第章-電力系統(tǒng)的無功功率補償與電壓調(diào)整

1、第章-電力系統(tǒng)的無功功率補償與電壓調(diào)整作者:日期:第12章 電力系統(tǒng)的無功功率平衡及電壓調(diào)整上一章我們學習了電力系統(tǒng)正常、穩(wěn)態(tài)運行狀況的分析 和計算。本章和下一章是上章的繼續(xù)和發(fā)展。 因這兩章將闡 述正常、穩(wěn)態(tài)運行狀況的優(yōu)化和調(diào)整，亦即保證正常、穩(wěn)態(tài) 運行時的電能質(zhì)量和經(jīng)濟性問題。衡量電能質(zhì)量的指標是頻率和電壓的偏移。頻率偏移以 Hz表示，例如±).2Hz。電壓偏移以百分數(shù)表示，例如±).5%。 衡量運行經(jīng)濟性的主要指標是比耗量和線損率。 這些技術(shù)經(jīng) 濟指標的優(yōu)劣與系統(tǒng)中有功、無功功率的分配以及頻率、電 壓的調(diào)整有關(guān)。而這兩方面正分別是接下來兩章中將討論的 主要內(nèi)容。本章主

2、要闡述電力系統(tǒng)中無功功率平衡和電力系統(tǒng)的圖12-1第12章結(jié)構(gòu)圖912-1電力系統(tǒng)的無功功率平衡電力系統(tǒng)的運行電壓水平取決于無功功率的平衡。 系統(tǒng) 中各種無功電源的無功功率輸出（簡稱無功出力）應(yīng)能滿足 系統(tǒng)負荷和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對無功功率的需求， 否則 電壓就會偏離額定值。為此，先對無功負荷、網(wǎng)絡(luò)損耗和各 種無功電源的特點作一些說明，并得到系統(tǒng)無功和電壓特性 圖。一無功負荷和無功損耗大多數(shù)用電設(shè)備都要消耗無功功率。白熾燈和一些電熱 設(shè)備不消耗無功功率；同步電機可以消耗也可以發(fā)出無功功 率；而用電設(shè)備中的異步電動機消耗的無功功率最大。 未經(jīng) 補償?shù)木C合負荷的自然功率因數(shù)一般為0.60.9,低

3、值對應(yīng)于異步電動機比例較高的負荷。這些在運行中要消耗無功功 率的負荷，即為無功負荷。無功損耗主要是指電力線路上的無功損耗和變壓器的 無功損耗。1無功負荷異步電動機在電力系統(tǒng)負荷（特別是無功負荷）中占的 比重很大。系統(tǒng)無功負荷的電壓特性主要由異步電動機決 定，其等值電路如圖12-2所示。其中X。為定子和轉(zhuǎn)子漏抗， R為轉(zhuǎn)子電阻，Xm為勵磁電抗，S為轉(zhuǎn)差率。電動機從電網(wǎng)中吸收的無功功率為:(12-1)Qm - Qm ' Q；-V1 WXm-圖12-2第12章結(jié)構(gòu)圖其中Qm為勵磁無功功率損耗，與電壓的平方成正比。Q為漏抗Xb上的無功功率損耗，當負載功率不變時，隨電壓 的降低Qb要增大。綜合這

4、兩部分無功功率的變化特點，可 得圖12-3所示曲線，其中B為電動機實際負荷與額定負荷 之比，稱為電動機的受載系數(shù)。由圖12-3可見，在額定電壓附近，電動機吸收的無功 功率隨電壓的降低而明顯下降，隨電壓的升高而明顯升高；當電壓明顯低于額定值時，電動機吸收的無功功率隨電壓的 下降反而具有上升的趨勢。另外，無功功率的電壓特性和電 動機的受載系數(shù)B有很大關(guān)系，B高時，漏抗中的無功功率 損耗Qb在電動機總的無功功率中占的比例要高一些。2變壓器的無功損耗變壓器中的無功功率損耗包括勵磁損耗AQo與繞組漏抗損耗AQt，由等值電路圖12-4,可得圖12-4第12章結(jié)構(gòu)圖I 0 % Sn 而V?1o0%sNMva

5、r二V2Bt 二V2(12-2)q =i2xt 進乩 Mvar(12-3)T T V2 100 sN其中Sm為變壓器的額定容量；s為變壓器負載量；I。為變 壓器的空載電流；Vs%為變壓器的短路電壓百分比?？梢姡瑒畲殴β蚀笾屡c電壓平方成正比；當通過變壓器 的視在功率不變時，漏抗中損耗的無功功率與電壓平方成反 比。因此變壓器的無功損耗電壓特性也與異步電動機的相變壓器的無功功率損耗在系統(tǒng)的無功需求中占有相當 的比重。對于單個變壓器，滿載時的無功功率損耗占無功負 荷的11%12%。如果從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓， 則變壓器中無功功率損耗的數(shù)值相當可觀，總和占無功負荷 的 50%75%。以 5 級變

6、壓網(wǎng)絡(luò)(10/220, 220/110, 110/35, 35/10, 10/0.4kV)為例，統(tǒng)計結(jié)果如表12-1所示。V1_o表12-1 5級變壓網(wǎng)絡(luò)的變壓器損耗所有變壓器滿載/%所有變壓器半載/%勵磁損耗77繞組漏抗損耗5012.5總損耗5719.5損耗/負荷5739.03輸電線路的無功損耗輸電線路用II形等值電路表示如圖12-5圖12-5第12章結(jié)構(gòu)圖線路串聯(lián)電抗中的無功功率損耗&Ql與所通過電流的平方成正比，即2 2 2 2AQl = 12x = P +2Ql X =巳 +2Q2 X(12-4)ViV2線路電容的充電功率 AQb與電壓平方成正比，當作無 功損耗時應(yīng)取負號。(1

7、2-5)Qb - _B(Vi2 V22)線路的無功總損耗為Q=Qb2 2Pi Qi X 一舟“2 V22)V12(12-6)35kV及以下的架空線路的充電功率甚小，一般說，這 種線路都是消耗無功功率的。110kV及以上的架空線路當傳輸功率較大時，電抗中消 耗的無功功率將大于電納中產(chǎn)生的無功功率， 線路成為無功 負載。110kV及以上的架空線路當傳輸功率較小時，電納中產(chǎn) 生的無功功率，除了抵償電抗中的損耗以外，還有多余，此 時線路就為無功電源。此外，為吸收超高壓輸電線路充電功率而裝設(shè)的并聯(lián)電 抗器也屬于系統(tǒng)的無功負荷。二無功功率電源電力系統(tǒng)中的無功電源向系統(tǒng)發(fā)出感性無功功率。 無功 電源主要有以

8、下三類：a發(fā)電機；b無功補償電源，包括同步調(diào)相機、靜電電容器、靜止無功補償器和靜止無功發(fā)生 器；c 110kV及以上電壓線路的充電功率。1發(fā)電機發(fā)電機既是唯一的有功功率電源，又是最基本的無功功率電源。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，改變發(fā)電機發(fā)出的 無功功率。增加勵磁電流（電壓），則可以增大無功輸出；減 小勵磁電流（電壓），則可減小無功輸出。發(fā)電機在額定運行狀態(tài)下可發(fā)出最大的無功功率為：QGN - SGN sin N - PGNtg ' N（12-7）式中，Sgn、Pgn、尿分別為發(fā)電機的額定視在功率、額定 有功功率和額定功率因數(shù)角。發(fā)電機在非額定功率因數(shù)下運行時可能發(fā)出的有功、無 功和視在

9、功率需要運用發(fā)電機的運行極限圖進行分析。假定隱極發(fā)電機聯(lián)接在恒壓母線上，母線電壓為Vn。發(fā)電機的等值電路和相量圖示于圖12-6。P、圖12-6發(fā)電機的等值電路和相量圖圖12-6中C點為額定運行點。電壓降相量 AC的長度 代表Xn，正比于定子額定全電流，也可以說，正比于發(fā)電 機的額定視在功率Sgn,它在縱軸上的投影AD代表Pgn， 在橫軸上的投影AB代表Qgn。相量0C的長度代表空載電 勢E，它正比于發(fā)電機的額定勵磁電流。當改變功率因數(shù)時， 發(fā)電機發(fā)出的有功功率 P和無功功率Q要受定子電流額定 值（額定視在功率）、轉(zhuǎn)子電流額定值（空載電勢）、原動機出 力（額定有功功率）的限制。在圖12-6中，以

10、A為圓心，以 AC為半徑的圓弧表示額定視在功率的限制；以 0為圓心， 以0C為半徑的圓弧表示額定轉(zhuǎn)子電流的限制；而水平線 DC表示原動機出力的限制。這些限制條件在圖中用粗線畫 出，這就是發(fā)電機的運行極限圖。從圖12-6中可以看到，發(fā)電機只有在額定電壓、電流 和功率因數(shù)（即運行點C）下運行時視在功率才能達到額定 值，使其容量得到最充分的利用。發(fā)電機降低功率因數(shù)運行 時，其無功功率輸出將受轉(zhuǎn)子電流的限制。當系統(tǒng)無功電源不足，而有功備用容量較充裕時，可利 用靠近負荷中心的發(fā)電機降低功率因數(shù)，使之在低功率因數(shù) 下運行，從而多發(fā)出無功功率以提高電力網(wǎng)的電壓水平， 但發(fā)電機的運行點不能躍出P-Q極限曲線的

11、范圍。2無功補償裝置 a同步調(diào)相機同步調(diào)相機實質(zhì)上相當于專用的空載運行的大容量同 步電動機。同步調(diào)相機有三種運行狀態(tài)如圖12-7所示，分別為： （1）正常：與系統(tǒng)間無無功功率的交換；（2）過勵磁：向系統(tǒng) 供給感性無功功率，起無功電源的作用，提高系統(tǒng)電壓，所 能提供的最大無功功率取決于它的額定容量；（3）欠勵磁：從系統(tǒng)吸取感性無功功率，起無功負荷的作用，降低系統(tǒng)電 壓，由于實際運行的需要和對穩(wěn)定性的要求， 欠勵磁最大容 量只有過勵磁容量的50%65%。圖12-7同步調(diào)相機的三種工作狀態(tài)裝有自動勵磁調(diào)節(jié)裝置的同步調(diào)相機，能根據(jù)裝設(shè)地點 電壓的數(shù)值平滑地改變輸出（或吸收）的無功功率，進行電壓 調(diào)節(jié)。

12、特別是有強行勵磁裝置時，在系統(tǒng)故障情況下，還能 調(diào)整系統(tǒng)的電壓，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是同步調(diào)相機是旋轉(zhuǎn)機械，運行維護比較復雜。它的 有功功率損耗較大，在滿負荷時約為其額定容量的1.53%,容量越小，百分比越大。小容量的調(diào)相機每kVA容量的投資費用也較大。故同步調(diào)相機宜于大容量集中使用。此外， 同步調(diào)相機的響應(yīng)速度較慢，難以適應(yīng)動態(tài)無功控制的要 求。20世紀70年代以來以逐漸被靜止無功補償裝置所取代。 b靜電電容器靜電電容器是電力系統(tǒng)中的一種重要的無功功率電 源，廣泛地應(yīng)用于改善負荷的功率因數(shù)。額定電壓 VN=3.1510.5kV的靜電電容器均為單相式的，單臺容量可 達40kvar;額定電

13、壓Vn小于525V的多為三相式，單臺容 量可達2530kvar。由于單臺容量有限制，靜電電容器一般 按三角形和星形接法連接在變電所母線上。用于35kV電力網(wǎng)時，除了并聯(lián)以外還要多個串聯(lián)。大容量并聯(lián)電容裝置一 般還分為數(shù)組，各設(shè)有開關(guān)，操作開關(guān)就可分級調(diào)節(jié)輸出的 無功功率。靜電電容器只能向系統(tǒng)供給感性的無功功率，所供給 的無功功率Qc值與所在節(jié)點的電壓V的平方成正比，即Qc=V2/Xc(12-8)其中Xc為靜電電容器的容抗。在電力系統(tǒng)常用的無功補償設(shè)備中，靜電電容器的單位 容量費用最低，有功功率損耗最小(約為額定容量的 0.3%0.5%),運行維護最簡單。它可分散安裝在用戶處或 靠近負荷中心的地

14、點，實現(xiàn)無功功率的就地補償，獲得最好 13的技術(shù)經(jīng)濟效果。此外，改變?nèi)萘糠奖悖€可根據(jù)需要分散 拆遷到其它地點。但是，當節(jié)點電壓下降時，它所供給系統(tǒng)的無功功率將 減小。因此，當系統(tǒng)發(fā)生故障或由于其他原因電壓下降時， 電容器無功輸出的減小將導致電壓繼續(xù)下降， 即電容器的無 功功率調(diào)節(jié)性能比較差。c靜止無功補償器靜止無功補償器（SVC, Static Var Compensator屬于靈 活交流輸電系統(tǒng)的一員，它由靜電電容器和電抗器并聯(lián)組 成。電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者 結(jié)合起來，再配以適當?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就既可以發(fā)出無功功率， 也可以吸收無功功率，從而能夠平滑地改變輸出或吸收的

15、無 功功率。各類靜止無功補償器在正常工作范圍內(nèi)的無功功率電 壓靜特性如下。Q圖12-8靜止無功補償器在正常工作范圍內(nèi)的無功-電壓特性因此近似計算中可以把靜止補償器當作恒電壓的無功 功率電源。電壓變化時，靜止補償器能夠快速、平滑地調(diào)節(jié)無功功 率，以滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰Ｅc同步調(diào)相機相比較，運 行維護簡單，功率損耗較小，能作到分相補償以適應(yīng)不平衡 的負荷變化，對于沖擊負荷也有較強的適應(yīng)性。d靜止無功發(fā)生器20世紀80年代以來出現(xiàn)了一種更為先進的靜止型無功 補償裝置，這就是靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)，也被稱為靜止同步補償器(STATCOM)或靜止調(diào)相機 (S

16、TATCON)。它的主體部分是一個電壓源型逆變器。與靜止補償器相比，靜止無功發(fā)生器的優(yōu)點是，響應(yīng)速 度更快，運行范圍更寬，諧波電流含量更少，尤其重要的是， 電壓較低時仍可向系統(tǒng)注入較大的無功電流， 它的儲能元件 (如電容器)的容量遠比它所提供的無功容量要小。3高壓輸電線路的充電功率實際上，超高壓輸電網(wǎng)的線路分布電容產(chǎn)生大量的無功 功率，從系統(tǒng)安全運行考慮，需要裝設(shè)并聯(lián)電抗器予以吸收。 三無功功率平衡無功功率平衡，指電力系統(tǒng)內(nèi)所有無功電源可能發(fā)出的 無功功率應(yīng)該大于或至少等于負荷無功功率與變壓器、電力線路消耗的無功功率之和它是在一定節(jié)點電壓下的平衡。無功功率電源不足將導 致節(jié)點電壓下降。因此，為

17、了保證運行可靠性和適應(yīng)無功負 荷的增長，系統(tǒng)還必須配置一定的無功備用容量，一般取最大無功負荷的7%8%。令電源可供應(yīng)的無功功率之和為 Qgc,無功負荷之和為 QLD，Ql為網(wǎng)絡(luò)無功功率損耗之和，Qres為無功功率備用， 我們得到系統(tǒng)中無功功率平衡方程式為：QGC-QLD-QL = Qres(12-9)Qres>0表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的備用；如 Qres<0表示系統(tǒng)中無功功率不足，應(yīng)考慮加設(shè)無功補償裝 置。系統(tǒng)無功電源的總出力Qgc包括發(fā)電機的無功功率Qg工和各種無功補償設(shè)備的無功功率 Qcz，即Qgc=Qg 1+Qce(12-10)一般要求發(fā)電機接近于額定功率因數(shù)運行

18、，故可按額定功率 因數(shù)計算它所發(fā)出的無功功率。此時如果系統(tǒng)的無功功率能 夠平衡，則發(fā)電機就保持有一定的無功備用，這是因為發(fā)電 機的有功功率是留有備用的。調(diào)相機和靜電電容器等無功補 償裝置按額定容量來計算其無功功率。總無功負荷Qld按負荷的有功功率和功率因數(shù)計算。為 了減少輸送無功功率引起的網(wǎng)損，我國有關(guān)技術(shù)導則規(guī)定，以35kV及以上電壓等級直接供電的工業(yè)負荷， 功率因數(shù)要 達到0.90以上，對其它負荷，功率因數(shù)不低于 0.85。網(wǎng)絡(luò)的總無功功率損耗Ql包括變壓器的無功損耗Ql“、線路電抗的無功損耗 ？Ql工和線路電納的無功功率 ?Qb«般只計算110kV及以上電壓線路的充電功率)，即

19、Ql=QlT1+?Ql 1+?Qbe(12-11)在進行無功功率平衡計算和對無功功率的傳輸進行規(guī)劃時，從改善電壓質(zhì)量和降低網(wǎng)絡(luò)功率損耗考慮，應(yīng)該盡量避免通過電網(wǎng)元件大量地傳送無功功率。因此，僅從全系統(tǒng)的角度進行無功功率平衡是不夠的，更重要的是還應(yīng)該分地 區(qū)分電壓級地進行無功功率平衡，也就是要就地補償。 四系統(tǒng)無功功率-電壓特性在電力系統(tǒng)運行中，電源的無功出力在任何時刻都同負 荷的無功功率和網(wǎng)絡(luò)的無功損耗之和相等。即Qgc=Qld+Ql(12-12)那么上述的無功功率平衡是在什么樣的電壓水平下實 現(xiàn)的呢？下面以一簡單的網(wǎng)絡(luò)為例來說明。隱極發(fā)電機經(jīng)過一段 線路向負荷供電，略去各元件電阻，用 X表示

20、發(fā)電機電抗 與線路電抗之和，等值電路如圖12-9所示。假定發(fā)電機和 負荷的有功功率為定值。根據(jù)相量圖可以確定發(fā)電機送到負19荷節(jié)點的功率為jXInP+jE圖12-9簡單電力系統(tǒng)及相量圖P jQ 二Vi =V(E _VE. (-、)-V VE (_、)_VEVEVjX-jX-jX(12-13)cos、-當P為一定值時，得(12-14)("p當電勢E為一定值時，Q和V的關(guān)系如圖12-10所示，為 一條向下開口的拋物線，在額定值附近，隨著電壓的升高，圖12-10發(fā)電機無功功率-電壓特性把電源向系統(tǒng)提供的無功功率與電壓的關(guān)系和綜合負 荷的無功功率與電壓的關(guān)系畫在同一個坐標中，得到系統(tǒng)的 無功

21、-電壓特性如圖12-11。對于負荷來說，由于主要成分是 異步電動機，前面已經(jīng)學習過，異步電動機無功-電壓特性正是圖12-11中曲線2。其中曲線1表示電源的無功-電壓特 性，曲線2表示綜合負荷的無功-電壓特性。兩條曲線的交 點a確定了負荷節(jié)點的電壓值 Va，或者說，系統(tǒng)在電壓 Va 下達到了無功功率的平衡。當負荷增加時，其無功電壓特性如曲線2'所示。如果系 統(tǒng)的無功電源沒有相應(yīng)增加，電源的無功特性仍然是曲線 1。這時曲線1和曲線2'的交點a'代表了新的無功平衡點， 此時負荷點的電壓為 Va'，可見，負荷增加后，系統(tǒng)的無功電源已不能滿足在電壓Va下的無功功率的需要，

22、因此只有 降低電壓運行，以取得在較低電壓下的無功功率平衡。 如果 發(fā)電機具有充足的無功備用，通過調(diào)節(jié)使發(fā)電機的無功特性 曲線上移到曲線1'的位置，從而使曲線1和曲線2'的交點C 所確定的負荷節(jié)點電壓達到或接近原來的數(shù)值Va?？梢?，系統(tǒng)的無功電源比較充足，能滿足較高的電壓水平下的無功 功率的需要，系統(tǒng)就有較高的運行電壓水平；反之，無功不 足就反映為運行電壓水平偏低。2512-2電壓調(diào)整的基本概念各種用電設(shè)備都是按額定電壓來設(shè)計制造的。 這些設(shè)備 在額定電壓下運行將能取得最佳效果。但是要嚴格保證所有 用戶在任何時刻都有額定電壓是不可能的，考慮到大多數(shù)用 電設(shè)備在稍許偏離額定值的電壓

23、下運行仍有良好的技術(shù)性 能，合理地規(guī)定供電電壓的允許偏移是完全必要的， 要使網(wǎng) 絡(luò)各處的電壓都達到規(guī)定的標準，必須采取各種調(diào)壓措施。 一允許電壓偏移 1電壓偏移的影響各種用電設(shè)備都是按照額定電壓設(shè)計的，當它們在額定 電壓下運行時，處于最佳運行狀態(tài)，即具有最佳的技術(shù)經(jīng)濟 指標。當運行電壓偏離額定值較大時，技術(shù)經(jīng)濟指標就會惡 化。具體表現(xiàn)在：照明負荷中的白熾燈，對電壓反應(yīng)靈敏。當運行電壓低 于額定值的5%，光通量減少至82%;當運行電壓低于額定 值的10%，光通量減少至70%，發(fā)光效率減少至80%;當 運行電壓高于額定值的5%，使用壽命減少一半；當運行電 壓高于額定值的10%，使用壽命減少2/3。

24、日光燈對電壓變動的反應(yīng)較不靈敏，但運行電壓低于額 定值時光通量也將減少，運行電壓高于或低于額定值時壽命 將縮短。負荷中占有很大比重的異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與端電 壓的平方成正比。當運行電壓降低 10%，轉(zhuǎn)矩下降至81%。 若負荷阻力矩不變，電壓降低將使電動機的轉(zhuǎn)差增大，定子 電流也隨之增大，發(fā)熱增加，效率下降，繞組溫度增高，加 速絕緣老化，影響電動機的使用壽命，且起動過程加長，由 于溫度過高，易于燒毀。當端電壓太低時，電動機可能由于 轉(zhuǎn)矩太小而失速甚至停轉(zhuǎn)。發(fā)電廠廠用電中由電動機驅(qū)動的輔機，其機械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn) 速的高次方成正比，電壓降低滑差增大，轉(zhuǎn)速降低，輸出功 率迅速減少，將影響汽輪、鍋爐的工作，

25、嚴重情況下將造成 安全問題。變壓器的運行電壓偏低，若負載功率不變，會導致輸出 電流增加，使繞組過熱。電壓偏高，勵磁電流增大，鐵芯損 失增加，溫升增高，嚴重情況下引起高次諧波共振。電壓偏移過大，除了影響用戶的正常工作以外，對電力 系統(tǒng)本身也有不利影響。電壓降低，會使網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗 和能量損耗加大，由于局部地區(qū)無功不足，運行電壓嚴重低 下，一些變電所在負荷的微小擾動下會出現(xiàn)電壓大幅度下 滑，以至失壓，即所謂電壓崩潰。而電壓過高時，各種電氣 設(shè)備的絕緣可能受到損害，在超咼網(wǎng)絡(luò)中還將增加電暈損耗 等。因此，供電管理部門需規(guī)定變電所母線的允許電壓偏移 范圍。2允許電壓偏移在電力系統(tǒng)的正常運行中，隨著用

26、電負荷的變化和系統(tǒng) 運行方式的改變，網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗也將發(fā)生變化。要嚴格 保證所有用戶在任何時刻都有額定電壓是不可能的，因此， 系統(tǒng)運行中各節(jié)點出現(xiàn)電壓偏移是不可避免的。實際上，大多數(shù)用電設(shè)備在稍許偏離額定值的電壓下運行， 仍有良好的 技術(shù)性能。從技術(shù)上和經(jīng)濟上綜合考慮，合理地規(guī)定供電電 壓的允許偏移是完全必要的。目前，我國規(guī)定的在正常運行情況下供電電壓的允許偏 移如下：35kV及以上供電電壓正、負偏移的絕對值之和不超過 額定電壓的10%，如供電電壓上下偏移同號時，按較大的 偏移絕對值作為衡量依據(jù)；10kV及以下三相供電電壓允許偏移為額定電壓的±7%;220V單相供電電壓允許偏移為額

27、定電壓的+7%和-10%。要使網(wǎng)絡(luò)各處的電壓都達到規(guī)定的標準，必須采取各種 管理方法，以保證系統(tǒng)中各負荷點的電壓在允許的偏移范圍 內(nèi)。二中樞點電壓管理1概念中樞點：電力系統(tǒng)中許多發(fā)電廠、變電所和大型用戶節(jié) 點，要全部監(jiān)視、控制這些節(jié)點的電壓是不可能的， 也是不 必要的。通常在電力系統(tǒng)的大量節(jié)點中選擇一些具有代表性 的節(jié)點加以監(jiān)視、控制，如果這些節(jié)點的電壓滿足要求，則 該節(jié)點鄰近的其他節(jié)點的電壓基本上也滿足要求， 這些節(jié)點 稱為電壓監(jiān)視中樞點。電壓中樞點一般選擇在（1）區(qū)域性發(fā)電廠的高壓母線；（2） 有大量地方性負荷的發(fā)電廠母線；（3）區(qū)域變電所的二次母 線。那么中樞點母線電壓和負荷點母線電壓具

28、有什么關(guān)系 呢？我們通過計算說明。2計算方法各個負荷點都允許電壓有一定的偏移，計及由中樞點到 負荷點的線路上的電壓損耗，便可確定每個負荷點對中樞點 電壓的要求。舉例說明。假定由中樞點i向負荷點j和k供電，兩負荷點電壓Vj 和Vk的允許變化范圍相同，都是0.951.05Vn。當線路參數(shù) 一定時，線路上電壓損耗AVj和 弘分別與j和k點的負荷 有關(guān)，假定如圖12-12。 J圖12-12中樞點系統(tǒng)及線路電壓損耗為了滿足負荷節(jié)點j的調(diào)壓要求，中樞點電壓應(yīng)該控制 的變化范圍為：在 08 時內(nèi)，Vi(j)= Vj+ AVij=(0.951.05)+0.04=0.991.09在 824 時內(nèi)，Vi(j)=

29、y + AVij =(0.951.05)+0.1=1.051.15為了滿足負荷節(jié)點k的調(diào)壓要求，中樞點電壓應(yīng)該控制 的變化范圍為：在 016 時內(nèi)，Vi(k)= Vk+AVik=(0.951.05)+0.0仁0.961.06 在 1624 時內(nèi)，Vi(k)= Vk+ AVik =(0.951.05)+0.03=0.981.08 將上述要求在同一張圖中表示如圖12-13。圖中的陰影部分就是同時滿足j和k兩負荷點調(diào)壓要求的中樞點電壓的 允許變化范圍。由圖12-13可見，盡管j和k兩負荷點的電 壓有10%的變化范圍，但是由于兩處負荷大小和變化規(guī)律 不同，兩段線路的電壓損耗數(shù)值及變化規(guī)律亦不相同，為了

30、同時滿足兩負荷點的電壓質(zhì)量要求，中樞點電壓的允許變化 范圍就大大縮小了，最大時為7%，最小時僅有1%。V1.15I圖12-13中樞點電壓管理t/h實際的電力系統(tǒng)中，由同一中樞點母線供電的負荷很 多，若中樞點到各負荷點線路上的電壓損耗的數(shù)值和變化規(guī) 律差別很大，完全可能出現(xiàn)在某些時間段內(nèi)，中樞點的電壓 允許變動范圍沒有公共部分。此時僅借控制中樞點電壓已不 足以控制所有負荷處電壓，必須考慮在某些負荷點采取其它 調(diào)壓措施。3調(diào)壓方式在進行電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計時，由于各負荷對電壓質(zhì)量 的要求不明確，所以難于具體確定各中樞點電壓控制的范 圍。為此規(guī)定了中樞點電壓的三種調(diào)節(jié)方式如表 12-2。表12-2三種調(diào)

31、壓方式方式標幺值（Vn）解釋適用場所高峰低谷逆1.051咼峰負何時提咼中樞點適用于由該中樞點供電調(diào)壓母線電壓，低谷負荷時降低中樞點母線電壓的線路較長，負荷變化 范圍較大等場合順 調(diào) 壓>1.025<1.075高峰負荷時允許中樞點 母線電壓略低，低谷時允 許中樞點母線電壓略高適用于用戶對電壓要求不咼或線路較短、負何變動不大的場合恒調(diào)壓不變且略1要求在任何負荷時中樞 點電壓基本保持不變且 略大于Vn適用于線路長度、負荷變動情況介于上述兩者間的情況三電壓調(diào)整的基本原理以圖12-14所示的簡單電力系統(tǒng)為例，說明常用的各種 調(diào)壓措施所依據(jù)的基本原理。發(fā)電機通過升壓變壓器、線路和降壓變壓器向用

32、戶供 電。要求調(diào)整負荷節(jié)點b的電壓。為了簡單起見，略去線路 的電容功率、變壓器的勵磁功率和網(wǎng)絡(luò)的功率損耗。 變壓器 的參數(shù)已歸算到高壓側(cè)。b點的電壓為：43R+j圖12-1%單電力系統(tǒng)(12-15)APR+QX必=(VGki - V)/k2 : (Vg&)/k2式中，ki和k2分別為升壓和降壓變壓器的變比；R和X分 別為變壓器和線路的總電阻和總電抗?？梢姡瑸榱苏{(diào)整用戶端電壓 Vb,可以采取以下措施：(1) 調(diào)節(jié)勵磁電流以改變發(fā)電機端電壓 Vg；(2) 適當選擇變壓器的變比；(3) 改變線路的參數(shù)；(4) 改變無功功率的分布。12-3電壓調(diào)整的措施一發(fā)電機調(diào)壓發(fā)電機不僅是有功電源，也是無

33、功電源，所以可用調(diào)整 發(fā)電機端電壓的方式進行調(diào)壓。這是一種充分利用發(fā)電機設(shè) 備，不需額外投資的調(diào)壓手段?，F(xiàn)在同步發(fā)電機都裝有自動勵磁調(diào)節(jié)設(shè)備，可以自動調(diào) 整發(fā)電機的機端電壓、分配無功功率并提高電機同步運行的 穩(wěn)定性。按規(guī)定，發(fā)電機運行在端電壓偏離額定值不超過 卻的范圍內(nèi)，能夠以額定功率運行。對于供電線路不長、線路上電壓損耗不大的系統(tǒng)，通過 改變發(fā)電機端電壓就可以滿足負荷點的電壓質(zhì)量要求， 不必 另外增加調(diào)壓設(shè)備，是最經(jīng)濟合理的調(diào)壓方式。但是對于線路較長、供電范圍較大、由多級變壓的供電 系統(tǒng)，從發(fā)電廠到最遠處的負荷點之間，電壓損耗的數(shù)值和 變化幅度都比較大，因而單靠發(fā)電機調(diào)壓是不能解決問題 的。

34、因此發(fā)電機調(diào)壓主要是為了滿足近處地方負荷電壓質(zhì) 量的要求。對于有若干發(fā)電廠并列運行的電力系統(tǒng)，利用發(fā)電機調(diào) 壓會出現(xiàn)新的問題。前面提到過，節(jié)點的無功功率與節(jié)點的 電壓有密切的關(guān)系。要求進行電壓調(diào)整的電廠需要有相當充裕的無功容量儲備，一般這是不易滿足的。此外，在系統(tǒng)內(nèi) 并列運行的發(fā)電廠中，調(diào)整個別發(fā)電廠的母線電壓，會引起 系統(tǒng)中無功功率的重新分配，這還可能同無功功率的經(jīng)濟分 配發(fā)生矛盾。所以在大型電力系統(tǒng)中發(fā)電機調(diào)壓一般只作為 一種輔助性的調(diào)壓措施。二改變變壓器變比調(diào)壓改變變壓器的變比可以升高或降低次級繞組的電壓。 為 了實現(xiàn)調(diào)壓，在雙繞組變壓器的高壓繞組上設(shè)有若干個分接 頭以供選擇，其中對應(yīng)額

35、定電壓 Vn的稱為主接頭。變壓器 的低壓繞組不設(shè)分接頭，對于三繞組變壓器，一般是在高壓 繞組和中壓繞組設(shè)置分接頭。改變變壓器的變比調(diào)壓實際上就是根據(jù)調(diào)壓要求適當 選擇分接頭，選擇變壓器抽頭，即選擇合適的高壓繞組分接 頭電壓Vit以滿足低壓的希望值 V2。變壓器一般分為兩種：一種是普通變壓器，這種變壓 器的分接頭開關(guān)無消弧能力，只能在停電時切換，所以必須 事先選擇一個合適的分接頭。另一種是有載調(diào)壓變壓器，能 夠帶負載調(diào)節(jié)分接頭，可以隨時根據(jù)需要調(diào)節(jié)變壓器分接頭 以滿足調(diào)壓要求。我們重點討論普通變壓器如何根據(jù)系統(tǒng)運 行狀態(tài)和調(diào)壓要求選擇分接頭。1降壓變壓器分接頭的選擇如圖所示降壓變壓器，若通過的功

36、率為 P+jQ，高壓側(cè)實際電壓為 V，歸算到高壓側(cè)的變壓器阻抗為RT+jXT，低壓側(cè)要求得到的電壓為 V2 , k=Vit/V2N是變壓器的變比，即 高壓繞組分接頭電壓 Vit和低壓繞組額定電壓 V2N之比，則 有VT =(PRt QXt)/Vi(12-16)V2- ：VT)/k把k=Vit/V2N代入V2 =(ViM)/k，便可求得高壓側(cè)分接 頭電壓Vit 比VlV2N(12-17)V2注意，普通的雙繞組變壓器的分接頭只能在停電的情況 下改變。在正常的運行中無論負荷怎樣變化都只能使用一個 固定的分接頭。而當變壓器通過不同的功率時，高壓側(cè)電壓 V1、電壓損耗 A/t以及低壓側(cè)所要求的電壓 V2

37、都要發(fā)生變 化，使得滿足要求的高壓側(cè)分接頭電壓也在發(fā)生變化。這時的分接頭可以這樣求得。分別算出最大負荷和最小負荷下所要求的分接頭電壓：V1t maxV1 max°VT maxV2maxV2NV1t minmin-Vt(12-18)minV2 minV2N然后取它們的算術(shù)平均值，即Vit = Vlt max +Vlt min(12-19)2根據(jù)此Vit選擇一個與它最接近的分接頭，然后根據(jù)所選取 的分接頭校驗最大負荷和最小負荷時低壓母線上的實際電 壓是否符合要求。2升壓變壓器分接頭的選擇與降壓變壓器分接頭的選擇方法相同。注意，如圖12-15 所示，由于此時電流從低壓側(cè)流向高壓側(cè)，而且只有

38、高壓側(cè)才能調(diào)節(jié)分接頭，故圖12-15含升壓變壓器的系統(tǒng)v2 = (yvT)/k(12-20)對應(yīng)的有y +avt匕二V2n(12-21)V2升壓變壓器與降壓變壓器繞組的額定電壓是略有差別 的。此外，選擇發(fā)電廠升壓變壓器的分接頭時， 在最大和最 小負荷情況下，要求發(fā)電機的端電壓都不能超過規(guī)定的允許 范圍。如果在發(fā)電機電壓母線上有地方負荷， 則應(yīng)當滿足地方負荷對發(fā)電機母線的調(diào)壓要求，一般可采用逆調(diào)壓方式調(diào) 壓。有載調(diào)壓變壓器能夠在電力網(wǎng)電壓變化和負荷變化時， 不停電地改變分接頭位置滿足調(diào)壓要求，調(diào)節(jié)速度也較快， 改變一檔分接頭約需 25s,而且便于實現(xiàn)自動化，是一種 有效的調(diào)壓措施。但它的價格較高

39、，運行維護較復雜，所以 應(yīng)首先用在確有必要的地方。例如兩個電力網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)變壓 器，如果負荷方向是變化的或負荷變動范圍很大， 就需要采 用有載調(diào)壓變壓器。同時，還可利用有載調(diào)壓變壓器改變電 網(wǎng)間無功功率的分布。對于樞紐變電所，一般需要使用有載 調(diào)壓變壓器，作為控制中樞點電壓的手段。此外，負荷變化 大或調(diào)壓要求高的變電所，用普通變壓器不能滿足調(diào)壓要求 時，也可應(yīng)用有載調(diào)壓變壓器。選擇有載調(diào)壓變壓器時，要 根據(jù)調(diào)壓要求和負荷變化情況，確定所需的分接頭調(diào)節(jié)范圍 和每檔分接頭的調(diào)節(jié)量。改變變壓器變比調(diào)壓雖然是一種尋常的調(diào)壓方法， 但其 先決條件是電網(wǎng)的無功電源容量充裕。如果電網(wǎng)的無功電源 容量不足，采用

40、變壓器調(diào)壓，相當于改變電網(wǎng)無功功率的分 配，雖然可能提高局部電網(wǎng)的電壓水平， 但有可能降低主網(wǎng) 的電壓水平，不利于全網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。三利用無功功率補償調(diào)壓無功功率的產(chǎn)生基本上不消耗能源，但是無功功率沿電力網(wǎng)傳送卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。 在電力網(wǎng)絡(luò)適 當?shù)牡攸c接入并聯(lián)無功功率補償裝置，能夠減小線路和變壓 器輸送的無功功率，因而可減小線路和變壓器的電壓損耗和 提高電力網(wǎng)的電壓水平。當系統(tǒng)負荷變化時，通過調(diào)節(jié)無功 功率補償裝置輸出的無功功率，就能控制電力網(wǎng)的電壓。常用的無功功率補償設(shè)備有靜電電容器、同步調(diào)相機和 靜止補償器。1原理圖圖12-16中，R+jX為電源、線路和變壓器歸算到高壓 側(cè)的阻

41、抗之和，k為變壓器T的變比，V2為變壓器低壓母線 電壓，VJ=kV2為V2歸算到高壓側(cè)的值。設(shè)備圖12-16無功補償原理圖2補償功率Qc的確定 補償前，有(12-22)丄 PR +QXVi f加上并聯(lián)補償后，如變壓器低壓母線電壓的期望值為V2R,則有kV2R(12-23)式(12-23)中，Vi不變，可以用改變 Vc，即改變Qc的 方法使變壓器低壓母線電壓V2等于要求的值V2R。利用Vi不變繼續(xù)求解，有(12-24)(12-25)式(12-25)等號右邊第二項比較小，略去后式(12-25)可簡 化為：Qc寧叫w(12-26)可見，補償容量 Qc不僅與調(diào)壓要求V2R而且和變壓器 變比k的選擇均有

42、關(guān)。變比k的選擇原則是：在滿足調(diào)壓的 要求下，使無功補償容量 Qc為最小。由于補償設(shè)備的性能不同，選擇變比的條件也不相同， 分別闡述如下。3靜電電容器通常在大負荷時降壓變電所電壓偏低，小負荷時電壓偏高。電容器只能發(fā)出感性無功功率以提高電壓， 但電壓過高 時卻不能吸收感性無功功率來使電壓降低。為了充分利用補 償容量，在最大負荷時電容器應(yīng)全部投入，在最小負荷時全 部退出。計算步驟如下。首先，根據(jù)調(diào)壓要求，按最小負荷時沒有補償?shù)那闆r確 定變壓器的分接頭。令V2min'為最小負荷時低壓母線歸算到 高壓側(cè)的電壓，此時低壓側(cè)的實際電壓為V2min，則 V2min'/V2min=Vt/V2N

43、，由此可算出變壓器的分接頭電壓為Vt = V2NV2min'/V2min(12-27)選定與Vt最接近的分接頭V1t，并由此確定變比kk= Vit/V2N(12-28)其次，按最大負荷時的調(diào)壓要求計算補償容量，即QkV1RmaX(kV2Rmax -V2max')(12-29)X式中，V2max'為補償前變電所低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓， V2Rmax為補償后要求保持的實際電壓。按上式算出補償容量后，就可以從產(chǎn)品目錄中選擇合適 的設(shè)備了。最后，根據(jù)確定的變比和選定的靜電電容器容量，校驗實際的電壓變化。4同步調(diào)相機調(diào)相機的特點是既能過勵磁運行，發(fā)出感性無功功率使電壓升高，也能欠勵磁運行，吸收感性無功功率使電壓降低。 如果調(diào)相機在最大負荷時