第5章电力系统的无功功率和电压调整

125-1概述5-2电力系统的无功功率平衡5-3电力系统的电压管理5-4电压调整的措施5-5调压措施的应用目录3电压是衡量电能质量的一个重要指标。质量合格的电压应该在供电电压偏移，电压波动和闪变，电网谐波和三相不对称程度这四个方面都能满足有关国家标准规定的要求5.1概述4电压合理的重要性①引起效率下降、经济性能变差，影响生活质量：照明。②缩短寿命，甚至造成损坏：白炽灯、电动机③降低生产率，出废品、次品④对电力系统，过低：使网络功率损耗加大，危及稳定运行，过高：绝缘，增加电晕损耗。V55－2电力系统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无功功率的平衡应本着分层、分区、就地平衡的原则6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1、无功功率负荷R/SjXaioijXmVß=0.8ß=0.6ß=0.3QV72、无功功率损耗变压器的无功损耗变压器的无功损耗QLT包括励磁损耗△Q0和漏抗中的损耗△QTQLT＝△Q0＋△QT＝V2BT＋(S/V)2XT≈SN＋(UN/U)2NSSUs100%2100%Io8XUQPXUQPQL222222212121)(22221UUBQB输电线路的无功损耗jB/2R+jXP2+jQ2P1+jQ1jB/2U1U293、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10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。通过自动励磁调节装置→If→Eq→UG，不需另增设备，简便可行且经济。发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满足负荷对电压质量的要求(If≤IfN），这时需借助其他措施。发电机11同步调相机相当于空载运行的同步发电机。在过励磁运行时，向系统供给无功功率，起无功电源的作用；在欠励磁运行时，它吸收感性无功功率，起无功负荷作用。由于相应速度较慢，难以适应动态无功控制的要求，20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代同步调相机12静电电容器静电电容器供给的无功功率Qc与所在节点的电压V的平方成正比，即Qc＝U2/Xc式中，Xc＝1/wc为静电电容器的电抗。当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少。因此，当系统发生故障或由于其他原因电压下将时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。换言之，电容器的无功功率调节性能比较差。13静止无功补偿器SVC由静电电容器与电抗器并联组成，SVC在我国电力系统中将得到广泛应用饱和电抗器型可控硅控制电抗器型(TCR)可控硅投切电容器型(TCR)TCR和TSC组合型静止无功补偿器14静止无功发生器它是一种更为先进的静止型无功补偿装置(SVG),它的主体是电压源型逆变器。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG地运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与SVC比较，SVG具有相应快、运行范围宽、谐波电流含量少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流154、无功功率平衡（1）基本要求无功电源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之和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16（2）系统无功功率平衡关系式：QGC－QLD－QL＝QresQGC为电源供应的无功功率之和，QLD为无功负荷之和，QL为网络无功功率损耗之和，Qres为无功功率备用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17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QGC＝QG∑＋QG∑总无功负荷QLD按负荷的有功功率和功率因数计算。网络的总无功损耗QL包括变压器的无功损耗QLT∑、线路电抗的无功损耗ΔQL∑和线路电纳的无功功率ΔQB∑，即QL＝QLT∑＋ΔQL∑＋ΔQB∑18（3）总结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各种对无功平衡的影响。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。195－3电力系统的电压管理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2035KV及以上：±5％10KV及以下：±7％低压照明：+5％，-10％农村电网：+7.5％，-10％(+10％，-15％)允许电压偏移指标21事故分析日本东京电力系统1987年7月23日发生电压崩溃造成大停电事故。起因是由于负荷增加过快，电压开始下降，最后发展到继电保护动作跳闸，导致三个变电所全停美国于1965年11月9日发生东北部大面积停电事故，起因是线路过负荷使后备保护起动，导致系统解列1982年8月7日，华中电网因220KV联络线A相对支路放电，继电保护动作跳闸，导致系统稳定破坏，各电厂和变电站电压大幅度下降，系统解环，电网失去大量无功电源，结果使湖北地区大面积停电，武汉钢铁公司等重要用户受到很大的损害，部分设备损坏22事故分析1972年7月20日，浙江电网因常湖线输送功率过大，导致发热弛度增大，而对低压线放电，继电保护动作跳闸造成系统稳定破坏，频率急剧下降，结果造成浙江电网全面瓦解，全省约71.5％的用户停电1972年7月27日，湖北电网因继电保护误动作，武汉电网频率急剧下降，迫使青山、黄石两个电厂全停。瑞典南部系统，于1983年12月27日因斯德哥尔摩西北部的海尔迈变电所进行倒闸操作时设备损坏造成单相接地故障，使几条线路切除造成电压大幅度降低。后来甚至发展到南北电网解列，频率和电压急剧下降，南部电网完全崩溃而大面积停电，事故损失达5000万美元23中枢点的定义电力系统中重要的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负荷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中枢点的选择区域性水、火电厂的高压母线枢纽变电所的二次母线有大量地方负荷的发电机电压母线一、中枢点的电压管理24二、中枢点的电压偏移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都有公共部分25SABASBOSBmaxt/hSSBminSAmaxSAmint/hVt/hV1、中枢点向两个负荷点供电26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％272、中枢点向多个负荷点供电其电压允许变化范围可按两种极端情况确定：在地区负荷最大时，电压最低的负荷点的允许电压下限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最低电压；在地区负荷最小时，电压最高负荷点的允许电压上限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最高电压283、如果中枢点是发电机的电压母线除了上述要求外，还应受厂用电设备与发电机的最高允许电压以及为保持系统稳定的最低允许电压的限制。294、如果在任何时候中枢点电压允许变化范围都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。30逆调压模式在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方式。一般采用逆调压方式，在最大负荷时可保持中枢点电压比线路额定电压高5％，在最小负荷时保持为线路额定电压。供电线路较长、负荷变动较大的中枢点往往要求采用这种调压方式。三、中枢点电压的调压模式31顺调压模式大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％；小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。对于某些供电距离较近，或者符合变动不大的变电所，可以采用这种调压方式。32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。即在任何负荷下，中枢点电压保持为大约恒定的数值，一般较线路额定电压高2％～5％。33四、电压调整的基本原理R+jXP+jQ1:K1Ub1:K2UGUb=(UGk1－△U)/k2≈(UGk1－)/k2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。PRQXV34可见，为了调整用户端电压Ub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Ug（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355－4电压调整的措施电压调整措施发电机调压改变变压器变比调压利用无功功率补偿调压线路串联电容补偿调压36一、发电机调压对于不同类型的供电网络，发电机调压所起作用不同（1）由孤立的发电厂不经升压直接供电的小型电力网，改变发电机端电压就可以满足负荷点的电压质量要求，不必另外在增加调压设备。（2）对于线路较长、供电范围较大、有多级变压的供电系统，发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求。37（3）对于由若干发电厂并列运行的电力系统，进行电压调整的电厂需有相当充裕的无功容量储备，一般不易满足。另外调整个别发电厂的母线电压，会引起无功功率重新分配，可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以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。38二、改变变压器变比调压改变变压器变比可以升高或降低次级绕组的电压。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。分接头设在高压绕组，与额定电压对应的为主分接头，其他为附加分接头，如35±2×2.5%/6.3KV。39△UT＝（PRT＋QXT）/U1U2＝(U1－△UT)/K式中，k＝U1t/U2N是变压器的变比，即高压绕组分接头电压U1t和低压绕组额定电压U2N之比。将k代入上式，得高压侧分接头电压U1t＝[(U1－△UT)/U2]*U2N当变压器通过不同功率时，可以通过计算求出在不同负荷下为满足低压侧调压要求所应选择的高压侧分接头电压。U2P+jQU1RT＋jXT（1）降压变压器分接头的选择40普通的双绕组变压器的分接头只能在停电得情况下改变，在正常的运行中无论负荷怎样变化只能使用一个固定的分接头。这样可以计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压U1tmax＝（U1max－△Utmax）U2N/U2maxU1tmin＝（U1min－△Utmin）U2N/U2min然后求取它们的算术平均值，即U1t.av＝（U1tmax＋U1tmin）/2根据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电压上的实际电压是否符合要求41当考虑负荷变化时，分别求出最大和最小负荷时的抽头选择，然后取其算术平均值，再进行校验是否满足电压要求，基本步骤如下：1、根据最大和最小负荷的运行情况，求出其一次侧电压和，以及通过变压器的负荷，求取变压器的电压损耗。1maxu1minumaxmaxPjQmaxmaxPjQmaxmin,VV424、选择邻近的接头作为所选择的接头1maxmax1max22maxtNVVVVV1minmin1min22mintNVVVVV3、取其算数平均值11max1min1()2tttVVV5、套用低压则电压计算公式进行验算1maxmax2max21TNtVVVVV1minmin2min21TNtVVVVV2、套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择43（2）升压变压器分接头的选择U1P+jQU2RT＋jX