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1、电力工程,山东电力高等专科学校,第二章 电力系统运行特性及分析 第四节 无功功率平衡与电压调整,一、概述,电压是表征电能质量的又一重要指标。电力系统中的用电设备是按照标准的额定电压来设计制造的。保证用户用电设备的电压与其额定电压值的偏移不超过允许的数值是电力系统运行调度的基本任务之一。,电力系统正常运行的时候，负荷随时都在发生变化，电力系统的运行方式也常有变化。它们都将使得网络中潮流发生变化，从而网络中电压损耗相应地各节点电压也随之发生变化。实际上，要保证系统中各节点联接的所有用户的电压在任何时刻都为额定值是不可能的。各节点电压值在运行过程中总会有一定的偏移，只要电压偏移在允许的范围内，就能保
2、证用户及电力系统正常的运行。,GB12325-90供电电压允许偏差中规定为： 用户受端电压允许偏差： （1）35k及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%； （2）10k及以下三相供电为7%； （3）220单相供电为+7%，-10%； （4）特殊用户，按供电合同商定的数值确定。,变压所母线电压允许偏差： （1）220k正常时为010%，事故时为-5%+10%； （2）11035k正常时为- 3%+7%，事故时为10%； （3）10（6）k应符合用户受端（2）、（3）、（4）条款。,电压偏移过大，对用户和系统本身都将产生不利影响。 1.对用户的影响： （1）对于照明负荷，电压降低时，照明灯发光效率
3、降低，影响人的视力和工作效率，而电压偏高时，照明设备的寿命将会缩短。 （2）电炉等电热设备的出力大致与电压的平方成正比，电压降低会延长电炉的冶炼时间而降低生产率。,（3）异步电动机的电磁转矩与其端电压的平方或高次方成正比，当电压降低时导致电动机减速，甚至停转。若电动机所拖动的机械负载的阻力矩不变，电压降低时，电动机绕组过流，使绕组温度升高，影响使用寿命。 （4）各种精密的电子设备，对电压要求更高。当电压过高时，严重影响电子设备的寿命，当电压偏低时，使电子设备工作点不稳定，甚至不能工作。,2.对系统的影响： 当电压降低时，会使电网的功率损耗、电能损耗加大，甚至危及电力系统运行的稳定性；而电压偏高
4、时，系统中各种电气设备如发电机、变压器等的绝缘可能受到损坏。 电力系统正常运行中，要严格保证所有用户的电压在任何时刻都保持为额定值是不可能的，因为用户的端电压是随着电网的电压损耗而变动的，而电压损耗的大小，一方面随着负荷大小的改变而变化；另一方面又随着电力系统运行方式的改变而变化。由此出现电压偏移是不可避免的，但必须确定一个合理的电压偏移。,二、无功功率与电压质量的关系,正常运行状态下，电压的变化主要由负荷变动引起。现以一条简单的输电线路为例，看其负荷的有功功率和无功功率对节点电压的影响。,如图所示的简单系统，用户负荷已知。设线路末端电压已知，线路每相阻抗已知，则略去导纳后的等值电路如图所示：
5、,通过输电线路向负荷输送功率时，在其阻抗上将产生电压降。以末端电压为参考相量，电压的纵分量和横分量为下式：,则输电线路始端电压和末端电压的关系为：,由于高压电网中，V及以上的输电线路RX，则上式可以简化为：,由上式可以分别得到下式：,从上式我们可以看出：输电线路的有功功率与线路两端电压之间的相位角有关。,一般输电线路两端电压之间的相位角比较小，可以近似认为，这说明输电线路两端传输的无功功率大小和方向主要取决于两端电压的大小。，并由电压高的一端流向电压低的一端。两端电压差值越大，流过的无功就越大。如果两端电压值相等，则流过线路的无功功率基本为零，这时，末端负荷所需的无功功率由设在末端的无功电源供
6、给。,如果无功功率需要由输电线路传输，就必须提高首端电压或降低末端电压。倘若“提高”或“降低”某端电压使该点电压值超过允许的偏移时，就应该减少线路上传输的无功功率来保证端电压不超过允许值，供给末端负荷不足的无功功率只有由设在末端的无功电源来补充。这就是为满足电压要求而设置的除发电机以外的无功补偿电源，或简称无功补偿。,我们可以看出，负荷的无功功率与其端电压有直接关系，随端电压升高负荷的无功功率增加，端电压降低负荷的无功功率减少。因此要保证电力系统在正常电压水平的前提下又保证正常运行的任何方式下供给负荷所需的无功功率，电力系统就必须具备足够的无功电源容量。换言之，电力系统在任何时刻都必须保持无功
7、功率的平衡。,三、无功负荷及无功损耗,电力系统中需求的无功功率主要包括负荷所需的无功功率以及电力网中的无功损耗。 、电力系统无功负荷 无功负荷就是以滞后功率因数运行的用电设备吸收的无功功率，其中主要是异步电动机的无功功率，其他各类负荷在系统的综合负荷中比重较小，且其中电热负荷不消耗无功功率，照明负荷消耗无功功率极少。,、电力系统的无功损耗,（）电力线路的无功损耗 电力线路中电抗的无功损耗与传输功率的平方成正比，比线路电阻中的有功损耗要大，特别是导线截面积大的线路。相关计算第二节已经作了介绍。,（）变压器的无功损耗 变压器的无功损耗包括激磁无功损耗和漏抗无功损耗两部分。由本章第二节可知，激磁无功
8、损耗为：,占额定容量SN的百分数基本上等于空载电流的百分数。漏抗的无功损耗在变压器额定负荷时，占SN的百分数与短路电压百分数大约相等，可以用下式计算：,Q0与变压器的负荷大小无关，则一台变压器的无功损耗为：,当有台变压器并联运行时，变压器总无功损耗为：,式中SN是一台变压器的额定容量，SD是台变压器的总负荷功率。,每级变压器的无功损耗为每台变压器容量的百分之十几，在多级变压的电力系统中无功损耗的总和就相当可观。从发电厂到用户，中间要经过多级变压，无功损耗可以达到用户无功负荷的。此外，输电线路上还有较大的无功损耗，若只要发电厂的发电机组作为无功电源来提供，是不能保证电力系统无功平衡的。因此，电力
9、系统都设置其他无功电源进行无功补偿。,四、无功功率电源,电力系统的无功电源，除了同步发电机，还有同步调相机、大型同步电动机、静电电容器和静止补偿器和高压架空线和电缆线路。把同步发电机以外的，其它无功电源称为无功补偿装置，且无功补偿装置不受能源条件的限制，一般是在无功功率就地平衡的原则下按技术经济条件来选择。,、同步发电机 发电机是电力系统唯一的有功功率电源，同时也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 QGN=SGNsinN=PGNtg N 式中 SGN、PGN、 N分别为发电机的额定视在功率、有功功率和额定功率因数角。 从经济角度看，用发电机供给无功功率，是比较
10、合理的。但若发电机距用户较远时，传输无功功率所引起的电压损耗和功率损耗较大，就不合适了，这种情况下，可考虑在用户中心设置无功补偿装置。,、调相机 调相机实质上是空载运行的同步发电机，也就是只能发出无功的发电机。它的运行方式分为过激和欠激两种，过激运行时向系统提供无功功率，欠激运行时从系统吸收无功功率。当系统电压降低时，电动机过激运行增加无功输出维持电压。在超高压系统轻载运行时系统电压偏高，欠激运行吸收系统过剩的无功功率使得系统电压维持正常。但是调相机的设置可能增大系统的短路电流，而且是旋转设备，维护也不方便。,、电容器 静电电容器是电力网络中应用最普遍的无功补偿装置，作为无功补偿装置，它只能发
11、出无功功率，所供无功功率的大小为：,式中XC=1/c为电容器的容抗,U为所在节点的线电压。在系统发生故障或其他原因而使电压下降时，电容器供给系统的无功功率反而减少，将导致系统电压继续下降，这时电容器在调压特性上的缺点。,为了改变其负向调节特性，使用时可以将多个电容器联接成组，按照需要成组地投入或切除，使它的容量可大可小，尽管电容器不能作到平滑地调整电压，但由于它具有有功功率损耗小（约为额定容量的0.30.5）；单位容量投资少，既可以集中又可以分散地灵活使用，还可以随意拆迁，从而可以在靠近负荷中心处安装，减少线路上的功率损耗及电压损耗等优点。所以电容器作为无功补偿电源在国内外得到广泛采用。,、静
12、止补偿器 静止补偿器是年代开始在生产实际中使用而后发展较快的一种无功补偿装置。静止补偿器（简称SVC）既可向系统供应无功功率，又可从系统吸收无功功率。其最基本的部分是由电容器与可调电抗器并联构成。补偿器的无功功率包括电抗器吸收的无功和电容器发出的无功。通过改变电抗值，来改变电抗器吸收的无功功率，从而调节了补偿器供给系统的无功功率。,简单介绍其工作原理：假设补偿器所在母线上的无功负荷为QD，补偿器的无功功率包括吸收的无功QL和发出的无功QC两部分，则由系统送入母线的无功功率Q为：,当负荷的无功功率变动时，将引起各无功量的变动：,若要保持母线电压不变，使得Q，,相应的QC，即,则只需要调整电抗器的
13、电抗值，使它的无功功率随负荷无功功率的变化作相反方向等量的变化，就能维持母线无功Q值恒定，从而使母线电压不随负荷变化而波动，并能保持为一恒定值。,静止补偿器调节灵敏快速、平滑，可分相补偿。特别是高压或中压用户的波动负荷，如大型电动机频繁起停或电弧炉熔化期，易产生电压波动，采用以上的补偿装置不能达到较好的补偿效果，而采用静止无功补偿器就能直接补偿负荷的无功冲击所引起的电压波动，而且本身具有谐波电流的补偿器，提高了电能质量，并具有维护方便，可靠性高等优点，因而得到广泛应用。,、高压输电线路的充电功率,输电线路中电纳的无功功率为容性，称为线路的充电功率。其实质相当于无功电源向系统供给无功功率。可以近
14、似用下式计算,由上式可见，线路电压越高，充电功率越大。V以下的线路充电功率较小，一般不计。但在V及以上的高压输电线路中，特别是采用分裂导线后，其充电功率相当可观，必须作为电力系统固有的无功电源加以考虑。如表所示：,五、无功功率平衡,电力系统的无功功率平衡应满足下面两个关系式，一是在系统运行时必须满足：,二是全系统的无功电源容量应满足：,如果没有一定的无功电源备用容量，也不能保证系统运行的电压水平。因此，进行系统无功平衡时，必须保证QR，如果QR，则说明系统中无功电源不足，需要增加无功电源容量。,在实际系统运行中，并不需要每时每刻都作无功功率平衡计算，而是每隔一段时间（如一日、一月、一季或一年）
15、进行该时段中最大负荷运行方式下的无功功率平衡计算，以确定系统运行的电压水平，必要时还需要检验某些设备停运时间的无功功率平衡。在进行电力系统规划设计时，也要进行无功功率平衡计算，以便确定无功电源补偿容量和对这些容量进行合理配置。规划设计中，无功功率备用容量一般取最大无功功率负荷的78。,六、电压调整,保证电力系统正常电压水平的必要条件是系统要有充足的无功功率电源，使系统在任何运行方式下都能维持无功功率平衡。尽管无功电源种类多，但由于电力系统负荷点多，电压等级种类多，要使每一负荷点的电压都在允许的偏移范围，是十分困难的，因而调压比调频更为复杂。,（一）电力系统电压管理,要保证系统各负荷点的电压在允
16、许的电压偏移范围内，必须对连接负荷点的电压进行监视和调整，这几乎是无法实现的。但可以通过选择一些关键的母线点作为电压监视点，通过控制这些点的电压，使所有负荷点的电压基本满足要求。这些电压监视点称为电压中枢点。通常选择： （1）反映系统电压水平的水、火电厂高压母线； （2）枢纽变电所的610kV母线； （3）有大量地方负荷的发电机610kV母线等。,（二）电力系统调压措施,现以图所示的简单电力系统为例，说明各种调压措施所依据的基本原理。该系统为一机负荷两级变压的串联网络，为简单起见，略去网络中所有对地参数及网络中功率损耗，网络阻抗归算到高压侧。,图中负荷处的电压可以表示为下式：,式中U为归算至高压侧网络的电压损耗；UN为网络高压侧额定电压。,由上式可以知道，改变下述各量即可调整负荷处的电压： (1)改变发电机端电压UG； (2)改变变压器的变比； (3)改变系统无功功率的分布（QDQ） (4)改变电力网络的参数（补偿
