電力系統(tǒng)無功功率的平衡和電壓調(diào)整

電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)無功功率的平衡和電壓調(diào)整第一節(jié)電力系統(tǒng)中無功功率的平衡第二節(jié)電力系統(tǒng)的電壓管理第三節(jié)電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備及幾種調(diào)壓措施第一節(jié)電力系統(tǒng)中無功功率的平衡一、無功功率負(fù)荷和無功功率損耗1、無功功率負(fù)荷

無功功率負(fù)荷是以滯后功率因數(shù)運(yùn)行的用電設(shè)備（主要是異步電動機(jī)）所吸收的無功功率。一般綜合負(fù)荷的功率因數(shù)為0.6-0.9。2、電力系統(tǒng)的無功損耗

（1）變壓器的無功損耗

變壓器中的無功功率損耗分兩部分，即勵磁支路損耗和繞組漏抗中損耗。其中勵磁支路損耗的百分值基本上等于空載電流的百分值，約為1％一2％；繞組漏抗中損耗,在變壓器滿載時，基本上等于短路電壓UK的百分值，約為10％。（2）電力線路的無功損耗

電力線路的無功損耗也分兩部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗。并聯(lián)電納中的無功損耗又稱充電損耗，與電力線路電壓的平方成正比，呈容性。串聯(lián)電抗中的無功功率與負(fù)荷電流的平方成正比，呈感性。對線路不長，長度不超過100Km，電壓等級為220Kv電力線路，線路將消耗感性無功功率；對線路較長，其長度為300Km左右時，對220Kv電力線路，線路基本上既不消耗感性無功功率也不消耗容性無功功率，呈電阻性；線路大于300Km時，線路為電容性的。二、無功功率電源

電力系統(tǒng)的無功功率電源包括同步發(fā)電機(jī)、同期調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和靜止補(bǔ)償器等。1、同步發(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：圖1發(fā)電機(jī)的P-Q極限

當(dāng)系統(tǒng)中無功電源不足，而有功備用容量又較充足時，可利用靠近負(fù)荷中心的發(fā)電機(jī)降低功率因數(shù)運(yùn)行，多發(fā)無功功率以提高電力系統(tǒng)的電壓水平。但是發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)不應(yīng)越出P-Q極限曲線的范圍。2、同期調(diào)相機(jī)

調(diào)相機(jī)實(shí)際上就是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機(jī)。它在過激運(yùn)行時向電力系統(tǒng)供給感性無功功率，欠激運(yùn)行時從電力系統(tǒng)吸取感性無功功率。欠激運(yùn)行時的容量約為過激運(yùn)行時容量的50%-60%：這些也就是作為無功功率電源的調(diào)相機(jī)的運(yùn)行極限。3、并聯(lián)電容器及靜止補(bǔ)償器

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QC值與所在節(jié)點(diǎn)電壓的平方成正比，即：缺點(diǎn)：電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。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資費(fèi)用較小，運(yùn)行時功率損耗亦較小，維護(hù)也較方便。三、無功功率的平衡

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)該大于或至少等于負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。>0表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的備用；<0表示系統(tǒng)中無功功率不足，應(yīng)考慮加設(shè)無功補(bǔ)償裝置。第二節(jié)電力系統(tǒng)的電壓管理一、中樞點(diǎn)電壓管理

電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓得目的，就是要采取各種措施，使用戶處的電壓偏移保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。但由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷較多，如對每個用電設(shè)備電壓都進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整，不僅不經(jīng)濟(jì)而且無必要。因此，電力系統(tǒng)電壓的監(jiān)視和調(diào)整可通過監(jiān)視、調(diào)整電壓中樞點(diǎn)電壓來實(shí)現(xiàn)。

電壓中樞點(diǎn)是指某些可以反映系統(tǒng)電壓水平的主要發(fā)電廠或樞紐變電所母線。因?yàn)楹芏嘭?fù)荷都由這些中樞點(diǎn)供電，如能控制住住這些電的電壓偏移，也就控制住了系統(tǒng)中大部分負(fù)荷的電壓偏移。于是，電力系統(tǒng)電壓調(diào)整問題也就轉(zhuǎn)變?yōu)楸ＷC各中樞點(diǎn)的電壓偏移不超出給定范圍的問題。1、電壓中樞點(diǎn)的選擇電壓中樞點(diǎn)的選擇在：區(qū)域性水、火電廠的高壓母線樞紐變電站次級母線有大量地方負(fù)荷的發(fā)電廠母線城市直降變電站次級母線2、中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式分為逆調(diào)壓、順調(diào)壓和恒調(diào)壓三類。逆調(diào)壓：在大負(fù)荷時升高電壓，小負(fù)荷時降低電壓的調(diào)壓方式。一般采用逆調(diào)壓方式，在最大負(fù)荷時可保持中樞點(diǎn)電壓比線路額定電壓高5％，在最小負(fù)荷時保持為線路額定電壓。供電線路較長、負(fù)荷變動較大的中樞點(diǎn)往往要求采用這種調(diào)壓方式。順調(diào)壓：大負(fù)荷時允許中樞點(diǎn)電壓低一些，但不低于線路額定電壓的102.5％；小負(fù)荷時允許其電壓高一些，但不超過線路額定電壓的107.5％的調(diào)壓模式。對于某些供電距離較近，或者符合變動不大的變電所，可以采用這種調(diào)壓方式。恒調(diào)壓：介于前面兩種調(diào)壓方式之間的調(diào)壓方式是恒調(diào)壓。即在任何負(fù)荷下，中樞點(diǎn)電壓保持為大約恒定的數(shù)值，一般較線路額定電壓高2％～5％。二、電壓調(diào)整的基本原理

擁有較充足的無功功率電源是保證電纜系統(tǒng)有較好的運(yùn)行電壓水平的必要條件，但是要使所有用戶的電壓質(zhì)量都符合要求，還必須采用各種調(diào)壓手段。

現(xiàn)以下圖為例，說明常用的各種調(diào)壓措施所依據(jù)的基本原理：電壓調(diào)整原理圖

（1）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流以改變發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓VG；（2）改變變壓器的變比k1、k2；（3）改變功率分布P+jQ（主要是Q），使電壓損耗△V

變化；（4）改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R+jX（主要是X），改變電壓損耗△V。電壓調(diào)整的措施：第三節(jié)電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備及幾種調(diào)壓方式一、改變發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)壓

這種調(diào)壓手段是一種不需要耗費(fèi)投資，且是最直接的調(diào)壓方法，應(yīng)首先考慮采用。發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整是借助于調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵磁電壓，以改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流，就可以改變發(fā)電機(jī)定子端電壓。

不同類型的供電網(wǎng)絡(luò)，發(fā)電機(jī)調(diào)壓所起的作用是不同的。對于發(fā)電機(jī)不經(jīng)升壓直接供電的小型電力系統(tǒng)，供電線路不長，線路上電壓損耗不大，借改變發(fā)電機(jī)端電壓的方法，例如實(shí)行逆調(diào)壓，就可以滿足負(fù)荷點(diǎn)要求的電壓質(zhì)量。對由發(fā)電機(jī)經(jīng)多級變壓向負(fù)荷供電的大中型電力系統(tǒng)，線路較長，供電范圍大，從發(fā)電廠到最遠(yuǎn)處的負(fù)荷之間的電壓損耗和變化幅度都很大。這時，單靠發(fā)電機(jī)調(diào)壓是不能解決問題的。發(fā)電機(jī)調(diào)壓主要是為了滿足近處地方負(fù)荷的電壓質(zhì)量要求，即發(fā)電機(jī)采用逆調(diào)壓方式。對于遠(yuǎn)處負(fù)荷電壓變動，只能靠其它調(diào)壓方式來解決。對有若干發(fā)電廠并列運(yùn)行的大型電力系統(tǒng)，利用發(fā)電機(jī)調(diào)壓，會出現(xiàn)新的問題。首先，當(dāng)要提高發(fā)電機(jī)的電壓時，則該發(fā)電機(jī)就要多輸出無功功率，這就要求進(jìn)行電壓調(diào)整的電廠的母線電壓，會引起系統(tǒng)中無功功率的重新分配，這還可能同無功功率的經(jīng)濟(jì)分配發(fā)生矛盾。所以在大型電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)調(diào)壓一般只作為一種輔助的調(diào)壓措施。二、改變變壓器變比調(diào)壓1、降壓變壓器分接頭的選擇降壓變壓器

式中，是變壓器的變比，即高壓繞組分接頭電壓和低壓繞組額定電壓之比。將k代入上式，得高壓側(cè)分接頭電壓

當(dāng)變壓器通過不同得功率時，可以通過計(jì)算求出在不同負(fù)荷下為滿足低壓側(cè)調(diào)壓要求所應(yīng)選擇的高壓側(cè)分接頭電壓

普通的雙繞組變壓器的分接頭只能在停電得情況下改變，在正常的運(yùn)行中無論負(fù)荷怎樣變化只能使用一個固定的分接頭。這樣可以計(jì)算最大負(fù)荷和最小負(fù)荷下所要求的分接頭電壓然后求取它們的算術(shù)平均值，即根據(jù)值可選擇一個與它最接近的分接頭。然后根據(jù)所選取的分接頭校驗(yàn)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時低壓母線電壓上的實(shí)際電壓是否符合要求當(dāng)考慮負(fù)荷變化時，分別求出最大和最小負(fù)荷時的抽頭選擇，然后取其算術(shù)平均值，再進(jìn)行校驗(yàn)是否滿足電壓要求，基本步驟如下：1、根據(jù)最大和最小負(fù)荷的運(yùn)行情況，求出其一次側(cè)電壓和，以及通過變壓器的負(fù)荷，求取變壓器的電壓損耗。2、套用公式計(jì)算最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時的分接頭選擇4、選擇鄰近的接頭作為所選擇的接頭3、取其算數(shù)平均值5、套用低壓則電壓計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)算2、升壓變壓器分接頭的選擇選擇升壓變壓器分接頭的方法與選擇降壓變壓器的基本相同升壓變壓器

由于升壓變壓器中功率方向是從低壓側(cè)送往高壓側(cè)的，故公式中△VT前的符號應(yīng)相反，即應(yīng)將電壓損耗和高壓側(cè)電壓相加。因而有式中，V2為變壓器低壓側(cè)的實(shí)際電壓或給定電壓；V1為高壓側(cè)所要求的電壓。3、三繞組變壓器分接頭的選擇①將高低繞組看作雙繞組，確定高繞組接頭；②將高中繞組看作雙繞組，確定中繞組分接頭位置。注意：功率分布4、有載調(diào)壓變壓器

有載調(diào)壓變壓器可以在帶負(fù)荷的條件下切換分接頭而且調(diào)節(jié)范圍也比較大，一般在15%以上。

目前我國暫定，110kV級的調(diào)壓變壓器有7個分接頭，即VN±3×2.5%；220kV級的有9個分接頭即VN±4×2.0%。

采用有載調(diào)壓變壓器時，可以根據(jù)最大負(fù)荷算得的V1tmax值和最小負(fù)荷算得的V1tmin

分別選擇各自合適的分接頭。這樣就能縮小次級電壓的變化幅度，甚至改變電壓變化的趨勢。

有載調(diào)壓變壓器接線圖三、改變網(wǎng)絡(luò)中無功功率分布調(diào)壓

當(dāng)電力系統(tǒng)中無功電源不足時，就不能單靠改變變壓器變比調(diào)壓。而需要在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)對所缺無功進(jìn)行補(bǔ)償，這樣也就改變了電力網(wǎng)中無功功率的分布。按調(diào)壓要求選擇無功補(bǔ)償設(shè)備容量1、并聯(lián)無功補(bǔ)償調(diào)壓的基本原理

2、按調(diào)壓要選擇補(bǔ)償量的基本原理第二項(xiàng)很小于是有選擇補(bǔ)償容量的基本原則：在滿足各種運(yùn)行方式下的調(diào)壓要求下，與其它調(diào)壓方式配合，使補(bǔ)償容量最小。有補(bǔ)償?shù)淖儔浩鬟x擇的基本原則：在滿足調(diào)壓的要求下，使補(bǔ)償容量最?。?）選用并聯(lián)電容器通常在大負(fù)荷時降壓變電所電壓偏低，小負(fù)荷時電壓偏高。電容器只能發(fā)出感性無功功率以提高電壓，但電壓過高時卻不能吸收感性無功功率來使電壓降低。為了充分利用補(bǔ)償容量，在最大負(fù)荷時電容器應(yīng)全部投入，在最小負(fù)荷時全部退出。

①根據(jù)調(diào)壓要求，按最小負(fù)荷時沒有補(bǔ)償這樣變

壓器變比

②按最大負(fù)荷時的調(diào)壓要求選擇補(bǔ)償容量