第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術

電壓控制：電壓就是控制目標，即通過控制電力系統(tǒng)中的各種因素，使電力系統(tǒng)電壓滿足用戶、設備和系統(tǒng)運行的要求。無功功率控制：指的是控制手段，即通過控制無功功率的分布，實現(xiàn)某種控制目標。一般是“電壓水平合格”，“提高電網(wǎng)穩(wěn)定性”，“提高經(jīng)濟性”。第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術第四章電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術頻率調(diào)整:1全系統(tǒng)頻率相同2調(diào)發(fā)電機3消耗能源4集中控制5調(diào)進汽量電壓調(diào)整：1電壓水平各點不同2調(diào)發(fā)電機、調(diào)相機、電容器和靜止補償器等3不消耗能源4電壓控制分散進行5調(diào)節(jié)手段多種多樣1、控制電壓的必要性

A：從用戶角度，影響用戶設備的安全，降低用電設備效率和性能，影響用戶的生產(chǎn)、生活。異步電動機的轉矩與端電壓的平方成正比。電壓下降－>轉矩下降－>轉速下降－>滑差增大－>輸出功率下降－>電流上升－>發(fā)熱增加，同時還可能帶來產(chǎn)品質量下降等問題；電爐功率與電壓的平方成正比，電壓下降－>功率不足；照明設備：電壓過高－>壽命縮短，電壓過低－>發(fā)光能力下降；變壓器等電磁設備：電壓過高－>磁通飽和－>激磁電流上升－>過流發(fā)熱。電壓過高，造成絕緣擊穿，影響設備的使用壽命。B：從系統(tǒng)角度，可能影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定，影響整個系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性：負荷中的異步電動機在電壓降低時，滑差增大，功率因數(shù)降低，使吸收無功功率增加，導致電壓進一步降低。這樣的一個反饋過程，有可能造成電壓失穩(wěn)問題。電壓水平影響電網(wǎng)損耗：傳輸相同的有功功率，電壓下降－>電流升高－>線損增加；因此，無功功率控制是實現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的一個重要方面。隨著電力市場的逐步推進，供電企業(yè)角色的轉變，不僅要連續(xù)供電，而且要供好電，用戶對供電質量的要求越來越高，電能質量也將逐步成為供、用電雙方合同內(nèi)容的一部分，而電壓是電能質量最重要的指標之一。

2、電力系統(tǒng)的無功電源（1）發(fā)電機

（2）調(diào)相機

（3）靜電電容器（4）靜止無功補償器(StaticVarCompensator,SVC)由電力電容器與電抗器并聯(lián)組成。

（5）靜止無功發(fā)生器使用大功率可關斷晶閘管(GTO)器件代替普通的晶閘管構成的無功補償器稱為靜止補償器(StaticCompensator，STATCOM)，或稱為靜止無功發(fā)生器(SVG)。

3、電力系統(tǒng)中的無功負荷和無功損耗

（1）電力系統(tǒng)的無功負荷包括異步電動機、同步電動機、電爐和整流設備等。其中異步電動機占的比重較大、消耗的無功功率較多，也就是說，系統(tǒng)中大量的無功負荷是異步電動機，因此，系統(tǒng)無功負荷的電壓特性，主要取決于異步電動機的無功靜態(tài)電壓特性。

（2）電力系統(tǒng)的無功損耗

a.變壓器的無功損耗

b.輸電線路的無功損耗輸電線路的無功功率損耗包括并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗。并聯(lián)電納中的無功功率與線路電壓的平方成正比，呈容性，又稱為線路的充電功率；串聯(lián)電抗中的無功功率損耗與負荷電流的平方成正比,呈感性。這兩部分功率是互為補償?shù)摹＞€路是呈容性以無功電源狀態(tài)運行，還是呈感性以無功負載狀態(tài)運行，應視具體情況而定。4、影響電力系統(tǒng)電壓的主要因素（1）電力系統(tǒng)的無功電壓關系 無功功率平衡方程：

ΣQG＝ΣQD＋ΣQL ΣQG－無功功率電源

ΣQD－無功功率負荷

ΣQL－無功功率損耗

電力系統(tǒng)中，上述關系式在任何時候都是成立的，關鍵是成立時的電壓水平如何。A、電源的無功電壓關系同步發(fā)電機是系統(tǒng)中最主要的電源設備，故電力系統(tǒng)無功電源與電壓的靜態(tài)特性可由同步發(fā)電機的無功電壓特性獲得：同步發(fā)電機輸出的無功功率和電壓關系簡化公式：注： U為負荷電壓。

Eq為感應電動勢，由發(fā)電機勵磁電流決定。

δ為發(fā)電機功角，一般δ很小q

異步電動機負荷在電力系統(tǒng)無功負荷中占很大的比重，故電力系統(tǒng)的無功負荷與電壓的靜態(tài)特性主要由異步電動機決定。異步電動機的無功消耗為

Qm—異步電動機激磁功率，與異步電動機的電壓平方成正比Qσ—異步電動機漏抗Xσ的無功損耗，與負荷電流平方成正比。B、負荷的無功電壓關系說明：曲線1、2的交點確定了節(jié)點的電壓值UA，電力系統(tǒng)在此電壓水平下達到無功功率平衡。無功負荷功率增加，使曲線1轉移至1’，曲線交點變?yōu)锳’，電壓下降；若提高UG，則使曲線2轉移至2’，達到新平衡點為C。與A相比，新平衡點電壓相同，但是發(fā)電機無功出力增加，機端電壓升高。C、運行電壓分析電力系統(tǒng)和無功功率電壓的靜態(tài)特性（2）影響電力系統(tǒng)電壓的主要因素以一個單機單負荷的簡單系統(tǒng)為例，推導負荷側電壓公式b假設系統(tǒng)不含變壓器，以負荷側電壓Ub為正方向，推導線路末端的電壓降落：其中，為電壓降落的縱分量。

為電壓降落的橫分量。相量圖為：電流的有功功率分量在感抗上產(chǎn)生的電壓PX/Ub和無功分量在電阻上產(chǎn)生的電壓－QR/Ub，均與受端電壓Ub垂直，兩者之和等于橫分量，由于兩者方向相反，相互抵消后再與Ub垂直相加，故對電壓Ub的影響較?。?/p>

而電流的無功功率分量在感抗上產(chǎn)生的電壓QX/Ub和有功分量在電阻上產(chǎn)生的電壓PR/Ub，均與受端電壓Ub同向，兩者之和等于縱分量，由于兩者均與Ub同向，所以能夠最大程度地影響Ub。

bbbG

考慮變壓器后，經(jīng)過同樣的推導，負荷端的電壓公式如下：近似計算及結論：

由上可知，電壓損耗主要由電壓降落的縱分量決定，受橫分量影響較小，故工程上近似計算時常常略去橫分量不計，即：

由于在高壓電網(wǎng)中的各元件阻抗（發(fā)電機，變壓器，輸電線路）均是感抗遠大于電阻，通常在簡化分析與計算中，將電阻忽略而只考慮感抗的作用，即：從上述分析可得，影響負荷端電壓的因素有：發(fā)電機端電壓UG或Eq變壓器變比K1,K2負荷節(jié)點的有功、無功負荷P＋jQ電力系統(tǒng)網(wǎng)絡中的參數(shù)R＋jX

因此，為了有效控制電力系統(tǒng)中的電壓，就可以針對上述因素進行設計。其中，根據(jù)前面推導過程得出的結論，無功功率的分布起著決定性的作用。5、電力系統(tǒng)電壓控制的主要方法概述注意：這里所指的電壓控制，主要指控制負荷點的電壓。（1）控制原則：．無功功率分層、就地、就近平衡；

超高壓電網(wǎng)中，X>>R，因此I2X>>I2R，即無功損耗要遠遠大于有功損耗，而無功負荷和無功損耗又是造成電壓下降的主要原因。因此，無功功率是無法遠距離傳輸和跨越變壓器補償?shù)?，這就決定了無功功率必須遵循分層、就地、就近平衡的原則。

無功功率就地平衡就是無功功率分層、分區(qū)就地平衡，是指在按電壓等級所形成的層面內(nèi)，各個分區(qū)范圍內(nèi)無功功率都要實現(xiàn)自給自足，與相鄰的區(qū)域沒有無功功率交換。

任何一個負荷點電壓的調(diào)整都應當依靠當?shù)氐臒o功功率資源進行，不應當依靠相鄰站點的無功功率支援。具體的辦法是在各負荷點裝設電容器組、調(diào)相機、靜止補償器等無功功率電源，盡量使無功功率就地平衡。當無功功率就地平衡不能實現(xiàn)時，則應考慮無功功率就近平衡的原則。．確保穩(wěn)定性：深入分析負荷特點，做好負荷預測，通過運行計劃優(yōu)先利用動態(tài)響應慢的控制手段，將快速控制手段留作備用。．兼顧經(jīng)濟性：

合理安排電網(wǎng)中的無功電源和補償裝置的配置及運行計劃，降低整個系統(tǒng)運行時的線損，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。5、電力系統(tǒng)電壓控制的主要方法概述（2）控制手段簡介： 針對各種影響節(jié)點電壓的因素，電壓控制方法無非以下幾種：控制發(fā)電機端電壓UG：通過控制勵磁電流控制發(fā)電機端電壓。

同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)的主要無功電源，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓及其輸出的無功功率。

控制變比K1和K2：通過變壓器分接頭變化，主要分為普通變壓器和有載調(diào)壓變壓器：普通調(diào)壓變壓器：變壓器繞組的分接抽頭變化必須在停電時進行。一般情況下，容量為6300kVA及以下的變壓器有三個分接頭;容量為8000kVA及以上的變壓器有五個分接頭。普通三繞組變壓器一般在高、中壓繞組有分接頭可供選擇使用。高、中壓側分接頭選擇方法：根據(jù)變壓器的運行方式分別地或依次地逐個進行。一般先按低壓側調(diào)壓要求，由高、低壓側確定好高壓繞組的分接頭；然后再用選定的高壓繞組的分接頭，考慮中壓側的調(diào)壓要求，由高、中壓側選擇中壓繞組的分接頭。利用無功補償：利用無功功率補償降低負荷側對系統(tǒng)的無功負荷需求，控制線路傳輸?shù)臒o功功率Q，主要包括：普通并聯(lián)電容器：包括固定式電容器和分組投切電容器。并聯(lián)電抗器：也稱高抗，包括固定式電抗器和分組投切電抗器。SVC和SVG：利用電力電子技術的新型并聯(lián)無功補償裝置。改變線路參數(shù)：在線路上串接電容器或其他補償裝置：串聯(lián)電容：包括固定式電容器和分組投切電容器。可控串補（TCSC）：利用電力電子技術的新型串聯(lián)補償裝置。需要注意的是，裝設串聯(lián)電容、可控串補等裝置，主要目的是提高線路的輸送能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平，電壓控制僅是其具備的功能。利用高壓線路充電功率：高壓輸電線路的對地電容電流也是系統(tǒng)中非?？捎^的無功電源。需求側管理（DSM）：這是電網(wǎng)通過經(jīng)濟手段調(diào)動用戶積極參與電網(wǎng)運行的一種手段。目前，在調(diào)壓方面，主要針對系統(tǒng)中的主要無功負荷源“異步電動機”進行，通過直接在“異步電動機”端裝設電容器，減小無功負荷提高功率因數(shù)，從而達到調(diào)壓的目的。各種控制措施評價綜上所述，電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整有多種方法可供使用：發(fā)電機調(diào)壓主