第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术 频率调整:1全系统频率相同2调发电机3消耗能源4集中控制5 调进汽量 电压调整:1电压水平各点不同2调发电机、调相机、电容器和静 止补偿器等3不消耗能源4电压控制分散进行5调节手段多种多 样 第一节电力系统电压控制的意义 电压和频率一样,都是电能质量的重要指标 电压降低的不良影响 减少发电机所发有功功率 异步电动机的转差率将增大,电流也将增大,温升将增加。当 转差增大、转速下降时,其输出功率将迅速减少 3.电动机的启动过程将大为增加,启动过程温度过高。 4.电炉等电热设备的发热量降低 5.危及电力系统运行的稳定性 第二节电力系统的无功功率平衡与电压的关系 无功功率平衡,即ΣQG=QD+2Q1
-107- 第四章 电力系统电压调整和无功功率控制技术 频率调整: 1全系统频率相同 2调发电机 3消耗能源 4集中控制 5 调进汽量 电压调整：1 电压水平各点不同 2 调发电机、调相机、电容器和静 止补偿器等 3 不消耗能源 4电压控制分散进行 5 调节手段多种多 样。 第一节 电力系统电压控制的意义 电压和频率一样，都是电能质量的重要指标。 电压降低的不良影响： 1． 减少发电机所发有功功率。 2． 异步电动机的转差率将增大，电流也将增大，温升将增加。当 转差增大、转速下降时，其输出功率将迅速减少。 3． 电动机的启动过程将大为增加，启动过程温度过高。 4． 电炉等电热设备的发热量降低。 5． 危及电力系统运行的稳定性。 第二节 电力系统的无功功率平衡与电压的关系 无功功率平衡，即 QG = QD + QL
电源无功功率 ΣQ=ΣQa+ΣQ+Qc2+Qc3 Qa;发电机供应的无功功率 Qa1:调相机供应的无功功率 Q2:并联电容器供应的无功功率 Qa:静止补偿器供应的无功功率 无功功率损耗 ∑Q=△Q+△Qx-△QB △Qn:变压器中的无功功率损耗 △Q:线路电抗中的无功功率损耗 △QB:线路电纳中的无功功率损耗△。(属容性) 电力系统无功功率平衡与电压水平有着密切的关系 U=0+AU ++ Pp+jQ 如果无功功率平衡 O=0n+ X 且U=U 若负荷无功功率Q。增加 图4-1电力系统接线图 由于U=9DXE则AU随之增加,此时 1.如果增加发电机的励磁,使UG增加,且发电机输出电压增量△L于
-108- 电源无功功率： QG = QGi + QC1 + QC2 + QC3 QGi ：发电机供应的无功功率 QC1 ：调相机供应的无功功率 QC2 ：并联电容器供应的无功功率 QC3 ：静止补偿器供应的无功功率 无功功率损耗： Q = L QT + Q −X QB QT ：变压器中的无功功率损耗 QX ：线路电抗中的无功功率损耗 QB ：线路电纳中的无功功率损耗 QB （属容性）。 电力系统无功功率平衡与电压水平有着密切的关系 UG = U + U 如果无功功率平衡： QG QD QL = + 且 U UN = 若负荷无功功率 QD 增加， 由于 U U Q X N D = 则 U 随之增加，此时 1．如果增加发电机的励磁，使 UG 增加，且发电机输出电压增量 UG 于 U G • • U PD jQD + U G • X d PD + jQD Y D j X • U Eq 图 4-1 电力系统接线图
AU的增量则: U=U 新的状态下达到平衡:QG=QD+Q 2.如果发电机输出电压增量△U大于△U的增量,将会使U升高并且超 过u,此时: UH>U 负荷在高水平电压U下运行,所需要的无功功率也在增加,新的电 压水平下达到新的无功功率平衡:Qa=Qm+Qun 3.如果Uσ不能补偿ΔU的增加,则负荷端电压将下降,低于vx,此 时: U<U 负荷在低水平电压U下运行,所需的系统无功功率将减小,新的电压 水平下达到新的无功功率平衡:Qa=Qm+Q 无功功率补偿要在负荷中心地区设置,以避免无功功率在电网中 的大量传输 P(M) 40 0N 80 Q(MVAR 图44同步发电机的P-Q曲线
-109- U 的增量则： U UN = 新的状态下达到平衡： ' ' ' Q G Q D Q L = + 2．如果发电机输出电压增量 UG 大于 U 的增量，将会使 U 升高并且超 过 UN ，此时： UH U N 负荷在高水平电压 UHL 下运行，所需要的无功功率也在增加，新的电 压水平下达到新的无功功率平衡： QGH QDH QLH = + 3．如果 UG 不能补偿 U 的增加，则负荷端电压将下降，低于 UN ，此 时： UL UN 负荷在低水平电压 U L 下运行，所需的系统无功功率将减小，新的电压 水平下达到新的无功功率平衡： QGL QDL QLL = + 无功功率补偿要在负荷中心地区设置，以避免无功功率在电网中 的大量传输。 S N P(MW ) Q(MVAR) PN QN 80 40 40 cos = 0.85 0.8 0.5 0.4 图 4-4 同步发电机的 P − Q 曲线
电力系统的无功功率电源有: (1)同步发电机 同步发电机目前是电力系统中惟一的有功功率电源,它又是基本 的无功功率电源。 1.同步发电机低于额定功率因数运行时,发电机的输出视在功率受 制于励磁电流不超过额定值的条件,从而将低于额定视在功率s 2.同步发电机高于额定功率因数运行时,励磁电流的大小不再是限 制的条件,而原动机输出功率p成了它的限制条件。 因此,同步发电机只有在额定电压、额定电流、额定功率因数下运行 时,视在功率才能达到额定值,发电机容量才能得到最充分的利用。 3.同步发电机以超前功率因数运行时,定子电流和励磁电流大小都 不再是限制条件,而此时并联运行的稳定性或定子端部铁芯等的发热 成了限制条件。 由图可知,当电力系统中有一定备用有功电源时,可以将离负荷中心 近的发电机低于额定功率因数运行,适当降低有功功率输出而多发 些无功功率,这样有利于提高电力系统电压水平。 (2)同步调相机及同步电动机 同步调相机是特殊运行状态下的同步电动机,可视为不带有功负 荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步电动机 同步调相机当过激运行时,它向电力系统提供感性无功功率
-110- 电力系统的无功功率电源有： （1）同步发电机 同步发电机目前是电力系统中惟一的有功功率电源，它又是基本 的无功功率电源。 1．同步发电机低于额定功率因数运行时，发电机的输出视在功率受 制于励磁电流不超过额定值的条件，从而将低于额定视在功率 S N 。 2．同步发电机高于额定功率因数运行时，励磁电流的大小不再是限 制的条件，而原动机输出功率 PN 成了它的限制条件。 因此，同步发电机只有在额定电压、额定电流、额定功率因数下运行 时，视在功率才能达到额定值，发电机容量才能得到最充分的利用。 3．同步发电机以超前功率因数运行时，定子电流和励磁电流大小都 不再是限制条件，而此时并联运行的稳定性或定子端部铁芯等的发热 成了限制条件。 由图可知，当电力系统中有一定备用有功电源时，可以将离负荷中心 近的发电机低于额定功率因数运行，适当降低有功功率输出而多发一 些无功功率，这样有利于提高电力系统电压水平。 （2）同步调相机及同步电动机 同步调相机是特殊运行状态下的同步电动机，可视为不带有功负 荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步电动机。 1．同步调相机当过激运行时，它向电力系统提供感性无功功率
2.同步调相机欠激运行时,从电力系统中吸收感性无功功率 改变同步调相机的励磁,可以平滑地改变它的无功功率的大小及 方向,从而平滑地调节所在地区的电压。 4.同步调相机的电压调节效应一般为正值,即它所输出的无功功率 随其端电压的下降而增加,这是其优点。 5.过激运行状态下的同步电动机能够向电力系统提供感性无功功率。 因此充分发挥用户所拥有的同步电动机的作用,使其过激运行,对提 高电力系统的电压水平也是有利的 (3)静电电容器 静电电容器从电力系统中吸收容性的无功功率,也就是说可以 向电力系统提供感性的无功功率,因此可视为无功功率电源。 2.可根据实际需要由许多电容器联接组成。因此,容量可大可小 既可集中使用,又可分散使用,并且可以分相补偿,随时投入、 切除部分或全部电容器组,运行灵活。 3.电容器所输出的无功功率Q。与其端电压的平方成正比 Xc 式中Xc一电容器地电抗 一交流电的角频率 C一电容器的电容量
-111- 2．同步调相机欠激运行时，从电力系统中吸收感性无功功率。 3．改变同步调相机的励磁，可以平滑地改变它的无功功率的大小及 方向，从而平滑地调节所在地区的电压。 4．同步调相机的电压调节效应一般为正值，即它所输出的无功功率 随其端电压的下降而增加，这是其优点。 5．过激运行状态下的同步电动机能够向电力系统提供感性无功功率。 因此充分发挥用户所拥有的同步电动机的作用，使其过激运行，对提 高电力系统的电压水平也是有利的。 （3）静电电容器 1． 静电电容器从电力系统中吸收容性的无功功率，也就是说可以 向电力系统提供感性的无功功率，因此可视为无功功率电源。 2． 可根据实际需要由许多电容器联接组成。因此，容量可大可小， 既可集中使用，又可分散使用，并且可以分相补偿，随时投入、 切除部分或全部电容器组，运行灵活。 3． 电容器所输出的无功功率 QC 与其端电压的平方成正比， U C X U Q C C 2 2 = = 式中 X C —电容器地电抗； —交流电的角频率 C—电容器的电容量
电容器安装节点电压下降时,其所提供给电力系统的无功功率也将减 少,而此时正是电力系统需要无功功率电源的时候,这是其不足之处 (4)静止无功功率补偿器(SVC) Q ① L 容性O感性 O感性 (c) 图4-5静止无功补偿器工作原理 静止无功功率补偿器( Static var compensator,简称SVC)是 一种发展很快的无功功率补偿装置。 (a):为SWC的简单原理图,它由电抗值可变的饱和电抗与并联电容 组成 (b):直线①为电容的电压一电流特性,折线②是饱和电抗的电压-电 流特性 (c):合成电压-电流特性 1、在正常额定电压UN情况下I+lc=0 2、当负荷功率突然增加时,电压会突然下降,此时4+lc相位超前 U,电压U的下降受到抑止。静止补偿器可以根据负荷的变化, 112
-112- 电容器安装节点电压下降时，其所提供给电力系统的无功功率也将减 少，而此时正是电力系统需要无功功率电源的时候，这是其不足之处。 （4）静止无功功率补偿器（SVC） 静止无功功率补偿器（Static VAR Compensator，简称 SVC）是 一种发展很快的无功功率补偿装置。 （a）：为 SVC 的简单原理图，它由电抗值可变的饱和电抗与并联电容 组成。 （b）：直线①为电容的电压-电流特性，折线②是饱和电抗的电压-电 流特性 （c）：合成电压-电流特性。 1、 在正常额定电压 UN 情况下 + = 0 • • I L I C 。 2、 当负荷功率突然增加时，电压会突然下降，此时 I L I C • • + 相位超前 • U ，电压 • U 的下降受到抑止。静止补偿器可以根据负荷的变化， Qi • U QLC QD QC L QL C (a) I C I L • U U N • I 容性 o 感性 1 2 (b) • U • I 容性 o 感性I LC • (c) 图 4-5 静止无功补偿器工作原理
自动调整所吸收的电流,使端电压维持不变。 3、假如母线上的无功功率负荷为ρ,SVC所吸收的无功功率由感性 无功功率o与容性无功功率o两部分组成,则由电力系统送来 的无功功率Q为 Q,=9+Q2-Qc 当负荷发生△Q变动时,将引起各无功功率变量的变化 Q1=AQ+AQ-△Qc 如果负荷变化量△On能够由静止补偿器的功率增量所补偿,即 △Q2-(△Q-△Q)=0。那么,由电力系统所供给的无功功率g以及因输送Q 而引起的电压损耗也就不变了,从而可以保持电压U为一恒定值。 4、SVC能快速、平滑的调节无功功率的大小和方向,以满足动态无功 功率补偿要求,尤其是对冲击性负荷适应性较好。与同步调相机比较, 运行维护简单,功率损耗较小,能够作到分相补偿以适应不平衡的负 荷变化。其缺点是最大无功补偿量正比于端电压的平方,在电压很低 时,无功补偿量将大大降低。 (5)高压输电线路的充电功率 高压输电线的充电功率可以由下式求出: 式中B2—输电线路的对地总的电纳 U—输电线路的实际运行电压。 高压输电线路,特别是分裂导线,其充电功率相当可观,是电力 113-
-113- 自动调整所吸收的电流，使端电压维持不变。 3、 假如母线上的无功功率负荷为 QD，SVC 所吸收的无功功率由感性 无功功率 QL 与容性无功功率 QC 两部分组成，则由电力系统送来 的无功功率 Qi 为 Qi QD QL QC = + − 当负荷发生 QD 变动时，将引起各无功功率变量的变化 Qi QD QL QC = + − 如果负荷变化量 QD 能够由静止补偿器的功率增量所补偿，即 Q − (Q − Q ) = 0 D C L 。那么，由电力系统所供给的无功功率 Qi 以及因输送 Qi 而引起的电压损耗也就不变了，从而可以保持电压 U 为一恒定值。 4、SVC 能快速、平滑的调节无功功率的大小和方向，以满足动态无功 功率补偿要求，尤其是对冲击性负荷适应性较好。与同步调相机比较， 运行维护简单，功率损耗较小，能够作到分相补偿以适应不平衡的负 荷变化。其缺点是最大无功补偿量正比于端电压的平方，在电压很低 时，无功补偿量将大大降低。 （5）高压输电线路的充电功率 高压输电线的充电功率可以由下式求出： QL U BL 2 = 式中 BL—输电线路的对地总的电纳； U—输电线路的实际运行电压。 高压输电线路，特别是分裂导线，其充电功率相当可观，是电力
系统所固有的无功功率电源 第三节电力系统电压控制的措施 在电力系统无功功率平衡中,为了保证系统有较高的电压水平, 必须要有充足的无功功率电源。但是要使所有用户处的电压质量都符 合要求,还必须采用各种调压控制手段。图46所示的电力系统可以 说明各种调压控制措施的基本原理 I: K K,:1 UB +Q+++ P+jO 图4-6电力系统电压控制原理图 同步发电机通过升压变压器、输电线路和降压变压器向负荷用户 供电。要求釆取各种不同的调整和控制方式来控制用户端的电压。为 分析简便起见,略去输电线路的充电功率、变压器的励磁功率以及网 络中的功率损耗。变压器的参数已经归算到高压侧,这样用户端的电 压为: UB=(UGKi-AU)K2=U.K -PR+Or (4-10) 式中,k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 和输电线路的总电阻和总电抗 从上式可知,要想控制和调整负荷点的电压,可以采取以下的控 制方式 114-
-114- 系统所固有的无功功率电源。 第三节 电力系统电压控制的措施 在电力系统无功功率平衡中，为了保证系统有较高的电压水平， 必须要有充足的无功功率电源。但是要使所有用户处的电压质量都符 合要求，还必须采用各种调压控制手段。图 4-6 所示的电力系统可以 说明各种调压控制措施的基本原理。 同步发电机通过升压变压器、输电线路和降压变压器向负荷用户 供电。要求采取各种不同的调整和控制方式来控制用户端的电压。为 分析简便起见，略去输电线路的充电功率、变压器的励磁功率以及网 络中的功率损耗。变压器的参数已经归算到高压侧，这样用户端的电 压为： UB = (UG K1− U) K2 K U PR QX U K N G 1 2 + = − （4-10） 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 和输电线路的总电阻和总电抗。 从上式可知，要想控制和调整负荷点的电压，可以采取以下的控 制方式： UG K1 1 : K2 : 1 U B P + jQ R + jX 图 4-6 电力系统电压控制原理图
①控制和调节发电机励磁电流,以改变发电机端电压U ②控制变压器变比κ及k,调压 ③改变输送功率的分布P+(主要是o),以使电压损耗减小; ④改变电力系统网络中的参数R+x(主要是X),以减小输电线 路电压的损耗 、发电机控制调压 控制同步发电机的励磁电流,可以改变发电机的端电压。 1输电线路较长、多电压等级的网络并且有地方负荷的情况下, 仅仅依靠发电机控制调压已不能满足负荷电压质量的要求。 2在由多台发电机供电系统情况下,控制并联发电机母线电压会 引起无功功率的重新分配,在大型电力系统中仅仅作为一种辅助性的 控制措施。 控制变压器变比调压 调整分接抽头的位置可以控制变压器的变比。 1通过控制变压器变比来改变负荷节点电压,实质上是改变了无 功功率的分布。 2变压器本身并不是无功功率电源,因此,从整个电力系统来看, 控制变压器变比调压是以全电力系统无功功率电源充足为基本条件 的,当电力系统无功功率电源不足时,仅仅依靠改变变压器变比是不 能达到控制电压效果的。 115-
-115- ①控制和调节发电机励磁电流，以改变发电机端电压 UG ； ②控制变压器变比 K1 及 K2 调压； ③改变输送功率的分布 P + jQ （主要是 Q ），以使电压损耗减小； ④改变电力系统网络中的参数 R + jX （主要是 X），以减小输电线 路电压的损耗。 一、发电机控制调压 控制同步发电机的励磁电流，可以改变发电机的端电压。 1 输电线路较长、多电压等级的网络并且有地方负荷的情况下， 仅仅依靠发电机控制调压已不能满足负荷电压质量的要求。 2 在由多台发电机供电系统情况下，控制并联发电机母线电压会 引起无功功率的重新分配，在大型电力系统中仅仅作为一种辅助性的 控制措施。 二、 控制变压器变比调压 调整分接抽头的位置可以控制变压器的变比。 1 通过控制变压器变比来改变负荷节点电压，实质上是改变了无 功功率的分布。 2 变压器本身并不是无功功率电源，因此，从整个电力系统来看， 控制变压器变比调压是以全电力系统无功功率电源充足为基本条件 的，当电力系统无功功率电源不足时，仅仅依靠改变变压器变比是不 能达到控制电压效果的
双绕组变压器的高压绕组上设有若干个分接抽头以供选择,其中 对应于额定电压的称为主抽头。容量为6300kA及以下的变压器, 高压侧有三个分接抽头,分别为1050,Ux,095。容量为800kVA 及以上的变压器,高压侧有五个分接抽头,分别105u,10250,u, 0975,095。变压器低压绕组不设分接抽头。 控制变压器的变比调压实际上就 U 是根强调压要求适当选择变压器分接 P+JO 抽头。图4-7所示为一个降压变压器。 Rr+JX 图47降压变压器系统图 若通过的功率为P+Q,高压侧实际 电压为U,归算到高压侧的变压器阻抗为R+x,高压侧的变压器电 压损耗为△U,低压侧要求得到的电压为2,则有 △Ur=(PR+Qx)U1 U2=(U1-△UyK (4-11) 式中,k=/3.是变压器的变比,即高压绕组分接头电压Ln和低压绕 组额定电压U3之比。 将K代入式(4-11),可以得到高压侧分接抽头电压为 U1-△U (4-12) 当变压器通过不同的功率时,高压侧的电压U1、电压损耗△Ux以 及低压侧所要求的电压U2都要发生变化。通过计算可以求出在不同的 负荷情况下,为满足低压侧调压要求所应该选择的高压侧电压分接抽
-116- 双绕组变压器的高压绕组上设有若干个分接抽头以供选择，其中 对应于额定电压 UN 的称为主抽头。容量为 6300kVA 及以下的变压器， 高压侧有三个分接抽头，分别为 1.05U N ，UN ，0.95U N 。容量为 8000kVA 及以上的变压器，高压侧有五个分接抽头，分别 1.05U N ，1.025U N ，UN ， 0.975U N，0.95U N 。变压器低压绕组不设分接抽头。 控制变压器的变比调压实际上就 是根强调压要求适当选择变压器分接 抽头。图 4-7 所示为一个降压变压器。 若通过的功率为 P + jQ ，高压侧实际 电压为 U1 ，归算到高压侧的变压器阻抗为 T T R + jX ，高压侧的变压器电 压损耗为 UT ，低压侧要求得到的电压为 U 2 ，则有 UT PRT QXT U1 = ( + ) U2 = (U1− UT ) K （4-11） 式中， K =U1t U2N 是变压器的变比，即高压绕组分接头电压 U1t 和低压绕 组额定电压 U 2N 之比。 将 K 代入式（4-11），可以得到高压侧分接抽头电压为 U U U U U N T t 2 2 1 1 − = （4-12） 当变压器通过不同的功率时，高压侧的电压 U1 、电压损耗 UT 以 及低压侧所要求的电压 U 2 都要发生变化。通过计算可以求出在不同的 负荷情况下，为满足低压侧调压要求所应该选择的高压侧电压分接抽 U1 K :1 U 2 P + jQ RT jXT + 图 4-7 降压变压器系统图