電力系統(tǒng)電壓調(diào)整方式的探討

1、簡(jiǎn)析電力系統(tǒng)電壓調(diào)整技術(shù)董新偉 鐘志祥（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 江蘇徐州 221008）摘要：電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，電壓值的波動(dòng)不允許超過(guò)規(guī)定的范圍，電力系統(tǒng)中電壓調(diào)整的基本目標(biāo)就是要使供給用戶的電壓與其額定值的偏移處于可以接受和控制的范圍內(nèi)。由于電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)眾多，結(jié)構(gòu)繁雜，負(fù)荷分布不均勻，故電壓的偏移不可避免。為確保系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有效的電壓調(diào)整手段顯的至關(guān)重要。電力系統(tǒng)中對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)整通常是通過(guò)中樞點(diǎn)電壓調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的，中樞點(diǎn)調(diào)壓有順調(diào)壓、逆調(diào)壓和恒調(diào)壓3種。本文就電力系統(tǒng)電壓調(diào)整措施和中樞點(diǎn)電壓調(diào)整方式進(jìn)行相關(guān)探討與分析，以供有關(guān)人士參考。關(guān)鍵詞：電力

2、系統(tǒng)；電壓調(diào)整；中樞點(diǎn)電壓調(diào)整Brief Analysis on Power System Voltage Regulation TechnologyDONG Xin-wei, ZHONG Zhi-xiang(Information and Electrical Engineering Institute, China University of Mine and Technology, Xuzhou Jiangsu, 221008)Abstract: Voltage is one of the key indicators to measure power quality, voltage

3、fluctuation range exceeds a predetermined value is not allowed, To make the voltage supplied to users and its offset under the acceptable and controlled range is the basic goal of the power system voltage regulation. As a result of lavish nodes, complex structure and uneven load distribution, voltag

4、e offset is unavoidable in power system. It is crucial to take effective measures of voltage regulation to make each node voltage comply with the relevant standards. Voltage regulation for each node is usually achieved by the central point voltage adjustment in power system. Central point voltage ad

5、justment can be divided into 3 kinds of positive regulation, reverse regulation and constant regulation. In the paper, it will launch relevant discussion and analysis on regulation measures of power system voltage and central point voltage, in order to provide reference to somebody concerned. Key wo

6、rds: power system; voltage regulation; central point voltage adjustment電壓作為評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，它的分布水平關(guān)乎系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不規(guī)范、無(wú)功功率配置不合理、電力故障的發(fā)生等狀況都會(huì)導(dǎo)致電壓發(fā)生偏移。電壓偏移過(guò)大會(huì)造成電能質(zhì)量下降、電力系統(tǒng)震蕩，甚至“系統(tǒng)崩潰”的惡劣后果。因此，必須借助行之有效的調(diào)壓手段來(lái)保證系統(tǒng)的電壓處于合理水平。調(diào)節(jié)變壓器的變比、改變發(fā)電機(jī)端電壓、重置線路的參數(shù)、改善系統(tǒng)中無(wú)功功率分布等措施都可以用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)電壓。當(dāng)然，措施不同，其適用條件和調(diào)壓效率也不同，需要具體問(wèn)

7、題具體對(duì)待。電力系統(tǒng)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)雜、節(jié)點(diǎn)多，對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓加以監(jiān)控和調(diào)整不現(xiàn)實(shí)也沒(méi)必要。實(shí)際系統(tǒng)電壓的調(diào)整都是通過(guò)對(duì)中樞點(diǎn)電壓的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這就涉及到中樞點(diǎn)的確定、中樞點(diǎn)調(diào)整方式的選擇和中樞點(diǎn)電壓曲線的繪制。下面就相關(guān)問(wèn)題一一進(jìn)行討論、研究。1 電壓調(diào)整基本原理分析圖1簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)圖實(shí)際電力系統(tǒng)異常龐大復(fù)雜，為突出重點(diǎn)，可用單線表示三相，圖1反映的是一個(gè)簡(jiǎn)化的電力系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)發(fā)電通過(guò)升壓變壓器升壓后經(jīng)過(guò)輸電線路傳輸再由降壓變壓器降壓最后給負(fù)荷供電，若要求對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)a處的電壓進(jìn)行調(diào)整，首先要得出a點(diǎn)處電壓Ua的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在這里，不考慮變壓器的銅損、鐵損及網(wǎng)損，忽略線路的過(guò)渡電阻和分布

8、電容。將相關(guān)參數(shù)歸算至高壓側(cè)，可得出a點(diǎn)處電壓為：其中：Un為系統(tǒng)等值電路的額定電壓， R、X分別是線路和各變壓器的總的等效電阻和電抗，k1、k2分別是升壓變壓器和降壓變壓器的變比。根據(jù)控制變量法思想分析Ua的數(shù)學(xué)表達(dá)式易知，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整：【1】調(diào)節(jié)變壓器的變比來(lái)調(diào)壓；【2】改變發(fā)電機(jī)端電壓來(lái)調(diào)壓；【3】重置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)調(diào)壓；【4】改善系統(tǒng)中無(wú)功功率分布來(lái)調(diào)壓。2具體調(diào)整電壓措施分析2.1 調(diào)節(jié)變壓器變比調(diào)壓 調(diào)節(jié)變壓器變比便可改變系統(tǒng)電壓，而調(diào)節(jié)變壓器變比主要是通過(guò)選擇不同的分接頭實(shí)現(xiàn)的。目前電力系統(tǒng)中通用的變壓器除擁有主分接頭外都配置了附加分接頭以供調(diào)節(jié)。由于升壓變

9、壓器的低壓側(cè)電壓即為發(fā)電機(jī)的端口電壓，故電力系統(tǒng)實(shí)際常用到的是降壓變壓器分接頭的選擇。變壓器的實(shí)際變比等于其高、低壓側(cè)分接頭電壓之比，同時(shí)也等于理想變壓器高低壓側(cè)實(shí)際電壓之比。即：以含有5個(gè)分接頭的降壓變壓器為例，可得變壓器分接頭電壓：式中：UTN為額定分接頭電壓利用調(diào)節(jié)變壓器的變比來(lái)調(diào)壓，關(guān)鍵在于選好分接頭，選分接頭的依據(jù)是通過(guò)相關(guān)計(jì)算得出分接頭的電壓。圖2 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)降壓變壓器分接頭選擇等值圖如圖2所示，在理想情況下，可以推出要求的分接頭電壓表達(dá)式：式中：為高壓繞組分接頭變壓器實(shí)際電壓，為低壓繞組額定電壓，為高壓繞組分接頭變壓器額定電壓，為最大負(fù)荷下變壓器低壓側(cè)電壓，為最小負(fù)荷下變壓器低

10、壓側(cè)電壓，、分別為等值電阻和電抗。再根據(jù)計(jì)算出來(lái)的值選擇鄰近的分接頭作為最終的分接頭，當(dāng)然還需要進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算，判斷所選擇的分接頭是否滿足要求。值得指出的是，選擇調(diào)節(jié)分接頭即改變變壓器變比來(lái)調(diào)壓往往只用在那些無(wú)功功率充裕的系統(tǒng)中，對(duì)于無(wú)功功率不足而導(dǎo)致的系統(tǒng)電壓下降，首先要解決的問(wèn)題是要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。2.2 改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓電力系統(tǒng)中的電能絕大多數(shù)都是由同步機(jī)發(fā)出，現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)都配備了自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置。圖3所示的就是簡(jiǎn)單的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。通過(guò)改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流可以改變它的電勢(shì)或者端口電壓，且無(wú)需增加額外設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)中電壓損耗因負(fù)荷的增加而加大時(shí)，就需要增加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)提高負(fù)荷的電壓。

11、同理，當(dāng)系統(tǒng)中電壓損耗因負(fù)荷的減小而下降時(shí)，就需要減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)降低負(fù)荷的電壓?？梢愿鶕?jù)以下公式，得出相關(guān)結(jié)論。 圖3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖通過(guò)改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端口電壓的調(diào)壓方式不需要附加設(shè)備和額外投資，高效且經(jīng)濟(jì)。特別是在一些小型的、孤立的、無(wú)需變壓的電力系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。在一些大規(guī)模的、長(zhǎng)線路的、需要多級(jí)變壓的系統(tǒng)中因要考慮到網(wǎng)絡(luò)損耗和無(wú)功功率裕度等問(wèn)題就只能當(dāng)做輔助性的調(diào)壓措施。2.3 重置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)壓由公式可知，當(dāng)改變線路中的R、X時(shí)，系統(tǒng)中的電壓損耗就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而可以通過(guò)此方式調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。在電力系統(tǒng)輸電線路中有功功率和無(wú)功功率損耗的公式分別為： 由可

12、知，無(wú)功功率損耗要遠(yuǎn)大于有功功率損耗，故一般不會(huì)考慮通過(guò)減小R的措施來(lái)調(diào)壓。雖然增大輸電導(dǎo)線的橫截面積有助于減小X，但考慮到由此所造成導(dǎo)線材料成本急劇上升的問(wèn)題，該方法往往不予采用。電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中更多的是采用改變電力網(wǎng)的接線方式、調(diào)整并聯(lián)運(yùn)行變壓器臺(tái)數(shù)、串聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償補(bǔ)償?shù)雀淖兙W(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方式來(lái)完成調(diào)壓。2.4 改善系統(tǒng)無(wú)功功率分布調(diào)壓電力系統(tǒng)的的電壓水平取決于無(wú)功功率的分布情況，改善系統(tǒng)的無(wú)功功率分布有助于對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整。改善系統(tǒng)無(wú)功功率分布常用的方法就是在輸電線的末端、靠近負(fù)荷的位置處安裝并聯(lián)的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備。在實(shí)踐中，準(zhǔn)確確定補(bǔ)償設(shè)備容量的大小顯得尤為重要。如圖4所示，可計(jì)算

13、出并聯(lián)電容器容量大小。 圖4 并聯(lián)電容器補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率示意圖在不影響分析結(jié)果的情況下，不計(jì)輸電線路分布電容和網(wǎng)損，視電力變壓器為理想變壓器。按圖4 標(biāo)出的物理量可推出無(wú)功功率補(bǔ)償容量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：是加設(shè)電容器補(bǔ)償后負(fù)荷端的電壓值對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式作簡(jiǎn)單分析后容易發(fā)現(xiàn)：補(bǔ)償容量的大小一方面要滿足系統(tǒng)調(diào)壓的要求，另一方面它還受到的約束。在電力系統(tǒng)中，選變壓器變比的原則一般是：滿足系統(tǒng)調(diào)壓要求的同時(shí)力求使無(wú)功補(bǔ)償容量最小。這種將電容器或電容器組安裝在靠近用電設(shè)備的位置就地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)拇胧┙凶鼍偷匮a(bǔ)償。這種方式在提高供電回路功率因數(shù)的同時(shí)還能夠改善用電設(shè)備電壓質(zhì)量，在中小型系統(tǒng)中應(yīng)用廣

14、泛。因電容器安裝位置的不同，除就地補(bǔ)償外還有集中補(bǔ)償和分組補(bǔ)償。設(shè)置電容器在電力系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)常見的手段，該方式具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效、調(diào)節(jié)靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)。3 中樞點(diǎn)電壓調(diào)整分析考慮到實(shí)際電力系統(tǒng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等實(shí)際情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)電壓的控制，其對(duì)電壓的控制主要是通過(guò)監(jiān)控、調(diào)整中樞點(diǎn)的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)中樞點(diǎn)是指那些能夠反映電力系統(tǒng)電壓水平的區(qū)域性發(fā)電廠的高壓母線、有大量地方性負(fù)荷的發(fā)電廠母線以及樞紐變電所的二次母線。中樞點(diǎn)電壓的調(diào)整主要分為順調(diào)壓、逆調(diào)壓和恒調(diào)壓3種，如圖5所示。圖5 中樞點(diǎn)調(diào)壓方式分類其中，順調(diào)壓常適用于那些系統(tǒng)中的電壓損耗很小，負(fù)荷很

15、少變動(dòng)的電力網(wǎng)中，在對(duì)電壓偏移控制要求不太高的農(nóng)電網(wǎng)中，當(dāng)無(wú)功功率調(diào)整手段嚴(yán)重不足時(shí)，也可使用順調(diào)壓。而那些電力線路長(zhǎng)、負(fù)荷變動(dòng)大及負(fù)荷變化規(guī)律一般相同的系統(tǒng)中往往采用的是逆調(diào)壓。如果電力系統(tǒng)中電壓損耗較小且負(fù)荷變動(dòng)也較小則可采用恒調(diào)壓。電力系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)中樞點(diǎn)進(jìn)行調(diào)壓需要有參考標(biāo)準(zhǔn)，這就涉及到中樞點(diǎn)電壓曲線。該曲線的繪制需要綜合考慮負(fù)荷對(duì)電壓的要求以及網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗，再經(jīng)推算找出能同時(shí)滿足這些負(fù)荷對(duì)電壓要求的一個(gè)允許的電壓變化范圍。圖6所示就是一個(gè)簡(jiǎn)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中樞點(diǎn)電壓允許變化范圍圖制作過(guò)程。 （a）網(wǎng)絡(luò)圖 （b） 負(fù)荷簡(jiǎn)化曲線 （c）電壓損耗曲線 （d）U0允許變化范圍圖6 中樞點(diǎn)電壓允許變化范圍4 結(jié)論電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程中，用電負(fù)荷和系統(tǒng)運(yùn)行方式是不斷發(fā)生變化的，因此電壓偏移不可避免。但電壓偏