電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整

第五章電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整

本章主要介紹電力系統(tǒng)各元件的無功功率--電壓特性，無功功率平衡，以及各種調(diào)壓措施的原理及應(yīng)用。時間是世界上一切成就的土壤。時間給空想者痛苦，給創(chuàng)造者幸?！溄鹞麟妷浩七^大對電力系統(tǒng)本身以及用電設(shè)備會帶來不良的影響。（1）效率下降，經(jīng)濟性變差。（2）電壓過高，照明設(shè)備壽命下降，影響絕緣。（3）電壓過低，電機發(fā)熱。（4）系統(tǒng)電壓崩潰不可能使所有節(jié)點電壓都保持為額定值。（1）設(shè)備及線路壓降（2）負荷波動（3）運行方式改變（4）無功不足

電力系統(tǒng)一般規(guī)定一個電壓偏移的最大允許范圍，例如:35kV及以上供電電壓正負偏移的絕對值之和不超過10%;10kV及以下在±7%以內(nèi)。

第一節(jié)電壓調(diào)整的必要性第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率平衡

電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標。電力系統(tǒng)的運行電壓水平取決于無功功率的平衡。系統(tǒng)中各種無功電源的無功出力應(yīng)能滿足系統(tǒng)負荷和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則電壓就會偏離額定值。

1．無功功率負荷

一、無功功率負荷和無功功率損耗異步電動機圖6-2異步電動機的簡化等值電路

jX電壓下降,轉(zhuǎn)差增大,定子電流增大.１.無功負荷：

以滯后功率因數(shù)運行的用電設(shè)備所吸收的無功功率。異步電動機等值電路異步電動機所消耗的無功功率異步電動機無功功率——電壓靜態(tài)特性如圖一、無功功率負荷和無功功率損耗在額定電壓附近，電動機消耗的無功功率隨著電壓的升高而增加，隨電壓的降低而減少當電壓低于臨界電壓時，漏磁電抗中的無功損耗其主導(dǎo)作用，隨著電壓的下降，QM反而增大異步電動機無功功率——電壓靜態(tài)特性如圖

圖6-3異步電動機的無功功率與端電壓的關(guān)系

受載系數(shù):實際負載和額定負載之比.在額定電壓附近，電動機的無功功率隨電壓的升降而增減2．變壓器的無功損耗假定一臺變壓器的空載電流I0%=2.5，短路電壓VS%=10.5，在額定滿載下運行時，無功功率的消耗將達額定容量的13%。如果從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓，則變壓器中無功功率損耗的數(shù)值是相當可觀的。固定損耗變動損耗jB/2jB/23.電力線路無功損耗

消耗QL（感性）提供QB（充電功率）消耗發(fā)出

線路的無功總損耗為一般情況下，35kV及以下系統(tǒng)中第②可以忽略不計,線路消耗無功功率；110kV及以上系統(tǒng)，輕載或空載時，第①

②都不能忽略,此時第②大于第①,輸電線路成為無功電源，但傳輸功率較大時，第①大于第②,此時線路要消耗無功功率。②①二、無功功率電源

電力系統(tǒng)的無功功率電源包括同步發(fā)電機、同期調(diào)相機、并聯(lián)電容器和靜止補償器（無功補償裝置）等。討論：非額定功率因數(shù)下發(fā)電機可能發(fā)出的無功功率1、同步發(fā)電機發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時，可發(fā)出無功功率：假定隱極發(fā)電機連接在恒壓母線，母線電壓VN，發(fā)電機等值電路向量圖ACOAC長正比于SGN空載電勢正比于ifN改變發(fā)電機的功率因數(shù)時，發(fā)電機要受到下列條件的限制：ACO①可發(fā)視在功率以A為圓心，AC為半徑做弧CF表示視在功率保持額定值的軌跡②轉(zhuǎn)子勵磁電流以O(shè)為圓心，OC為半徑做弧CD③可發(fā)有功功率FDE以直線EC表示額定功率軌跡發(fā)電機的P-Q極限當系統(tǒng)中無功電源不足，而有功備用容量又較充足時，可將負荷中心的發(fā)電機降低功率因數(shù)運行，多發(fā)無功以提高系統(tǒng)的電壓水平。1、原動機功率約束的限制；2、定子三相繞組電流的限制；3、勵磁電流的限制；4、定子端部發(fā)熱的限制；5、發(fā)電機同步穩(wěn)定性的限制；發(fā)電機在非額定功率因數(shù)下運行時可能發(fā)出的功率受到以下因素的限制。（1）當發(fā)電機低于額定功率因數(shù)運行時，能增加輸出的無功功率，但發(fā)電機的視在功率因取決于勵磁電流不超過額定值的條件，將低于其額定值。（2）當發(fā)電機高于額定功率因數(shù)運行時，勵磁電流不再是限制條件，原動機的機械功率又成了限制條件。（3）發(fā)電機只有在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)（即運行點C）下運行時視在功率才能達到額定值，使其容量得到最充分的利用。發(fā)電機在非額定功率因素下運行時結(jié)論：2.同步調(diào)相機同步調(diào)相機相當于空載運行的同步電動機。在過勵磁運行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓；在欠勵磁運行時（欠勵磁最大容量只有過勵磁容量的（50%～65%）)，它從系統(tǒng)吸取感性無功功率而起無功負荷作用，可降低系統(tǒng)電壓。它能根據(jù)裝設(shè)地點電壓的數(shù)值平滑改變輸出（或吸取）的無功功率，進行電壓調(diào)節(jié)。因而調(diào)節(jié)性能較好。

缺點：同步調(diào)相機是旋轉(zhuǎn)機械，運行維護比較復(fù)雜；有功功率損耗較大，在滿負荷時約為額定容量的(1.5~5)%，容量越小，百分值越大；小容量的調(diào)相機每kVA容量的投資費用也較大。故同步調(diào)相機宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不裝設(shè)。同步調(diào)相機常安裝在樞紐變電所。靜電電容器可按三角形和星形接法連接在變電所母線上。它供給的無功功率QC值與所在節(jié)點電壓的平方成正比，即

缺點：電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。優(yōu)點：靜電電容器的裝設(shè)容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安裝。且電容器每單位容量的投資費用較小，運行時功率損耗亦較小，維護也較方便。QC=V2/XC3.靜電電容器靜止補償器由靜電電容器與電抗器并聯(lián)組成電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結(jié)合起來，再配以適當?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就能夠平滑地改變輸出（或吸收）的無功功率。4.靜止補償器自飽和電抗器靜止補償器SR固定連接電容器加可控硅控制電抗器

FC--TCR可控硅控制電抗器和可控硅控制電容器

TSC--TCR高次諧波調(diào)諧電感，與C串聯(lián)濾波1）自飽和電抗器型（SaturatedReactors）不需要外加控制設(shè)備，自飽和電抗器的特性：a.電壓低于額定電壓時，鐵心不飽和，呈現(xiàn)大感抗值，基本上不消耗無功功率，整個裝置由并聯(lián)電容器組發(fā)出無功，使母線電壓回升；b.電壓達到或超過額定電壓時，鐵心急劇飽和，感抗接近零，從外界大量吸收無功功率，使母線電壓降低；c.在額定電壓，電抗器吸收的無功功率隨電壓變化從而達到穩(wěn)壓目的。2）固定連接電容器（FixedCapacitor）加可控硅控制電抗器

（ThyristorControlledReactors）通過控制晶閘管的導(dǎo)通來改變L吸收的無功功率，調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)進線無功功率的大小，以達到調(diào)壓目的。3）可控硅控制電容器（ThyristorSwitchedCapacitor）加可控硅控制電抗器(TCR)可控硅控制電抗器和可控硅控制電容器

TSC--TCRTSC的主要缺點是不能吸收無功，且是階梯性調(diào)節(jié)，若分組較少，在投入時會對系統(tǒng)有較大的干擾。因此在超高壓線路上通常與TCR組合運行。三.無功功率平衡

TCRTSC電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求：系統(tǒng)中的無功電源可以發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于負荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。電源提供的無功功率之和無功負荷之和網(wǎng)絡(luò)無功損耗之和

表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的備用；表示系統(tǒng)中無功功率不足，應(yīng)考慮加設(shè)無功補償裝置。無功備用系統(tǒng)無功電源的總輸出功率包括發(fā)電機發(fā)出的無功功率和各種無功補償設(shè)備的無功功率總無功功率損耗包括變壓器無功損耗、線路電抗無功損耗和線路電納的無功損耗無功不足應(yīng)采取的措施電力系統(tǒng)的無功功率平衡應(yīng)分別按正常運行時的最大和最小負荷進行計算。經(jīng)過無功功率平衡計算發(fā)現(xiàn)無功功率不足時，可以采取的措施有：

(1)要求各類用戶將負荷的功率因數(shù)提高到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的數(shù)值。

(2)挖掘系統(tǒng)的無功潛力。例如將系統(tǒng)中暫時閑置的發(fā)電機改作調(diào)相機運行；動員用戶的同步電動機過勵磁運行等。

(3)根據(jù)無功平衡的需要，增添必要的無功補償容量，并按無功功率就地平衡的原則進行補償容量的分配。小容量的、分散的無功補償可采用靜電容電器；大容量的、配置在系統(tǒng)中樞點的無功補償則宜采用同步調(diào)相機或靜止補償器。圖6-10等值電路和相量圖

QGC=QLD+QL四、無功功率平衡和電壓水平的關(guān)系

問題：在什么樣的電壓水平下實現(xiàn)無功功率平衡？例:隱極機經(jīng)過一段線路向負荷供電

當P為一定值時，得

應(yīng)該力求實現(xiàn)在額定電壓下的系統(tǒng)無功功率平衡。

圖6-11無功平衡與電壓水平

例5－1異步電機無功發(fā)電機無功一、中樞點的電壓管理電壓中樞點：指那些能夠反映和控制整個系統(tǒng)電壓水平的節(jié)點（母線）。

1．電壓中樞點的選擇（1）大型發(fā)電廠的高壓母線；（2）樞紐變電所的二次母線；（3）有大量地方性負荷的發(fā)電廠母線。

一般可選擇下列母線作為電壓中樞點：第三節(jié)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整圖6-16電力系統(tǒng)的電壓中樞點

例：中樞點中樞點2．中樞點電壓和負荷電壓的關(guān)系圖6-17負荷電壓與中樞點電壓

中樞點i的電壓滿足Vimin≤Vi≤Vimax中樞點i的最低電壓Vimin等于在地區(qū)負荷最大時某用戶允許的最低電壓Vmin加上到中樞點的電壓損耗△Vmax。中樞點i的最高電壓Vimax等于地區(qū)負荷最小時某用戶允許的最高電壓Vmax加上到中樞點的電壓損耗△Vmin。簡單電力網(wǎng)電壓損耗例只滿足i節(jié)點負荷時，中樞點電壓VO應(yīng)維持的電壓為

只滿足j節(jié)點負荷時，中樞點電壓VO應(yīng)維持的電壓為

同時考慮i、j兩個負荷對O點的要求，可得出O點電壓的變化范圍。圖5-19中樞點O電壓容許變化范圍(a)中樞點O到i及j變電所的電壓損耗不大時的電壓變化范圍；(b)中樞點O到i及j變電所的電壓損耗相差較大時的電壓變化范圍

3．中樞點電壓調(diào)整的方式

中樞點電壓調(diào)整方式一般分為三類：逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓。

(1)逆調(diào)壓最大負荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓的105%，即1.05VN；最小負荷時降低電壓，但不低于線路的額定電壓，即1.0VN。最大負荷時降低電壓，但不低于線路額定電壓的2.5%，即1.025VN；最小負荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓的7.5%，即1.075VN。(3)常調(diào)壓電壓保持在較線路額定電壓高2%~5%的數(shù)值，即(1.02~1.05)VN，不隨負荷變化來調(diào)整中樞點的電壓。

(2)順調(diào)壓二、電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整1．電壓調(diào)整的基本原理

圖6-20電壓調(diào)整原理圖

（1）調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流以改變發(fā)電機機端電壓VG；（2）改變變壓器的變比k1、k2；（3）改變功率分布P+jQ（主要是Q），使電壓損耗△V

變化；（4）改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R+jX（主要是X），改變電壓損耗

△V。電壓調(diào)整的措施：一．改變發(fā)電機端電壓調(diào)壓圖6-21多級變壓供電系統(tǒng)的電壓損耗分布

根據(jù)運行情況調(diào)節(jié)勵磁電流來改變機端電壓。適合于由孤立發(fā)電廠不經(jīng)升壓直接供電的小型電力網(wǎng)如供電線路不長、線路上電壓消耗不大。優(yōu)點就在于不需要耗費投資、簡單。但在大型電力系統(tǒng)中發(fā)電機調(diào)壓一般只作為一種輔助性的調(diào)壓措施。第四節(jié)利用發(fā)電機和變壓器調(diào)壓15%~35%改變變壓器的變比調(diào)壓實際上就是根據(jù)調(diào)壓要求適當選擇分接頭。二、變壓器分接頭的選擇1．降壓變壓器分接頭的選擇

圖6-22降壓變壓器k=V1t/V2N

根據(jù)V1t.av值可選擇一個與它最接近的分接頭。然后根據(jù)所選取的分接頭校驗最大負荷和最小負荷時低壓母線上的實際電壓是否滿足要求。最大負荷時要求的分接頭電壓算術(shù)平均值最小負荷時要求的分接頭電壓例5-2k=V1t/V2N

圖5-24升壓變壓器

2．升壓變壓器分接頭的選擇選擇升壓變壓器分接頭的方法與選擇降壓變壓器的基本相同。

例5－3例5－4有載調(diào)壓變壓器可以在帶負荷的條件下切換分接頭而且調(diào)節(jié)范圍也比較大，一般在15%以上。目前我國暫定，110kV級的調(diào)壓變壓器有7個分接頭，即VN±3×2.5%；220kV級的有9個分接頭即VN±4×2.0%。采用有載調(diào)壓變壓器時，可以根據(jù)最大負荷算得的V1tmax值和最小負荷算得的V1tmin

分別選擇各自合適的分接頭。這樣就能縮小次級電壓的變化幅度，甚至改變電壓變化的趨勢。

三、有載調(diào)壓變壓器例5－5

四、加壓調(diào)壓變壓器圖5－28加壓調(diào)壓變壓器

1－主變壓器；2－加壓調(diào)壓變壓器；3－電源變壓器；4－串聯(lián)變壓器串聯(lián)變壓器4的次級繞組串聯(lián)在主變壓器1的引出線上，作為加壓繞組。這相當于在線路上串聯(lián)了一個附加電勢。改變附加電勢的大小和相位就可以改變線路上電壓的大小和相位。通常把附加電勢的相位與線路電壓的相位相同的變壓器稱為縱向調(diào)壓變壓器，把附加電勢與線路電壓有90°相位差的變壓器稱為橫向調(diào)壓變壓器，把附加電勢與線路電壓之間有不等于90°相位差的調(diào)壓變壓器稱為混合型調(diào)壓變壓器。

1.縱向調(diào)壓變壓器2.橫向調(diào)壓變壓器3.混合型調(diào)壓變壓器

加壓調(diào)壓變壓器對于輻射形網(wǎng)絡(luò)，可以作為調(diào)壓設(shè)備。對于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)除起調(diào)壓作用外，還可以改變網(wǎng)絡(luò)中的功率分布。圖5-32環(huán)網(wǎng)中的加壓調(diào)壓變壓器注意：只有當系統(tǒng)無功功率電源容量充足時，用改變變壓器變比調(diào)壓才能奏效。圖5-33簡單的電力系統(tǒng)圖

因此，當系統(tǒng)無功功率不足時，首先應(yīng)裝設(shè)無功功率補償設(shè)備。第五節(jié)無功功率補償調(diào)壓

供電點電壓V1和負荷功率Ｐ+jQ已給定，線路電容和變壓器的勵磁功率略去不計。且不計電壓降落的橫分量。

圖6-34簡單電力網(wǎng)的無功功率補償一、利用并聯(lián)補償調(diào)壓補償前補償后如果補償前后V1保持不變，則有

歸算到高壓側(cè)的變電所低壓側(cè)電壓新的歸算到高壓側(cè)的變電所低壓側(cè)電壓由上式可解得

忽略第二項由此可見:補償容量與調(diào)壓要求和降壓變壓器的變比選擇均有關(guān)。變比k的選擇原則：在滿足調(diào)壓的要求下，使無功補償容量為最小。無功補償設(shè)備的性能不同，選擇變比的條件也不相同。

1.補償設(shè)備為靜電電容器

（只發(fā)感性無功，不吸收感性無功）

為了充分利用補償容量，在最大負荷時電容器應(yīng)全部投入，在最小荷時全部退出。首先，根據(jù)調(diào)壓要求，按最小負荷時沒有補償?shù)那闆r確定變壓器的分接頭。

于是(據(jù)此選擇分接頭V1t)（確定變比）其次，按最大負荷時的調(diào)壓要求計算補償容量然后，根據(jù)算得的補償容量，從產(chǎn)品目錄中選擇合適的設(shè)備。最后，根據(jù)確定的變比和選定的靜電電容器容量，校驗實際的電壓變化。首先確定變比k2.

補償設(shè)備為同步調(diào)相機（既能發(fā)出感性無功，又能吸收感性無功）

最大負荷時，同步調(diào)相機容量為：

最小負荷時調(diào)相機容量應(yīng)為：兩式相除，得：

由此可解出：

確定實際變比

據(jù)此確定分接頭電壓V1t在高壓電力網(wǎng)中，電抗遠大于電阻，中無功功率引起的QX/V分量就占很大的比重。在這種情況下，減少輸送無功功率可以產(chǎn)生比較顯著的調(diào)壓效果。反之，對截面不大的架空線路和所有電纜線路，用這種方法調(diào)壓就不合適。特別注意例5-6二、線路串聯(lián)電容補償改善電壓質(zhì)量

未加串聯(lián)電容前電壓損耗串聯(lián)了容抗XC后電壓損耗

根據(jù)線路末端電壓需要提高的數(shù)值（ΔV-ΔVc），

就可求得需要補償?shù)碾娙萜鞯娜菘怪礨C。

末端電壓提高數(shù)值

如果每臺電容器的額定電流為INC，額定電壓為VNC，額定容量為QNC=VNCINC，則可根據(jù)通過的最大負荷電流Icmax和所需的容抗值XC分別計算電容器串、并聯(lián)的臺數(shù)n，m以及三相電容器的總?cè)萘縌C。

圖6-37串聯(lián)電容器組

確定線路上串聯(lián)接入的電容器的個數(shù)：三相總共需要的電容器臺數(shù)為3mn。安裝時，全部電容器串、并聯(lián)后裝在絕緣平臺上。

nVNC≥