电力系统分析基础 Power System Analysis Basis （六）,第六章 电力系统的无功功率与电压调整,本章主要内容：,1、无功负荷和无功电源及无功功率平衡,3、电压的调整,2、无功功率的经济分布:无功电源的最优分布；无功负荷的最优补偿,频率调整和电压调整的相同和不同之处,调频,频率唯一,集中调整,只能调原动机功率,调压,电压水平各点不同,调整分散,手段多样（有多种无功电源）,由上可以看出：维持电压稳定，应该尽量减少无功的传输，采取就地平衡。,分析无功功率和电压分布之间的关系,无功损耗 有功损耗;,电压降受无功功率的影响较大;,无功功率的流动从UhUL,6.1 电力系统的无功功率平衡,电压是衡量电能质量的重要指标。 电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。 系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。,1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,图6-1 异步电动机的简化等值电路,jX,电压下降,转差增大,定子电流增大.,图6-2 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,2变压器的无功损耗,假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压Uk%=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。,线路的无功总损耗为,一般情况下，35kV及以下系统消耗无功功率；110kV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。,3输电线路的无功损耗,电力系统的无功功率电源有发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器，后三种装置又称为无功补偿装置。1. 发电机 发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：,二、无功功率电源,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6-4 发电机的P-Q极限,（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。（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。（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。,2. 同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。 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 。,静电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,优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可分散安装。且投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。 缺点：当节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小，导致系统电压水平进一步下降；电容器分组投切，非连续可调。,QC=U 2/XC,3. 静电电容器,静止补偿器由静电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。优点：快速平滑地调节无功功率，克服了电容器作为无功补偿装置只能作电源不能作负荷、调节不连续的缺点；与同步调相机相比较，静止补偿器运行维护简单、功率损耗小，能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性，因此在电力系统中得到越来越广泛的应用。,4. 静止补偿器,图6-5 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) 可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型,5.并联电抗器,是感性无功负荷而不是电源，在高压电网中用以吸收轻载和空载线路的过剩感性无功。对高压远距离输电可以提高输送能力，降低过电压等。,三、无功功率平衡 电力系统无功功率平衡的基本要求：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备用； Qres0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。,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自然功率因数提高到现行规程规定的数值。(2)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。(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电容器；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。,图6-6 等值电路和相量图,QGC=QLD+Q,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？,例:隐极机经过一段线路向负荷供电,当P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。,图6-7 无功平衡与电压水平,例61,异步电机无功,发电机无功,6.2 电力系统无功功率的最优分配,一、无功负荷的最优分配 1、等网损微增率准则 无功经济分布的目标：在有功负荷分布已确定的前提下，调整无功电源之间的负荷分布，使有功网损达到最小。 网络的有功网损可表示为节点注入功率的函数,无功负荷经济分配的数学表达 约束条件：（无功平衡方程）目标函数P最小：,用拉格朗日乘数法求解,构造拉格朗日函数分别对QGi和求导并令其等于0,由上式可得无功功率经济分配的条件,有功网损对无功电源的微增率,无功网损对无功电源的微增率,无功网损修正系数,例68,1 电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备的影响（1）效率下降，经济性变差。 （2）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。 （3）电压过低，电机发热。 （4）系统电压崩溃电力系统一般规定一个电压偏移的最大允许范围，例如:35kV及以上供电电压正负偏移的绝对值之和不超过10%;10kV及以下在7%以内。,一、电压调整的必要性,6.3 电力系统的电压调整,图6-8 沿线路各点电压的变化,2造成电压偏移的原因 （1）设备及线路压降 （2）负荷波动 （3）运行方式改变 （4）无功不足或过剩,图6-9 “电压崩溃”现象,35kV及以上电压供电负荷: 5% 10kV及以下电压供电负荷: 7% 低压照明负荷: +5%-10% 农村电网: +7.5%-10%不可能控制所有的节点电压，选定某些有代表性的节点中枢点,3 我国规定的允许电压偏移,4 电压波动 电压波动分为两类： （1）周期长、波动面大、主要由生产、生活和气象条件变化引起的负荷变动所导致的电压变动。（2）冲击性和间歇性负荷引起的电压波动。如往复式泵、电弧炉、卷扬机、通风设备等。电压闪变、电压跌落等。习惯上所谓的电压调整是针对第一类的，对第二类可采取专门措施。,二、中枢点的电压管理,电压中枢点：指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）。,1电压中枢点的选择,（1）大型发电厂的高压母线； （2）枢纽变电所的二次母线； （3）有大量地方性负荷的发电厂母线。,一般可选择下列母线作为电压中枢点：,中枢点i的最低电压Uimin等于在地区负荷最大时某用户允许的最低电压Umin加上到中枢点的电压损耗Umax。中枢点i的最高电压Uimax等于地区负荷最小时某用户允许的最高电压Umax加上到中枢点的电压损耗Umin。,2中枢点电压和负荷电压的关系,中枢点i的电压满足UiminUi Uimax,只满足j节点负荷时，中枢点电压Ui应维持的电压为,只满足j节点负荷时，中枢点电压Ui应维持的电压为,同时考虑k、j两个负荷对i点的要求，可得出i点电压的变化范围。,图6-12 中枢点i电压容许变化范围 (a)中枢点i到k及j变电所的电压损耗不大时的电压变化范围； (b) 中枢点i到k及j变电所的电压损耗相差较大时的电压变化范围,3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：逆调压、顺调压和常调压。 (1)逆调压 最大负荷时升高电压，但不超过线路额定电压的105%，即1.05UN； 最小负荷时降低电压，但不低于线路的额定电压，即1.0UN。适用于大型网络，如中枢点至负荷点的供电线较长，且负荷变动较大。,最大负荷时降低电压，但不低于线路额定电压的2.5%，即1.025UN； 最小负荷时升高电压，但不超过线路额定电压的7.5%，即1.075UN。 适用于小型网络，如中枢点至负荷点的供电线路不长，负荷大小变动不大 (3) 常调压 电压保持在较线路额定电压高2%5%的数值，即(1.021.05)UN，不随负荷变化来调整中枢点的电压。 适用于中型网络，如负荷变动较小，线路上电压损耗也较小,(2) 顺调压,1电压调整的基本原理,图6-13 电压调整原理图,三、电力系统的电压调整,（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R+jX（主要是X），改变电压损耗U。,电压调整的措施：,现代大中型同步发电机大都装有自动励磁调节装置，发电机端电压调整就是借助于发电机的自动励磁调节器，改变励磁机电压而实现的。改变发电机转子电流，就可以改变发电机定子的端电压。,2、改变发电机端电压调压,图6-14 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。适合于由孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网。在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。,电压损耗15%35%,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。,3、变压器分接头的选择,（1）降压变压器分接头的选择,图6-18 降压变压器,高压侧母线电压；,归算到高压侧的变压器中的电压损耗；,变压器低压侧的额定电压；,低压侧要求的实际电压；,应选择的高压侧分接头电压；-归算到高压侧的低压母线电压,最大负荷下：,最小负荷下：,如果变压器为无载调压变压器，（分接头不能在线调节,取平均值）,根据UtI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。,（a）求低压母线电压 最大负荷时：,最小负荷时：,将上述结果与调压要求相比较，如果电压偏移均在要求范围内，即说明所选分接头合适。,（b）求电压偏移百分数 最大负荷时：,最小负荷时：,（2）升压变压器分接头的选择,与降压变压器的区别只是功率流向是从低压侧到高压侧，故高压母线电压应与变压器损耗相加，其余步骤相同。,最大负荷下：,最小负荷下：,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%。 采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的U1tmax值和最小负荷算得的U1tmin 分别选择各自合适的分接头。这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。,