孙莹编)第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术

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C、对电热设备的影响 电炉等电热设备的发热量与电压平方成正比，电压降 低将大大降低发热量，使效率降低。 照明负荷，对电压变化反应灵敏。电压过高，白炽 灯的寿命将大为缩短；电压过低，亮度和发光效率要大 幅度下降。
D、损耗和绝缘 电压降低时，会使电网中的有功功率损耗和无功损耗 增加，过低还会危及电力系统运行的稳定性； 而电压过高，各种电气设备的绝缘会受到损坏，在超 高压输电线路中还将增加电晕损耗。
U2
P jQ
RT jX T
图4-7 降压变压器系统图
原则：在不同的负荷 情况下，满足调压要求；
目标：确定高压侧分 接抽头。
UT (PRT QXT ) / U1 U2 (U1 UT ) / K K U1t / U2N
U1tΒιβλιοθήκη U1UT U2U2N
不同负荷时电压发生变化，但分接抽头固定。
U U U U U 1t max
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调整： 电力系统正常稳定运行时，全系统频率相同。频率调 整集中在发电厂，调频控制手段只有调整原动机功率 一种。 电压水平在全系统各点不同，并且电压控制可分散进 行，调节控制电压手段也多种多样。
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电力系统的电压和频率一样，都是电能质量的重要 指标。
用电设备只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作 效率。
系统层面无功功率平衡外，地区也要基本上达到无功 功率的平衡，避免无功电网中大量传输。
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电力系统电压控制原理
一、电压控制总原则
经济性
◦ 无功潮流引起的有功损耗应最小；
安全稳定性
◦ 电网内各点电压都应在允许范围内； ◦ 电网应具有足够的无功功率余量；
基于分层和分区基本平衡的原则进行控制
➢ 无功无法远距离大规模传输
K2
◦ 改变输送功率分布P+jQ（主要是Q）
U
B
U
GK1
PR QX UN
K2
◦ 改变网络参数R+jX（主要是X）
U
B
U
G
K
1
PR QX UN
K2
U
B
U GK1
PR QX UN
K2
原理：
◦ 控制发电机励磁电流，可以改变发电机的端电压；
限制因素：
◦ 发热； ◦ 绝缘； ◦ 发电机在端电压偏离额定值不超过±5％范围运行；
UG
1: K1
K2 :1 UB
P jQ
R jX 图4-6 电力系统电压控制原理图
U B U GK1 U
K
2
U
GK1
PR QX UN
K2
控制负荷点电压可采取以下控制方式
◦ 控制发电机励磁电流； ◦ 控制变压器变比；
U
B
U GK1
PR QX UN
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（3）静止无功功率补偿器（SVC）
静止无功功率补偿器（Static VAR Compensator，简称SVC）是 一种发展很快的无功功率补偿装置，其工作原理下图所示。
•
Qi U
•
U
Q LC
QD
1
UN
2
QL
QC
IL
C L
IC 容性 o 感性
•
I
容性
(a)
(b)
图4-5 静止无功补偿器工作原理
•
G
Gi
C1
C2
C3
（4-2）
无功损耗包括三部分：变压器、线路电抗、线路电纳无功损耗。
Q Q Q Q
L
T
X
B
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•
UG
•
UG
Xd Eq
•
U
PD
jQ D
jX
PD
jQ D
•
U
YD
图4-1 电力系统接线图
U QD X UN
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当电力系统无功功率电源充足，电力系统可在较高电 压水平上保持平衡；
无功功率输送引起有功损耗及电压损耗，不能远距离 输送，无功功率补偿要在负荷中心地区设置。
当过激运行时，它向电力系统提供感性无功功率；欠 激运行时，从电力系统中吸收感性无功功率。
因此，改变同步调相机的励磁，可以平滑地改变它的 无功功率的大小及方向，从而平滑地调节所在地区的 电压。
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但在欠激状态下运行时，其输出功率为过激运行时 输出功率的50％～60％。
运行时产生有功损耗，满负荷时，有功损耗为额定 容量1.5％～5％，容量越小，有功损耗所占的比重越 大。
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（2）空调和热泵 • 空调属于电动机一类，但很多空调器不用接触器， 所以发生故障和电压下降时不会从系统断开； • 电压不稳现象极易发生在气温较高或较低及负荷较 重的情况下； • 测试表明，当故障清除时间在5周波及以上时，空调 在电压降至60%时减速直至失速； • 当故障清除更为缓慢时，空调在较高电压便可失速；
U
•
I LC
•
I o 感性
(c)
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静止无功补偿器不仅用于传输网络，而且广泛用于配 电系统中。 如在大型电动机的启动中应用SVC可以降低电压跌落 值；SVC亦可应用于单相负荷入电焊机和电气化铁路 供电系统中。
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SVC能快速、平滑的调节无功功率的大小和方向， 以满足动态无功功率补偿要求，尤其是对冲击性负荷 适应性较好。
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（1）同步发电机 同步发电机目前是电力系统中惟一的有功功率电
源，它又是基本的无功功率电源。 它所提供给电力系统的无功功率与同时输出的有功
功率有一定的关系，由同步发电机的P-Q曲线决定。
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P(MW )
SN PN
cos 0.85 40
0.8
0.5 0.4
40
QN 80
Q(MVAR)
图4-4 同步发电机的P-Q 曲线
➢ 在大型电力系统中仅仅作为一种辅助性的控制措施。
为什么分接头设 在高压侧？
容量为6300kVA及以下的变压器，高压侧有三个分接 抽头，分别为1.05、1、0.95倍的额定电压。
容量为8000kVA及以上的变压器，高压侧有五个分接 抽头，分别为1.05、1.025、1.0、0.975、0.95倍的额定电 压。
◦ 对于由发电机直接供电的小系统，供电线路不长，可采用发 电机直接控制电压方式。
特点：
➢ 不需要增加额外设备，是最经济的控制电压措施，可以优 先考虑。
➢ 输电线路较长、多电压等级的网络，并且有地方负荷的情 况下，仅仅依靠发电机控制调压不能满足要求。
➢ 在由多台发电机供电系统中，改变并联发电机母线电压会 引起无功功率重新分配；
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B、对电动机的影响 电压降低，异步电动机的转差率将增大。因而，电动机 各绕组中的电流也将增大，温升将增加，效率将降低， 寿命会缩短。
转差增大转速下降输出功率减少影响锅炉、汽轮 机的工作最终影响发电厂所发出的功率。
电压降低电动机启动过程增加，可能在启动过程中 因温度过高而烧毁。
电压偏高将加速设备绝缘老化，影响电动机寿命。
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U s
Ss
X
Ps
U sUr X
sin
Qs
U s (U s
Ur X
cos
)
U r 0
Sr
Pr
U sUr X
sin
Qr
Ur (U s
cos
X
Ur )
Qs
Us (Us Ur ) X
Qr
Ur (U s Ur ) X
无功功率传输主要取决于电压幅值，
总是从高电压节点流向低电压节点
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例 ： 当 Us=1.05p.u. ， Ur=0.95p.u. ， X=0.5p.u. ， 两 端 角 度差为45度，求两侧无功功率。
当电压偏离额定值较大时，会对负荷的运行带来不良 影响。影响产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起 电力系统电压崩溃，造成大面积停电。
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A、对发电机和变压器的影响 电力系统电压降低时，为了维持恒定功率，发电机的 定子电流增大。
为了使发电机定子绕组不致过热，不得不减少发电机 所发有功功率。
类似的，电力系统电压降低后，也不得不减少变压器 所带的有功负荷。
（2）大量传输无功会导致大的功率损耗和电压损耗；
（3）防范“甩负荷”引起的瞬时过电压不能大幅度传 输无功
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电源所发出的无功功率必须满足负荷与损耗的需要
QG QD QL
（4-1）
电源供应的无功功率，包括发电机、无功补偿设备供应无功功 率，后者又可分为调相机、并联电容器和静止补偿器。
Q Q Q Q Q
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（3）放电照明设备
• 照明可能占到商用负荷的20%； • 照明基本上是静态的，但在低电压期间会熄灭；直 至电压恢复，在一个短时延迟后重新点燃；
• 一般有功部分为恒流，无功部分为电压四次方；无 功特性有助于电压稳定性
• 新的电子镇流器、高效率灯和光控设备接近于恒定 视在功率负荷；
• 白炽灯通常被看作具有恒定阻抗特性；
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（1）异步电动机 • 负荷中大部分是电动机；象居民区中的空调、冰箱； 工业中的各种泵、鼓风机、风扇等。
• 电动机选择通常是容量过大，约有一半的大马力电 动机运行在额定功率的60%以下。
• 电动机吸收的稳态有功值基本上与电压无关；但无 功值对电压水平较灵敏。
• 当电压开始降低时，无功会瞬时减少；但电压进一 步降低时，无功反而增加。
• 电容器的有功损耗小（约占额定容量的0.3％一0.5 ％），投资也节省。
• 允许附近的发电机在功率因数为1.0附近运行，增 加了系统快速响应的无功储备，对电压稳定有利。
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缺点： • 其产生的无功功率正比于电压的平方，在系统低电 压期间无功输出反而下降，这是一个恶性循环问题。 • 一个大量应用并联电容器补偿无功的系统，电压调 节能力反而变差；