案例5：電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整

案例5：電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整

一、案例正文

電壓調(diào)整是通過無功功率實現(xiàn)的，也就是通過調(diào)整系統(tǒng)中無功功

率分布來調(diào)節(jié)電壓。所以有“電壓變動調(diào)無功”的說法。

電壓調(diào)整，調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的電壓，使其變化不超過規(guī)定的允許范

圍，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平及各種電力設備和電器的安全、經(jīng)濟

運行。電壓是衡量電能質(zhì)量的基本指標之一，是反映電力系統(tǒng)無功功

率平衡和合理分布的標志。

無功功率平衡和電壓調(diào)整是電力系統(tǒng)規(guī)劃設計必須考慮的因素。

變電站中對電壓、無功的綜合控制，主要是自動調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器

的分接頭位置和自動控制無功補償設備（電容器、電抗器、調(diào)相機等）

的投、切或控制其運行工況。

1.1電力系統(tǒng)中的無功功率平衡

1.1.1無功負荷與無功損耗

1.1.1.1無功負荷

無功功率負荷是以滯后功率因數(shù)運行的用電設備（主要是異步電

動機）所吸收的無功功率。一般綜合負荷的自然功率因數(shù)為0.6-0.9。

提高功率因數(shù)的措施：

①使電動機的容量與機械負載I兀配；

②限制電動機空載運行；

③以同步電動機代替異步電動機；

④繞線式異步電動機同步化。

1.1.1.2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為兩部分，即勵磁支路損耗和繞組漏

抗中的損耗，均消耗感性無功。

勵磁支路消耗感性無功:

/O%SNU：

△(1)

QyT100%

繞組漏抗消耗感性無功:

5粽(2)

②電力線路的無功損耗

電力線路上的無功功率損耗也分為兩部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電

抗中的無功功率損耗。

并聯(lián)電納損耗：又稱充電功率，與線路電壓的平方成正比，消耗

容性（發(fā)出感性）無功；

串聯(lián)電抗損耗：與負荷電流平方成正比，消耗感性無功。

注：

不變損耗：與負荷大小無關，和電壓平方成正比，主要是變壓器

和線路并聯(lián)支路損耗。

可變損耗：與負荷的平方成正比，主要是變壓器和線路串聯(lián)支路

損耗。

1.1.2無功電源

1.1.2.1發(fā)電機

同步發(fā)電機既是有功功率電源，又是最基本的無功功率電源。通

過調(diào)節(jié)勵磁，可以雙向、連續(xù)調(diào)節(jié)無功出力。

Q=^cos8--(3)

XX

1.122調(diào)相機

調(diào)相機實際上就是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機，也相當于空載運行

的同步電動機。它在過勵運行時向電力系統(tǒng)供給感性無功功率，欠勵

運行時從電力系統(tǒng)吸收感性無功功率。欠勵磁最大容量只有過勵磁容

量的50%-65%o

調(diào)相機通過調(diào)節(jié)勵磁，可以雙向、連續(xù)調(diào)節(jié)無功出力，電壓調(diào)節(jié)

特性好，投資大，運行維護困難，宜于大容量集中使用，趨于淘汰。

Q=嶇-匕(4)

XX

1.1.2.3并聯(lián)電容器

應用最廣泛的一種無功電源，只能向系統(tǒng)供給感性無功功率，而

不能吸收感性無功功率(單向調(diào)節(jié))。它供給的無功功率與所在節(jié)點的

電壓的平方成正比。電容器分組投切，非連續(xù)可調(diào)。

靜電電容器的袋設容量可大可小，而且既可集中使用，又可分散

裝設來就地供應無功功率，以降低網(wǎng)絡的電能損耗。此外由于它沒有

旋轉(zhuǎn)部件，維護也較方便。

當節(jié)點電壓下降時，它供給系統(tǒng)的無功功率將減少，電容器的無

功功率調(diào)節(jié)性能較差。

2(5)

Q=u/xc

1.1.2.4并聯(lián)電抗器

就感性無功而言，并聯(lián)電抗器不算電源，算負荷，只能吸收感性

無功（單向調(diào)節(jié)），在高壓電網(wǎng)中用以吸收輕載和空載線路的過剩感性

無功。

1.1.2.5靜止補償器

靜止補償器的全稱為靜止尢功補償器（SVC）。常用的有晶閘管控

制電抗器型（TCR型）、晶閘管開關電容器型（TSC型）和飽和電抗器型

（SR型）。

TCR：晶閘管、電容、電感。

TSC：晶閘管、電容。

SR：電容、電感。

(b)TSC

(c)SR

圖1TCR/TSC/SR補償器

無論何種形式的靜止補償器，它們之所以能作無功功率電源產(chǎn)生

感性無功功率，依靠的仍是其中的電容器。

靜止補償器的優(yōu)點：

①能快速調(diào)節(jié)無功功率以適應動態(tài)無功補償?shù)囊螅?/p>

②調(diào)節(jié)連續(xù)平滑，對系統(tǒng)不致引起大的波動；

③濾波電路可消除高次諧波對負荷的干擾；

④運行維護方便，功率損耗??；

⑤對不平衡的負荷變動有較高的補償能力，可以做到分相補償;

⑥對沖擊負荷的適應性較強；

1.1.2.6靜止無功發(fā)生器(SVG)

靜止無功發(fā)生器也被稱為靜止同步補償器(STATCOM)或靜止調(diào)

相機(STATCON)。它的主體部分是一個電壓源型逆變器，適當控制逆

變器的輸出電壓，就可以靈活地改變SVG的運行工況，使其處于容

性負荷、感性負荷或零負荷狀態(tài)。

1.1.2.7電壓調(diào)節(jié)效應一冬

OU

1.128電容器、調(diào)相機和靜止補償器比較

表I各種補償器比較

電容靜止補償器靜止無功發(fā)生

性能發(fā)電機調(diào)相機

器TCRTSCSR器

超前;滯超前/滯

調(diào)節(jié)范圍超前超前/滯后超前超前/滯后超前/滯后

后后

不連不連

控制方式連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)

續(xù)續(xù)

產(chǎn)生高次諧

無無少多無少少

波

電壓調(diào)節(jié)效正（一定范圍正（一定范圍

負正正負正

應內(nèi)）內(nèi)）

1.1.3無功功率平衡和電壓水平的關系

1.1.3.1無功平衡

EQGC-=o（6）

EQGC：無功電源發(fā)出的無功功率總和；

XQL：負荷消耗的無功功率總和；

△Q2：系統(tǒng)的無功損耗。

從改善電壓質(zhì)量和降低網(wǎng)絡功率損耗考慮，應該盡量避免通過電

網(wǎng)元件大量地傳送無功功率。根據(jù)無功平衡的需要，增添必要的無功

補償容量，并按無功功率就地平衡的原則進行補償容量的分配。小容

量的、分散的無功補償可采用靜電容電器；大容量的、配置在系統(tǒng)中

樞點的無功補償則宜采用同步調(diào)相機或靜止補償器。

1.1.3.2無功平衡和電壓關系

負荷增加時，其無功從2變到），若無功電源沒有增加，電源的

無功仍是曲線1,曲線1和/的交點優(yōu)，為無功平衡點，對應電壓成，

顯然實現(xiàn)較低電壓下的無功平衡。若無功電源充足，電源曲

線將上移到曲線1'的位置，交點c對應電壓恢復原來數(shù)值，實現(xiàn)較高

電壓水平下的無功平衡。

無功電源充足系統(tǒng)就有較高的運行電壓水平；反之，無功不足就

反映為運行電壓水平偏低，因此，應該力求實現(xiàn)在額定電壓下的系統(tǒng)

無功功率平衡，并根據(jù)這個要求裝設必要的無功補償裝置。

圖2無功平衡曲線

注：

①進行無功功率平衡計算的前提是系統(tǒng)的電壓水平正常；

②實現(xiàn)無功功率在額定電壓附近的平衡是保證電壓質(zhì)量的基本

條件；

③系統(tǒng)中應保持一定的無功功率備用，無功功率備用容量一般為

最大無功負荷的7%?8%。

1.2無功功率的最優(yōu)分布（電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行）

無功功率的最優(yōu)分布包括無功功率電源的最優(yōu)分布和無功功率

負荷的最優(yōu)補償。

1.2.1無功功率電源的最優(yōu)分布

目標函數(shù)（有功損耗最小）:

minLP^QG1,QGZ…QGTI)。)

約束條件：

QGI~%1QM-AQ.

Qcimin—Qa-Qcimax|(8)

^imin<<^imax)

拉格朗日乘數(shù)法求解可得，等網(wǎng)損微密率準則：

GAP21dXPf1

----------X---------------------------------------------X---------------------------------

9QGII-OAQN/OQGIOQGZ\—dAQf/dQGz

=…筍x—=A(9)

dQGn-dAQJf/BQGn

即各無功電源按等網(wǎng)損微增率準則發(fā)出無功功率時系統(tǒng)的有功

功率損耗最小。網(wǎng)損微增率的計算方法可以采用轉(zhuǎn)置雅可比矩陣法。

1.2.2無功功率負荷的最優(yōu)補償

無功功率負荷的最優(yōu)補償指最優(yōu)補償容量的確定、最優(yōu)補償設備

的分布和最優(yōu)補償順序的選擇。

目標：設置補償設備節(jié)約的費用與設置補償設備消耗的費用之差

最大。

最優(yōu)網(wǎng)損微增率準則:

V_(a+Y)Kc_(10)

而一—gmax

Yeq：最優(yōu)網(wǎng)損微增率，常為負值，表示每增加單位容量無功補

償設備所能減少的有功損耗，也稱為無功功率經(jīng)濟當量;

（X、Y：折舊維修率，投資回收率;

Kc：單位容量補償設備投資;

萬：單位電能損耗價格。

注:

①只應在網(wǎng)損微增率具有負值，且小于的節(jié)點設置無功補償

設備；

②設置的容量以補償后該點的網(wǎng)損微增率仍為負值，不大于丫陽

為限；

③補償順序按網(wǎng)損微增率從小到大進行補償；

④無功補償應堅持分層分區(qū)和就地平衡的原則。

1.3電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整

1.3.1電壓變動的影響

①電壓降低，發(fā)電機所發(fā)功率減少，變壓器帶負荷減少；

②電壓降低，異步電動機啟動過程大為增長，效率降低，壽命縮

短；

③電壓過高使電氣設備絕緣受損。變壓器、電動機等鐵芯飽和,

鐵芯損耗增大，溫升增加，壽命縮短；

④電壓過低出現(xiàn)電壓崩潰現(xiàn)象；

⑤電爐會因電壓過低而影響冶煉時間，從而影響產(chǎn)量；

⑥電壓降低，會使網(wǎng)絡中的功率損耗和能量損耗加大；

⑦電壓過低還可能危及電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；

⑧引起電壓崩潰，造成大面積停電。

1.3.2電壓中樞點

定義：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。選擇:

①區(qū)域性水、火電廠的高壓母線；

②樞紐變電所二次母線；

③有大量地方負荷的發(fā)電廠母線；

④城市直降變電所的二次母線。

調(diào)整方式：中樞點電壓調(diào)整方式一般分為三類：逆調(diào)壓、順調(diào)壓

和常調(diào)壓。

1.3.2.1逆調(diào)壓：

高峰負荷時升高電壓，但不高于1.05UNO

低谷負荷時降低電壓，但不低于UN。

適用于供電線路較長、負荷變動大的中樞點。要求較高，較難實

現(xiàn)。

1.3.2.2順調(diào)壓：

高峰負荷時降低電壓，但不低于1.025UN。

低谷負荷時升高電壓，但不高于1.075UN。

適用于供電線路不長，負荷變動不大的中樞點。要求較低，容易

實現(xiàn)。

1.323常，調(diào)壓：

任何負荷下都保持中樞點電壓為一基木不變的數(shù)值，一般為

1.02-1.05UNO

注：UN為線路額定電壓，不是變壓器額定電壓。

1.3.3限制電壓波動的措施

沖擊性或間歇性負荷引起的電壓波動，對系統(tǒng)電壓的不良影響也

不容忽視，主要是電弧爐。

荷

5

波動負荷

⑶設置串聯(lián)電容器

一般負荷

?—D

I輸電波動負有

(b)設置調(diào)相機和電抗?jié)?/p>

荷

波動負荷

(C)設置靜止補償器

圖3限制電壓波動措施

①設置串聯(lián)電容器：抵償線路感抗，限制電壓波動的幅度;

②設置調(diào)相機和電抗器：調(diào)相機的作用在于供給波動負荷以波動

的無功功率，與之配合使用的電抗器起維持公共母線電壓的作用:

③設置靜止補償器：以飽和電抗器型的效果最好，它幾乎可以完

全消除電壓波動。

1.3.4調(diào)壓措施

發(fā)電機通過升壓變壓器、線路和降壓變壓器向用戶供電。要求調(diào)

整負荷節(jié)點b的電壓。

G%1：占

CO>P+J。

R+jX

圖4供電等值圖

為簡單起見，略去線路的電容功率、變壓器的勵磁功率和網(wǎng)絡的

功率損耗。

變壓器的參數(shù)己歸算到高壓側(cè)。b點的電壓為：

Ub=Mki-必次2=（%一一（11）

1.341調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁，改變發(fā)電機端電壓

①最直接的調(diào)壓方式，無須額外投資，應優(yōu)先考慮、充分利用；

②可在95%~105%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，逆調(diào)壓滿足調(diào)壓要求；

③適用于供電線路不長，線路上電壓損耗不大的小型電網(wǎng)；對于

線路較長、供電范圍較大、有多級變壓的大型電力系統(tǒng)，發(fā)電機調(diào)壓

一般作為一種輔助性的調(diào)壓措施；

1.342調(diào)節(jié)變壓器分接頭，改變變比調(diào)壓

電力變壓器高（中）壓側(cè)一般設有多個分接頭。

①無載調(diào)壓變壓器（無勵磁調(diào)壓變壓器）：分接頭數(shù)目少，分接頭

開關無消弧能力，必須停電調(diào)分接頭（順調(diào)壓）；

②有載調(diào)壓變壓器：可以帶負荷調(diào)分接頭，分接頭數(shù)目多（逆調(diào)

壓）；

③適用于無功功率供應充裕的系統(tǒng)，改變無功功率的分布，并不

能改變系統(tǒng)的無功功率水平。

1.3,4.3并聯(lián)無功補償設備

改變功率分布P+jQ（主要是Q）,從而改變電壓損耗、U。

1.344線路串聯(lián)電容補償調(diào)壓（串聯(lián)電容器）

改變網(wǎng)絡參數(shù)R+jX中的X,從而改變電壓損耗'U。

①串聯(lián)電容器提升的末端電壓的數(shù)值等(即調(diào)壓效果)隨無功負

荷大小而變，負荷大時增大，負荷小時減少，恰與調(diào)壓的要求一致。

這是串聯(lián)電容器調(diào)壓的一個顯著優(yōu)點；

②對負荷功率因數(shù)高(cosQ>0.95)或?qū)Ь€截面小的線路，日于

PR/U分量的比重大，串聯(lián)補償?shù)恼{(diào)壓效果就很??；

③串聯(lián)電容器調(diào)壓一般用在供電電壓為35kV或10kV、負荷波

動大而頻繁、功率因數(shù)又很低的配電線路上；

④由于設計、運行等方面的原因，目前應用的很少；

⑤在配電網(wǎng)絡中以調(diào)壓為目的的串聯(lián)電容補償，其補償度

kc=XC/XL常接近于1或大于1,一般在4之間；

⑥超高壓輸電線路中的串聯(lián)電容補償，其作用在于提高輸送容量

和提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

L3.4.5組合調(diào)壓

多種調(diào)壓措施結(jié)合起來用。

注：

①在需要附加設備的調(diào)壓措施中，對無功功率不足的系統(tǒng)，首要

問題是增加無功功率電源，因此以采用并聯(lián)電容器、調(diào)相機或靜止補

償器為宜；

②為合理選擇調(diào)壓措施，應進行技術(shù)經(jīng)濟比較；

③頻率和電壓都偏低時，優(yōu)先調(diào)頻。電壓提高，負荷消耗的有功

功率和無功功率都將增大；頻率上升，負荷消耗的有功功率增大，但

無功功率將減??；

④正常穩(wěn)態(tài)運行時，全系統(tǒng)頻率相同，頻率調(diào)整集中在發(fā)電廠,

調(diào)頻手段只有調(diào)整原動機功率一種。電壓水平則全系統(tǒng)各點不同，電

壓調(diào)整可分散進行，調(diào)壓手段多種多樣。

1.3.5普通雙繞組變壓器分接頭選擇

135.1降壓變壓器

R+jX12

—\-?>S=P+jQ。

H一?一

圖5降壓變分接頭

表I各種補償器比較

負荷水平高壓母線電壓電壓損耗低壓母線調(diào)壓要求

最大負荷UllmaxUmaxIhmax

最小負荷UllminUminUzmin

解題思路步驟,:一般已知P,Q,R,X,U2,UH

PR+QX

①計算電壓降落縱分量AU=3（有時題目會直接告知）；

②計算歸算至高壓側(cè)的低壓側(cè)電壓；

③變壓器變比二額定電壓之比=實際電壓之比；

④解方程得UT;

⑤以上步驟代入最大負荷時的對應數(shù)據(jù)得UTmax，代入最小負荷

時的對應數(shù)據(jù)得UTmin；

⑥計算分接頭電壓平均值UTa、"a"嗎

⑦選擇和UTav最接近的標準檔位。

1.3.5.2升壓變壓器

分接頭選擇過程與上述類似，只有節(jié)點1電壓求取時不同

UI=UH+△Uo

1.3.6利用無功補償設備調(diào)壓

圖6無功補償設備調(diào)壓

補償前后首端電壓保持不變可得：

Qc=系(出—初＜2(12)

Qc：補償容量；

“低壓側(cè)要求保持的電壓；

U1：補償前歸算至高壓側(cè)的低壓側(cè)電壓，U尸UH=AU；

K2：變壓器變比。

1.3.6.1補償設備為電容器

最大負荷時將電容器全部投入，在最小負荷時全部退出。

變壓器分接頭選?。喊醋钚∝摵蓵r電容器全部退出運行的條件考

慮。

(13)

U?Nu27nm

即可求得變比K。

按最大負荷時調(diào)壓要求確定Qc：