第六章 电力系统的无功功率和电压调整

1. 第六章 电力系统的无功功率和电压调整 • 主要研究内容及其相互关系 • 引言：Q～U与P～f的区别 • 6.1电力系统中的无功功率平衡 • 6.2电力系统中无功功率的最优分布 • 6.3电力系统的电压调整—电压管理和借发电机、变压器调压 • 6.4电力系统的电压调整—借补偿设备调压和组合调压

2. 主要研究内容及其相互关系 无功和电压管理的目的：保证电压质量，降低有功损耗 无功和电压的管理方法 电压调整 无功平衡与优化 电压波动限制 条件 手段 目标 方式 计算方法 条件 手段 发电机、变压器、无功补偿设备 可预见性的电压变动 逆调压、顺调压、常调压 中枢点电压满足要求 接大系统 并联电容器 并联调相机 并联饱和电抗器 随机冲击性的电压波动 变压器、无功补偿设备

3. 无功和电压调节与有功和频率调整的区别 • 有功电源：只有发电机组，单一性。无功电源：发电机组，无功补偿装置（电容器组、电抗器组、调相机、静止补偿器等）（变电站），多样性。 • 有功电源供应有功功率和电能需要消耗一次能源。无功电源不消耗一次能源。 • 全系统频率相同，频率调整集中在发电厂，调频手段只有调整原动机功率一种。电压水平则全系统各点不同，而且电压调整可分散进行，调压手段也多种多样。 ——电压无功调整的基本原则：分层分区调整与无功的就地平衡 • 电网中，无功损耗远大于有功损耗。

4. 无功损耗远大于有功损耗

5. 6.1 电力系统中的无功功率平衡 • 基本概念常用的无功电源有哪几类？各自有何主要特点（范围、控制方式、与电压的关系、单位投资、维护费用、反应速度）？ • 6.1.1 无功负荷和无功损耗——无功负荷——无功损耗 • 6.1.2 无功功率电源 • 6.1.3 无功功率的平衡（满足电源功率因数的要求） • 6.1.4 例6-1（Page-225）-无功补偿的作用

6. 6.1.1 无功负荷和无功损耗——无功负荷 • 照明、电热，消耗感性无功QL小。 • 同步电动机，有励磁绕组，通过励磁电流的调节，可以调节其输出无功的大小。过激运行，发QL ；欠激运行，吸收QL。在综合负荷中比例小。 • 异步电动机，消耗QL ，在综合负荷中比例很大。 • 综合负荷功率因素，0.6～0.9，滞后（感性无功）

7. 6.1.1 无功负荷和无功损耗——无功损耗 线路 额定负载五级变压 单个 感性无功 变压器 50% 10% 1~2% 7% 多电压级网络，变压器的无功损耗很大，远大于有功损耗

8. 6.1.2 无功功率电源* • 发电机与并联电容器 • 并联电抗器与调相机 • 静止无功补偿器（SVC）－Static Var Compensator——静止补偿器（SVC）的类型 ——静止补偿器（SVC）的等值电路——静止补偿器（SVC）的伏安特性——静止补偿器（SVC）特点 • 静止调相机（STATCON）—Static Condenser——静止调相机的等值电路——静止调相机的无功调节原理 • 电容器、调相机、静止补偿器的比较 见书Page-223

9. P SN PN Q<0,吸QL QN Q>0,发QL 6.1.2 无功功率电源*——发电机与并联电容器 • 发电机：通过改变励磁电流，可连续调节无功，且可吸可发感性无功，不需额外投资。 • 并联电容器：QC＝BCU2， 输出无功与电压有关，电压越高，输出无功越大，不利于无功调节；只发感性无功，投资小，经济性好。不可连续调节，不能作为动态无功电源。

10. 6.1.2 无功功率电源*——并联电抗器与调相机 • 并联电抗器：输出无功与电压有关，只发容性无功，用于超高压、长距离、轻载线路。投资小，经济性好。不可连续调节，不能作为动态无功电源。 • 调相机：过激运行，发感性无功；欠激运行，吸收感性无功。输出无功与U无关，可连续调节，但投资大，运行维护困难。

11. 6.1.2 无功功率电源*——静止无功补偿器（SVC）的类型 SVC：Static Var Compensator； TCR：Transistor Controlled Reactor TSC ：Transistor Switched Capacitor； SR ：Saturated Reactor

12. SR C C Lf CSC （b）SR型 不可控，限制电压波动 （b）TSC型 6.1.2 无功功率电源*——静止无功补偿器（SVC）的等值电路 C C 滤波器 Lf （a）TCR型 晶闸管代替机械开关

13. U U U SR C n=1 C n=2 TCR n=3 SR+CSC Umin Umin 0 0 ILmax I 0 ICmax IC IC I IL IL 6.1.2 无功功率电源*——静止无功补偿器（SVC）的伏安特性 TCR TSC SR

14. 6.1.2 无功功率电源*——静止无功补偿器（SVC）特点 • 输出无功仍然与电压有关，但可连续快速调节，可作为动态无功电源。 • TCR：通过TCR中晶闸管开关的控制，连续调节其吸收的IL；结合电容器，可吸可发IL 。投资大，主要用于500kV电网，以提供动态无功电源。 • TSC：通过晶闸管开关的切换，调节其吸收的IC（即输出IL），可频繁投切；只能输出IL 。用得很少。 • SR：根据SR的伏安特性，自动调节其吸收的IL。结合电容器，可吸可发IL 。用得很少。

15. 6.1.2 无功功率电源*——静止调相机的等值电路 静止调相机/静止无功发生器/静止无功同步补偿器 Statcon / SVG / Statcom 输出Q与U无关，可快速连续调节感性或容性无功；投资大，技术不成熟。 A k：1 a 逆变器 k：1 C

16. 6.1.2 无功功率电源*——静止调相机的无功调节原理 跟踪接入点电压相位，调节逆变器输出电压幅值，实现感性或容性无功调节。

17. A B PL KG KC Q PGN ∑QGCN PG ∑QGC f f1 fN ∑QL+△Q∑ 0 U UN U 6.1.3 无功功率的平衡 • 有功电源不足，相应的有功平衡，意味着频率的下降 • 无功电源不足，相应的无功平衡，意味着电压的下降 A B A、B两平衡点， B点电源不足，频率（电压）小于额定值

18. 6.1.4 例6-1（Page-225）-无功补偿的作用 • 已知线路末端负荷和首端电压，根据首端功率因数的要求(也可以根据末端电压调整量的要求)，确定末端无功补偿的容量；——无功补偿的功率因数调节（降损）和电压调节的双重作用 • 书上方法比较近似：为了满足电源功率因数要求，则负荷功率因数应该比电源功率因数大（因为无功损耗比有功损耗大），但具体补偿量的确定是采用经验的试探法。比如电源要求为0.85，则负荷功率因数为0.9，其中没有严格的定量关系。

19. 6.1.4 例6-1（Page-225）-无功补偿的作用 R+j X Pj+j Qj i j Pi , Qi ,cos QC 无功调节 有功损耗调节 电压调节

20. 6.2 电力系统中无功功率的最优分布(略） • 无功功率电源的最优分布和无功功率负荷的最优补偿，即无功的运行优化问题和规划问题。无功优化：通过现有无功电源和调压设备（变压器分接头）的控制，使无功的潮流分布合理，以降低有功网损，提高电压质量等。无功规划：通过规划无功电源和调压设备的位置、容量、调节能力，以满足无功平衡、电压质量、电压稳定和投资成本的要求。 • 负荷的自然功率因数大约为0.6～0.9。负荷中比例最大的异步电动机，其负荷率愈低，功率因数愈低。当其轻载或空载运行时，其功率因数甚至低于0.6。 • 提高负荷功率因数的措施：(1)尽量使电动机的容量与其机械负载匹配。(2)限制电动机的空载运行。(3)同步电动机不需系统供应无功功率，甚至还可向系统输出无功功率,因此尽量以同步电动机代替异步电动机或将绕线式异步电动机同步化。

21. 6.3电力系统的电压调整——基本概念和计算方法6.3电力系统的电压调整——基本概念和计算方法 • 电压调整时负荷变动及其引起电压的偏移分类有几种？具体是什么？ • 限制冲击性负荷引起的电压波动的主要措施及其作用原理是什么？ • 电压调整针对的电压变动产生的原因是什么？ • 什么是电压中枢点？ • 中枢点电压的调整方式有那些？什么是逆调压、顺调压和常调压？ • 电压调整的主要手段有那些？（发电机、变压器、无功补偿及其组合调压等）？ • 变压器分接头调压或者电容器调压的计算方法？

22. 6.3电力系统的电压调整——电压管理和借发电机、变压器调压6.3电力系统的电压调整——电压管理和借发电机、变压器调压 • 6.3.1 调整电压的必要性 • 6.3.2 电压波动和电压管理6.3.2.1 电压波动6.3.2.2 电压管理6.3.2.3 电压调整的主要手段及其调压原理（补充） • 6.3.3 借改变发电机端电压调压——发电机端电压调节的原理示意图——发电机端电压调节的特点 • 6.3.4 借改变变压器变比调压（考虑最大最小两种负荷状态的单一变压器变比调压）

23. 6.3.1 调整电压的必要性 • 电压偏移过大，影响生活、生产、产品质量和产量，损坏设备，甚至大面积停电。 • 电压过高，设备绝缘受损，同时变压器、电动机等的铁芯损耗增大，稳升增加，寿命缩短。 • 电压过低，功率一定时，发电机、电动机和变压器的绕组电流增大，也会损坏设备，影响寿命。 • 电压波动，影响照明设备的效率，冶炼产品的的质量和产量，而对枢纽变电站，严重时可能引起“电压崩溃”，造成大面积停电。

24. 6.3.2.1 电压波动 • 负荷变动及其引起电压的偏移分类 • 限制冲击性负荷引起电压波动的主要措施（1）大系统专用母线或线路单独供电（2）设置串联电容器（3）设置调相机和电抗器（4）设置静止补偿器

25. 6.3.2.1 电压波动——负荷变动及其引起电压的偏移分类 • 频率调整时将有功负荷的变动及其引起的频率偏移分成三种，而电压调整时，将有功和无功负荷的变动及其引起的电压偏移分成两类。 • （1）周期长、波及面大，主要由生产、生活、气象变化等引起的负荷和电压变动。——电压调整的负荷变动特点 • （2）冲击性或者间歇性负荷引起的电压波动。这类负荷主要有往复式泵（压缩机）、电弧炉（电焊机）、卷扬机（起重机）、通风设备。——电压波动限制的负荷变动特点

26. 一般负荷 电源 输电系统 冲击负荷 一般负荷 电源 冲击负荷 输电系统 CS 6.3.2.1 电压波动——设置电容器、设置调相机和电抗器 （2）串联电容器：抵消线路电抗，限制电压波动幅度 （3）调相机补偿：提供波动负荷所需的波动无功功率，减小电压波动幅度。串联电抗器：隔离波动负荷，维持公用母线电压的恒定。

27. 一般负荷 电源 冲击负荷 输电系统 6.3.2.1 电压波动——设置饱和电抗器型静止补偿器 （4）饱和电抗器（SR）补偿：随电压的波动快速提供波动的无功功率，从而维持公用母线供电电压的恒定。

28. 6.3.2.2 电压管理 • 电压调整的电压变动原因与电压中枢点 • 中枢点电压曲线的编制目标：尽可能满足终端负荷的电压偏移要求——终端负荷及负荷曲线——允许电压偏移及电压损耗曲线——电压中枢点的电压调整量计算——中枢点电压曲线的编制 • 中枢点电压的调整方式

29. 6.3.2.2 电压管理——电压调整的电压变动原因与电压中枢点 • 电压调整所针对电压变动的原因：（1）生产、生活、气象变化引起的负荷变动。（2）个别设备因故障而退出运行造成的网络阻抗变化；（3）系统结线方式改变引起的功率分布和网络阻抗变化。 • 电压调整的目标：保证各电压中枢点的电压偏移不越限。 • 电压中枢点：指某些可反应系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电站母线。

30. Sj Sk △Uij j △Uik i 0 8 24 16 k hour 0 8 24 16 hour (a) (b) (c) 6.3.2.2 电压管理——终端负荷及负荷曲线 负荷点位置 日负荷曲线 负荷大小和距离不同，导致各线路各时段的电压损耗不一样

31. △Uij 1.05UN 0.10UN U △Uik UN 0.03UN 0.95UN 0.01UN 0.04UN 16 8 0 24 24 0 16 8 hour 0 24 16 8 hour hour (d) 6.3.2.2 电压管理——允许电压偏移及电压损耗曲线 (e) 日电压损耗曲线 允许电压偏移

32. 6.3.2.2 电压管理——电压中枢点的电压调整量计算 0～8点 8～16点 16～24点

33. Ui 1.15UN 1.09UN 1.08UN 1.06UN 1.05UN UN 0.99UN 0.98UN 0.96UN 0 16 8 24 hour 6.3.2.2 电压管理——中枢点电压曲线的编制 中枢点电压曲线

34. 6.3.2.2 电压管理——中枢点电压的调整方式 • 逆调压:高峰负荷时升高电压、低谷负荷时降低电压的中枢点电压调整方法。 • 顺调压：高峰负荷时允许中枢点电压略低；低谷负荷时允许中枢点电压略高。 • 常调压：在任何负荷下都保持中枢点电压为一基本不变的数值。 • 故障时的允许电压偏移较正常时再增大5%

35. 6.3.2.3 电压调整的主要手段及其调压原理——调压手段及调压范围 • 主要的调压设备：发电机、变压器和其它无功补偿设备（如并联电容器/电抗器和SVC等）、直流输电系统 • 调压的主要手段：（1）调节发电机的端电压，（2）调节变压器的分接头，（3）调节无功补偿设备的无功投切容量，（4）发电机、变压器与无功补偿设备的组合调压。 • 调压的空间范围：单个发电厂变电站的VQC控制，多个厂站的AVC控制，全局的综合无功优化三级控制。 • 调压的时间范围：单个时段（单一负荷水平）的静态控制、多个时段（多种负荷水平的动态控制）。

36. 6.3.2.3 电压调整的主要手段及其调压原理——基本调压原理 变压器分接头档位的信息： UT1N±n×d%/UT2N 2 R+jX k: 1 UG 1 L 两组电容器 QC 两组电抗器 UG 发电机调压： 连续 变压器调压： i 离散 调相机或SVC 连续或离散 补偿设备调压： QC 调压原理:

37. 6.3.3 借改变发电机端电压调压——发电机端电压调节的原理示意图 △Umax=10% △Umax2=6% △Umax=4% UG k*:1 △Umin=4% △Umin=1.6% △Umin2=2.4% 5% k*=1/1.1 +4.4% UG逆调压 低压侧升压10% +2% +1% 0 -4% -5.6% -5% -5% -9%

38. 6.3.3 借改变发电机端电压调压——发电机端电压调节的特点 • 是一种最直接的最经济的调压方式，不需新增投资，只需改变发电机励磁电流。 • 对于多级供电网络，如果沿线电压损耗过大，或者负荷端电压的变化过大，则仅靠发电机调压，不能满足电压质量要求。

39. 6.3.4 借改变变压器变比调压 • 有载调压变压器与普通（无载）调压变压器 • 变压器的分接头电压与实际变比 • 变压器的实际变比计算 • 降压变压器分接头选择的示例（考虑大小两种负荷的单个变压器低压侧电压控制要求） • 升压变压器分接头的选择（不要求）（书上内容不符合实际，因为升压变压器低压侧常常直接接发电机，其低压侧电压即为发电机机端电压，不需要变压器调节，而变压器分接头电压的调节是为了满足高压侧的调压目标而不是书上的满足低压侧的调压目标）

40. 6.3.4 借改变变压器变比调压——有载调压变压器与普通（无载）调压变压器 变压器分接头信息：UT1N±n×d%/UT2N 低压侧额定分接头电压 分接头 总数 分接头电压级差 最大/小档位数 高压侧额定分接头电压 有载调压变压器，可带负荷调压，分接头多。 无载调压变压器，不可带负荷调压，分接头少。

41. 6.3.4 借改变变压器变比调压——变压器的分接头电压与实际变比 变压器的分接头电压： UTN：额定分接头电压（或主抽头电压） 变压器的实际变比： 等于其高低压侧分接头电压之比也等于其理想变压器高低压侧实际电压之比

42. k：1 k：1 1 2 2 1 变压器阻抗为高压侧归算值 图6-4-2 图6-4-1 6.3.4 借改变变压器变比调压——变压器变比的计算 高低压侧分接头电压之比 高压侧 低压侧 变压器阻抗为低压侧归算值 高压侧 低压侧 理想变压器高低压侧实际电压之比

43. 6.3.4 借改变变压器变比调压——降压变压器分接头选择的示例 • 已知条件及计算要求 • 画等值电路 • 电压损耗计算 • 分接头电压计算 • 分接头电压计算值的归档 • 变比的确定 • 变比选择的效验 • 降压变变比选择中的几个问题

44. 2 0 1 T L 降压变压器分接头选择的示例——已知条件及计算要求 • 已知最大与最小负荷时的系统电压U0、负荷点2的功率，线路阻抗ZL，变压器的阻抗ZT、抽头型号UT1N±n×d%/UT2N =110±2×2.5%/11。要求通过变压器分接头的调节来满足负荷点2在最大与最小负荷状态时的调压目标（逆调压），并确定变压器的变比。 图6-4-3 简单系统

45. 降压变压器分接头选择的示例——等值电路 Pmax+jQmax Pmin+jQmax k：1 ZL ZT 0 1 2 理想变压器 图6-4-4 简单系统的等值电路 忽略线路的对地导纳和变压器的激磁导纳 近似简化计算，重点是掌握变压器分接头调压的原理

46. 降压变压器分接头选择的示例——电压损耗计算降压变压器分接头选择的示例——电压损耗计算 忽略电压降落的横分量，近似简化计算 理想变压器高压侧实际电压计算

47. 降压变压器分接头选择的示例——分接头电压计算降压变压器分接头选择的示例——分接头电压计算 理想变压器高低压侧抽头电压之比等于其实际电压之比。 有载调压变压器，两种负荷水平选择不同的变比 无载变，只能有一个分接头电压

48. 降压变压器分接头选择的示例——抽头电压计算值的归档降压变压器分接头选择的示例——抽头电压计算值的归档 • 如：本例中，抽头型号110±2×2.5%/11，相应的标准抽头电压有104.5、107.25、110、112.75、115.5。若抽头电压计算值UT1=106，则UT1标=107.25；即选择最接近UT1的一个标准抽头电压来进行归档。

49. 降压变压器分接头选择的示例——变比的确定

50. 降压变压器分接头选择的示例——变比选择的效验降压变压器分接头选择的示例——变比选择的效验 本例：U2dmin=U2N=10kV，U2dmax=1.05U2N=10.5 kV，d=2.5，则允许误差为±1.25%。即：