1、第六章 电力系统的无功功率和电压调整第三节 电力系统的电压调整电压管理和借发电机、变压器调压 一、调整电压和调整频率的区别 系统正常运行时，各处的频率一样，而电压却几乎处处不同。 电压允许的偏移大于频率允许的偏移。 两者控制策略和调整方法不同。二、调整电压的必要性 电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压偏移过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起系统性的“电压崩溃”，造成大面积停电。分别说明如下：系统电压降低时发电机的定子电流将因其功率角的增大而增大。如这电流原已达额定值，刚电压降低后，将使其超过额定值。为使发电机定子绕组不致过热，不得不减少发电机所发功率。相似地
2、，系统电压降低后，也不得不减少变压器的负荷。当系统电压降低时，各类负荷中占比重最大的异步电动机的转差率增大，从而，电动机各绕组中的电流将增大，温升将增加，效率将降低，寿命将缩短。如图 6-10 所示，而且，某些电动机驱动的生产机械的机械转矩与转速的高次方成正比，转差增大、转速下降时，其功率将迅速减少。而发电厂厂用电动机组功率的减少又将反而影响铝炉、汽轮机的工作，影响发电厂所发功率。尤为严重的是，系统电压降低后，电动机的起动过程将大为增长，电动机可能在起动过程中因温度过高而烧毁。电炉的有功功率是与电压的平方成止比的，炼钢厂中的电炉将因电压过低而影响冶炼时间，从而影响产量。系统电压过高将使所有电气
3、设备绝缘受损。而且，变压器、电动机等的铁芯要饱和，铁芯损耗增大，温升将增加，寿命将缩短。照明负荷，尤其是白炽灯，对电压变化的反应最灵敏。电压过高，白炽灯的寿命将大为缩短；电压过低，亮度和发光效这又要大幅度下降，如图 6-11(a)所示。日光灯的反应较迟钝，但电压偏离其额定值时，也将缩短其寿命，如图 6- 11(b)所示。至于因系统中无功功率短缺，电压水平低下，某些枢纽变电所母线电压在微小扰动下顷刻之间的大幅度下降，即图 6-12 所示的“电压崩溃”现象，则更是一种将导致系统瓦解的灾难性事故。三、电压波动和电压管理 电压波动 在讨论频率调整时曾将系统中有功负荷的变动以及这些变动引起的频率偏移分成
4、三种。讨论电压调整时，仪可将有功、无功负荷的变动以及这些变动引起的电压偏移分成两类。习惯上所谓的电压调整仅针对周期长、波及面大，主要由生产、生活和气象变化引起的负荷和电压变动。冲击性或间歇性负荷引起的电压变化称为电压波动，电压波动于谐波经常不可分割。 限制电压波动的措施1) 电源与波动地点设置串联电容2) 波动线路上调相机和电抗器3) 波动线路上设置静止补偿器 电压管理解决了电压波动问题，就可进而讨论一般所谓的电压调整。这种电压调整针对由以下几种原因引起的电压变动：由于生产、生活、气象变化带来的、大体上也就是讨论调频问题时所谓的第三种负荷变动；个别设备因故障而退出运行造成的网络阻抗变化；系统结
5、线方式改变引起的功率分布和网络阻抗变化。上述种种原因引起的电压变动相当可观，在较大的电力系统中，最大电压损耗可能达 20-30以上。但由于电力系统结构复杂，负荷极多，如对每个用电设备电压都进行监视和调整，不仅没有可能，而且也无必要。电力系统电压的监视和调整可通过监视、调整电压中枢点的电压而实现。所谓电压中枢点系指某些可反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所母线。因很多负荷都由这些中枢点供电，如能控制住这些点的电压偏移，也就控制住了系统中大部分负荷的电压偏移。于是，电力系统的电压调整问题也就转化为保证各电压中枢点的电压偏移不越出给定范围的问题。如何确定中枢点电压的允许变动范围（中枢点电压曲线的
6、编制） 。设有图 6-15(a)所示由中枢点 i 向两个负荷 j、k 供电的简单网络。设负荷 j、k 的简化日负荷曲线如图 6-15(b)、(c)；设由于这两个负荷功率的流通，线路 i-j、i-k 上的电压损耗分别如图 6-15(d)、(e)，设 j、k 两负荷允许的电压偏移都是(+-)5，如图 6-15(f)。于是，根据负荷 j 对电压的要求，0-8 时中枢点 i 应维持的电压为UUNNNijj 09.1.05.19. 4.824 对应维持的电压为 NNNijj 5.根据负荷 k 对电压的要求，0-16 时中枢点 i 应维持的电压为NNNikk 06.19.05.191624 对应维持的电压
7、为 UUNNNikk 8 3.根据这些要求可作中枢点 i 电压的允许变动范围如图 6-16(a)、(b)。将图 6-16(a)、(b)合并，就可得同时满足负荷 j、k 要求的、中枢点 i 电压的允许变动范围如图 6-17(a)中阴影部分所示。由图可见，虽负荷 j、k 允许的电压偏移都是(+-)5 ，即都有 10的允许变动范围，但由于中枢点 i 与这些负荷之间线路上电压损耗 、 大小和变化规律都不相同，要同时满足这两个负荷对Uijik电压质量的要求，中枢点电压的允许变动范围大大缩小了，最小时仅 1%于是可以想见，如各线路电压损耗 、 的大小和变化规律相差更悬殊，完全可能出现在某ijik些时间段内
8、，中枢点电压不论取何值都不能同时满足两个负荷对电压质量要求的情况。例如，设 824时 增大为 0.12UN，则 8-16 时的 8 个小时内，中枢点 i 的电压就不论取何值都不能同时满足负荷Uijj、k 对电压质量的要求，如图 6-17(b)所示。显然，一旦出现这种情况，仅借控制中枢点电压已不足以控制所有负荷处电压，必须考虑采取其它措施。 中枢点调压方式逆调压：最大负荷时保持中枢点电压比线路额定电压高 5%；最小负荷时, 使中枢点电压降至线路额定电压。 适用：中枢点到各负荷点线路长、负荷变化较大，变化规律大致相同。 顺调压：最大负荷时电压不低于线路额定电压的 102.5%；最小负荷时电压不高于
9、线路额定电压的107.5%。 适用：电压损耗小，负荷变动小，用户允许电压偏移大。恒调压：中枢点电压保持在比线路额定电压高 25%。 适用: 电压损耗较小, 负荷变动较小。 四、电力系统电压调整概述 ： 电力系统中有大量母线，即使系统无功电源充足，也不能保证所有母线电压都符合要求。 PD +jQD UG T1 L T2 UD 1:K1 K2:1 R+jX 2ND1G21GD K1)UXQRPK(U)K(U 使 UD 变化的措施： 调整 UG；调整变比 K1、K2；改变功率 分布 (以为 主)；改变网络参数 R+jX(以 X 为主)。 五、借发电机端电压调压 调节励磁电流 适用于直接由发电机供电的
10、小系统、线路不长；易于实现逆调压, 实质上是调节系统中发电机的无功输出。 示例以图 618(d)所示简单系统为例，设各部分网络最大、最小负荷时的电压损耗分别如图所示。则最大负荷时，由发电机母线至最远负荷处的总电压损耗为 20，最小负荷时为 8.0，即最远负荷处的电压变动范围为 12.0。如发电机母线采用逆调压，最大负荷时升高至 105% UN，最小负荷时下降为 UN；如变压器的变比 K* UUNUUN=11.10，即一次侧电压为线路额定电压时，二次侧的空载电压较线路额定电压高 10，则全网的电压分布将如图 6-18(6)。由图可见，这种情况下，最远负荷处的电压偏移最大负荷时为-5，最小负荷时为
11、十 2即都在一般负荷要求的（+-）5范围内 存在的问题1) 发电机通过较长线路、多电压级输电，此时最大、最小负荷时电压损耗之差往往大于 5%； 而发电机的机端负荷允许发电机的电压调整范围为 5%0， 所以满足不了远方负荷的要求。2) 多机系统中， 实际上是改变发电机间无功分配， 与无功备用、无功的经济分配有矛盾。3) 因此，发电机调压仅作辅助措施。 以图 6-19 所示系统为例，最大、最小负荷时由发电机母线至最远负荷处的电压损耗分别为35%、14，即最远负荷处的电压变动范围为 21。这时，即使因发电机母线采用逆调压可将这变动范围缩小 5，即缩小为 16，但这样大的变动已不能满足一般负荷的要求。
12、而再扩大发电机母线电压的调整幅度又不可能，因发电机电压母线上往往还连接有其它负荷，它们距发电厂一般不远，大幅度地改变发电机母线电压又将使这部分负荷对电压质量的要求得相满足。六、改变变压器变比调压电力变压器主接头、分接头 有载调压变压器原理 条件：从整个系统来看，必须无功电源充足。变压器本身不是无功电源，当系统中无功电源不足时，达不到调压要求。 双绕组变压器调压 降压变压器：UI Ui 分接头Ui ZT UtI/Uti P+jQ U i UI Ui Ui ：高压侧实际电压(已知)；UI ：归算到高压侧的低压母线电压i ：低压侧希望电压(调压的目标)；i ：高压侧欲选分接头电压；TI ：低压侧固定
13、接头电压， 。 ti UNi考虑不同负荷时的调压要求: 最大负荷时: imaxiIimaxiiNtIaxtimaxtI U)(= UiaxNLiaxIaxtIax )U( 最小负荷时: imnNLinImintImin )(= U普通双绕组变压器, 须停电换分接头, 所以取平均值兼顾: )U(21=UtImintIaxtI 规格化为 THN校验:最大负荷时低压侧实际电压：tImaxImaxiNiRmaxU= Ui最小负荷时低压侧实际电压tIminIminiNiRmn= 误差应小于半个分接头电压。 如不合格, 一是改变变比；二是采用有载调压(一般用于逆调压) 升压变压器 已知低压希望电压, 求高
14、压分接头 UH ZT UL PH+jQH P+jQ imaxNLiaxImaxtIax U)(= inLinIintIin )(U 已知高压希望电压, 发电机电压可调, 求高压分接头 先设发电机电压， 可调范围内某值，求 、 , 再求 , 再计算iimnax UaxIminI UtI、 应如何调。imaxin如以额定电压百分数表示的( )大于( ) ，则不论怎样选择分接头，低压母Uiimnaxminaxi线的实际电压总不能满足对调压的要求。这时，只能使用有载调压变压器。tImaxiNtIaxmaxiRax kU= Uii tIinitIininin 如果 ， 均落在 和 之间，即认为满足调压的
15、要求，于是：imaximinmaxiintIinaxiRiRa k=U-iUINiiiNiiiN mnaxtImnaximniax 上式表明：最大、最小负荷时低压侧的实际电压差与变压器的变比关系不大，如果( / ( )/ ，则无论变比为多少低压母线的实际电压总不能满足对调压iimnaxiNminaxiiN的要求。 分接头选择步骤 1) 根据最大、最小负荷，计算变压器的电压损耗2) 求取最大、最小负荷时变压器分接头电压值，取平均值3) 选择最接近平均值的变压器分接头4) 用选定的分接头校验最大、最小负荷时低压侧电压是否满足要求。 注意：当系统无功功率充足时，改变变压器分接头调压才能奏效。如图，如
16、果发电机无功输出已达到最大值，现改变 T-3 的变比，企图提升节点 6 的电压，考虑到负荷的无功电压静态特性，当节点 6 电压升高时，负荷 6 的无功消耗也增加，由于发电机已不能增加无功输出，系统会在较低的电压水平保持无功平衡，显然 15 节点的电压都会降低，从而节点 6 的电压也不能升高到预期值。 该题的关键在于，求得高压侧分接头后，如何求中压侧分接头。将高中压侧看成是双绕组变压器，画电路图为：105.9 K1:1 1:K2Vn35 假设两个理想变压器之间的额定电压为 Vn，则 105.9/35=K1/K2=115.5/Vn/(Ut/Vn)=115.5/Ut，所以Ut=35*115.5/105.9
