電壓系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整

1、第五章第五章 電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整 電壓偏移過大對電力系統(tǒng)本身以及用電設(shè)備會帶來不良電壓偏移過大對電力系統(tǒng)本身以及用電設(shè)備會帶來不良 的影響。的影響。 （1 1）效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差。）效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差。 （2 2）電壓過高，照明設(shè)備壽命下降，影響絕緣。）電壓過高，照明設(shè)備壽命下降，影響絕緣。 （3 3）電壓過低，電機(jī)發(fā)熱。）電壓過低，電機(jī)發(fā)熱。 （4 4）系統(tǒng)電壓崩潰）系統(tǒng)電壓崩潰 不可能使所有節(jié)點(diǎn)電壓都保持為額定值。不可能使所有節(jié)點(diǎn)電壓都保持為額定值。 （1 1）設(shè)備及線路壓降）設(shè)備及線路壓降 （2 2）負(fù)荷波動）負(fù)荷波動 （3 3）運(yùn)行方式改變）運(yùn)行方

2、式改變 （4 4）無功不足）無功不足 電力系統(tǒng)一般規(guī)定一個電壓偏移的最大允許范圍，例電力系統(tǒng)一般規(guī)定一個電壓偏移的最大允許范圍，例 如如:35kV:35kV及以上供電電壓正負(fù)偏移的絕對值之和不超過及以上供電電壓正負(fù)偏移的絕對值之和不超過 10%;10kV10%;10kV及以下在及以下在7%7%以內(nèi)。以內(nèi)。 第一節(jié) 電壓調(diào)整的必要性 第二節(jié) 電力系統(tǒng)的無功功率平衡 電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。 電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于無功功率的平衡。電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于無功功率的平衡。 系統(tǒng)中各種無功電源的無功出力應(yīng)能滿足系統(tǒng)負(fù)荷系統(tǒng)中各種無功電源的無功出力應(yīng)能滿足系

3、統(tǒng)負(fù)荷 和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則 電壓就會偏離額定值。電壓就會偏離額定值。 1無功功率負(fù)荷無功功率負(fù)荷 XI X U QQQ m mM 2 2 一、無功功率負(fù)荷和無功功率損耗 異步電動機(jī)異步電動機(jī) 圖圖5-2 5-2 異步電動機(jī)的簡化等值電路異步電動機(jī)的簡化等值電路 jX 電壓下降電壓下降, ,轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)差 增大增大, ,定子電流定子電流 增大增大. . 圖圖5-3 5-3 異步電動機(jī)的無功功率與端電壓的關(guān)系異步電動機(jī)的無功功率與端電壓的關(guān)系 受載系數(shù)受載系數(shù): :實(shí)際負(fù)載和額定負(fù)載之比實(shí)際負(fù)載和額定負(fù)載之比. . 在額定電壓附近，電

4、動在額定電壓附近，電動 機(jī)的無功功率隨電壓的機(jī)的無功功率隨電壓的 升降而增減升降而增減 2變壓器的無功損耗變壓器的無功損耗 2 2 0 2 2 0 100 % 100 % U U S SU S I X U S BUQQQ N N K N TTTLT 假定一臺變壓器的空載電流假定一臺變壓器的空載電流I I0 0%=2.5%=2.5，短路電壓，短路電壓V VS S%=10.5%=10.5， 在額定滿載下運(yùn)行時，無功功率的消耗將達(dá)額定容量的在額定滿載下運(yùn)行時，無功功率的消耗將達(dá)額定容量的13%13%。 如果從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓，則變壓器中無功如果從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓，則變壓器中無

5、功 功率損耗的數(shù)值是相當(dāng)可觀的。功率損耗的數(shù)值是相當(dāng)可觀的。 3輸電線路的無功損耗輸電線路的無功損耗 圖圖5-4 輸電線路的輸電線路的型等值電路型等值電路 X V QP X V QP QL 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 )( 2 2 2 2 1 VV B QB 線路的無功總損耗為線路的無功總損耗為 B VV X V QP QQ BL 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 一般情況下，一般情況下，35kV35kV及以下系統(tǒng)消耗無功功率；及以下系統(tǒng)消耗無功功率；110kV110kV 及以上系統(tǒng)，輕載或空載時，成為無功電源，傳輸及以上系統(tǒng)，輕載或空載時，成為無功電源，傳輸 功

6、率較大時，消耗無功功率。功率較大時，消耗無功功率。 二、無功功率電源 電力系統(tǒng)的無功功率電源有發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、靜電力系統(tǒng)的無功功率電源有發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、靜 電電容器及靜止補(bǔ)償器，后三種裝置又稱為無功補(bǔ)償電電容器及靜止補(bǔ)償器，后三種裝置又稱為無功補(bǔ)償 裝置。裝置。 1. 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時，可發(fā)出無功功率：發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時，可發(fā)出無功功率： NGNNGNGN tgPSQ sin 發(fā)電機(jī)在非額定功率因數(shù)下運(yùn)行可能發(fā)出的無功功率發(fā)電機(jī)在非額定功率因數(shù)下運(yùn)行可能發(fā)出的無功功率 圖圖5-5 5-5 發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的P-QP-Q極限極限 （1 1）當(dāng)發(fā)電機(jī)低于額定功率因

7、數(shù)運(yùn)行時，能增加）當(dāng)發(fā)電機(jī)低于額定功率因數(shù)運(yùn)行時，能增加 輸出的無功功率，但發(fā)電機(jī)的視在功率因取決于輸出的無功功率，但發(fā)電機(jī)的視在功率因取決于 勵磁電流不超過額定值的條件，將低于其額定值。勵磁電流不超過額定值的條件，將低于其額定值。 （2 2）當(dāng)發(fā)電機(jī)高于額定功率因數(shù)運(yùn)行時，勵磁電）當(dāng)發(fā)電機(jī)高于額定功率因數(shù)運(yùn)行時，勵磁電 流不再是限制條件，原動機(jī)的機(jī)械功率又成了限流不再是限制條件，原動機(jī)的機(jī)械功率又成了限 制條件。制條件。 （3 3）發(fā)電機(jī)只有在額定電壓、額定電流和額定功）發(fā)電機(jī)只有在額定電壓、額定電流和額定功 率因數(shù)（即運(yùn)行點(diǎn)率因數(shù)（即運(yùn)行點(diǎn)C C）下運(yùn)行時視在功率才能達(dá)到）下運(yùn)行時視在功率

8、才能達(dá)到 額定值，使其容量得到最充分的利用。額定值，使其容量得到最充分的利用。 2. 2. 同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī) 同步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動機(jī)。同步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動機(jī)。 在過勵磁運(yùn)行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率而在過勵磁運(yùn)行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率而 起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓；起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓； 在欠勵磁運(yùn)行時（欠勵磁最大容量只有過勵磁容在欠勵磁運(yùn)行時（欠勵磁最大容量只有過勵磁容 量的（量的（50% 50% 65%65%）) )，它從系統(tǒng)吸取感性無功功，它從系統(tǒng)吸取感性無功功 率而起無功負(fù)荷作用，可降低系統(tǒng)電壓。率而起無功負(fù)荷作用，可降低系統(tǒng)電

9、壓。 它能根據(jù)裝設(shè)地點(diǎn)電壓的數(shù)值平滑改變輸出（或它能根據(jù)裝設(shè)地點(diǎn)電壓的數(shù)值平滑改變輸出（或 吸?。┑臒o功功率，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。因而調(diào)節(jié)性吸?。┑臒o功功率，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。因而調(diào)節(jié)性 能較好。能較好。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 同步調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜；同步調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜； 有功功率損耗較大，在滿負(fù)荷時約為額定容量的有功功率損耗較大，在滿負(fù)荷時約為額定容量的 (1.5(1.5 5)%5)%，容量越小，百分值越大；，容量越小，百分值越大； 小容量的調(diào)相機(jī)每小容量的調(diào)相機(jī)每kVAkVA容量的投資費(fèi)用也較大。故容量的投資費(fèi)用也較大。故 同步調(diào)相機(jī)宜大容量集中使用，容量小于同步調(diào)相機(jī)宜

10、大容量集中使用，容量小于5MVA5MVA的一的一 般不裝設(shè)。般不裝設(shè)。 同步調(diào)相機(jī)常安裝在樞紐變電所同步調(diào)相機(jī)常安裝在樞紐變電所 。 靜電電容器可按三角形和星形接法連接在變電所母靜電電容器可按三角形和星形接法連接在變電所母 線上。它供給的無功功率線上。它供給的無功功率Q QC C值與所在節(jié)點(diǎn)電壓的平值與所在節(jié)點(diǎn)電壓的平 方成正比，即方成正比，即 缺點(diǎn)：電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。缺點(diǎn)：電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。 優(yōu)點(diǎn)：靜電電容器的裝設(shè)容量可大可小，既可集中優(yōu)點(diǎn)：靜電電容器的裝設(shè)容量可大可小，既可集中 使用，又可以分散安裝。且電容器每單位容量的投使用，又可以分散安裝。且電容器每單位容量

11、的投 資費(fèi)用較小，運(yùn)行時功率損耗亦較小，維護(hù)也較方資費(fèi)用較小，運(yùn)行時功率損耗亦較小，維護(hù)也較方 便。便。 QC=U 2/XC 3. 靜電電容器靜電電容器 靜止補(bǔ)償器由靜電電容器與電抗器并聯(lián)組成靜止補(bǔ)償器由靜電電容器與電抗器并聯(lián)組成 電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率， 兩者結(jié)合起來，再配以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就能夠平兩者結(jié)合起來，再配以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就能夠平 滑地改變輸出（或吸收）的無功功率?；馗淖冚敵觯ɑ蛭眨┑臒o功功率。 4. 靜止補(bǔ)償器靜止補(bǔ)償器 圖圖5-6 靜止無功補(bǔ)償器的原理圖靜止無功補(bǔ)償器的原理圖 (a)可控飽和電抗器型；(b)自

12、飽和電抗器型； (c)可控硅控制電抗器型； (d)可控硅控制電抗器和可控硅投切電容器組合型 17 三、無功功率平衡三、無功功率平衡 電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求：系統(tǒng)中的無電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求：系統(tǒng)中的無 功電源可以發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于功電源可以發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于 負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。 BLLTL resLLDGC QQQQ QQQQ Qres0表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的 備用；備用； Qres0表示系統(tǒng)中無功功率不足，應(yīng)考慮加設(shè)無表示系統(tǒng)中無功功率不足，

13、應(yīng)考慮加設(shè)無 功補(bǔ)償裝置。功補(bǔ)償裝置。 CGGC QQQ 19 無功不足應(yīng)采取的措施無功不足應(yīng)采取的措施 電力系統(tǒng)的無功功率平衡應(yīng)分別按正常運(yùn)行時的最大和最電力系統(tǒng)的無功功率平衡應(yīng)分別按正常運(yùn)行時的最大和最 小負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。小負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。 經(jīng)過無功功率平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)無功功率經(jīng)過無功功率平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)無功功率 不足時，可以采取的措施有：不足時，可以采取的措施有： (1)(1)要求各類用戶將負(fù)荷的功率因數(shù)提高到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定要求各類用戶將負(fù)荷的功率因數(shù)提高到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定 的數(shù)值。的數(shù)值。 (2)(2)挖掘系統(tǒng)的無功潛力。例如將系統(tǒng)中暫時閑置的發(fā)電挖掘系統(tǒng)的無功潛力。例如將系統(tǒng)中暫時閑置的發(fā)電 機(jī)改作調(diào)

14、相機(jī)運(yùn)行；動員用戶的同步電動機(jī)過勵磁運(yùn)行等。機(jī)改作調(diào)相機(jī)運(yùn)行；動員用戶的同步電動機(jī)過勵磁運(yùn)行等。 (3)(3)根據(jù)無功平衡的需要，增添必要的無功補(bǔ)償容量，并根據(jù)無功平衡的需要，增添必要的無功補(bǔ)償容量，并 按無功功率就地平衡的原則進(jìn)行補(bǔ)償容量的分配。小容量按無功功率就地平衡的原則進(jìn)行補(bǔ)償容量的分配。小容量 的、分散的無功補(bǔ)償可采用靜電容電器；大容量的、配置的、分散的無功補(bǔ)償可采用靜電容電器；大容量的、配置 在系統(tǒng)中樞點(diǎn)的無功補(bǔ)償則宜采用同步調(diào)相機(jī)或靜止補(bǔ)償在系統(tǒng)中樞點(diǎn)的無功補(bǔ)償則宜采用同步調(diào)相機(jī)或靜止補(bǔ)償 器。器。 圖圖5-10 5-10 等值電路和相量圖等值電路和相量圖 QGC=QLD+QL

15、四、無功功率平衡和電壓水平的關(guān)系 問題：在什么樣的電壓水平下實(shí)現(xiàn)無功功率平衡？在什么樣的電壓水平下實(shí)現(xiàn)無功功率平衡？ 例例: :隱極機(jī)經(jīng)過一段線路向負(fù)荷供電隱極機(jī)經(jīng)過一段線路向負(fù)荷供電 sincos X EV VIP X V X EV VIQ 2 cossin X V P X EV Q 2 2 2 當(dāng)當(dāng)P P為一定值時，得為一定值時，得 cossin sincos EXIV EXI 應(yīng)該力求實(shí)現(xiàn)在額定電壓下的系統(tǒng)無功功率平衡。應(yīng)該力求實(shí)現(xiàn)在額定電壓下的系統(tǒng)無功功率平衡。 圖圖5-11 5-11 無功平衡與電壓水平無功平衡與電壓水平 X V P X EV Q 2 2 2 例例51 異步電機(jī)無功異

16、步電機(jī)無功 發(fā)電機(jī)無功發(fā)電機(jī)無功 第三節(jié) 電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整 1造成電壓偏移的原因造成電壓偏移的原因 （1 1）設(shè)備及線路壓降）設(shè)備及線路壓降 （2 2）負(fù)荷波動）負(fù)荷波動 （3 3）運(yùn)行方式改變）運(yùn)行方式改變 （4 4）無功不足或過剩）無功不足或過剩 一、電力系統(tǒng)電壓偏移的原因及影響 24 2 2電壓偏移的影響電壓偏移的影響 （1 1）電壓偏移，效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差。）電壓偏移，效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差。 （2 2）電壓過高，照明設(shè)備壽命下降，影響絕緣。）電壓過高，照明設(shè)備壽命下降，影響絕緣。 （3 3）電壓過低，電機(jī)發(fā)熱。）電壓過低，電機(jī)發(fā)熱。 （4 4）系統(tǒng)電壓崩潰。）系統(tǒng)電壓崩潰。 25

17、35kV35kV及以上電壓供電負(fù)荷及以上電壓供電負(fù)荷: : 5%5% 10kV10kV及以下電壓供電負(fù)荷及以下電壓供電負(fù)荷: : 7%7% 低壓照明負(fù)荷低壓照明負(fù)荷: +5%: +5% -10%-10% 農(nóng)村電網(wǎng)農(nóng)村電網(wǎng): +7.5%: +7.5% -10%-10% 3 我國規(guī)定的允許電壓偏移我國規(guī)定的允許電壓偏移 二、中樞點(diǎn)的電壓管理 電壓中樞點(diǎn)：指那些能夠反映和控制整個系統(tǒng)電電壓中樞點(diǎn)：指那些能夠反映和控制整個系統(tǒng)電 壓水平的節(jié)點(diǎn)（母線）。壓水平的節(jié)點(diǎn)（母線）。 1電壓中樞點(diǎn)的選擇電壓中樞點(diǎn)的選擇 （1 1）大型發(fā)電廠的高壓母線；）大型發(fā)電廠的高壓母線； （2 2）樞紐變電所的二次母線；）

18、樞紐變電所的二次母線； （3 3）有大量地方性負(fù)荷的發(fā)電廠母線。）有大量地方性負(fù)荷的發(fā)電廠母線。 一般可選擇下列母線作為電壓中樞點(diǎn)：一般可選擇下列母線作為電壓中樞點(diǎn)： 圖圖5-16 5-16 電力系統(tǒng)的電壓中樞點(diǎn)電力系統(tǒng)的電壓中樞點(diǎn) 例： 中樞點(diǎn)中樞點(diǎn) 中樞點(diǎn)中樞點(diǎn) 2中樞點(diǎn)電壓和負(fù)荷電壓的關(guān)系中樞點(diǎn)電壓和負(fù)荷電壓的關(guān)系 圖5-17 負(fù)荷電壓與中樞點(diǎn)電壓 中樞點(diǎn)中樞點(diǎn)i i的電壓滿足的電壓滿足V Vimin iminV Vi i V Vimax imax 中樞點(diǎn)中樞點(diǎn)i的最低電壓的最低電壓Vimin等于在地區(qū)負(fù)荷最大等于在地區(qū)負(fù)荷最大 時某用戶允許的最低電壓時某用戶允許的最低電壓Vmin加上到

19、中樞點(diǎn)的加上到中樞點(diǎn)的 電壓損耗電壓損耗Vmax。 中樞點(diǎn)中樞點(diǎn)i的最高電壓的最高電壓Vimax等于地區(qū)負(fù)荷最小時等于地區(qū)負(fù)荷最小時 某用戶允許的最高電壓某用戶允許的最高電壓Vmax加上到中樞點(diǎn)的電加上到中樞點(diǎn)的電 壓損耗壓損耗Vmin。 maxminmin VVVi minmaxmax VVV i 例：例：中樞點(diǎn)電壓允許范圍的確定中樞點(diǎn)電壓允許范圍的確定 只滿足只滿足i i節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時，中樞點(diǎn)電壓節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時，中樞點(diǎn)電壓V VO O應(yīng)維持的電壓為應(yīng)維持的電壓為 OiiO VVV h 80 N NN OiiO V VV VVV h )15. 105. 1( 10. 0)05. 195. 0( 24

20、8 N NN V VV )09. 199. 0( 04. 0)05. 195. 0( 只滿足只滿足j j節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時，中樞點(diǎn)電壓節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時，中樞點(diǎn)電壓V VO O應(yīng)維持的電壓為應(yīng)維持的電壓為 N NN OjjO V VV VVVh )06. 196. 0( 01. 0)05. 195. 0( 160 OjiO VVVh 2416 N NN V VV )08. 198. 0( 03. 0)05. 195. 0( 同時考慮同時考慮i、j兩個負(fù)荷對兩個負(fù)荷對O 點(diǎn)的要求，可得出點(diǎn)的要求，可得出O點(diǎn)電點(diǎn)電 壓的變化范圍。壓的變化范圍。 圖圖5-19 中樞點(diǎn)中樞點(diǎn)O 電壓容許變化范圍電壓容許變化范圍 中樞

21、點(diǎn)電壓調(diào)整方式一般分為三類：中樞點(diǎn)電壓調(diào)整方式一般分為三類： 逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓。逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓。 (1)逆調(diào)壓逆調(diào)壓 最大負(fù)荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓最大負(fù)荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓 的的105%，即，即1.05VN； 最小負(fù)荷時降低電壓，但不低于線路的額定電最小負(fù)荷時降低電壓，但不低于線路的額定電 壓，即壓，即1.0VN。 3 3中樞點(diǎn)電壓調(diào)整的方式中樞點(diǎn)電壓調(diào)整的方式 最大負(fù)荷時降低電壓，但不低于線路額定電壓最大負(fù)荷時降低電壓，但不低于線路額定電壓 的的2.5%，即，即1.025VN； 最小負(fù)荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓最小負(fù)荷時升高電壓，但不超過線路額定電壓 的的7.5%，即，即1.075VN。 (3) 常調(diào)壓常調(diào)壓 電壓保持在較線路額定電壓高電壓保持在較線路額定電壓高2%5%的數(shù)值，的數(shù)值， 即即(1.021.05)VN，不隨負(fù)荷變化來調(diào)整中樞點(diǎn)的，不隨負(fù)荷變化來調(diào)整中樞點(diǎn)的 電壓。電壓。 (2) 順調(diào)壓順調(diào)壓 三、電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整 1電壓調(diào)整的基本原理電壓調(diào)整的基本原理 圖圖5-20 5-20 電壓調(diào)整