及以上的變壓器器，高壓壓側(cè)有五五個(gè)分接接抽頭，，分別為為1.05、1.025、1.0、0.975、0.95倍的額定定電壓。。示例：變壓器調(diào)調(diào)壓特點(diǎn)點(diǎn)：以全系統(tǒng)統(tǒng)無功功率率電源充充足為基本條條件；本質(zhì)上是是改變無功功功率分分布；當(dāng)無功電電源不足足時(shí)，僅僅依靠改改變變壓壓器變比比不能達(dá)達(dá)到理想想調(diào)壓效效果。圖4-7降壓變壓器系統(tǒng)圖原則：在不同的負(fù)負(fù)荷情況況下，滿足調(diào)調(diào)壓要求求；目標(biāo)：確定高高壓側(cè)分分接抽頭頭。變壓器分分接抽頭頭的選擇擇不同負(fù)荷荷時(shí)電壓壓發(fā)生變變化，但但分接抽抽頭固定定。根據(jù)U1tav選擇一個(gè)個(gè)與它最最接近的的分接抽抽頭，再再校驗(yàn)最大負(fù)荷荷和最小小負(fù)荷時(shí)時(shí)低壓母母線實(shí)際際電壓是是否符合合要求。。然后取它們的平均值，即例降壓變壓壓器參數(shù)數(shù)、負(fù)荷荷、分接接抽頭已已標(biāo)明；；高壓側(cè)側(cè)最大負(fù)負(fù)荷時(shí)電電壓為110kV，最小負(fù)負(fù)荷時(shí)電電壓為113kV，相應(yīng)負(fù)負(fù)荷低壓壓母線允允許電壓壓上下限限為6～6.6kV，試選擇擇變壓器器分接抽抽頭。解：首先計(jì)算算最大、、最小負(fù)負(fù)荷時(shí)變變壓器電電壓損耗耗：假定變壓壓器在最最大負(fù)荷荷和最小小負(fù)荷運(yùn)運(yùn)行時(shí)低低壓側(cè)的的電壓分分別為和，則取算術(shù)平平均值，，有選擇最接接近的分分接抽頭頭然后按所所選分接接抽頭校校驗(yàn)是否否滿足低低壓負(fù)荷荷母線的的實(shí)際電電壓。所選抽頭頭符合調(diào)調(diào)壓要求求，即為為107.25kV抽頭。三繞組變變壓器分接抽頭頭的選擇擇:再按中壓側(cè)電電壓要求選擇擇中壓側(cè)側(cè)分接抽抽頭。先按高壓壓、低壓壓側(cè)電壓要求求確定高高壓側(cè)分分接抽頭頭；3、利用用并聯(lián)無無功補(bǔ)償償設(shè)備調(diào)調(diào)壓原理：改改變電力力網(wǎng)絡(luò)的的無功功功率分布布，減少電電壓損耗耗，從而而改善用用戶電壓壓質(zhì)量。。4、利用串串聯(lián)電容容器控制制電壓改變感抗抗改變電壓損耗耗改變末末端電壓圖4-11串聯(lián)電容容器控制制調(diào)壓圖4-12電容器的串并聯(lián)——為串聯(lián)電電容補(bǔ)償償引起的的末端電電壓變化化量。（4-34）調(diào)壓效果果隨無功功負(fù)荷Q變化而改改變。串聯(lián)電容容器調(diào)壓壓特點(diǎn)：：無功負(fù)荷荷大時(shí)，，末端電電壓下降降嚴(yán)重，，其作用用也大；；無功負(fù)荷荷小時(shí)，，末端電電壓下降降輕微，，其作用用也小。。串聯(lián)電容容器調(diào)壓壓方式與與調(diào)壓要要求恰好好一致