1、电气工程及其自动化 10 级认习 243 张承旺于火电厂，水电厂的调整速度较快，且适宜承担急剧变化的负荷。综上所述，一般应选择系统中容量较大的水电厂作为调频厂。若水电厂调节容量不足或无水电厂时，可选中温中压火电厂作为调频厂。系统中的主要调频任务，要靠主调频厂来完成。第二节 电力系统无功功率与电压的调整电压是衡量电能质量的重要指标，各种电器设备都是设计在额定电压下运行的这样既安全又有最高的效率。电力系统在正常运行时，由于网络中电压损耗的存在，当用电负荷变化或是系统运行方式变化时，网络中的电压损耗也将发生变化，从而网络中的电压分布将不可避免地随之而发生变化。随着电力工业的发展，供电范围不断扩大，网
2、络的电压损耗也增大，要使系统中各处的电压在允许的偏移范围内，需要采取多种调压措施。电力系统的负荷由各种类型的用电设备组成，一般以异步电机为主体。综合负荷的电压静态特性，即电压与负荷取用的有功功率和无功功率的关系如图 9-7 所示。 分析负荷的电压静态特性可见，在额定电压附近，电压与无功功率的关系比电压与有功功率的关系密切的多，表现为无功功率对电压具有较大的变化率，所以分析系统运行的电压水平应从系统的无功功率分析入手。一，电力系统的无功功率平衡1.无功电源电力系统的无功电源有发电机，同步调相机，静电电容器及静止补偿器等。同步发电机不仅是电力系统惟一的有功电源，也是电力系统的主要无功电源。当发电机
3、处于额定状态下运行时，发出的无功功率为 (9-6) sinGNNGNQSPtg式中, 发电机的额定视在功率；- 发电机的额定有功功率；GNP-发电机的额定无功功率；Q-发电机的额定功率因数角。n现以图 9-8 所示的汽轮发电机有功与无功功率出力图为例来分析发电机在非额定功率因数下运行时，可能发出的无功功率。图中 代表发电机额定电压 , 为发电机额OAGNUI定定子电流，它滞后于 一个额定功率因数角 。 代表 在发电机电抗 上引GNUNCIdX起的电压降，正比于定子额定电流，所以 AC 亦正比于电机的额定视在功率 。这样，GNS图 9-7 综 合 负 荷 的 电 压 静 态 特 性图 综 合 负
4、 荷 的 电 压 静 态 特 性电气工程及其自动化 10 级认习 244 张承旺C 点表示了发电机的额定运行点。而 在纵坐标和横坐标上的投影分别正比于发电机的AC额定有功功率 和额定无功功率 。 发电机电势 Eq，它正比于发电机的额定激磁GNPGNQO电流。当改变功率因数运行时，受转子电流不能超过额定值的限制，发电机运行不能超出以 O 为圆心，以 OC 为半径的圆弧 BC；受定子电流不能超过额定值（正比于定视在功率）的限制，发电机运行不能越出以 A 为圆心，以 AC 为半径的圆弧 ECD；此外，发电机有功出力还要受汽轮机出力的限制，发电机运行不能超出水平线 HC。从对图 9-8 的分析可知，当
5、发电机运行于 HC 段时，发电机发出的无功功率低于额定情况下的无功输出；而当发电机运行于 BC 段时，发电机可以在降低功率因数，减少有功输出的情况下多发无功功率；只有在额定电压，额定电流和额定功率因数（即 C 点）下运行时。发电机的视在功率才能达到额定值，其容量也利用的最充分。当系统中有功功率备用容量较充裕时，可是靠近负荷中心的发电机在降低有功功率出力的条件下运行，从而可多发无功功率，改善系统的电压质量。分析图 9-8 中由 OAC 组成的发电机电势相量图，可以得出发电机的武功输出与电压的关系。由 sincosEXI可得 (9-7)inPU又由 cssI可得 (9-8)2incoEUQX由式（
6、9-7）解出 ，考虑到 ，当 P 为一定值时，得si 2s1in(9-9)22EPX由上式可见当电势 E 为一定值时，Q 同 u 的关系，是一条向下开口的抛物线，如图 9-9 曲线 1 所示。 同步调相机是专门设计的无功功率发电机，其工作原理有相当于空在运行的同步电动图 9-8 发 电 机 有 功 与 无 功 功 率 的出 力 图图 发 电 机 有 功 与 无 功 功 率 的出 力 图电气工程及其自动化 10 级认习 245 张承旺在过励磁运行时，同步调相机向系统输送无功功率，欠励磁运行时，它从系统吸收无功功率。所以，通过调节调相机的激磁可以平滑地改变其输出的无功功率的大侠和方向。由于同步调相
7、机主要用于发出无曲功率，它在欠励磁运行时容量的 5060%。调相机一般装在接近负荷中心处，直接供给负荷无功功率，以减少传输无功功率所引起的电能损耗和电压损耗。调相机的无功功率与电压静特性与发电机相似。 电力电容器并接与电网，它共给的无功功率与其端电压的平方成正比。(9-10)2/CCQUX式中，U- 电容器所接母线的电压；-电容器的容抗， 。1/w和电容器相比，调相机的优点在于能平滑调节它所供应或吸收的有功功率，而电客器只能成组地投入，切处；调相机具有正的调节效应，它所供应的无功功率随端电压的下降而增加，这对电力系统的电压调整是有利的。而电容器则与之相反，即它供应的无功功率随端电压的下降而碱少
8、。但电容器是静止元件，具有有功损耗小，适台于分散安装等优点。这两种无功电源均广泛地用于电力系统的无功补偿。近年来，在国内外电力系统中已开始推广使用静止无功补偿蒜。静止无功朴偿器是由晶闸管控制的可调电抗器与电容器并联组成，既可发出无功功率，又可吸收无功功率，且调节平滑、安全、经济、维护方便。可以预料，这种补偿装置将得到越来越广泛的应用。2。无功负荷和无功损耗 异步电动机在电力系统负荷中占很大的比重，故电力系统的无功负荷与电压的静态特性主要由异步电动机决定。异步电动机的无功消耗为 式中， -异步电动机的激磁功率，它与施加于异步电动机的电压平方成正比。mQ-异步电动机漏抗 中的无功损耗，它与负荷电流
9、平方成正比。X综合这两部分元功功率的特点，可得图 9-9 所示的无功功率与电压的关系曲线 2.由图 9-9 可见,在额定电压附近 ,电动机取用的无功功率随电压的升降而增减.当电压明显地低于额定值时，电动机取用的无功功率主要由靖抗中鲫尢捌坝孽决越，此时随明显地低于额定值时，电动机取用的无功功率主要有漏抗中的无功损耗决定,此时随电压下降，曲线反而具有上升的性质。网络的无功损耗包括变压器和输电线的无功损耗。变压器的元功损耗为式中， 变压器空载无功损耗，它与所施的电压平方成正比；OQ 变压器绕组漏抗中的无功损耗，与通过变压器的电流平方成正比。T2MmmUI2200 (%)()10kTTTNIUSUBX
10、图 9- 无 功 与 电 压 静 态 特 性 曲 线1发 电 机 无 功 与 电 压 的 静 态 特 性2异 步 电 动 机 无 功 与 电 压 的 静 态特 性图 无 功 与 电 压 静 态 特 性 曲 线发 电 机 无 功 与 电 压 的 静 态 特 性异 步 电 动 机 无 功 与 电 压 的 静 态特 性电气工程及其自动化 10 级认习 246 张承旺变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当的比重。假设一台变压器的空载电流 ，短路电压 ，由式(9 12)可见，在额定功率下运行o%2.5I%10.5KU时，变压器无功功率损耗将达其额定容量的 13。一般电力系统从电源到用户需要经过好
11、几级变压，因此，变压器中的无功功率损耗的数值将是相当可观的。输电线路的尢功功率损耗分为曲部分，其串联电抗中的尤功功率损耗与通过线路的功率或电流的平方成正比，而其并联电纳中发出的无功功率与电压平方成正比。输电线路等值的无功消耗特性取决于输电线传输的功率与运行电压水平。当线路传输功率较大，电抗中消耗的无功功率大于电容中发出的无功功率时，线路等值为消耗无功；当传输功率较小、线路运行电压水平较高，电容中产生的无功功率大于电抗中消耗的无功功率时，线路等值为无功电源。3无功功率的平衡与运行电压水平电力系统中所有无功电源发出的无功功率，是为了满足整个系统无功负荷和网络无功损耗的需要。在电力系统运行的任何时刻
12、，电源发出的无功功率总是等于同时刻系统负荷和网络的无功损耗之和，即(9-13) t(t)GCLDQQt式中， 系统中所有的无功电源，即发电机、同步调相机、静止电容器等发出的()无功功率； ，系统中所有负荷消耗的无功功率；()LDt 系统中所有变压器、输电线等同培元件的无功功率损耗Q图 9-10 表示按系统无功功率平衡确定的运行电压水平。曲线 l 表示系统等值无功电源的无功电压静态特性，曲线 2 表示系统等值负荷的无功电压静态特性。两曲线的交点 a 为无功功率平衡点，此时对应的运行电压为 。当系统无功负荷增加时，U其无功电压静特性如曲线 所示。这时，2如系统的无功电源,出力没有相应的增加，即电源
13、的无功电压静态特性维持曲线 1。这时曲线 l 和 的交点 就代表了新的无功2a功率平衡点，对应的运行电压为 。显然，aU ，这说明负荷增加后，系统的无功aU电源已不能满足在电压 下无功平衡的需要，因而只好降低电压水平，以取得在袅低电压aU水平下的无功功率平衡。如果这时系统无功电源有充足的备用容量，多发无功功率，使无功电源的无功电压静态特性曲线上移至曲线 ，从而使曲线 和 的交点 所确定的运行112a图 9-10 无 功 平 衡 与 电 压 水 平 的 关 系图 无 功 平 衡 与 电 压 水 平 的 关 系电气工程及其自动化 10 级认习 247 张承旺电压达到或接近 。由此可见，系统无功电源
14、充足时，可以维持系统在较高的电压水平Ua下运行。为保证系统电压质量，在进行规划设计和运行时，需制订无功功率的供需平衡关系，并保证系统有定的备用容量。无功备用容量一般为无功负荷的 78。在无功电源不足时，在无功电源不足时，应增设无功补偿装置。无功补偿庄置应尽可能装在负荷中心，以做到无功功率的就地平衡，减少无功功率在网络中传赢而引起的网络功率损耗和电压损耗。二、中枢意的电压管理电力系统调压的目的是，使用户的电压偏移保持在规定的范围内。由于电力系统结构复杂，负荷极多，不可能对每个负荷点的电压都进行监视和调整。一般是选定少数有代表性的节点作为电压监视的中枢点。所谓中枢点是指那些反映系统电压水平的主要发
15、电厂或枢纽变电站的母线，系统中大部分负荷由这些节点供电。它们的电压一经确定，系统其他各点的电压也就确定了。因此，应根据负荷对电压的要求，确定中枢点的电压允许调整范围。假定有一简单电力网如图 9-11(a)所示，中枢点 0 向负荷点 A 和 B 供电，而负荷点电压和 的允许变化范围均为(0。95105) ，两处的日负荷曲线如图 9 一 11(b)所示。AUB NU当线路参数一定时，线路上的电压损耗 和 的变化曲线如图 9-11(c)所示。现在来AB确定中枢点 0 的允许电压变化范围。OBA(a) SSAminSAmaxSBminSBmaxt/h168240(b) t/h168240 U UA U
16、B0.1UN0.1UN4N0.3N(c)图9-11 简单电力网电压损耗(a)网络接线； (b)日负荷曲线；(c) 电压损耗曲线 (a)网络曲线；（ b）日负荷曲线；（c）电压损耗曲线为了满足负荷节点 A 的调压要求，中枢点电压应控制的变化范围是：在 08 时： ;0.9510.4.910ANNUUU在 824 时： ;. 5A同理可以算出负荷节电 B 对中枢点电压变化范围的要求是：在 016 时， ;0.961N在 1624 时， 。8.BUU考虑 A,B 两个负荷节点对 O 点要求，可得出 O 点电压的允许变化范围，如图 9-12 所示。图中阴影部分表示可同时满足 A、B 两个负荷点电压要求
17、的 O 点电压的变化范围。尽管电气工程及其自动化 10 级认习 248 张承旺A、B 两点允许电压偏移量都是士 5，即有 l0的变化范围，但由于负荷 A 和负荷 8 的变化规律不同，从而使 和 的大小和变化规律差别较大，在某些时间段，中枢点AUB的电压允许变化范围很小。可以想象，如由同一中枢点供电的各用户负荷的变化规律差别很大，调压要求又不相同，就可能在某些时间段内，中枢点的电压允许变化范围找不到同时满足所有用户的电压质量要求的部分。在这种情况下，仅靠控制中枢点的电压不能保证所有负荷点的电压偏移都在允许范围内，必须采取其他调压措施。在进行电力系统规划设计时，由系统供电的较低电压级电网 可能尚未
18、建成，这时对中枢点的调压方式只能提出原则性的要求。考虑到大负荷时，由中枢点供电的线路的电压损耗大，将中枢点的 电压适当升高些(比线路额定电压高 5) ，小负荷时将中枢点电压 适当降低(取线路的额定电压 )，这种调压方式称为“逆调压” 。 “逆 调压”适合于供电线路较长，负荷变动较大的中枢点,是比较理想的调压方式。由于从发电厂到中枢点也存在电压损耗，若 发 图 9-12 中枢点电压允许变化范围 电机端电压一定，则在大负荷时中枢点电压会低些，小负荷时中枢点电压会高些，中枢点电压的这种变化规律与逆调压要求相反，这时可以采用“顺调压” ，即在大负荷时允许中枢点电压不低于线路额定电压的 1025。小负荷
19、时不高于线路额定电压 107.5。这种调压方式适于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点。介于上述两种调压方式之间的为“常调压“ ，即在任何负荷下都保持中枢点电压为线路额定电压的 l02l05。三、电力系统的调压措施明确了对电压调整的要求，就可进一步讨论为达到这些要求而可能采取的措施。以下通过图 9 一 l3 所示简单电力系统来说明可能采取的调压措施所依据的基本原理。 图 9-13 电 压 调 整 原 理 图图 电 压 调 整 原 理 图发电机通过升压变压器、线路和降压变压器向用户供电。要求调整负荷节点 b 的电压ut。为简单起见，略去线路的电容充电功率和变压器的激磁功率，变压器的参数均已归算到亭
20、压侧。这时，b 点的电压为(9-14) 1212/ /bGGPRQXUKUK由式(9-14) 可见，为调整用户端电压 ，可采取的措施是：改变发电机端电压 ;改变b GU变压器比 K，增设无功补偿装置以减少网络传输的无功功率；改变输电线路的参数。电气工程及其自动化 10 级认习 249 张承旺附录 1 各种常用架空线导线的规格表 1-2 LGJQ 型轻型钢芯铝绞线规格股数及直径/ m额定截面 2m铝股 钢芯计算直径 电阻 1km单位重量 1gk长期容许电流 / A150 24 2.767 1.8 16.44 0.21 537 -185 24 3.06 7 2.0 18.24 0.17 661 510240 24 3.677 2.4 21.88 0.13 951 610300 54 2.65 7 2.6 23.70 0.108 1116 710400 54 3.067 3.0 27.36 0.080 1487 845500 54 3.36 19 2.0 30.20 0.065 1795 966600 54 3.7019 2.2 33.20 0.055 2175 1090700 54 4.04 19 2.4 36.24 0.044 2592 1250
