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1、第4章 电力系统电压调整和无功功率控制技术,本章主要内容,第一节 电力系统电压控制的意义 第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系 第三节 电力系统电压控制的措施 第四节 电力系统电压的综合控制 第五节 电力系统无功功率电源的最优控制,第一节 电力系统电压控制的意义,学习目的： 掌握电力系统电压调节的必要性 掌握电力系统无功功率平衡与电压的关系,4,1、有功和无功的不同特点,产生：,有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机；,有功功率电源需要消耗能源;无功功率电源工作时基本不消耗能源；,运行：,由于电网中的线路以及变压器等设备均以感性元件为主，因此系统中无功功率损耗远远大于有功功率损耗。,无功
2、功率电源除发电机外，还有调相机、电容器和静止补偿器等，它们分散安装在各个变电所。,5,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。,调整：,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。,电压和频率一样，都是电能质量的重要指标！,频率调整: 1、全系统频率相同 2、调发电机 3、消耗能源 4、集中控制 5、调进汽量,电压调整： 1、电压水平各点不同 2、调发电机、调相机、电容器和静止补偿器等 3、不消耗能源 4、电压控制分散进行 5、调节手段多种多样,7,2、电压控制的意义,电力系统的电压和频率一样，都是电能
3、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。,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。,8,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。,A、对发电机和变压器的影响,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。,9,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
4、发出的功率。,B、对电动机的影响,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。,10,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。,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；,C、对电热设备的影响,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。,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。,D、损耗和绝缘,10kV及以下电压供电的负荷： 7； 35kV及以上电压供电
5、的负荷： 5； 低压照明负荷： 5 10； 农村电网（正常）： 7.5 10； 农村电网（事故）： 10 15； 在事故状态下，由于电力系统部分设备退出运行，电压损耗比正常大。考虑故障时间较短，电压偏移允许比正常值再多5，但电压的正偏移不应超过10。,我国规定在正常运行情况下各类用户允许电压偏移为：,一、电力系统无功功率控制与电力系统电压的关系 （回顾）,维持系统电压正常水平 整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：,第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系,13,电源所发出的无功功率必须满足负荷与损耗的需要,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
6、电容器和静止补偿器。,（4-1）,无功损耗包括三部分：变压器、线路电抗、线路电纳无功损耗。,（4-2）,要控制电力系统在额定电压运行，就要控制电力系统中无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时消耗的无功功率。,结论：维持电力系统电压在允许范围之内变化是靠控制电力系统无功电源的出力实现的。,二、 电力系统的无功电源,同步发电机 同步调相机 静电电容器 静止无功补偿装置 静止无功发生器,无功补偿装置,第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系,高压输电线路,一、同步发电机,发电机的工作方式： 1、发电机在额定状态下运行时，可作为无功电源。 2、发电机正常运行时以滞后功率因数运行为主，可作为
7、无功电源发出无功功率。 3、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。,同步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。,二、调相机,同步调相机相当于空载运行的同步电动机。 1、调相机工作方式： （1）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。 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，维持同步速度空转； （2）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
8、统供给感性无功功率起无功电源的作用； （3）当转子励磁电流小于此特定值时，称为欠励磁。 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。,改变同步调相机的励磁，可以平滑的改变它的无功功率的大小和方向，从而平滑的调节所在地区的电压。,2、同步调相机的特点,（1）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。 （2）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kVA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5Mvar的调相机。 （3）同步调相机的响应速度较慢，难以适应动态
9、无功功率控制的要求。 20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代。,19,提供无功功率和电压支持最廉价的方法,设在负荷区附近，通过提高受端负荷功率因数可以有效地扩大其电压稳定极限,（4-6）,式中 电容器的容抗； 交流电的角频率; C 电容器的电容量。,基本工作原理,优点：,人工投入，自动切除,三、并联电容器,20,容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，并且可以分相补偿，随时投入、切除部分或全部电容器组，运行灵活。,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。,21,其产
10、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。,缺点：,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；,四、静止无功补偿器,静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)，简称静止补偿器。由电力电容器与电抗器并联组成。 1、工作原理： 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。 2、类型： 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。,（1）由饱和电抗器和固定电容器并联组成
11、的静止补偿器,饱和电抗器L的特性是当电压大于某一定值时，随着电压的升高，铁心急剧饱和，相当于空心电抗器。 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铁心不饱和，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。,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，可维持母线电压在额定值附近。,（2）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,电
12、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，可使电抗器的无功功率由额定值变到零。,（3）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的响应迅速，通断次数不受限制，运行性能优于机械开关投切电容器。,总结：,（1）以上三种静止补偿器的共同点是其
13、中的电容器支路作为无功功率的电源。 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用，滤去补偿器中各电磁元件产生的5、7、等奇次谐波电流，防止高次谐波分量注入系统，这类支路是不可控的。 （2）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。,3、静止补偿器的特点,（1）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。 （2）与同步调相机相比较，静止补偿器运行维护简
14、单、功率损耗较小，响应时间较短，能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性。 20世纪70年代以来，在电力系统中应用越来越广泛。,五、静止无功发生器,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(SVG)。,它的主体部分是一个电压源型逆变器。 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
15、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。,静止无功发生器的特点：,(1) STATCOM输出的无功电流与电压无关； 当电压降低时，SVC输出的无功电流(补偿容量)减小，而STATCOM仍然可以产生较大的电容性电流。 (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。 它的端电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。因此，可得到较好的静态稳定性能和故障下的暂态稳定性能。由于STATCOM中电容器容量较小，在电网内普遍使用也不会产生低频谐振。 (4) STATCOM的谐波含量可以比同容量
16、SVC的低。 因为STATCOM可由多逆变桥串并联连接，并通过曲折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。,30,高压输电线路，特别是分裂导线，其充电功率相当可观，是电力系统所固有的无功功率电源。,高压输电线即产生无功，又消耗无功,产生无功：,消耗无功：,变化不大,随潮流而变,六、高压输电线路,本节小结,电力系统的无功电源： 发电机 同步调相机 静电电容器 静止无功补偿装置 静止无功发生器 高压输电线路,第三节 电力系统电压控制的措施,学习目的： 掌握电力系统常用的调压方法有哪几种？ 几种调压方法各有何特点？,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；,一、电压控制总原则,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,二、 电力系统电压控制的措施,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； 改变输送功率分布P+jQ（主要是Q） 改变网络参
