1、2022-12-26第六章电力系统无功功率和电压调整第六章电力系统无功功率和电压调整主要内容主要内容:电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的平衡电力系统中无功功率的最优分配电力系统中无功功率的最优分配电力系统的电压调整电力系统的电压调整2022-12-26第一节电力系统中无功功率的平衡第一节电力系统中无功功率的平衡一一.无功功率负荷和无功功率损耗无功功率负荷和无功功率损耗.无功负荷：无功负荷：以滞后功率因数运行的设备的无功部分以滞后功率因数运行的设备的无功部分.无功损耗：无功损耗：u线路线路 DDDSQsin2022-12-26u变压器变压器 20100%100%NNSNTSSSUSIQ
2、002QQ2221222222UUBXUP2022-12-26二二.无功公功率电源无功公功率电源.发电机发电机发电机是目前唯一的有功电源，又是基本的无功发电机是目前唯一的有功电源，又是基本的无功电源电源,发发QGQG的能力与同时发出的能力与同时发出PGPG有关有关,由发电机的由发电机的 PQPQ极限曲线决定极限曲线决定系统中有备用有功电源时系统中有备用有功电源时,可将负荷中心的发电机可将负荷中心的发电机降低功率因数运行，少发有功、多发无功降低功率因数运行，少发有功、多发无功,有利于有利于无功的局部平衡，提高系统电压水平。无功的局部平衡，提高系统电压水平。2022-12-26.电容器和调相机电容
3、器和调相机u电容器电容器优点：组合灵活，可分散、集中，可分相补偿；投优点：组合灵活，可分散、集中，可分相补偿；投资少、有功损耗少资少、有功损耗少(额定容量的额定容量的0.30.5%)0.30.5%)缺点：电压下降时急剧下降缺点：电压下降时急剧下降,不利于电压稳定不利于电压稳定u同步调相机同步调相机同步调相机是特殊状态下的同步电机可视为不发同步调相机是特殊状态下的同步电机可视为不发p pG G的同步电机或不带的同步电机或不带P PD D的同步电机的同步电机CUX/UQ2C2C2022-12-26过激运行时发出过激运行时发出Q QG G（无功电源（无功电源)欠激运行时吸收欠激运行时吸收Q QG G
4、（无功负荷）（无功负荷）优点：调节平滑、系统故障时也能调、可作无功负荷。优点：调节平滑、系统故障时也能调、可作无功负荷。缺点：缺点：损耗大损耗大(额定容量的额定容量的1.55%)1.55%)，投资大、维护量大。，投资大、维护量大。2022-12-26.静止补偿器和静止调相机静止补偿器和静止调相机u 静止无功补偿器静止无功补偿器 2022-12-26CLDQQQQCLDQQQQ运行在水平区段：运行在水平区段：从无功补偿角度来看：从无功补偿角度来看：0QCDLQQ 优点优点:调节能力强，反应速度快，特性平滑调节能力强，反应速度快，特性平滑,可分可分相补偿相补偿,维护简单维护简单,损耗小。损耗小。缺
5、点缺点:最大补偿量正比于电压平方最大补偿量正比于电压平方,电压低时补偿电压低时补偿量小；谐波对电力系统产生污染。量小；谐波对电力系统产生污染。2022-12-26u静止调相机静止调相机2022-12-26当当UaUaUAUAK K时，调相机向系统输出感性无功时，调相机向系统输出感性无功功率功率当当UaUaUA/KUA/K时，将由系统输入感性无功功率时，将由系统输入感性无功功率由于此处换流器交流侧电压由于此处换流器交流侧电压UaUa完全可控，不存完全可控，不存在静止补偿器因端电压取决于系统电压而带来在静止补偿器因端电压取决于系统电压而带来的缺陷的缺陷.并联电抗器（消耗无功）并联电抗器（消耗无功）
6、对高压远距离输电线路而言，它有提高输送能对高压远距离输电线路而言，它有提高输送能力，降低过电压等作用力，降低过电压等作用2022-12-26三三.无功功率的平衡无功功率的平衡LDGQQQ规划设计：规划设计：RGNQQQ运行中：运行中：2022-12-26.电压水平的确定电压水平的确定 2022-12-26电压水平的确定电压水平的确定 UcosUIPXcosIXUXsinUEXUEUXIXUUIQcossinsin)UcosE(XU2022-12-26.无功补偿：无功补偿：设置除发电机以外的无功电源以满足设置除发电机以外的无功电源以满足系统电压要求系统电压要求u原因：原因：实际的负荷功率因数低（
7、实际的负荷功率因数低（.左右），而发电机的高左右），而发电机的高（.）网损中无功损耗有功损耗网损中无功损耗有功损耗无功功率不能远距离输送无功功率不能远距离输送 u所以：所以：就地进行补偿，另装无功电源就地进行补偿，另装无功电源 u无功平衡要求：无功平衡要求：全系统平衡全系统平衡(运行、规划设计运行、规划设计)局部地区基本平衡、避免无功远距离输送。局部地区基本平衡、避免无功远距离输送。2022-12-26第二节第二节 无功功率的最优分布无功功率的最优分布一一.减少系统对无功的需求减少系统对无功的需求1.1.为什么要减少无功的需求为什么要减少无功的需求 因为面对十分低劣的负荷自然功率因数谈无功功因
8、为面对十分低劣的负荷自然功率因数谈无功功率的最优分布率的最优分布,显然是舍本逐末的显然是舍本逐末的.2.2.减少无功需求的措施减少无功需求的措施不使电动机的容量过多地超过被拖动机械所需的功不使电动机的容量过多地超过被拖动机械所需的功率率在某些设备上以同步电动机代替异步电动机在某些设备上以同步电动机代替异步电动机异步机同步化异步机同步化2022-12-26二二.无功功率电源的最优分布无功功率电源的最优分布优化无功功率电源分布的目的优化无功功率电源分布的目的:降低网络中有功功降低网络中有功功率的损耗率的损耗u数学模型数学模型:目标函数目标函数:约束条件约束条件:结论结论:运用拉格朗日乘数法得出最优
9、分布的条件运用拉格朗日乘数法得出最优分布的条件:GiG,G2,1QQQQnPPGmaximinGimaxGiGimin1iLi1GiUQQQ0QQQiininiiUU 2022-12-26G2G2G1G1QQ11QQQQ11QPGnGnQQ11QP0QQQ1ni1iLiGinii2.无功功率电源的最优分布:确立了最优分布的等网损微增率准则然后由条件列出方程组，解出各解，就可得到电源的最优分布3.注意:当某点求出的无功容量超过了不等式的约束条件时，应取这点的无功即为它的极限，然后由其他点继续做计算求出无功功率2022-12-26三三.无功功率负荷的最优分配无功功率负荷的最优分配.最优网损微增率准
10、则最优网损微增率准则在系统中某节点在系统中某节点i i设置为无功功率补偿的先决条设置为无功功率补偿的先决条件是由于设置补偿设备而节约的费用大于为设件是由于设置补偿设备而节约的费用大于为设置补偿设备而耗费的费用以数学表示式表示置补偿设备而耗费的费用以数学表示式表示则为：则为：从而，确定节点从而，确定节点i i的最优补偿设备的条件是：的最优补偿设备的条件是：0)()(ciccieQCQC)()(ciccieQCQCC2022-12-26由于由于cicciccieQKQCPPQC)()()()(max0为单位电能损耗价格，分别为折旧率和投资回收率P0,P分别为设置补偿设备前后全网最大负荷下的有功功率
11、损耗Kc为电容补偿设备投资2022-12-26cicQKPPC)()(max0max)(cciKQP可得：可得：令上式对令上式对Q Qci ci的偏导数为零，可得的偏导数为零，可得式中等号左侧是节点式中等号左侧是节点i i的网损微增率，等号右侧响应地就称的网损微增率，等号右侧响应地就称最优网损微增率，且为负值，表示每增加单位容量无功补偿最优网损微增率，且为负值，表示每增加单位容量无功补偿设备所能减少的有功损耗。设备所能减少的有功损耗。2022-12-26 由上式可列出最优网损微增率准则由上式可列出最优网损微增率准则eqcciKQPmax)(eq表示最优网损微增效。此准则表明，只应在网损微增率具
12、有负值，且小于eq的节点设置无功功率补偿设备等网损微增率是无功电源最优分布的准则，而最优网损微增率或无功功率经济当量则是衡量无功负荷最优补偿的准则。2022-12-26第三节第三节 电力系统电压调整电力系统电压调整1.1.电压偏移对负荷的影响电压偏移对负荷的影响 照明、电热、电动机、家用电器照明、电热、电动机、家用电器2.电压偏移对电力系统的影响 功率损耗、电能损耗、设备绝缘、运行稳定功率损耗、电能损耗、设备绝缘、运行稳定 性、电晕损耗性、电晕损耗一一.调压的必要性调压的必要性2022-12-26二、调压的整体思想二、调压的整体思想1.1.什么是电压中枢点什么是电压中枢点 中枢点:大型发电厂的
13、高压母线、大型变电所的二次母线、有大量地方负荷的发电厂母线 如下图所示如下图所示:2022-12-262.2.调压的整体思想调压的整体思想 因为很多负荷都由这些中枢点供电因为很多负荷都由这些中枢点供电,并且中枢点并且中枢点至各负荷点在最大最小负荷时电压损耗之差不能大至各负荷点在最大最小负荷时电压损耗之差不能大于负荷点允许上下限电压之差于负荷点允许上下限电压之差,所以如能控制住这些所以如能控制住这些点的电压偏移就能控制系统中大部分负荷的电压偏点的电压偏移就能控制系统中大部分负荷的电压偏移移.三调压方式三调压方式.逆调压逆调压.顺调压顺调压.恒调压恒调压2022-12-26n逆调压逆调压:n 最大
14、负荷时保持中枢点电压比线路额定电压高 5%;最小负荷时,使中枢点电压降至线路额定电压。适用范围：中枢点到各负荷点线路长、负荷变化较大，变化规律大致相同。2.2.顺调压：顺调压：最大负荷时电压不低于线路额定电压102.5%;最小负荷时电压不高于线路额定电压的107.5%。适用范围:电压损耗小,负荷变动小,用户允许电压偏移大。3.3.恒调压：恒调压：中枢点电压保持在比线路额定电压高25%。适用范围:电压损耗较小,负荷变动较小。2022-12-26四四.电压控制原理电压控制原理UG T1 L T2 UDR+jX2NDD1G21GDK1)UXQRPK(UK1U)K(UU2022-12-26使使U UD
15、 D变化的措施：变化的措施：1 1调整调整U UG G；2 2 调整变比调整变比K K1 1、K K2 2；3 3 改变功率分布改变功率分布(以为主以为主)；4 4改变网络参数改变网络参数R+jX(R+jX(以以X X为主为主););2022-12-26五调压措施：五调压措施：.利用发电机调压利用发电机调压.改变变压器变比调压改变变压器变比调压.利用无功补偿调利用无功补偿调2022-12-26.利用发电机调压利用发电机调压2022-12-26u两个问题两个问题:对于较长线路、多电压对于较长线路、多电压级输电级输电,此时仅靠调节发电此时仅靠调节发电机不能机不能 满足要求满足要求多机系统中多机系统
16、中,与无功备用、与无功备用、无功的经济分配有矛盾。无功的经济分配有矛盾。适用于小系统、线路长适用于小系统、线路长；易于实现逆调压易于实现逆调压此调压仅作辅助措施此调压仅作辅助措施2022-12-26.改变变压器变比调压改变变压器变比调压u电力变压器主接头、分接头电力变压器主接头、分接头u条件条件:从整个系统来看从整个系统来看,必须无功电源充足。变压器本必须无功电源充足。变压器本身不是无功电源身不是无功电源,当系统中无功电源不足时当系统中无功电源不足时,达达不到调压要求。不到调压要求。u双绕组变压器无载调压双绕组变压器无载调压降压变：降压变：U UH H：高压侧实际电压：高压侧实际电压(由潮流计
17、算获得由潮流计算获得)；U UL L：低压侧希望电压：低压侧希望电压(由调压要求获得由调压要求获得)；U UTHTH：高压侧欲选分接头电压；：高压侧欲选分接头电压；U UTLTL：低压侧固定接头电压，：低压侧固定接头电压，U UNLNL。2022-12-26如下图所示：如下图所示：UH ZTP+jQUTH/UTLUL 考虑不同负荷时的调压要求考虑不同负荷时的调压要求:LMNLMHMTHMUU)U(U=ULmNLmHmTHmUU)U(U=U 最大负荷时最大负荷时:最小负荷时最小负荷时:普通双绕组变压器普通双绕组变压器,须停电换分接头须停电换分接头,所以取平均所以取平均值兼顾值兼顾:2022-12
18、-26)U(U21=UTHmTHMTHa 规格化为规格化为UTHNUTHN：THNMHMNLLMUUUU=UTHNHmNLLmUUU=UmU 校验校验:误差应小于半个分接头电压误差应小于半个分接头电压。如不合格如不合格,一是改变一是改变U UTHNTHN；二是采用两个分接头；二是采用两个分接头带负荷调分接头带负荷调分接头(一般用于逆调压一般用于逆调压)2022-12-26T2N22TT2N22TXUQPQRUQPP)QjP(jQPjQPTTHH 升压变压器 PH+jQH P+jQ已知低压希望电压,求高压分接头 UHZT ULLMNLMHMTHMUU)U(UULmNLmHmTHmUU)U(UU
19、2022-12-26u双绕组变压器有载调压：双绕组变压器有载调压：当无载调压不论怎样选择分接头，低压母线的实当无载调压不论怎样选择分接头，低压母线的实际电压总不能满足要求时，这时可使用有载调压变际电压总不能满足要求时，这时可使用有载调压变压器它不仅可在有载情况下更改分接头，而且调压器它不仅可在有载情况下更改分接头，而且调节范围也较大，只是经济性稍差一些节范围也较大，只是经济性稍差一些.利用无功补偿调压：利用无功补偿调压：u并联补偿并联补偿原理原理:减少无功流动，直接减少线路有功损耗，减少电压损耗，减少无功流动，直接减少线路有功损耗，减少电压损耗，从而提高电压从而提高电压补偿容量的计算补偿容量的
20、计算 设有下图所示模型设有下图所示模型:2022-12-26U1 K:1 U2 P+jQR+jXjQC221UQXPRUU2CC2C1U)XQ(QPRUU无补偿时：无补偿时：补偿后：补偿后：归归算算到到高高压压侧侧的的值值是是U UU U2 22 2是是补补偿偿量量Q QC C归归算算到到高高压压侧侧的的值值是是U UU U2 2C C2 2C C其中，其中，设补偿前、后设补偿前、后U U1 1不变不变：2022-12-262CC2C22U)XQ(QPRUUQXPRU222C2CC)KKU(UXUQ最小补偿容量的确定最小补偿容量的确定:1)电容器:特点:只能发感性无功,可全部或部分切除，不能平
21、滑调节.分两步计算:最小负荷时，无功电源不缺，全部切除电容，利用变压器调压满足要求(确定K)2CmNLm1mTHmUU)U(UU2022-12-26NLTHNTHN/UU求变比K,U22M2CM2CMC)KKU(UXUQU U2cm2cm:由调压要求确定的低压侧希望电压由调压要求确定的低压侧希望电压(最小负荷时最小负荷时)规格化为规格化为 最大负荷时，最大负荷时，K K已定，确定已定，确定Q QC C:U2cm:U2cm:最大负荷时，由调压要求确定的低压希望电压；最大负荷时，由调压要求确定的低压希望电压；UU2M2M:最大负荷时，补偿前低压侧归算到高压侧的实际电压最大负荷时，补偿前低压侧归算到
22、高压侧的实际电压.规格化规格化Q QC C，并校验，并校验U U2CM2CM、U U2Cm2Cm是否达到要求。是否达到要求。2)2)同步调相机：同步调相机：特点特点:能作无功电源能作无功电源(发感性无功发感性无功)；又能作无功负荷；又能作无功负荷(吸吸 感感性无功性无功)，但此时最多为容量的，但此时最多为容量的50%50%；能平滑调节。；能平滑调节。计算计算:最大负荷时：最大负荷时：2022-12-2622M2CM2CMSC)KKU(UXUQ调相机容量:QSC 最小负荷时：22m2Cm2CmSC)KKU(UXU0.6)Q(0.5)U(KUU)U(KUU0.6)(0.52M2CM2CM2m2Cm
23、2Cm求出K，规格化，然后求QSC，再规格化后校验。说明：X：代表电压恒定点到补偿点的电抗之和中途有负荷 点时，该负荷可不考虑2022-12-26u 利用串联补偿调压利用串联补偿调压 原理原理:串联补偿就是在系统中串入电容串联补偿就是在系统中串入电容 ，提高电压水平而减提高电压水平而减少有功损耗，等容量下不如并补作用强，并且少有功损耗，等容量下不如并补作用强，并且适用范围适用范围:用于电压波动频繁、功率因数低的场合用于电压波动频繁、功率因数低的场合u说明说明:(1)在考虑各种调压措施时，要兼顾经济性等要求。在在考虑各种调压措施时，要兼顾经济性等要求。在高压线路中，串补还是提高稳定性的措施之一。
24、高压线路中，串补还是提高稳定性的措施之一。(2)(2)在离需要调整电压的中枢点附近的调压设备的调节在离需要调整电压的中枢点附近的调压设备的调节效应好。一般分散调节，在此基础上集中控制。效应好。一般分散调节，在此基础上集中控制。2022-12-26例题例题:简单系统接线如下图所示简单系统接线如下图所示.降压变电所低压侧降压变电所低压侧母线要求常调压母线要求常调压,保持保持10.5kv.试确定下列无功补偿试确定下列无功补偿设备时的设备容量：设备时的设备容量：()补偿设备采用电容器补偿设备采用电容器;(2)补偿设备采用调相机补偿设备采用调相机kVUi118ikV111110MVAjSj1520max
25、MVAjSj5.710minj2022-12-26恳请各位专家指正！恳请各位专家指正！谢谢 谢！谢！2022-12-262022-12-26 解解:设置补偿前设置补偿前,最大负荷时变电所低压侧归算至高最大负荷时变电所低压侧归算至高压侧的电压为压侧的电压为最小负荷时为最小负荷时为 kv1.971186.129154.2620118UxQrPUiUijjmaxijjmaxjmax kv5.1071186.1295.74.2610118UxQrPUUiijjminijjminijmin2022-12-26n1 补偿设备采用电容器时n按常调压要求确定最小负荷时补偿设备全部退出运行条件下应选用的分接头电
26、压:n选用 110+2.5即112.75kv的分节头，按最大负荷时的调压要求确定 kv6.1125.10115.107UUUUjminNjjmintJmin74.81175.11275.112111.975.106.1295.10 xUQ2222maxijjcmaxcNjtJtJNjjcUUUUU2022-12-26验算电压偏移:最大负荷时补偿设备全部投入kv65.1061186.12974.8154.2620118Ujcmax低压母线实际电压为kv4.10112.7511106.65Ujcmax最小负荷时补偿设备全部退出最小负荷时补偿设备全部退出,已知已知107.5kvUjmin可得低压侧实
27、际电压为可得低压侧实际电压为kv49.10112.7511107.5Ujcmax最大负荷时电压偏移为最大负荷时电压偏移为95.01005.104.105.102022-12-26最小负荷时电压偏移为12.01005.1049.105.10可见选择的电容器容量能满足常调压的要求2 补偿设备采用调相机时首先确定应选用的变比jmaxjcmaxjminjcminjcminkUUUUkU21.9710.5k5.105.10710.5k5.102解得k=9.91，从而选用主接头110kv，按最大负荷时调压要求确定QC2022-12-26Nj22tJNjjmaxjcmaxijjcmaxcUUUUUUxUQt
28、JMVA40.611110110111.975.106.1295.1022选用容量为7.5MVA的调相机.验算电压偏移:最大负荷时调相机过激满载运行,输出7.5Mvar感性无功功率kv3.1051186.1295.7154.2620118Ujcmax2022-12-26低压侧实际电压为kv3.10511011105.3Ujcmax最小负荷时,调相机欠激满载运行,吸取3.75Mvar感性无功功率kv4.1031186.12975.35.74.2610118Ujcmin低压母线实际电压为kv34.10110114.103Ujcmin2022-12-26最大负荷时的电压偏移为3.01005.105.1053.10最小负荷时电压偏移为52.11005.105.1034.10可见选用的调相机容量是恰当的.最小负荷时适当减小吸取的无功功率就可使低压母线电压达到 10.5kv.换言之,选用的调相机容量还有一定的裕度.
