1、,第三节,电力系统电压与无功功率,本节主要介绍电力系统各元件的无功功率-电压特性，无功功率平衡，以及各种调压措施的原理及应用。,电力系统的电压与无功功率,一、电压调整的必要性二、电力系统的电压特性三、电力系统的无功功率四、电力系统的电压管理,五、改变变压器分接头的调压方法六、改变无功功率分布调压七、改变网络参数调压,一、 电压调整的必要性,电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备会带来不良的影响。,（1）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。（2）电压过低，转矩下降，电机发热。（3）系统电压崩溃,不可能使所有节点电压都保持为额定值。（1）设备及线路压降（2）负荷波动,（3）运行方式改变（4）无功
2、不足,沿线路各点电压的变化,我国规定的电压偏移范围35kV及以上电压供电的负荷： 5%10kV及以下电压供电的负荷： 7%低压照明负荷： +5%-10%农村电网,正常运行情况：事故运行情况：,+7.5%-10%+10%-15%,电压调整的基点-无功功率,电压损耗近似等于电压降落的纵分量 U；U可以分解成电阻电压损耗分量PR/U和电抗,电压损耗分量QX/U,减小无功功率的输送可降低电压损耗。,二、 电力系统的电压特性,负荷无功功率电压静态特性,定义：各种用电设备所消耗的无功功率随电压变化的关系。,负荷的电压特性主要取决于异步电动机的电压静态特性,Q M m+Q = +I X,=Q,异步电动机,U
3、2 2Xm,电压下降,转差增大,定子电流增大.,图5-22,异步电动机的简化等值电路,图5-24,异步电动机的无功功率与端电压的关系,受载系数:实际负载和额定负载之比.在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减。当电压明显低于额定值时，无功功率主要由漏抗中的无功损耗决定，随电压下降反而具有上升的性质。,发电机的无功功率电压静态特性,定义：发电机输出的无功功率与电压变化关系的曲线。,对于一个简单电力系统，原理图与等值电路图如下图所示,.U,G,l,jXL,jXd,.U,.E,.I,P+jQ,（a) 原理图,jX(b) 等值电路,P+jQ图 525 简单电力系统,电流为I，U和I间的相角为
4、，则发电机电势和系统电压间的关系将为E =U + jIX,向量图如下:,.E,.jIX,.U,.I(c) 相量图,G sin Q UI = ,cos sin E U IX = ,发电机经输电线向系统传送的有功功率PG,和无功功率QG为,P G =UI cos,发电机电势和系统电压间的夹角为时,Esin = IX cos ,sin,EU ,2 ,EU U ,X ,于是可得,XX,P G =QG =,icos ,当有功功率不变时，发电机送至负荷点的无功功率为2X X,若励磁电流不变，则发电机电势E为常数，无功功率就是电压U的二次函数，其特性曲线如下,(三) )无功功率平衡对电力系统电压的影响,电力
5、系统的电压运行水平取决于发电机的,无功出力QG和综合负荷无功功率QLD （含网,络无功功率损耗）的平衡，如下图所示,结 论,造成电力系统运行电压下降的主要原因是系统的电源无功功率不足；,为提高电力系统的运行质量，减小电压的偏移，必须使电力系统的无功功率在额定电压或其允许电压偏移范围内保持平衡。,三、电力系统的无功功率,（一）无功负荷和无功损耗功率,（二）无功电源,（三）无功功率的平衡方程,(一)无功负荷和无功损耗功率,有功功率确定后，负荷的无功功率由功率因素决定,我国关于负荷功率因数的规定,高压供电的工业企业及装有带负荷调整电压设备的用户，其功率因数应不低于0 于0.95；,其它用户的功率因数
6、不低于0 9；,于0.9,趸售和农业用户功率因数为0.8以上。,无功功率损耗的主要组成,变压器无功功率损耗；,线路无功功率损耗。,SN +,变压器的无功损耗22U ,I0% US%S2100 100SN,假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压US%=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，则变压器中无功功率损耗的数值是相当可观的。,输电线路的无功损耗,输电线路的型等值电路,P +Q P +Q 2,(U1 +U 2 ),P +Q U1 +U2,X,Q L =,2 2 22 X = 2U1 U2,2,B2,QB = ,线路的无
7、功总损耗为,B,Q L+Q B = 2 X,2 2 2U1 2,一般情况下，220kV系统，线路长度100km以内，呈感性，消耗无功功率；300km左右，呈电阻性，不消耗无功功率；大于300km时，呈容性，提供无功功率。,（二）无功功率电源,电力系统的无功功率电源有发电机、同步调相机、电,力电容器及静止补偿器，后三种装置又称为无功补偿装置。,1 1. 发电机,发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：,QGN = SGN sinN = P GNtgN,发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功功率。,定子绕组温升约束,率约束,发电机的运行限制条件SGSGN； 原动机功,if ifN ；,发电
8、机的P Q极限,PG PGN ；励磁绕组,温升约束,图5-28,的P-Q,（1）当发电机低于额定功率因数运行时，能增加输出的无功功率，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。定子容量得不到充分利用；,（2）当发电机高于额定功率因数运行时，励磁电流不再是限制条件，原动机的机械功率又成了限制条件。定子和转子容量都得不到充分利用。,（3）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C）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。,说 明,在有功备用较充裕时，可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数运行，多发无功功率以提高电力网的运行电压水平；,远离
9、负荷中心的发电厂不宜降低功率因数运行。因为无功功率大量的、远距离传输，会引起网络较大的有功和无功功率以及电压损耗。,EU 2 2,U,QG = （ ）P G ,EU,U,2. 同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。,2X X,QCS = QG,2X X,P G = 0,在过励磁运行时，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；在欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量的（50% 65%）)，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。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。因而调节性能较好。,缺点：,同步调相机是旋转
10、机械，运行维护比较复杂；,有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量,的(1.55)%，容量越小，百分值越大；,小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设。,同步调相机常安装在枢纽变电所 。,3. 电力电容器, 电力电容器可按三角形和星形接法连接在变电所,母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的,平方成正比，即,QC=U 2/XC, 缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。, 优点：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资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。,4. 静止补偿器,静止
11、补偿器由电容器与电抗器并联组成,电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，,两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。,它可以迅速地按负荷的变化改变无功功率输出的大,小和方向，调节或稳定系统的运行电压，尤其适用于作冲击性负荷的无功补偿装置。,静止补偿器的分类自饱和电抗器,静止补偿器,可控硅控制电抗器型,FC + TCRTSC+TCR,静止补偿器工作原理简介,FC-TCR型静止补偿器,固定连接电容器加可控硅控制,的电抗器型,C为固定电容器FC；线性电抗,器Lh 和两个反极性并联的可控硅构成TCR。,TSC-TCR型静止补偿器,TSC为可控硅控制的电,容器；,
12、TCR为可控硅控制的电,抗器；,自饱和电抗器型静止补偿器,Lh为自饱和电抗器；,电压低于额定电压时，因铁芯不饱和而呈现很大的电抗值，基本不消耗无功功率；,电压达到或超过额定电压时，因铁芯急剧饱和而呈现很小的电抗值，消耗无功功率；,在额定电压附近，电抗器吸收的无功功率敏捷随电压变化，有稳压作用。,静止补偿器的工作原理分析,三种静止补偿器的原理基本相同。系统供给节点i的无功功率应满足下式要求,Qi = QLD +QL QC,负荷变化所引起的节点i的无功功率变化为,Qi = QLD +QL QC,如要保持Qi为常数，需要,QLD = QL,只要调节电抗器吸收的无功功率QL,使之随负荷的变化作相反的变
13、化，就可使Qi恒定，从而使Ui保持常数或在允许的电压偏移,范围之内。,（三）无功功率的平衡方程,电力系统无功功率平衡的基本要求,系统中的无功电源功率要大于或等于负荷所需的无功功率和网络中的无功功率损耗之和；,留有一定的无功备用容量。,系统无功功率平衡方程式,QG = QLD +Qp +Q+Qre,应在额定电压或额定电压所允许的电压偏移范,围内建立电力系统无功功率平衡方程式。,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和最小负荷进行计算。 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：,(1)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。,(2)挖
14、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。(3)根据无功平衡的需要，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器。,四、电力系统的电压管理,（一）电压中枢点的调压方式（二）电压调整的措施,（一）电压中枢点的调压方式,电压中枢点：用来监视、控制和调整系统电压水平的节点（母线）。,1电压中枢点的选择,一般可选择下列母线作为电压中枢点：,（1）大型发电厂的高压母线；（2）枢纽变电所的二次母线；,（3）有大量地方性负
15、荷的发电厂母线。,（4）城市直降变电所的二次母线。,例：,中枢点,中枢点,图5-32 电力系统的电压中枢点,2中枢点电压调整的方式, 中枢点电压调整方式一般分为三类：,顺调压、逆调压和恒调压。,(1)顺调压, 最大负荷时，中枢点电压不低于线路额定电压,的102.5%，即1.025UN；, 最小负荷时，中枢点电压不超过线路额定电压,的107.5%，即1.075UN。,(2) 逆调压, 最大负荷时，中枢点电压高于线路额定电压的,5%，即1.05UN；, 最小负荷时，中枢点电压等于线路额定电压，,即1.0UN。,(3) 恒调压, 电压保持在较线路额定电压高2%5%的数值，即(1.021.05)UN，
16、不随负荷变化来调整中枢点的,电压。,（二）电压调整的措施1电压调整的基本原理,UG,U,G,l,T 2k2,T 1k 1,P+ jQ,R+jX图5-33 电压调整原理图 PR+QX 忽略线路充电功率、变压器励磁功率和网络功率损耗,Ui =UGk1, k2,电压调整的措施：, PR+QX UN ,（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压UG；（2）改变变压器的变比k1、k2；（3）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗U变化；（4）改变网络参数 数R+jX（主要是X），改变电压损耗U。,改变发电机端电压调压最经济、最直接 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不经升
17、压直接供电的小型电力网。在大型电力系统中，电压损耗超过5，发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。,图5-34 多级变压供电系统的电压损耗分布,15%35%,五、 改变变压器分接头的调压方法 改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择分接头。,+5%,231kV,+5%,2 254 4k kV,225.5kV +2.5%220kV 主抽头214.5kV 2.5%,+2.5% 248kV主抽头 242kV2.5% 236kV,5%,209kV,11kV,5%,230kV,10.5kV,五、 改变变压器分接头的调压方法（一）普通双绕组变压器分接头的选择1降压变压器分接头的选择, UT =
18、(PRT +QXT )/U1,U 1,U2,U2 = (U1 UT )/k,RT + jXT,k =U1t/U2N,P+ jQ图5-36 降压变压器,U2N,U1 UTU 2,U1t =,k =U1t/U2NU2 =(U1 UT )/k,U1tmax =(U1max UTmax)U2N U2maxU1tmin =(U1min UTmin)U2N U2minU1tav = (U1tmax +U1tmin)/2,最大运行方式最小运行方式平均,根据U1t.av值可选择一个与它最接近的分接头。然后根据所选取的分接头校验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。例5-6,= (U1tmax
19、1tmin),+U,2升压变压器分接头的选择选择升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同。两点差异：U2N取值；“”号变“”号。,U1tmax,U 2N,U1max + U T maxU 2max,=,U T,U2,U 1,G,U1tmin,U 2N,=,T,图5-38,U1min + U T minU 2min,升压变压器例57,12,U1tav,普通三绕组变压器分接头的选择,双绕组变压器分接头的计算公式也适用于三绕组变压器分接头的选择；,根据变压器的运行方式分别对高压侧和中压侧的分接头进行选择。,下面以高压侧有电源的三绕组降压变压器讨论其,分接头电压的选择：,先选择高压侧分接头电压
20、；再选择中压侧分接头电压。,=,1t 3N U ,1t U,U U = 2t 2,基本计算公式：,U,U1 UT13 ,U3 ,U1 UT12 ,对于低压侧有电源的三绕组升压变压器，可视为两台双绕组升压变压器进行分接头的选择。,（三）有载调压变压器分接头的选择,有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头而且调节范围也比较大，一般在15%以上。,目前我国暂定，110kV级的调压变压器有7,个分接头，即UN32.5%；220kV级的有9个分接头即UN42.0%。,7 K,出线端123,调压绕组,ab,KM aKM b,aob,L,456 K89,切换装置,低压绕组高压主绕组(a)图 540 具有
21、调压绕组,主变压器,出线端,加压调压器串联变压器,切换装,置,1 2 3 4 5 6 7 8 9,高压,低压绕组,绕组电源变压器图 540 具有加压调压器,有载调压变压器的分接头计算步骤,计算最大负荷时的Ultmax；计算最小负荷时的Ultmin ；,分别选择最大、最小负荷时的标准分接,头电压；,按照调压要求校验所选分接头电压是否,满足要求。,注意：只有当系统无功功率电源容量充足时，用改变变压器变比调压才能奏效。,简单的电力系统图,因此，当系统无功功率不足时，首先应装设无功功率补偿设备。,六、用改变电力网无功功率分布的方法调压供电点电压UA和负荷功率+jQ已给定，线路电容和变压器的励磁功率略去
22、不计。且不计电压降落的横分量。,T,2,1,l,A,2 2,P+jQ,k,jQ C,R+ jX,UA,U2,图5-34,简单电力网的无功功率补偿,1,l,2 2,P 2R +Q2XU2 ,补偿前 U A =U2 +,Tk,P+jQjQ C,AUA,2U2,R+ j jX,归算到高压侧的变电所低压侧电压R+(QA 2c如果补偿前后UA保持不变，则有 + =UU2 U2c, , PR+Q2X PR+Q2X ,2c U2)+ ,U 2 c,Qc = (U 2c U 2),U 2c Ut,U2 ,k U2c ,kU2c,(kU2c U2)= U2c ,由上式可解得,U2 cX,Qc =, ,(U, U
23、2c U2 ,1,Tk,l,2 2,P+jQjQ C,R+ jX,AU A,2U2,忽略第二项Xk= =U2c U2N,Qc =,2X X k ,U2 ,k U2c ,kU2c,(kU2c U2) = U2c ,Qc =,2X X k ,由此可见:补偿容量与调压要求和降压变压器的变比选择均有关。变比k的选择原则：在满足调压的要求下，使无功补偿容量为最小。无功补偿设备的性能不同，选择变比的条件也不相同 。,（一） 补偿设备为电力电容器为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小荷时全部退出。首先，根据调压要求，按最小负荷时没有补偿的情况确定变压,器的分接头。U2 min U2min
24、 =U1tmin U2N,U2min和U2min分别为最小负荷时低压母线归算到高压侧的电压和要求保持的实际电压。,U2NU2 minU2min,于是 U1tmin =,(据此选择分接头V1t),k =U1t U2N,（确定变比）,U2cmax , k,其次，按最大负荷时的调压要求计算补偿容量,Qc =,U2cmax U2max 2X k , 然后，根据算得的补偿容量，从产品目录中选择合适的设备。 最后，根据确定的变比和选定的电力电容器容量，校验实际的电压变化。例5-9,U2cmax ,k,U2cmin ,k,（二） 补偿设备为同步调相机首先确定变比k最大负荷时，同步调相机容量为：,Qc =,U
25、2cmax U2maxX k, 2,最小负荷时调相机容量应为：,Qc =,U2cmin U2min 2X k ,调相机欠激运行吸收功率，0.50.65,U2cmax ,k,两式相除，得：,例5-10,U2cmin(kU2cmin U2min)U2cmax(kU2cmax U2max), =由此可解出：, ,k =,据此确定分接头电压U1t,U2cmaxU2max +U2cminU2minU2cmax +U2cmin,确定实际变比,k =U1t U2N,U2cmaxX,U2maxk,Qc =, 2,（三）无功补偿装置与电力网的连接,无功补偿装置都可连接于需要进行无功补偿,的变电所或直流输电换流站
26、的母线上；,负荷密集的供电中心集中安装大、中型无功,补偿设备；,配电网中，根据无功功率就地平衡的原则，,安装中、小型电容器组进行就地补偿。,电容器组的安装有三种形式,集中补偿 (变电所母线),分散补偿（变电所出线，一起投切）,个别补偿（大型电动机，利用率低）,特别注意,在高压电力网中，电抗远大于电阻，U 中无功功率引起的QX/U分量就占很大的比重。在这种情况下，减少输送无功功率可以产生比较显著的调压效果。反之，对截面不大的架空线路和所有电缆线路，用改变电力网无功功率分布的方法调压就不合适。,七、改变电力网参数调压电压损耗计算公式,PR+QXU,U =,耗,改变网络参数R和X能改变电压损耗 达到
27、调压的目的。,（一）改变网络参数的常用方法,按允许电压损耗选择合适的地方网导线,截面；,在不降低供电可靠性的前提下改变电力,系统的运行方式；,在高压电力网中串联电容器补偿。,（二）串联电容器补偿,2,l,1,2,C,l,1,2 2,P+jQ,2 2,P+jQ,R+jXl(a),R+j(Xl XC)(b),(a)串联电容前； (b) 串联电容后图 543 串联电容器补偿原理,串联电容前的电压损耗,2,U =,P R+Q2XlU2,串联电容后的电压损耗,2,UC =,P R+Q2(Xl XC)U2C C,2 2,末端电压的提高量P R+Q2Xl P R+Q2(Xl XC)U2 U2C可简化为,Q2
28、XCU2C,U UC =,串联电容的容抗,XC =,U2C(U UC)Q2,串联电容的补偿容量2 222,串联电容器个数的选择,如果每台电容器的额定电流为INC，额定电压为UNC，额定容量为QNC=UNCINC，则可根据通过的最大负荷电流Imax和所需的容抗值XC分别计算电容器串、并联的台数n，m以及三相电容器的总容量QC。,图5-44 串联电容器组,mINCImax,nUNCImaxXC,QC =3mnQNC =3mnUNCINC,三相总共需要的电容器台数为3mn。安装时，全部电容器串、并联后装在绝缘平台上。,说 明,串补能自动跟踪负荷调压；,串补多用于负荷经常波动、功率因数不高的35kV及
29、以下电压的配电网中；,串联电容器的安装地点与负荷、电源的分布有关；,串联电容补偿主要用于提高输电网的输送容量和稳定性。,电容器安装地点的选择：使沿线电压尽可能均匀,图5-45 串联电容补偿前后的沿线电压分布,（a）负荷集中在线路末端 （b）沿线路有若干个负荷,补偿所需的容抗值XC和被补偿线路原来的感抗值XL之比,kc=XC/XL,称为补偿度。,串补提高配电网电压：,工程实际中补偿度常接近1或者大于1（过补偿），取14之间。,串补提高输电网稳定性：,工程实际中补偿度常小于1（欠补偿），取0.20.5之间。,总 结,一、电压调整的必要性,电压偏移对电网的影响,电压偏移对用电设备的影响,二、电力系统的电压特性,负荷的无功功率电压静态特性发电机的无功功率电压静态特性,Vi =(V Gk1V)/k2 =V Gk1, k2,总 结三、电力系统的无功功率无功功率、无功电源、无功平衡QG = QLD +Qp +Q+Qre四、电力系统的电压管理中枢点电压调整方式：逆调压、顺调压和恒调压调压方式：,PR+QXVN ,总 结,五、改变变压器分接头的调压方法,普通变压器,有载调压变压器,六、改变无功功率分布调压,并联电容器并联调相机,七、改变网络参数调压,串联电容器,
