第10章無功功率補償與電壓調(diào)整

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整第十章無功功率補償與電壓調(diào)整

本章主要內(nèi)容無功功率負荷—電壓機制無功功率電源與無功功率負荷間的平衡無功不足補償與無功補償電源的類型電力系統(tǒng)的電壓管理與電壓調(diào)整方法《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整一、無功功率負荷－電壓機制

電力系統(tǒng)必須發(fā)出足夠的無功功率滿足用戶與網(wǎng)絡的需要。有功功率平衡是全系統(tǒng)的平衡，且全系統(tǒng)只有一個頻率；而無功功率平衡要滿足眾多的結點電壓的要求，除了對全系統(tǒng)需要平衡以外，地區(qū)系統(tǒng)也需要平衡。

第一節(jié)無功功率負荷—電壓機制《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整

下面分析電壓變化與無功功率變化的關系。設一個簡單電力系統(tǒng)的等值電路如圖所示?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整用隱函數(shù)求導

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整對于高壓網(wǎng)，

r<<x,dUP<<dUQ,故

電網(wǎng)結點電壓的變動主要由無功功率變動引起?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整其中：L為負載的U—Q特性曲線S為電力系統(tǒng)的U—Q特性曲線《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整二、電壓偏移的影響

從用戶角度，影響用戶設備的安全，降低用電設備效率和性能，影響用戶的生產(chǎn)、生活。異步電動機的轉矩與端電壓的平方成正比。電壓下降－>轉矩下降－>轉速下降－>滑差增大－>輸出功率下降－>電流上升－>發(fā)熱增加，同時還可能帶來產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題；電爐功率與電壓的平方成正比，電壓下降－>功率不足；照明設備：電壓過高－>壽命縮短，電壓過低－>發(fā)光能力下降；變壓器等電磁設備：電壓過高－>磁通飽和－>激磁電流上升－>過流發(fā)熱。電壓過高，造成絕緣擊穿，影響設備的使用壽命?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整

從系統(tǒng)角度，可能影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定，影響整個系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性：電壓水平影響電網(wǎng)損耗：傳輸相同的有功功率，電壓下降－>電流升高－>線損增加；因此，無功功率控制是實現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的一個重要方面。由于局部地區(qū)無功不足，運行電壓嚴重低下，一些變電所在負荷的微小擾動下會出現(xiàn)電壓大幅度下滑，以至失壓，即所謂電壓崩潰。電壓高，破壞設備絕緣、導致超高壓網(wǎng)絡電暈損耗?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整三、負荷分類及其對電壓影響的控制

電力系統(tǒng)中負荷的變動以及由此而引起的變電所母線電壓變動可以分為兩類：

由生產(chǎn)、生活和氣象變化引起的負荷功率的變化。

電壓偏移（周期性）

調(diào)節(jié)變壓器分接頭投切電容器調(diào)節(jié)發(fā)電機母線電壓

負荷功率具有沖擊性或間歇性（如電焊機等）

電壓波動

安裝靜止無功補償器一類的動態(tài)補償器安裝串聯(lián)電容

后果改善后果改善《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整電力系統(tǒng)中無功功率電源不足，系統(tǒng)結點電壓就要下降。電力系統(tǒng)必須具備足夠的無功電源才能維持所要求的電壓水平，以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求，以下對電力系統(tǒng)中的無功負荷構成、無功電源構成、電力系統(tǒng)無功功率平衡問題以及為改善系統(tǒng)無功功率不平衡而采取的補償措施等方面進行闡述。

第二節(jié)電力系統(tǒng)中無功功率的平衡與補償《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整一、電力系統(tǒng)中的無功負荷與無功損耗

包括：1、用戶與發(fā)電廠廠用電的無功負荷（主要是異步電動機）2、線路和變壓器的無功損耗3、并聯(lián)電抗器的無功損耗《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整異步電動機

電力系統(tǒng)的無功負荷包括異步電動機、同步電動機、電爐和整流設備等。其中異步電動機占的比重較大、消耗的無功功率較多，也就是說，系統(tǒng)中大量的無功負荷是異步電動機，因此，系統(tǒng)無功負荷的電壓特性，主要取決于異步電動機的無功靜態(tài)電壓特性。《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整變壓器：勵磁損耗與繞組漏抗損耗，后者與受載大小有關。勵磁：漏抗：《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整電力線路：串聯(lián)電抗中的無功功率損耗（感性）與并聯(lián)電納中的充電功率（容性）。線路無損

無功電源無功負荷

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整二、電力系統(tǒng)中的無功電源同步發(fā)電機以及過激運行的同步電動機無功補償電源包括電容器、靜止無功補償器和同步調(diào)相機110KV及以上電壓線路充電功率?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整同步發(fā)電機

系統(tǒng)中有備用有功電源時,可將負荷中心的發(fā)電機降低功率因數(shù)運行，少發(fā)有功、多發(fā)無功,有利于無功的局部平衡，提高系統(tǒng)電壓水平。發(fā)電機是目前唯一的有功電源，又是基本的無功電源，功率因數(shù)一般為0.85～0.9，額定無功約為其有功的0.5～0.6。發(fā)電機在正常運行時，其定子和轉子電流都不應超過額定值。在額定狀態(tài)下，發(fā)電機容量得到最充分的利用?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整同步調(diào)相機

運行于電動機狀態(tài)，但不帶機械負載，只向電力系統(tǒng)提供無功功率的同步電機，又稱同步補償機。用于改善電網(wǎng)功率因數(shù)，維持電網(wǎng)電壓水平。

有正常激磁、過激與欠激三種不同運行狀態(tài)。當它的轉子勵磁電流剛好為某一特定值時，它發(fā)出的無功功率恰好為零。這時僅從電網(wǎng)中吸收少量的有功功率用來克服機械旋轉阻力，維持同步速度空轉。當轉子勵磁電流大于此特定值時，稱為過勵磁。向系統(tǒng)供給感性無功功率起無功電源的作用。在欠勵磁運行時，它從系統(tǒng)吸取感性無功功率起無功負荷作用。

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整

同步調(diào)相機的特點:過勵磁運行可作無功電源運行；欠勵磁運行可作無功負荷運行；可平滑無級地改變無功功率的大小和方向，達到調(diào)整系統(tǒng)運行電壓的目的；無功功率的輸出受端電壓的影響不大；運行維護較復雜，有功功率損耗較大；單位容量的投資費用較大，只宜集中安裝?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整靜電電容器電容器可按三角形和星形接法并聯(lián)接在變電所母線上，只能提供無功功率，不能吸收無功功率。靜電電容器損耗小，投資省，運行靈活，適宜于分散使用。但具有負調(diào)節(jié)效應，此外需用真空開關成組投切，投切次數(shù)依賴于這種開關的性能?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整靜電電容器的特點：

運行維護方便；

有功功率損耗??；

單位容量投資小且與總容量的大小幾乎無關；組合靈活，可分散、集中，可分相補償；

無功功率調(diào)節(jié)性能差，輸出無功功率受端電壓影響較大，電壓下降時急劇下降,不利于電壓穩(wěn)定；

只能階躍式的調(diào)壓?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整靜止無功補償器

靜止無功補償器（StaticVarCompensation,SVC）屬于靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的家族，是一種動態(tài)無功補償裝置。晶閘管控制的電抗器固定電容型（TCR－FC）晶閘管開關電容器型（TSC）飽和電抗器（SR）型優(yōu)點：運行維護簡單，功率損耗小，響應時間較短，調(diào)節(jié)能力強，特性平滑,對于沖擊負荷有較強的適應性，TCR和TSC型還可以分相補償，以適應不平衡的負荷變化。缺點：最大補償量正比于電壓平方,電壓低時補償量小;需裝設濾波器以消除高次諧波?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整1）TCR-FC型補償器

其中：α為可控硅的導通角?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整2）TSC型補償器是用可控硅投切的電容器組（ThyristorSwitchedCapacitor）。

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整3）SR型補償器是用直流電流控制的飽和電抗器（D.C.ControlSaturableReaction）與固定電容器的并聯(lián)組合。

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整4）高壓MCR型（MagneticallyControlledReactor磁控電抗器）動態(tài)無功補償裝置由并聯(lián)固定電容器組(兼濾波)和先進的磁控電抗器（MCR）組成?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整

高壓MCR型動態(tài)無功補償裝置特點：MCR磁控電抗器較相控電抗器（TCR）和高阻抗變壓器（TCT）具有輸出諧波小、結構簡單、可靠性高、價格低廉、占地面積小等優(yōu)點。能在任何惡劣電網(wǎng)工作環(huán)境下（如電壓波形畸變、幅值波動大等）穩(wěn)定、可靠的工作?？芍苯舆\行于任何電壓等級電網(wǎng)(6—500kV)，且安裝簡單（與普通變壓器類似）、調(diào)試方便。無功補償容量無級調(diào)節(jié)，使補償效果達到最佳。MCR型SVC動態(tài)無功補償系統(tǒng)的性價比高?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整高壓輸電線路的充電功率

高壓及超高壓線路是一種數(shù)量可觀的無功功率電源，其充電功率與線路電壓的平方成正比。《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整三、電力系統(tǒng)的無功平衡與補償

電網(wǎng)有功功率不足，引起頻率下降，間接影響電壓。而且，電力系統(tǒng)需要的無功功率比有功功率大許多。一般發(fā)電機的功率因數(shù)大于0.8，而負荷的功率因數(shù)小于0.8。因此，無法平衡無功功率，需要進行補償。無功補償容量的配置應取分區(qū)平衡、分級補償原則?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整無功補償裝置和電網(wǎng)相連時：①無功補償裝置都可連接于需要進行無功補償?shù)淖冸娝蛑绷鬏旊姄Q流站的母線上；②負荷密集的供電中心集中安裝大、中型無功補償設備；③配電網(wǎng)中，根據(jù)無功功率就地平衡的原則，安裝中、小型電容器組進行就地補償?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整無功功率管理的具體措施包括：（1）安裝功率因數(shù)補償器，使電力用戶的功率因數(shù)達到0.95以上；（2）分散安裝電容器，就地供無功功率。（3）在一次及二次變電所的低壓母線上安裝電容器，樞紐變電安裝調(diào)相機。在有無功沖擊負荷的變電所以及超高壓送電線末端宜安裝靜止無功補償器；（4）對于水、火聯(lián)合電網(wǎng)，枯水期利用水電機組調(diào)相運行，豐水期利用火電機組調(diào)相運行，供出感性無功功率；（5）大用戶同步電動機過激運行，供出感性無功功率?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整（6）我國的電力技術導則規(guī)定：①330～550kV電網(wǎng)應按無功分層就地平衡的基本要求配置高、低壓并聯(lián)電抗器。一般情況下，并聯(lián)電抗器的總容量應達到超高壓線路充電功率的90％以上。②較低電壓等級的配電網(wǎng)絡要配置必要的并聯(lián)電容補償?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整發(fā)電廠和有調(diào)壓能力的變電所按調(diào)度所規(guī)定的電壓曲線調(diào)整無功功率和電壓。

地區(qū)調(diào)度所監(jiān)控地區(qū)網(wǎng)絡的電壓、用戶電壓及其功率因數(shù)，實現(xiàn)無功功率就地平衡。

中心調(diào)度所著重監(jiān)控主網(wǎng)的電壓水平。協(xié)調(diào)全網(wǎng)有廣泛影響的調(diào)壓措施，合理分配無功出力和調(diào)整無功潮流。

協(xié)調(diào)配合，統(tǒng)一調(diào)度與分散控制相結合

第三節(jié)電力系統(tǒng)中的電壓管理與調(diào)整方法《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整電壓控制的目的（1）保持電網(wǎng)樞紐點電壓水平，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行；（2）保持供電電壓的正常范圍，保證用戶的供電質(zhì)量；（3）減少網(wǎng)絡損耗；（4）在偶然事故下快速強行勵磁，防止電力系統(tǒng)瓦解?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整一、中樞點電壓管理

一般選擇下列母線為電壓中樞點：（1）區(qū)域性水、火電廠的高壓母線；（2）樞紐變電站二次母線；（3）有地方負荷的發(fā)電廠母線。

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整中樞點電壓變動范圍《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整

三種電壓調(diào)節(jié)方式：

（1）逆調(diào)整——對于供電線路較長，各負荷的變化規(guī)律大致相同，且負荷波動較大的網(wǎng)絡，考慮在最大負荷時線路上的電壓損耗增加，這時適當提高中樞點電壓，比線路UN高5％（即1.05UN）以補償增大的電壓損耗；最小負荷時線路上電壓損耗減小，降低中樞點電壓為UN。（2）順調(diào)整——負荷變動小，供電線路不長，在允許電壓偏移范圍內(nèi)某個值或較小的范圍內(nèi)，最大負荷時電壓可以低一些，但≥1.025UN，最小負荷時電壓可以高一些，但≤1.075UN。

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整（3）恒調(diào)整——負荷變動小，供電線路電壓損耗也較小的網(wǎng)絡，無論最大或最小負荷時，只要中樞點電壓維持在允許電壓偏移范圍內(nèi)某個值或較小的范圍內(nèi)（如1.025UN-1.05UN），就可保證各負荷點的電壓質(zhì)量。這種在任何負荷情況下，中樞點電壓保持基本不變的調(diào)壓方式。

《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整二、電壓調(diào)整方法與應用

電壓調(diào)整的方法改變變壓器的變比調(diào)壓；改變發(fā)電機的勵磁電流調(diào)壓；改變網(wǎng)絡的無功功率分布調(diào)壓；改變網(wǎng)絡的參數(shù)調(diào)壓?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整二、電壓調(diào)整方法1.改變變壓器變比調(diào)壓先決條件:電網(wǎng)的無功電源容量充裕

對負荷變化不大的變電所可適當選擇變壓器的分接頭進行電壓調(diào)整。對于負荷變化較大的一次及二次變電所采用負荷調(diào)整分接頭的變壓器，其切換裝置在不能適應頻繁操作要求時，應限制動作的次數(shù)?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整降壓變壓器升壓變壓器《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整降壓變壓器《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整有載調(diào)壓變壓器《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整2.改變發(fā)電機及調(diào)相器勵磁電壓

改變發(fā)電機勵磁調(diào)壓

在直接用機壓母線供電的小型系統(tǒng)中，改變發(fā)電機的勵磁電流可實現(xiàn)逆調(diào)壓，是一種最經(jīng)濟、最直接的調(diào)壓手段。

改變發(fā)電機勵磁電壓可以改變發(fā)電機的內(nèi)的電勢，從而可以調(diào)節(jié)發(fā)電機發(fā)出電壓的高低，這部分的可調(diào)范圍大約為5%。

在多級電壓供電系統(tǒng)中，發(fā)電機調(diào)壓只能作為一種輔助調(diào)壓措施。?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整改變調(diào)相機勵磁調(diào)壓改變調(diào)相機的勵磁電壓實際是調(diào)節(jié)網(wǎng)絡的無功功率分布來達到調(diào)節(jié)電壓的目的。它是通過補償負荷所需的無功功率，改變輸電線路的無功功率?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整3.投切電容器組調(diào)壓

靜止電容器只能產(chǎn)生感性無功功率。小負荷時切除全部電容器，而大負荷時確定電容器的容量。4.靜止無功補償器調(diào)壓

靜止無功補償器是靜電電容與可控電抗器的組合《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整5.串聯(lián)電容調(diào)壓

在長線路中，特別是負荷功率因數(shù)較低、無功負荷大時效果明顯。串聯(lián)電容器組用來補償輸電線路的電感，以提高線路的輸電能力和穩(wěn)定性。串聯(lián)電容器還可以調(diào)整并聯(lián)線路的負荷分配。說明：

①能自動跟蹤負荷調(diào)壓；

②用于負荷經(jīng)常波動、功率因數(shù)不高的配電網(wǎng)中；

③安裝地點與負荷、電源的分布有關；

④超高壓電網(wǎng)中主要用于提高高壓電力網(wǎng)的輸送容量和穩(wěn)定性?！峨姎夤こ袒A》無功功率補償與電壓調(diào)整提高線路輸電能力

改善系統(tǒng)穩(wěn)定性

降低系統(tǒng)損耗

改善線路電壓分布

串聯(lián)電容調(diào)壓優(yōu)點《電氣工程基礎》無功功率補償與電壓調(diào)整串聯(lián)電容組《電氣工程基礎》無功功率