电力系统电压调整方式的探讨

1简析电力系统电压调整技术董新伟钟志祥（中国矿业大学信息与电气工程学院江苏徐州221008）摘要：电压是衡量电能质量的主要指标之一，电压值的波动不允许超过规定的范围，电力系统中电压调整的基本目标就是要使供给用户的电压与其额定值的偏移处于可以接受和控制的范围内。由于电力系统中节点众多，结构繁杂，负荷分布不均匀，故电压的偏移不可避免。为确保系统各节点电压符合相关标准，有效的电压调整手段显的至关重要。电力系统中对各节点电压的调整通常是通过中枢点电压调整来实现的，中枢点调压有顺调压、逆调压和恒调压3种。本文就电力系统电压调整措施和中枢点电压调整方式进行相关探讨与分析，以供有关人士参考。关键词：电力系统；电压调整；中枢点电压调整BriefAnalysisonPowerSystemVoltageRegulationTechnologyDONGXin-wei,ZHONGZhi-xiang(InformationandElectricalEngineeringInstitute,ChinaUniversityofMineandTechnology,XuzhouJiangsu,221008)Abstract:Voltageisoneofthekeyindicatorstomeasurepowerquality,voltagefluctuationrangeexceedsapredeterminedvalueisnotallowed,Tomakethevoltagesuppliedtousersanditsoffsetundertheacceptableandcontrolledrangeisthebasicgoalofthepowersystemvoltageregulation.Asaresultoflavishnodes,complexstructureandunevenloaddistribution,voltageoffsetisunavoidableinpowersystem.Itiscrucialtotakeeffectivemeasuresofvoltageregulationtomakeeachnodevoltagecomplywiththerelevantstandards.Voltageregulationforeachnodeisusuallyachievedbythecentralpointvoltageadjustmentinpowersystem.Centralpointvoltageadjustmentcanbedividedinto3kindsofpositiveregulation,reverseregulationandconstantregulation.Inthepaper,itwilllaunchrelevantdiscussionandanalysisonregulationmeasuresofpowersystemvoltageandcentralpointvoltage,inordertoprovidereferenceto2somebodyconcerned.Keywords:powersystem;voltageregulation;centralpointvoltageadjustment电压作为评价电力系统电能质量的重要指标，它的分布水平关乎系统运行的经济性和安全性。系统网络结构不规范、无功功率配置不合理、电力故障的发生等状况都会导致电压发生偏移。电压偏移过大会造成电能质量下降、电力系统震荡，甚至“系统崩溃”的恶劣后果。因此，必须借助行之有效的调压手段来保证系统的电压处于合理水平。调节变压器的变比、改变发电机端电压、重置线路的参数、改善系统中无功功率分布等措施都可以用来调整系统电压。当然，措施不同，其适用条件和调压效率也不同，需要具体问题具体对待。电力系统规模大、结构杂、节点多，对系统中每个节点的电压加以监控和调整不现实也没必要。实际系统电压的调整都是通过对中枢点电压的控制来实现的，这就涉及到中枢点的确定、中枢点调整方式的选择和中枢点电压曲线的绘制。下面就相关问题一一进行讨论、研究。1电压调整基本原理分析图1简单电力系统图实际电力系统异常庞大复杂，为突出重点，可用单线表示三相，图1反映的是一个简化的电力系统。发电机发电通过升压变压器升压后经过输电线路传输再由降压变压器降压最后给负荷供电，若要求对负荷节点a处的电压进行调整，首先要得出a点处电压Ua的数学表达式。在这里，不考虑变压器的铜损、铁损及网损，忽略线路的过渡电阻和分布电容。将相关参数归算至高压侧，可得出a点处电压为：312GnPRQXKUUUaK其中：Un为系统等值电路的额定电压，R、X分别是线路和各变压器的总的等效电阻和电抗，k1、k2分别是升压变压器和降压变压器的变比。根据控制变量法思想分析Ua的数学表达式易知，可以从以下几个方面来对电压进行调整：【1】调节变压器的变比来调压；【2】改变发电机端电压来调压；【3】重置系统网络参数来调压；【4】改善系统中无功功率分布来调压。2具体调整电压措施分析2.1调节变压器变比调压调节变压器变比便可改变系统电压，而调节变压器变比主要是通过选择不同的分接头实现的。目前电力系统中通用的变压器除拥有主分接头外都配置了附加分接头以供调节。由于升压变压器的低压侧电压即为发电机的端口电压，故电力系统实际常用到的是降压变压器分接头的选择。变压器的实际变比等于其高、低压侧分接头电压之比，同时也等于理想变压器高低压侧实际电压之比。即：THHTLLUUkUU以含有5个分接头的降压变压器为例，可得变压器分接头电压：;;;;(1i(i2;1;0;1;22.5%)0.950.9751.0251.05)TTNTNTNTNTNTNUUUUUUU式中：UTN为额定分接头电压利用调节变压器的变比来调压，关键在于选好分接头，选分接头的依据是通过相关计算得出分接头的电压。4图2简单电力系统降压变压器分接头选择等值图如图2所示，在理想情况下，可以推出要求的分接头电压表达式：T2NT2N001maxmaxminmin2max2min00RR1(UU)2xxNNTddPQPQUUUUUUU式中：0U为高压绕组分接头变压器实际电压，T2NU为低压绕组额定电压，0NU为高压绕组分接头变压器额定电压，2maxdU为最大负荷下变压器低压侧电压，2mindU为最小负荷下变压器低压侧电压，R、x分别为等值电阻和电抗。再根据计算出来的值选择邻近的分接头作为最终的分接头，当然还需要进行检验计算，判断所选择的分接头是否满足要求。值得指出的是，选择调节分接头即改变变压器变比来调压往往只用在那些无功功率充裕的系统中，对于无功功率不足而导致的系统电压下降，首先要解决的问题是要进行无功补偿。2.2改变发电机端电压调压电力系统中的电能绝大多数都是由同步机发出，现代同步发电机都配备了自动调节励磁装置。图3所示的就是简单的发电机励磁系统。通过改变发电机励磁电流可以改变它的电势或者端口电压，且无需增加额外设备。当系统中电压损耗因负荷的增加而加大时，就需要增加发电机的励磁电流来提高负荷的电压。同理，当系统中电压损耗因负荷的减小而下降时，就需要减小发电机的励磁电流来降低负荷的电压。可以根据以下公式，得出相关结论。PRQXUU=5P代表系统负荷的和Q系统电压损耗U负荷电压需要增加励磁电流提高电压P代表系统负荷的和Q系统电压损耗U负荷电压需要减小励磁电流降低电压图3发电机励磁系统示意图通过改变发电机励磁电流来调节发电机端口电压的调压方式不需要附加设备和额外投资，高效且经济。特别是在一些小型的、孤立的、无需变压的电力系统中应用十分广泛。在一些大规模的、长线路的、需要多级变压的系统中因要考虑到网络损耗和无功功率裕度等问题就只能当做辅助性的调压措施。2.3重置系统网络参数调压由公式PRQXUU可知，当改变线路中的R、X时，系统中的电压损耗就会发生变化，进而可以通过此方式调节系统电压。在电力系统输电线路中有功功率和无功功率损耗的公式分别为：222PRQPU222QXQPU由XR可知，无功功率损耗要远大于有功功率损耗，故一般不会考虑通过减小R的措施来调压。虽然增大输电导线的横截面积有助于减小X，但考虑到由此所造成导线材料成本急剧上升的问题，该方6法往往不予采用。电力系统实际运行中更多的是采用改变电力网的接线方式、调整并联运行变压器台数、串联电容器进行无功补偿补偿等改变网络参数的方式来完成调压。2.4改善系统无功功率分布调压电力系统的的电压水平取决于无功功率的分布情况，改善系统的无功功率分布有助于对电压进行调整。改善系统无功功率分布常用的方法就是在输电线的末端、靠近负荷的位置处安装并联的无功功率补偿设备。在实践中，准确确定补偿设备容量的大小显得尤为重要。如图4所示，可计算出并联电容器容量大小。图4并联电容器补偿系统无功功率示意图在不影响分析结果的情况下，不计输电线路分布电容和网损，视电力变压器为理想变压器。按图4标出的物理量可推出无功功率补偿容量的数学表达式为：2()jcjjcjCijjUUQUkkX式中：jcU是加设电容器补偿后负荷端的电压值对CQ数学表达式作简单分析后容易发现：补偿容量的大小一方面要满足系统调压的要求，另一方面它还受到jk的约束。在电力系统中，选变压器变比的原则一般是：满足系统调压要求的同时力求使7无功补偿容量最小。这种将电容器或电容器组安装在靠近用电设备的位置就地对系统进行无功功率补偿的措施叫做就地补偿。这种方式在提高供电回路功率因数的同时还能够改善用电设备电压质量，在中小型系统中应用广泛。因电容器安装位置的不同，除就地补偿外还有集中补偿和分组补偿。设置电容器在电力系统中进行无功补偿是电力系统常见的手段，该方式具备结构简单、经济高效、调节灵活等一系列优点。3中枢点电压调整分析考虑到实际电力系统的规模、结构和性质等实际情况，无法实现对整个系统中所有节点电压的控制，其对电压的控制主要是通过监控、调整中枢点的电压来实现的。系统中枢点是指那些能够反映电力系统电压水平的区域性发电厂的高压母线、有大量地方性负荷的发电厂母线以及枢纽变电所的二次母线。中枢点电压的调整主要分为顺调压、逆调压和恒调压3种，如图5所示。图5中枢点调压方式分类8其中，顺调压常适用于那些系统中的电压损耗很小，负荷很少变动的电力网中，在对电压偏移控制要求不太高的农电网中，当无功功率调整手段严重不足时，也可使用顺调压。而那些电力线路长、负荷变动大及负荷变化规律一般相同的系统中往往采用的是逆调压。如果电力系统中电压损耗较小且负荷变动也较小则可采用恒调压。电力系统运行中对中枢点进行调压需要有参考标准，这就涉及到中枢点电压曲线。该曲线的绘制需要综合考虑负荷对电压的要求以及网络中的电压损耗，再经推算找出能同时满足这些负荷对电压要求的一个允许的电压变化范围。图6所示就是一个简化系统网络中枢点电压允许变化范围图制作过程。（a）网络图（b）负荷简化曲线（c）电压损耗曲线（d）U0允许变化范围图6中枢点电压允许变化范围94结论电力系统在正常运行过程中，用电负荷和系统运行方式是不断发生变化的，因此电压偏移不可避免。但电压偏移过大会严重影响系统健康运行，所以采取调压手段改善电压分布水平具有迫切的现实意义。本文简单分析了几种常见的调压措施以及中枢点电压的调整方式，需要指出的是不同的调压策略都有它的适用性和局限性。只有在实际运行中具体问题具体分析，从多方面加以权衡、考虑，让电压调整技术的作用得以充分发挥，才能使电力系统稳定、经济、高效的为用户提供高质量的电能。参考文献[1]何仰赞，温增银等.电力系统分析[M].武汉：华中工学院出版社，1987.[2]杨会贤.电力系统中枢点电压管理[J].西北电力科技，2005.