第12章電力系統(tǒng)的無功功率平衡和電壓調(diào)整(2)2015-5修訂

12一2電壓調(diào)整的基本概念一、允許電壓偏移各種用電設(shè)備都是按額定電壓來設(shè)計制造的，其在額定電壓下運(yùn)行將能取得最佳的效果。電壓偏移過大，會影響用電設(shè)備的正常工作外，對電力系統(tǒng)本身也有不利影響。電壓降低，網(wǎng)絡(luò)功率損耗加大，電壓過低還可能危及電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；電壓過高時，各種電氣設(shè)備的絕緣可能受到損害，在超高壓網(wǎng)絡(luò)中還將增加電暈損耗等。在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，隨用電負(fù)荷的變化和系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗也將發(fā)生變化。要嚴(yán)格保證所有用戶在任何時刻都有額定電壓是不可能的，因此，系統(tǒng)運(yùn)行中各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓偏移是不可避免的。作業(yè)：12-2,13-3,12-8（第一問）實際上，多數(shù)用電設(shè)備在稍許偏離額定值的電壓下運(yùn)行，仍有良好的技術(shù)性能。從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上綜合考慮，合理地規(guī)定供電電壓的允許偏移是完全必要的。目前，我國規(guī)定的在正常運(yùn)行情況下供電電壓的允許偏移如下：35kV及以上供電電壓正、負(fù)偏移的絕對值之和不超過額定電壓的10%，如供電電壓上下偏移同號時，按較大的偏移絕對值作為衡量依據(jù)；（－3%～+7%）是合格的，（+3%～10%）是合格的,（+3%～11%）是不合格的,10kV及以下三相供電電壓允許偏移為額定電壓的±7%;220V單相供電電壓允許偏移為額定電壓的（-10％~7％）之間。使網(wǎng)絡(luò)各處的電壓都達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，必須采取各種調(diào)壓措施。二、中樞點(diǎn)的電壓管理電力系統(tǒng)調(diào)壓的目的是保證系統(tǒng)中各負(fù)荷點(diǎn)的電壓在允許的偏移范圍內(nèi)。由于負(fù)荷點(diǎn)數(shù)目眾多分散，不可能也沒有必要對每一個負(fù)荷點(diǎn)的電壓進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整。系統(tǒng)中的負(fù)荷點(diǎn)總是通過一些主要的供電點(diǎn)供應(yīng)電力的，例如：(1)區(qū)域性水、火電廠的高壓母線；(2)樞紐變電所的二次母線；(3)有大量地方負(fù)荷的發(fā)電機(jī)電壓母線。這些供電點(diǎn)稱為中樞點(diǎn)。計及由中樞點(diǎn)到負(fù)荷點(diǎn)的饋電線上的電壓損耗及各個負(fù)荷點(diǎn)允許的電壓偏移，便可確定每個負(fù)荷點(diǎn)對中樞點(diǎn)電壓的要求范圍。若能找到中樞點(diǎn)電壓的一個允許變化范圍，使得由該中樞點(diǎn)供電的所有負(fù)荷點(diǎn)的調(diào)壓要求都能同時得到滿足，那么，只要控制中樞點(diǎn)的電壓在這個變化范圍內(nèi)就可以保證電網(wǎng)的正常運(yùn)行。舉例說明確定中樞點(diǎn)電壓的變化范圍方法：假定中樞點(diǎn)O向負(fù)荷點(diǎn)A和B供電，電壓VA和VB的允許變化范圍相同（0.95~1.05)VN。。日負(fù)荷曲線電壓損耗的變化曲線假定兩處的日負(fù)荷曲線呈兩級階梯形如圖12-16(b)所示，線路參數(shù)一定時，電壓損耗△VOA和△VOB分別與A點(diǎn)和B點(diǎn)的負(fù)荷有關(guān)兩段線路的電壓損耗的變化曲線如圖12-16(c)所示。日負(fù)荷曲線電壓損耗的變化曲線A負(fù)荷對中樞點(diǎn)O電壓要求范圍B負(fù)荷對中樞點(diǎn)O電壓要求范圍A對中樞點(diǎn)電壓控制要求：B對中樞點(diǎn)電壓控制要求：圖中的陰影部分就是同時滿足A、B兩負(fù)荷點(diǎn)調(diào)壓要求的中樞點(diǎn)電壓的允許變化范圍。可見，盡管A、B兩負(fù)荷點(diǎn)的電壓可在(0.95~1.05)的范圍內(nèi)變化，但是由于兩處負(fù)荷大小和變化規(guī)律不同，兩段線路的電壓損耗數(shù)值及變化規(guī)律亦不相同。為同時滿足兩負(fù)荷點(diǎn)的電壓質(zhì)量要求，中樞點(diǎn)電壓的允許變化范圍就大大地縮小了，最大時為7%，最小時僅有1％。若中樞點(diǎn)是發(fā)電機(jī)電壓母線，則除了上述要求外，還應(yīng)受廠用電設(shè)備與發(fā)電機(jī)的最高允許電壓以及為保持系統(tǒng)穩(wěn)定的最低允許電壓的限制。如果在某些時間段內(nèi)，各用戶的電壓質(zhì)量要求反映到中樞點(diǎn)的電壓允許變化范圍沒有公共部分：僅靠控制中樞點(diǎn)的電壓并不能保證所有負(fù)荷點(diǎn)的電壓偏移都在允許范圍內(nèi)。為滿足各負(fù)荷點(diǎn)的調(diào)壓要求，還必須在某些負(fù)荷點(diǎn)增設(shè)其它必要的調(diào)壓設(shè)備。在系統(tǒng)規(guī)劃階段，許多數(shù)據(jù)及要求未能準(zhǔn)確地確定，無法按照上述方法進(jìn)行調(diào)壓計算，但可根據(jù)電網(wǎng)的性質(zhì)對中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式提出原則性的要求。一般將中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式分為三類：逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓。大負(fù)荷時，線路的電壓損耗大，提高中樞點(diǎn)電壓，就可以抵償?shù)舨糠蛛妷簱p耗，使負(fù)荷點(diǎn)的電壓不致過低。小負(fù)荷時，線路電壓損耗小，適當(dāng)降低中樞點(diǎn)電壓就可使負(fù)荷點(diǎn)電壓不致過高。這種在大負(fù)荷時升高中樞點(diǎn)電壓，小負(fù)荷時降低中樞點(diǎn)電壓的調(diào)壓方式稱為“逆調(diào)壓”。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“逆調(diào)壓”調(diào)壓方式。逆調(diào)壓的要求較高，較難實現(xiàn)。對某些供電距離較近，或者負(fù)荷變動不大的變電所，可以采用“順調(diào)壓”的方式，順調(diào)壓：在大負(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％。介于上述兩種調(diào)壓方式之間的調(diào)壓方式是恒調(diào)壓（常調(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%。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故時，電壓損耗比正常情況下的要大，因此對電壓質(zhì)量的要求允許降低一些，通常允許事故時的電壓偏移較正常情況下大5％。三、電壓調(diào)整的基本原理以圖示簡單電力系統(tǒng)，說明常用的各種調(diào)壓措施所依據(jù)的基本原理。對圖示系統(tǒng)，要調(diào)整節(jié)點(diǎn)b的電壓。略去線路的電容功率、變壓器的勵磁功率和網(wǎng)絡(luò)的功率損耗。變壓器的參數(shù)已歸算到高壓側(cè)。b點(diǎn)的電壓為公式說明，調(diào)整電壓Vb可以采取的措施：(1)調(diào)節(jié)勵磁電流以改變發(fā)電機(jī)端電壓VG;(2)適當(dāng)選擇變壓器的變比k；(3)改變線路的參數(shù)R、X；(4)改變Q（無功功率的分布）。b12一3電壓調(diào)整的措施一、發(fā)電機(jī)調(diào)壓現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)在端電壓偏離額定值不超過士5％的范圍內(nèi)，能夠以額定功率運(yùn)行。大中型同步發(fā)電機(jī)都裝有自動勵磁調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)節(jié)勵磁電流來改變其端電壓。一般，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。由孤立發(fā)電廠不經(jīng)升壓直接供電的小型電力網(wǎng)，因供電線路不長，線路上電壓損耗不大，故改變發(fā)電機(jī)端電壓（例如實行逆調(diào)壓）就可以滿足負(fù)荷點(diǎn)的電壓質(zhì)量要求，而不必另外再增加調(diào)壓設(shè)備。這是最經(jīng)濟(jì)合理的調(diào)壓方式。對于線路較長、供電范圍較大、有多級變壓的供電系統(tǒng)，從發(fā)電廠到最遠(yuǎn)處的負(fù)荷點(diǎn)之間，電壓損耗的數(shù)值和變化幅度都比較大。圖12-18所示多級變壓供電系統(tǒng)，從發(fā)電機(jī)端到最遠(yuǎn)處負(fù)荷點(diǎn)之間在最大負(fù)荷時的總電壓損耗達(dá)35%，最小負(fù)荷時為15%，其變化幅度達(dá)20％。(4+10+4+8+3+6)%=35%(2+5+2+3+1+2)%=15%

調(diào)壓的困難主要在于不同運(yùn)行方式下電壓損耗之差（即變化幅度）太大。單靠發(fā)電機(jī)調(diào)壓是不能解決問題的。此時，發(fā)電機(jī)調(diào)壓主要是為了滿足附近負(fù)荷的電壓質(zhì)量要求，發(fā)電機(jī)電壓在最大負(fù)荷時提高5%，最小負(fù)荷時保持為額定電壓，采取這種逆調(diào)壓方式，對于解決多級變壓供電系統(tǒng)的調(diào)壓問題也是有利的。圖12-18：各元件在最大和最小負(fù)荷時的電壓損耗如圖注對于有若干發(fā)電廠并列運(yùn)行的電力系統(tǒng)，利用發(fā)電機(jī)調(diào)壓會出現(xiàn)新的問題。發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的無功功率與節(jié)點(diǎn)的電壓有密切的關(guān)系。例如，兩個發(fā)電廠相距60km,由110kV線路相聯(lián)，如果要把一個電廠的110kV母線的電壓提高5%，大約要該電廠多輸出25Mvar的無功功率。因而要求進(jìn)行電壓調(diào)整的電廠需有充裕的無功容量儲備，一般這是不易滿足的。此外，在系統(tǒng)內(nèi)并列運(yùn)行的發(fā)電廠中，調(diào)整個別發(fā)電廠的母線電壓，會引起系統(tǒng)中無功功率的重新分配，這可能與無功功率的經(jīng)濟(jì)分配發(fā)生矛盾。所以在大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)調(diào)壓只作為一種輔助性的調(diào)壓措施。GG二、改變變壓器變比調(diào)壓改變變壓器的變比可以升高或降低次級繞組的電壓。為了實現(xiàn)調(diào)壓，在雙繞組變壓器的高壓繞組上設(shè)有若干個分接頭以供選擇，其中對應(yīng)額定電壓VN的稱為主接頭。雙（三）繞組變壓器一般是在高壓繞組（中壓繞組）設(shè)置分接頭。變壓器的低壓繞組不設(shè)分接頭。改變變壓器的變比調(diào)壓：根據(jù)調(diào)壓要求適當(dāng)選擇分接頭。(a)升壓變壓器(b)降壓變壓器二、改變變壓器變比調(diào)壓1．降壓變壓器分接頭的選擇圖示為一降壓變壓器。若通過功率為P＋jQ，高壓側(cè)實際電壓為V1，歸算到高壓側(cè)的變壓器阻抗為RT+jXT，歸算到高壓側(cè)的變壓器電壓損耗為△VT，低壓側(cè)要求得到的電壓V2為，則有將k代人式(12-11)，便得高壓側(cè)分接頭電壓k:1求得高壓側(cè)分接頭電壓V1t普通的雙繞組變壓器的分接頭只能在停電的情況下改變。運(yùn)行中只能用一個固定的分接頭。通過計算可以求出在不同的負(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。假定V2max和V2min分別為最大負(fù)荷和最小負(fù)荷運(yùn)行時低壓側(cè)的電壓調(diào)整目標(biāo)根據(jù)V1tN.av值可選擇一個與它最接近的分接頭。然后校驗最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時低壓母線上的實際電壓是否符合要求降壓變壓器，已知P＋jQ，V1，RT+jXT，低壓側(cè)的調(diào)壓目標(biāo)為V2k:1110-110*2.5%=107.25P+jQk:1P+jQk:1110-110*2.5%=107.25可行域（105.63～109.5）110-110*5%=104.52、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。但因升壓變壓器中功率方向是從低壓側(cè)送往高壓側(cè)的（如圖12-21)，故公式（12-12）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（12-12）式中，V2為低壓側(cè)的實際電壓或給定電壓；V1為高壓側(cè)所要求的電壓。要注意升壓變壓器與降壓變壓器繞組的額定電壓是略有差別的（見表1-1）。選擇發(fā)電廠中升壓變壓器的分接頭時，在最大和最小負(fù)荷情況下，要求發(fā)電機(jī)的端電壓都不能超過規(guī)定的允許范圍。在發(fā)電機(jī)電壓母線上有地方負(fù)荷，則應(yīng)當(dāng)滿足地方負(fù)荷對發(fā)電機(jī)母線的調(diào)壓要求，一般可采用逆調(diào)壓方式調(diào)壓。P+jQP+jQ由以上討論可見，采用固定分接頭的變壓器進(jìn)行調(diào)壓，不可能改變電壓損耗的數(shù)值，也不能改變負(fù)荷變化時次級電壓的變化幅度；通過對變比的適當(dāng)選擇，只能把這一電壓變化幅度對于次級電壓的變化范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整（升高或降低）。如果計及變壓器電壓損耗在內(nèi)的總電壓損耗，最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時的電壓變化幅度（例如12%）超過了分接頭的可能調(diào)整范圍（例如士5%)，或者調(diào)壓要求的變化趨勢與實際的相反（例如逆調(diào)壓時），則僅靠選普通變壓器的分接頭的方法就無法滿足調(diào)壓要求。這時可以裝設(shè)帶負(fù)荷調(diào)分接頭（調(diào)壓）的變壓器或采用其他調(diào)壓措施。三、利用無功功率補(bǔ)償調(diào)壓無功功率的產(chǎn)生基本上不消耗能源，但是無功功率沿電力網(wǎng)傳送卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。合理的配置無功功率補(bǔ)償容量，以改變電力網(wǎng)的無功潮流分布，可以減少網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗和電壓損耗。按調(diào)壓要求選擇無功功率補(bǔ)償容量的問題：圖12-22所示為一簡單電力網(wǎng)，條件：供電點(diǎn)電壓V1（不變）、負(fù)荷功率P＋jQ給定，線路充電電容和變壓器的勵磁功率略去不計。在未加補(bǔ)償裝置前若不計電壓降落的橫分量，便有式中，V’2為歸算到高壓側(cè)的變電所低壓母線電壓。式中，V'2為歸算到高壓側(cè)的變電所低壓母線電壓。在變電所低壓側(cè)設(shè)置容量為QC的無功補(bǔ)償設(shè)備后，網(wǎng)絡(luò)傳送到負(fù)荷點(diǎn)的無功功率將變?yōu)镼-QC，這時變電所低壓母線的歸算電壓也相應(yīng)變?yōu)閂'2c故有補(bǔ)償前后V1保持不變

由此可解得

方括號中第二項的數(shù)值一般很小，可略去，于是式（12-18）為(12-9)式中，V’2和V’2c分別為不加補(bǔ)償電容及加補(bǔ)償電容歸算到高壓側(cè)的變電所低壓母線電壓。k:1式中，V'2為歸算到高壓側(cè)的變電所低壓母線電壓。在變電所低壓側(cè)設(shè)置容量為QC的無功補(bǔ)償設(shè)備后，網(wǎng)絡(luò)傳送到負(fù)荷點(diǎn)的無功功率將變?yōu)镼-QC，這時變電所低壓母線的歸算電壓也相應(yīng)變?yōu)閂'2c故有補(bǔ)償前后V1保持不變

由此可解得

方括號中第二項的數(shù)值一般很小，可略去，于是式（12-18）為(12-9)V’2和V’2c分別為不加補(bǔ)償電容及加補(bǔ)償電容歸算到高壓側(cè)的變電所低壓母線電壓。k/1變壓器的變比為k，經(jīng)過補(bǔ)償后變電所低壓側(cè)要求保持的實際電壓為V2c，則V'2c=kV2c代人式（12-19)，可得結(jié)論：補(bǔ)償容量與調(diào)壓要求和降壓變壓器的變比選擇均有關(guān)。變比k的選擇原則是：在滿足調(diào)壓的要求下，使無功補(bǔ)償容量為最小。由于無功補(bǔ)償設(shè)備的性能不同，選擇變比的條件也不相同，現(xiàn)分別闡述如下。k/11．補(bǔ)償設(shè)備為靜電電容器通常在大負(fù)荷時降壓變電所電壓偏低，小負(fù)荷時電壓偏高。為了充分利用補(bǔ)償容量，在最大負(fù)荷時電容器應(yīng)全部投人，在最小負(fù)荷時全部退出。計算步驟：首先，根據(jù)調(diào)壓要求，按最小負(fù)荷時沒有補(bǔ)償?shù)那闆r確定變壓器的分接頭。令計算步驟：首先，根據(jù)調(diào)壓要求，按最小負(fù)荷時沒有補(bǔ)償?shù)那闆r確定變壓器的分接頭。令2．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)。在過勵磁運(yùn)行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率起無功電源的作用；在欠勵磁運(yùn)行時，它從系統(tǒng)吸取感性無功功率起無功負(fù)荷作用。欠勵磁運(yùn)行最大無功容量只有過勵磁容量的50％~65％。2．補(bǔ)償設(shè)備為同步調(diào)相機(jī)如果調(diào)相機(jī)在最大負(fù)荷時按額定容量過勵磁運(yùn)行，在最小負(fù)荷時按(0.5~0.65)額定容量欠勵磁運(yùn)行，那么，調(diào)相機(jī)的容量將得到最充分的利用。根據(jù)上述條件可確定變比k。最大負(fù)荷時，同步調(diào)相機(jī)容量為額定容量過勵磁運(yùn)行按(0.5~0.65)額定容量欠勵磁運(yùn)行解（一）計算補(bǔ)償前受端低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓因為首端電壓已知，宜用首端功率計算網(wǎng)絡(luò)的電壓損耗。為此，先按額定電壓計算輸電系統(tǒng)的功率損耗：（二）選擇靜電電容器的容量(1)按最小負(fù)荷時無補(bǔ)償條件確定變壓器的分接頭電壓最接近的抽頭電壓為110kV，由此可得降壓變壓器的變比為k=110/11=10按公式（12-21）求補(bǔ)償容量(3)取補(bǔ)償容量QC=12Mvar，驗算最大負(fù)荷時受端低壓側(cè)的實際電壓（三）選擇同步調(diào)相機(jī)的容量當(dāng)α分別取為0.5和0.65時，可相應(yīng)算出變比k分別為9.54和9.45，選取最接近的標(biāo)準(zhǔn)分接頭變比k=9.5。(2)按公式（12-22）確定調(diào)相機(jī)容量

選取最接近標(biāo)準(zhǔn)容量的同步調(diào)相機(jī)，其額定容量為7.5MV·A。(1)按公式（12-25）確定降壓變壓器變比k

(3)驗算受端低壓側(cè)電壓。最大負(fù)荷時調(diào)相機(jī)按額定容量過勵磁運(yùn)行最小負(fù)荷時調(diào)相機(jī)按50％額定容量欠勵磁運(yùn)行QC=-3.75MV·A在最小負(fù)荷時電壓略高于10.5kV，如果調(diào)相機(jī)按60％額定容量欠勵磁運(yùn)行，便得V2min=10.48kV。-7.5*0.5=-3.75根據(jù)線路末端電壓需要提高的數(shù)值（△V-△Vc），就可求得需要補(bǔ)償?shù)碾娙萜鞯娜菘怪礨C。線路上串聯(lián)接入的電容器是由許多單個電容器串、并聯(lián)組成（見圖）。每臺電容器的額定電流為INc，額定電壓為VNc，額定容量為QNc=VNc*INc，則可根據(jù)通過的最大負(fù)荷電流Icmax和所需的容抗值XC分別計算電容器串臺數(shù)n、并聯(lián)的臺數(shù)m以及三相總共需要的電容器臺數(shù)為3mn。補(bǔ)償度補(bǔ)償后所要求的電壓損耗為

補(bǔ)償所需的容抗為Xc：

線路通過的最大線電流：

選用額定電壓VNC=0.6kV、容量QNC=20kvar的單相電容器。每個電容器的額定電流為

每個電容器的電抗為需要并聯(lián)的個數(shù)：由式（12-26）m=5補(bǔ)償前的末端電壓35-3.71=31.29kV每個電容器的電抗為

需要串聯(lián)的個數(shù)：

根據(jù)m=5和n=3?？傃a(bǔ)償容量為

實際的補(bǔ)償容抗為

補(bǔ)償度

補(bǔ)償后的線路末端電壓為

n=3串聯(lián)電容器調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)：串聯(lián)電容器提升的末端電壓的數(shù)值QXC/V（即調(diào)壓效果）隨無功負(fù)荷大小而變，負(fù)荷大時增大，負(fù)荷小時減少，恰與調(diào)壓的要求一致。缺點(diǎn)：對負(fù)荷功率因數(shù)高（cosφ＞0.95）或?qū)Ь€截面小的線路，由于PR／V分量的比重大，串聯(lián)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)壓效果就很小。故串聯(lián)電容器調(diào)壓一般用在供電電壓為35kV或10kV、負(fù)荷波動大而頻繁、功率因數(shù)又很低的配電線路上。稱為補(bǔ)償度。配電網(wǎng)絡(luò)中以調(diào)壓為目的的串聯(lián)電容補(bǔ)償，其補(bǔ)償度kc常接近于1或大于1。作業(yè)：12-2,12-3,12-8（第一問）12一4調(diào)壓措施的應(yīng)用一、各種調(diào)壓措施的合理應(yīng)用為確保運(yùn)行中的系統(tǒng)的電壓水平，系統(tǒng)擁有的無功功率電源必須滿足在正常電壓水平下的無功需求。發(fā)電機(jī)調(diào)壓發(fā)電機(jī)調(diào)壓不需要增加費(fèi)用，是發(fā)電機(jī)直接供電的小系統(tǒng)的主要調(diào)壓手段。多機(jī)系統(tǒng)中，