第十二章 电力系统的无功功率平衡和电压调整,12-1: 电力系统的无功功率平衡,12-2: 电压调整的基本概念,12-3: 电压调整的措施,12-4: 调压措施的应用,12.0,目录,电力系统无功功率平衡,无功功率平衡,无功负荷与无功电源失去平衡时，会引起系统电压的升高或下降。 实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件。,12.1,电力系统无功功率平衡,12.1,1. 无功功率负荷和无功功率损耗,1）无功功率负荷QLD：以异步电动机为例说明负荷消耗无功功率的特点,异步电动机是电力系统主要的无功负荷 系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定,Qm : 励磁功率。当电压较高时，由于饱和的影响，Xm 下降， Qm 随 V 变化的曲线稍高于二次曲线。 Q : 漏抗X的无功损耗，若负载功率 = 常数，当电压降低时，转差 s 增大，I 增大，Q 也增大。,在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的增减而增减。但当电压明显降低时，无功功率主要由无功损耗决定，随电压下降反而上升。 为受载系数实际负荷/额定负荷,电力系统无功功率平衡,12.1,1. 无功功率负荷和无功功率损耗,2）变压器的无功损耗,Q0：励磁损耗，与 V 2 成正比 QT：漏抗损耗，当 S 不变时，与 V 2 成反比,变压器的无功损耗电压特性与异步电动机类似,电力系统无功功率平衡,12.1,1. 无功功率负荷和无功功率损耗,3）线路的无功损耗,QL：线路电抗的无功功率 QB：充电无功功率,35kV及以下输电线的充电功率小，线路消耗无功功率 110kV及以上输电线，重载时是无功负载，轻载时能成为无功源,电力系统无功功率平衡,12.1,2. 无功功率电源,发电机,同步调相机,静电电容器,静止无功补偿器,静止无功发生器,电力系统无功功率平衡,12.1,2. 无功功率电源,1）发电机,发电机是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源,SGN：额定视在功率 GN：额定功率因数角,电力系统无功功率平衡,12.1,2. 无功功率电源,1)发电机,隐极机联接在恒压母线上,可见，发电机只在额定电压、电流和功率因数下运行（C点）才能达到额定视在功率，使容量得到最充分利用。降低功率因数运行时，无功受转子电流限制。,发电机一般以滞后功率因数运行，必要时可以减少励磁电流在超前功率因数下运行，即进相运行，以吸收系统多余的无功功率。（系统低负荷运行时，线路电抗无功损耗明显减少，线路充电功率大量剩余，引起系统电压升高，发电机进相运行有利于调压）,旋转元件，运行维护复杂； 有功损耗较大，满负荷时约为额定容量的1.5%5%，容量越小，比例越大； 小容量机组投资费用高（每kVA），仅利于集中大容量使用； 响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求 20世纪70年代后，逐渐为静止无功补偿器取代；,2)同步调相机 过励磁运行，向电网输出感性无功功率； 欠励磁运行，从电网吸收感性无功功率； 欠励磁最大容量为过励磁容量的50%65%； 可实现无功电压连续调节； 具有强励功能，有利于提高稳定性,3)静电电容器 输出无功与节点电压平方成正比，无功功率调节性能较差； 装设容量可达可小，既可集中安装，亦可分散安装； 单位容量投资费用较小，与总容量无关； 运行损耗约为额定容量的0.3%0.5%； 无旋转元件，运行维护方便； 可根据负荷变化，分组投切电容器，实现补偿功率的分级调节（不连续）； 目前广泛低压配网中广泛采用的无功补偿技术 工程上遇到由于谐波引起的电容器损坏事故较为突出，值得关注,4)静止无功补偿器饱和电抗器型静止补偿器,4)静止无功补偿器晶闸管控制电抗器型静止补偿器,TCR支路正负半周内部分导通 等值电感可连续调节 有谐波,4)静止无功补偿器晶闸管投切电容器型静止补偿器,TSC：整周波投切，不产生谐波 分级调节 快速响应,5)静止无功发生器（SVG：Static Var Generator）,与SVC相比，响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更少 电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流 储能电容的容量远小于装置无功容量,电力系统无功功率平衡,12.1,3. 无功功率平衡, 无功功率平衡计算,系统无功功率平衡关系式： QGCQLDQLQres QGC：电源供应的无功功率之和 QLD：无功负荷之和 QL： 网络无功功率损耗之和 Qres：无功功率备用,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,电力系统无功功率平衡,12.1,3. 无功功率平衡, 无功功率平衡计算,系统无功功率平衡关系式： QGCQLDQLQres,系统电源的总无功出力QGC包括发电机的无功功率QG和各种无功补偿设备的无功功率QC，即： QGCQGQG 总无功负荷QLD按负荷的有功功率和功率因数计算。为减少网损，一般规定35kV及以上电压等级直接供电的负荷的 cos0.9，其它负荷的 cos0.85 总无功损耗QL包括变压器的无功损耗QLT、线路电抗的无功损耗QL和线路电纳的无功功率QB，即：QL QLTQLQB,电力系统无功功率平衡,12.1,3. 无功功率平衡, 无功功率平衡的基本要求,无功电源的无功输出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 系统还必须配置一定的无功备用容量 尽量避免通过电网元件大量的传送无功功率，应该分地区、分电压级、就地进行无功功率平衡 一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方式计算无功平衡，必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡,总之，无功平衡是一个比有功平衡更复杂的问题。 一方面，不仅要考虑总的无功功率平衡还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户等各种对无功平衡有影响的因素 一般无功功率按照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SVC,电力系统无功功率平衡,12.1,3. 无功功率平衡,电力系统无功功率平衡,12.1,4. 无功功率与电压的关系, 无功功率对电压水平有决定性的影响，是引起电压损耗的重要因素,在高压网络中，XR，当Q与P可比时，电压降落的绝大部分为QX项，如果减少Q，则可以大大减少电压损耗。,无功功率的远距离传输和就地平衡,电力系统无功功率平衡,12.1,4. 无功功率与电压的关系, 节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用,忽略 R,电力系统无功功率平衡,12.1,4. 无功功率与电压的关系, 节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用,当 P 和 E 为定值时，Q 与 V 的关系如右图：,由此可见，系统无功电源充足，可以满足较高电压水平下的无功功率平衡，无功不足，则运行电压水平较低。节点电压有效值的大小对于无功功率分布起决定作用。,5. 例12-1,电力系统无功功率平衡,12.1,电压调整的基本概念,电压是电能质量的重要指标之一。电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有重要的影响。因此电压调整具有一定的重要性。,12.2,电压调整的基本概念,12.2,1. 允许电压偏移指标,严格保证电压经济上不可行，也没有必要，允许的电压偏移：,35kV及以上：正负偏移的绝对值之和不超过额定电压的10% 10kV以下三相供电电压： 7% 低压照明（220V单相供电）： +7%，-10% 农村电网： +15%，-10%（+10%，-15%）,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,1) 中枢点：电力系统中重要的供电点（电压支撑点）。电力系统中负荷点数目众多又很分散，有必要选择一些有代表性的节点，这些点的电压质量符合要求，其它各点的电压质量也能基本满足要求。,如： 区域性水、火电厂高压母线 有大量地方负荷的发电机电压母线 枢纽变电所的二次母线,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,2) 中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向两个负荷点供电,中枢点向多个负荷点供电,如果中枢点是发电机母线,在任何时候，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围应有公共部分,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,2) 中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向两个负荷点供电,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,2) 中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向两个负荷点供电,由图可见，尽管A、B两负荷点的电压有10的变化范围，但是由于两处负荷大小和变化规律不同，两段线路的电压损耗值及变化规律亦不相同。为同时满足两负荷点的电压质量要求，中枢点电压的允许变化范围就大大缩小，最大时为7，最小时仅有1,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,2) 中枢点电压允许变化范围确定,中枢点向多个负荷点供电,一般选择最高点和最低点来确定中枢点电压即可。即地区负荷最大时，电压最低的负荷点的允许电压下限电压损耗作为中枢点的最低电压；地区负荷最小时，电压最高的负荷点的允许电压上限电压损耗作为中枢点的最高电压。,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,2) 中枢点电压允许变化范围确定,中枢点为发电机母线,除了上述要求外，还应受厂用电设备和发电机的最高允许电压、保持系统稳定的最低允许电压的限制。,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,2) 中枢点电压允许变化范围确定,在任何时候，各个负荷点所要求的中枢点允许变化范围应有公共部分,调整中枢点电压，使其在公共部分的允许范围内变动，就可以满足各负荷点的调压要求，而不必在各负荷点再装设调压设备。,并不是所有情况下都可以调压中枢点电压来满足所有负荷节点的电压要求，有时要采取附加措施，如在负荷点装设调压设备。,电压调整的基本概念,12.2,2. 中枢点电压管理,2) 中枢点电压允许变化范围确定 弄清由中枢点调压的各负荷节点的负荷的变化规律和电压允许的范围； 根据，计算各负荷节点对中枢点电压的要求； 各负荷对中枢点电压要求的公共区域，即为中枢点电压容许变化范围，反过来说，只要中枢点电压在这一范围内，即可以满足各点的调压要求,逆调压模式,顺调压模式,恒调压模式,在高峰负荷时升高中枢点电压（1.05VN），在低谷负荷时降低中枢点电压（1.0VN，保持额定电压） 适用于：线路长，负荷变动大的场合 若发电机电压一定，则大负荷时，中枢点电压下降，小负荷时，中枢点电压稍高，与逆调压相反，所以逆调压往往难实现,逆调压模式,电压调整的基本概念,12.2,3. 中枢点电压调整方式,逆调压模式,顺调压模式,恒调压模式,高峰负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的102.5； 低谷负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的107.5的调压模式。 适用于：某些供电距离较近，或者负荷变动不大的变电所,顺调压模式,电压调整的基本概念,12.2,3. 中枢点电压调整方式,逆调压模式,顺调压模式,恒调压模式,介于前面两种调压方式之间的调压方式是恒调压。 任何负荷下中枢点电压基本保持不变且略大于VN ，一般较线路电压高2%-5%。,恒调压模式,电压调整的基本概念,12.2,3. 中枢点电压调整方式,式中k1和k2分别为升压和降压变压器的变比，R和X分别为变压器和线路的总电阻和总电抗,电压调整的基本概念,12.2,3. 电压调整的基本原理,电压调整的基本概念,12.2,3. 电压调整的基本原理,由公式可见，为了调整用户端电压 Vb 可以采取以下措施： （1）调节励磁电流以改变发电机机端电压 VG （2）适当选择变压器的变比 （3）改变线路的参数 （4）改变无功功率的分布,电压调整的措施,电压 调整 措施