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1、第5章 电力系统电压调节,2,4,5. 1 电力系统电压控制的意义,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,5. 3 无功功率的平衡与电压水平的关系,5. 4 电力系统的电压管理,返回,5,5. 5 电力系统电压调节方法,5. 1电力系统电压控制的意义,电压是衡量电力系统电能质量的标准之一。电压过高或过低，都将对人身及其用电设备产生重大的影响。保证用户的电压接近额定值是电力系统运行调度的基本任务之一。当系统的电压偏离允许值时，电力系统必须应用电压调节技术调节系统电压的大小，使其维持在允许值范围内。 各种用电设备都是按照额定电压来设计制造的，只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作效率。当电压偏
2、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。,下一页,返回,5. 1电力系统电压控制的意义,5.1.1电压对电力用户的影响 电力系统实际电压偏高或偏低，对运行中的用电设备都会造成不良的影响。 对于异步电动机而言，当电压降低时，转矩随电压的平方成比例下降，便如，当电压降低20%时，转矩会降低到额定转矩的64，电流增加20% 35% ,温度升高，造成电动机转速降低，可能导致生产的产品报废，电动机绕组过热，绝缘加速老化，甚至烧毁电动机。当电压过高时，电动机、变压器等设备铁芯会出现饱和、铁耗增大、激磁电流增大，也会导致电机过热，
3、效率降低，波形变坏。对其他电气设备，如电炉的用功功率与电压的平方成正比，炼钢厂中的电炉会因电压降低而增加冶炼时间，从而影响产量。,上一页,下一页,返回,5. 1电力系统电压控制的意义,电压过低时，照明设备的发光频率和亮度会大幅度下降。电压过高将使所有电气设备绝缘受损;使变压器、电动机等的铁芯饱和程度加深，铁芯损耗增大，温升增加，寿命缩短。电压变化也将使其运行性能变坏，甚至发生人身伤亡、设备损坏等事故。 5. 1. 2电压对电力系统的影响 电力系统电压偏离额定值过大不仅影响电力用户的正常工作，同时也会影响电力系统本身。 电压降低，使网络中的功率损耗和能量损耗加大，电压过低还可能危及电力系统运行的
4、稳定性。电厂中的厂用机械是由电动机驱动的。电压下降会使电动机转速下降、出力减少，并影响厂用机械的出力。,上一页,下一页,返回,5. 1电力系统电压控制的意义,这将直接影响锅炉和汽轮机的运行，严重时会使电厂出力下降，危及电力系统的安全运行。 在系统中无功功率不足、电压水平低下的情况下，某些枢纽变电所在母线电压发生微小扰动的情况下，顷刻之间会造成电压大幅度下降的“电压崩溃”现象，其后果是相当严重的，可能导致发电厂之间失去同步，造成整个系统瓦解的重大停电事故。 在电力系统的正常运行中，随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变，网络中的电压损耗也随之发生变化。要保证用户在任何时刻都能在其额定电压下工作是
5、不现实的。但其电压偏移必须限制在允许的范围内。,上一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,5. 2. 1无功电源 1.发电机 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。发电机在额定状态下运行时，可发出的无功功率为: 现在讨论发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功功率。如图5-1所示为发电机运行的P-Q极限图。图5-1中，以A为圆心，以AB为半径的圆弧表示额定视在功率的限制;以O为圆心，以OB为半径的圆弧表示额定转子电流的限制;而水平线DB表示原动机出力限制。,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,从图中可以看出，发电机只有在额定电压、电流和功率
6、因数下运行时，视在功率才能达到额定值，使其容量得到充分利用。 发电机以低于额定功率因数运行时，其无功功率输出将受到转子电流的限制。发电机正常运行时以滞后功率因数运行为主，必要时也可以减小励磁电流在超前功率因数下运行，即所谓进相运行，以吸收系统中多余的无功功率。当系统在低负荷运行时，输电线路电抗中的无功功率损耗明显减少，线路电容产生的无功功率将有大量剩余，这将引起系统电压升高。在这种情况下选择部分发电机进相运行将有利于缓解电压调整的困难。在发电机进相运行时，发电机的角增大，为保证静态稳定，发电机的有功功率输出应随着电势的下降逐渐减小。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损
7、耗,图5 -1中D-G-H段示意地画出了按静态稳定约束所确定的运行范围。进相运行时，定子端部漏磁增加，定子端部温升是限制发电机功率输出的又一个重要因素。对于具体的发电机一般要通过现场试验来确定其进相运行的容许范围。 由上分析可知，发电机供给的无功功率不是无限可调的，当发电厂距用户较远时，无功功率所引起的线损较大，在这种情况下，则应在用户中心设置补偿装置。 2.调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机。当它的转子励磁电流刚好为某一特定值时，它发出的无功功率恰好为零。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,这时仅从电网中吸收少量的有功功率用来克服机械旋转阻力，维持同步
8、速度空转，当转子励磁电流大于此特定值时，称为过励磁。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率起无功电源的作用;在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率起无功负荷作用。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁时转子的励磁电流不得小于过励磁时最大励磁电流的50%，相应地，欠励磁时从电网吸取无功功率的最大值，也仅为过励磁时它能发出的最大无功功率的50%。装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出(或吸取)的无功功率，进行电压调节。特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下，还能调整系统的电压，有利于提高系统的稳定性。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功
9、功率损耗,同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂，一次性投资较大。它的有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的1. 5%5%，容量越小，百分值越大。小容量的调相机每千伏安容量的投资费用也较大。故同步调相机宜于大容量集中使用，安装于枢纽变电站中，一般不安装容量小于5 MVar的调相机。 3.静电电容器 静电电容器只能向系统供给无功功率。所供无功功率QC与所在节点的电压U的平方成正比，当节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,因此，当系统发生故障或由于其他原因而导致系统电压下降时，电容器的无功功率输出反而比平常还少，这将导致
10、电压继续下降。显然，电容器的无功功率调节能力较差。 为了在运行中能够调节电容器供给的无功功率，可根据需要按三角形接法或星形接法成组地连接到变电站的母线上。根据负荷变化分组投入或切除。因此，静电电容器组的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。静电电容器在运行时的功率损耗较小，为额定容量的0. 3%0. 5 %，电容器每单位容量的投资费用较小且与总容量的大小无关。此外由于它没有旋转部件，维护方便，因而在实际中仍被广泛使用。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,4.静止无功补偿器 静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC
11、)，简称静止补偿器。由电力电容器与电抗器并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。 静止补偿器有很多类型，其部件主要有饱和电抗器、固定电容器，晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器。 如图5 -2所示为由饱和电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器的原理图和伏安特性。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,由图5 -2 ( b)可以看出，在补偿范围内，电压的稍许变化将引起电流大幅度变化。采用自饱和电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器，几乎可以完全消除电压波动，可维持母线
12、电压在额定值附近。正常运行时，补偿器工作在A点，当电压低于额定电压时，电抗器L铁芯不饱和，电抗器与串联电容器组合回路的总感抗大，故基本上不消耗无功功率，并联电容器C发出的无功功率使母线电压升高。当电压高于额定电压时，由于此时的电抗器因饱和感抗小，所吸收的无功功率增加，从而使母线电压降低。 如图5 -3所示为由晶闸管控制电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器(TCR + FC)。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,电抗器L与反向并联连接的晶闸管串联，依靠控制晶闸管的触发角来改变电抗器的电流大小，即可平滑地调整电抗器吸收的无功功率的大小。当触发角由90变到180时，可
13、使电抗器的无功功率由额定值变到零。 图5 -4所示为由晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器并联组成的静止补偿器(TCR + TSC）。图中采用一组固定电容器和三组晶闸管投切电容器与电抗器并联。每组晶闸管投一切电容器回路串有小电感，其作用是降低晶闸管开通时可能产生的电流冲击。晶闸管投切电容器作为无功功率电源，虽然不能平滑调节输出的功率，但晶闸管对控制信号响应迅速，通断次数不受限制，运行性能优于机械开关投切电容器。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,上述3种静止补偿器共同点是其中的电容器支路作为无功功率的电源，且电容器C与电感Ls串联构成谐振回路，起到高次谐波滤波器的作
14、用，滤去补偿器中各电磁元件产生的5, 7, 11, 13,奇次谐波电流，防止高次谐波分量注入系统，这类支路是不可控的。它们的不同点在电抗器支路，其中后两种静止补偿器都是可控电抗器。静止补偿器向系统供应感性无功功率的容量取决于它的电容器支路，从系统吸取感性无功功率的容量则取决于它的电抗器支路。 静止补偿器能快速平滑地调节无功功率，以满足无功功率的要求，这样就克服了静电电容器作为无功补偿装置只能作为无功电源而不能作为无功负荷、调节不连续的缺点。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,与同步调相机相比较，静止补偿器运行维护简单、功率损耗较小，响应时间较短，能做到分相补偿以适
15、应不平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性。 5.静止无功发生器 由于电力电子技术的飞速发展，使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿器已开始进入实用阶段。这种装置称为静止补偿器(Static Compensator, STATCOM)，或称为静止无功发生器(SVC)。其原理如图5-5所示。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,它的主体部分是一个电压源型逆变器，逆变器中有6只大功率可关断晶闸管分别与6只二极管反向并联，适当控制晶闸管的通断，可以把电容上的直流电压转换成与电力系统电压同步的三相交流电压，逆变器的交流侧通过电抗器或变压器
16、并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变静止无功发生器的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。STATCOM与SVC比较，STATCOM具有以下一些特点。 (1)当电压降低时，SVC输出的无功电流(补偿容量)减小，而STATCOM 仍然可产生较大的电容性电流，即STATCOM输出的无功电流与电压无关。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,(2) STATCOM有较大的过负荷能力，GTO的开断容量可以达120%180 %稳态额定容量。 (3)可控性能好，其电压幅值和相位可快速调节。 (4) STATC OM的谐波含量可以比同容量SVC的低，因为STATCOM可由多逆变桥串并联连接，并通过曲拆绕组变压器进行叠加后，可得到较理想的正弦电压和电流波形。 5.2.2电力系统的无功负荷 电力系统的无功负荷包括异步电动机、同步电动机、电炉和整流设备等。,上一页,下一页,返回,5. 2 电力系统无功电源及无功功率损耗,其中异步电动机占的比重较大、消耗的无功功率较多，也就是说，系统中大量的无功负荷是异步电动机，因此，系统
