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1、第五章第五章 电力系统无功功率和电压调整电力系统无功功率和电压调整 电压偏移过大对电压偏移过大对电力系统本身电力系统本身以及以及用电设备用电设备会带来不良会带来不良的影响。的影响。（1 1）效率下降，经济性变差。）效率下降，经济性变差。（2 2）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。（3 3）电压过低，电机发热。）电压过低，电机发热。（4 4）系统电压崩溃）系统电压崩溃不可能使所有节点电压都保持为额定值。不可能使所有节点电压都保持为额定值。（1 1）设备及线路压降）设备及线路压降（2 2）负荷波动）负荷波动（3 3）运行方式改变）运行方式改变（4 4）无
2、功不足）无功不足 电电力力系系统统一一般般规规定定一一个个电电压压偏偏移移的的最最大大允允许许范范围围，例例如如:35kV:35kV及及以以上上供供电电电电压压正正负负偏偏移移的的绝绝对对值值之之和和不不超超过过10%;10kV10%;10kV及以下在及以下在7%7%以内。以内。第一节 电压调整的必要性第二节 电力系统的无功功率平衡 电压是衡量电压是衡量电能质量电能质量的重要指标。的重要指标。电力系统的电力系统的运行电压水平运行电压水平取决于取决于无功功率的平衡无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗和网络损耗在额定电压
3、下在额定电压下对无功功率的需求，否则对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。电压就会偏离额定值。1无功功率负荷无功功率负荷 一、无功功率负荷和无功功率损耗异步电动机异步电动机图图5-2 5-2 异步电动机的简化等值电路异步电动机的简化等值电路 jX电压下降电压下降,转差转差增大增大,定子电流定子电流增大增大.图图5-3 5-3 异步电动机的无功功率与端电压的关系异步电动机的无功功率与端电压的关系 受载系数受载系数:实际负载和额定负载之比实际负载和额定负载之比.在额定电压附近，电动在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的机的无功功率随电压的升降而增减升降而增减2变压器的无功损耗变压器的无功损耗
4、假定一台变压器的空载电流假定一台变压器的空载电流I I0 0%=2.5%=2.5，短路电压，短路电压V VS S%=10.5%=10.5，在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的13%13%。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值是相当可观的。功率损耗的数值是相当可观的。3输电线路的无功损耗输电线路的无功损耗图图5-4 输电线路的输电线路的型等值电路型等值电路 线路的无功总损耗为线路的无功总损耗为一般情况下，一般情况下，35kV35kV及以下系统消耗无功功率；及以
5、下系统消耗无功功率；110kV110kV及以上系统，轻载或空载时，成为无功电源，传输及以上系统，轻载或空载时，成为无功电源，传输功率较大时，消耗无功功率。功率较大时，消耗无功功率。二、无功功率电源电电力力系系统统的的无无功功功功率率电电源源有有发发电电机机、同同步步调调相相机机、静静电电电电容容器器及及静静止止补补偿偿器器，后后三三种种装装置置又又称称为为无无功功补补偿偿装置装置。1.发电机发电机发电机在发电机在额定状态下额定状态下运行时，可发出无功功率：运行时，可发出无功功率：发电机在发电机在非额定功率因数下非额定功率因数下运行可能发出的无功功率运行可能发出的无功功率图图5-5 5-5 发电
6、机的发电机的P-QP-Q极限极限（1 1）当发电机低于额定功率因数运行时当发电机低于额定功率因数运行时，能增加，能增加输出的无功功率，但发电机的视在功率因取决于输出的无功功率，但发电机的视在功率因取决于励磁电流不超过额定值的条件，将低于其额定值。励磁电流不超过额定值的条件，将低于其额定值。（2 2）当发电机高于额定功率因数运行时当发电机高于额定功率因数运行时，励磁电，励磁电流不再是限制条件，原动机的机械功率又成了限流不再是限制条件，原动机的机械功率又成了限制条件。制条件。（3 3）发电机只有在额定电压、额定电流和额定功）发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数（即运行点率因数（即运行点C
7、C）下运行时视在功率才能达到）下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。额定值，使其容量得到最充分的利用。2.2.同步调相机同步调相机同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机相当于空载运行的同步电动机。在在过励磁过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压；起无功电源的作用，能提高系统电压；在在欠励磁欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量的（量的（50%50%65%65%）)，它从系统吸取感性无功功，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。率而起无功负荷作
8、用，可降低系统电压。它能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或它能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取）的无功功率，进行电压调节。因而吸取）的无功功率，进行电压调节。因而调节性调节性能较好能较好。缺点：缺点：同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂；同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂；有功功率损耗有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的较大，在满负荷时约为额定容量的(1.5(1.5 5)%5)%，容量越小，百分值越大；，容量越小，百分值越大；小容量的调相机每小容量的调相机每kVAkVA容量的容量的投资费用投资费用也较大。故也较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于同步调相机宜大容
9、量集中使用，容量小于5MVA5MVA的一的一般不装设。般不装设。同步调相机常安装在枢纽变电所同步调相机常安装在枢纽变电所 。静静电电电电容容器器可可按按三三角角形形和和星星形形接接法法连连接接在在变变电电所所母母线线上上。它它供供给给的的无无功功功功率率Q QC C值值与与所所在在节节点点电电压压的的平平方方成正比，即成正比，即 缺点：缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。电容器的无功功率调节性能比较差。优点：优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行
10、时功率损耗亦较小，维护也较方资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。便。QC=U 2/XC3.静电电容器静电电容器静止补偿器由静止补偿器由静电电容器静电电容器与与电抗器电抗器并联组成并联组成电电容容器器可可发发出出无无功功功功率率，电电抗抗器器可可吸吸收收无无功功功功率率，两两者者结结合合起起来来，再再配配以以适适当当的的调调节节装装置置，就就能能够够平平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。滑地改变输出（或吸收）的无功功率。4.静止补偿器静止补偿器图图5-6 静止无功补偿器的原理图静止无功补偿器的原理图(a)可控饱和电抗器型；(b)自饱和电抗器型；(c)可控硅控制电抗器型；(d)可控硅控
11、制电抗器和可控硅投切电容器组合型17 三、无功功率平衡三、无功功率平衡电力系统无功功率平衡的基本要求电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。Qres0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；备用；Qres0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。功补偿装置。无功不足应采取的措施无功不足应采取的措施电力系统的无功功率平衡应分别按正常运行时的最大
12、和最电力系统的无功功率平衡应分别按正常运行时的最大和最小负荷进行计算。小负荷进行计算。经过无功功率平衡计算发现无功功率经过无功功率平衡计算发现无功功率不足时，可以采取的措施有：不足时，可以采取的措施有：(1)(1)要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的数值。的数值。(2)(2)挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。机改作调相机运行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。(3)(3)根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并根据无功平衡
13、的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量按无功功率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容电器；大容量的、配置的、分散的无功补偿可采用静电容电器；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静止补偿在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或静止补偿器。器。19图图5-10 5-10 等值电路和相量图等值电路和相量图 QGC=QLD+QL 四、无功功率平衡和电压水平的关系 问题：在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？例例:隐极机经过一段线路向负荷供电隐极机经过一段线路向负荷
14、供电 当当P P为一定值时，得为一定值时，得 应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡。应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡。图图5-11 5-11 无功平衡与电压水平无功平衡与电压水平 例例51异步电机无功异步电机无功发电机无功发电机无功第三节 电力系统的电压调整1造成电压偏移的原因造成电压偏移的原因（1 1）设备及线路压降）设备及线路压降（2 2）负荷波动）负荷波动（3 3）运行方式改变）运行方式改变（4 4）无功不足或过剩）无功不足或过剩 一、电力系统电压偏移的原因及影响2 2电压偏移的影响电压偏移的影响（1 1）电压偏移，效率下降，经济性变差。）电压偏移，效率下降，经济性变差。
15、（2 2）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。（3 3）电压过低，电机发热。）电压过低，电机发热。（4 4）系统电压崩溃。）系统电压崩溃。2435kV35kV及以上电压供电负荷及以上电压供电负荷:5%:5%10kV10kV及以下电压供电负荷及以下电压供电负荷:7%:7%低压照明负荷低压照明负荷:+5%:+5%-10%-10%农村电网农村电网:+7.5%:+7.5%-10%-10%3 我国规定的允许电压偏移我国规定的允许电压偏移25二、中枢点的电压管理电压中枢点：电压中枢点：指那些能够反映和控制整个系统电指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）
16、。压水平的节点（母线）。1电压中枢点的选择电压中枢点的选择（1 1）大型发电厂的高压母线；）大型发电厂的高压母线；（2 2）枢纽变电所的二次母线；）枢纽变电所的二次母线；（3 3）有大量地方性负荷的发电厂母线。）有大量地方性负荷的发电厂母线。一般可选择下列母线作为电压中枢点：一般可选择下列母线作为电压中枢点：图图5-16 5-16 电力系统的电压中枢点电力系统的电压中枢点 例：中枢点中枢点中枢点中枢点2中枢点电压和负荷电压的关系中枢点电压和负荷电压的关系 图5-17 负荷电压与中枢点电压 中枢点中枢点i i的电压满足的电压满足V ViminiminVVi i V Vimaximax中枢点中枢点
17、i的的最低电压最低电压Vimin等于在地区等于在地区负荷最大负荷最大时某用户允许的最低电压时某用户允许的最低电压Vmin加上到中枢点的加上到中枢点的电压损耗电压损耗Vmax。中枢点中枢点i的的最高电压最高电压Vimax等于地区等于地区负荷最小负荷最小时时某用户允许的最高电压某用户允许的最高电压Vmax加上到中枢点的电加上到中枢点的电压损耗压损耗Vmin。例：例：中枢点电压允许范围的确定中枢点电压允许范围的确定只满足只满足i i节点负荷时节点负荷时，中枢点电压，中枢点电压V VO O应维持的电压为应维持的电压为 只满足只满足j j节点负荷时节点负荷时，中枢点电压，中枢点电压V VO O应维持的电
18、压为应维持的电压为 同时考虑同时考虑i、j两个负荷对两个负荷对O点的要求，可得出点的要求，可得出O点电点电压的变化范围。压的变化范围。图图5-19 中枢点中枢点O 电压容许变化范围电压容许变化范围中枢点电压调整方式一般分为三类：中枢点电压调整方式一般分为三类：逆调压逆调压、顺调压顺调压和和常调压常调压。(1)逆调压逆调压最最大大负负荷荷时时升升高高电电压压，但但不不超超过过线线路路额额定定电电压压的的105%，即，即1.05VN；最最小小负负荷荷时时降降低低电电压压，但但不不低低于于线线路路的的额额定定电电压，即压，即1.0VN。3 3中枢点电压调整的方式中枢点电压调整的方式最最大大负负荷荷时
19、时降降低低电电压压，但但不不低低于于线线路路额额定定电电压压的的2.5%，即，即1.025VN；最最小小负负荷荷时时升升高高电电压压，但但不不超超过过线线路路额额定定电电压压的的7.5%，即，即1.075VN。(3)常调压常调压电电压压保保持持在在较较线线路路额额定定电电压压高高2%5%的的数数值值，即即(1.021.05)VN，不不随随负负荷荷变变化化来来调调整整中中枢枢点点的的电压。电压。(2)顺调压顺调压三、电力系统的电压调整1电压调整的基本原理电压调整的基本原理 图图5-20 5-20 电压调整原理图电压调整原理图（1）调节发电机励磁电流以）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压改变发
20、电机机端电压VG；（2）改变变压器的变比改变变压器的变比k1、k2；（3）改变功率分布改变功率分布P+jQ（主要是（主要是Q），使电压损耗），使电压损耗V变化；变化；（4）改变网络参数改变网络参数R+jX（主要是（主要是X），改变电压损耗），改变电压损耗V。电压调整的措施：电压调整的措施：一改变发电机端电压调压一改变发电机端电压调压图图5-21 5-21 多级变压供电系统的电压损耗分布多级变压供电系统的电压损耗分布 根据运行情况调节励磁电流来改变机端电压。适合于由根据运行情况调节励磁电流来改变机端电压。适合于由孤立发电厂孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网。在不经升压直接供电的小型电力网。在
21、大型电力大型电力系统系统中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。第四节 利用发电机和变压器调压15%35%改改变变变变压压器器的的变变比比调调压压实实际际上上就就是是根根据据调调压压要要求求适当选择分接头。适当选择分接头。二、变压器分接头的选择1降压变压器分接头的选择降压变压器分接头的选择 图图5-22 5-22 降压变压器降压变压器k=V1t/V2N 根据根据V V1t.av1t.av值可选择一个与它最接近的值可选择一个与它最接近的分接头分接头。然后根据所。然后根据所选取的分接头选取的分接头校验校验最大负荷和最小负荷时低压母线上的实最大负荷和最小负荷时低压母线上的实际电压是否满足要求。际电压是否满足要求。最大运方式最大运方式算数平均值算数平均值最小运行方式最小运行方式例例5-2