第12章 电力系统的无功功率平衡和电压调整(2)2015-5修订

V1
R jX V1t
k:1
V2
将 k 代人式(12-11) ， 便得高压侧分接头电压
降压变压器，已知P＋jQ ，V1 ， RT+jXT ，低压侧的调压目标为 V2
V1
R jX V1t
k:1
V2
V1tN
V1 V V2 N 求得高压侧分接头电压V1t V2
普通的双绕组变压器的分接头只能在停电的情况下改变。运行中只能 用一个固定的分接头。 通过计算可以求出在不同的负荷下为满足低压侧调压要求所应选择的 高压侧分接头电压。 假定V2max和 V2min分别为最大负荷和最小负荷运行时低压侧的电 压调整目标
12 一 2 电压调整的基本概念 一、允许电压偏移
作业：12-2,13-3,12-8（第一问）
各种用电设备都是按额定电压来设计制造的，其在额定电压下运行将能 取得最佳的效果。
电压偏移过大，会影响用电设备的正常工作外，对电力系统本身也有不 利影响。 电压降低，网络功率损耗加大，电压过低还可能危及电力系统运行的稳 定性； 电压过高时，各种电气设备的绝缘可能受到损害，在超高压网络中还将 增加电晕损耗等。 在电力系统的运行中，随用电负荷的变化和系统运行方式的改变，网络 中的电压损耗也将发生变化。要严格保证所有用户在任何时刻都有额定 电压是不可能的， 因此，系统运行中各节点出现电压偏移是不可避免的。
当系统发生事故时，电压损耗比正常情况下的要大，因此对电压质量的 要求允许降低一些，通常允许事故时的电压偏移较正常情况下大 5％。
三、电压调整的基本原理
以图示简单电力系统，说明常用的各种调压措施所依据的基本原理。 对图示系统，要调整节点 b 的电压。略去线路的电容功率、变压器的 励磁功率和网络的功率损耗。变压器的参数已归算到高压侧。 b 点的 电压为 b
对于线路较长、供电范围较大、有多级变压的供电系统，从发电厂到最 远处的负荷点之间，电压损耗的数值和变化幅度都比较大。 图12-18 所示多级变压供电系统，从发电机端到最远处负荷点之间在最 大负荷时的总电压损耗达 35%，最小负荷时为 15% ，其变化幅度达20 ％。 (4+10+4+8+3+6)%=35%
因而要求进行电压调整的电厂需有充裕的无功容量储备，一般这是不易 满足的。 此外，在系统内并列运行的发电厂中，调整个别发电厂的母线电压，会 引起系统中无功功率的重新分配，这可能与无功功率的经济分配发生矛 盾。
所以在大型互联电力系统中发电机调压只作为一种辅助性的调压措施。
二、改变变压器变比调压
改变变压器的变比可以升高或 降低次级绕组的电压。 为了实现调压，在双绕组变压 器的高压绕组上设有若干个分 接头以供选择，其中对应额定 电压 VN 的称为主接头。 双（三）绕组变压器一般是在 高压绕组（中压绕组）设置分 接头。变压器的低压绕组不设 分接头。
(2+5+2+3+1+2)%=15%
调压的困难主要在于不同运行方式下电压损耗之差（即变化幅度）太大。 单靠发电机调压是不能解决问题的。
此时，发电机调压主要是为了满足附近负荷的电压质量要求，发电机电 压在最大负荷时提高 5 % ，最小负荷时保持为额定电压，
采取这种逆调压方式，对于解决多级变压供电系统的调压问题也是有利 的。
(a) 升 压 变 压 器
改变变压器的变比调压：根据 调压要求适当选择分接头。
(b) 降 压 变 压 器
二、改变变压器变比调压
1 ．降压变压器分接头的选择 图示为一降压变压器。若通过功率为P＋jQ ，高压侧实际电压为 V1 ，归算到高压侧的变压器阻抗为 RT+jXT ，归算到高压侧的变 压器电压损耗为△VT ，低压侧要求得到的电压 V2为，则有
举例说明确定中枢点电压的变化范围方法： 假定中枢点O向负荷点 A 和 B 供电 ，电压 VA 和 VB 的允许变化范围相同（ 0.95~1.05) VN 。。
假定两处的日负荷曲线呈两级阶梯形如 图 12-16(b)所示， 线路参数一定时，电压损耗 △VOA和 △VOB 分别与 A 点和 B 点的负荷有关 两段线路的电压损耗的变化曲线如图 12-16(c)所示。
在系统规划阶段，许多数据及要求未能准确地确定，无法按照上述方法 进行调压计算，但可根据电网的性质对中枢点的调压方式提出原则性的 要求。 一般将中枢点的调压方式分为三类：逆调压、顺调压和常调压。 大负荷时，线路的电压损耗大，提高中枢点电压，就可以抵偿掉部分电 压损耗，使负荷点的电压不致过低。
小负荷时，线路电压损耗小，适当降低中枢点电压就可使负荷点电压不 致过高。 这种在大负荷时升高中枢点电压，小负荷时降低中枢点电压的调压方式 称为“逆调压”。 一般，采用逆调压方式，在最大负荷时可保持中枢点电压比线路额定电 压高 5 % ，在最小负荷时保持为线路额定电压。 供电线路较长、负荷变动较大的中枢点往往要求采用“逆调压”调压方 式。逆调压的要求较高，较难实现。
实际上，多数用电设备在稍许偏离额定值的电压下运行，仍有良好的技 术性能。
从技术上和经济上综合考虑，合理地规定供电电压的允许偏移是完全必 要的。
目前，我国规定的在正常运行情况下供电电压的允许偏移如下： 35kV 及以上供电电压正、负偏移的绝对值之和不超过额定电压的10% ， 如供电电压上下偏移同号时，按较大的偏移绝对值作为衡量依据； （－ 3%～+7%）是合格的， （+3%～10%）是合格的, （+3%～11%）是不 合格的, 10kV 及以下三相供电电压允许偏移为额定电压的±7% ; 220V 单相供电电压允许偏移为额定电压的（-10 ％ ~7％）之间。 使网络各处的电压都达到规定的标准，必须采取各种调压措施。
三、利用无功功率补偿调压 无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引 起有功功率损耗和电压损耗。 合理的配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无功潮流分布，可以减 少网络中的有功功率损耗和电压损耗。 按调压要求选择无功功率补偿容量的问题： 图 12-22 所示为一简单电力网， 条件：供电点电压 V1（不变） 、负荷功率P＋jQ给定，线路充电电容和 变压器的励磁功率略去不计。 在未加补偿装置前若不计电压降落的横分量，便有
V1
R jX V1t
k:1
V2
P+jQ
110-110*2.5%=107.25
V1
R jX V1t
k:1
V2
P+jQ
V1t min (113 2.34)
V1t max
可行域（105.63～109.5）
6.3 116.2 ~ 105.63 (6.0 ~ 6.6) 6.3 (110 5.7) 109.5 ~ 99.56 (6.0 ~ 6.6)
110-110*2.5%=107.25 110-110*5%=104.5
2、升压变压器分接头的选择选择 （12-12） 升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同。 但因升压变压器中功率方向是从低压侧送往高压侧的（如图12-21)，故公 式（12-12）中△VT 前的符号应相反，即应将电压损耗和高压侧电压 相加。因而有 V2 1: k V1t RT jX T V1 PRT QX T
若中枢点是发电机电压母线，则除了上述要求外，还应受厂用电设备 与发电机的最高允许电压以及为保持系统稳定的最低允许电压的限制。 如果在某些时间段内，各用户的电压质量要求反映到中枢点的电压允 许变化范围没有公共部分：仅靠控制中枢点的电压并不能保证所有负 荷点的电压偏移都在允许范围内。 为满足各负荷点的调压要求，还必须在某些负荷点增设其它必要的调 压设备。
对某些供电距离较近，或者负荷变动不大的变电所，可以采用“顺调压” 的方式，
顺调压：在大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的 102.5%；小负荷时允许其电压高一些，但Hale Waihona Puke Baidu超过线路额定电压的107.5％。
介于上述两种调压方式之间的调压方式是恒调压（常调压）。即在任何 负荷下，中枢点电压保持为大约恒定的数值，一般较线路额定电压高 2％ ~5%。
公式说明，调整电压 Vb 可以采取的措施：
(1)调节励磁电流以改变发电机端电压 VG ;
(2)适当选择变压器的变比k； (3)改变线路的参数R、X；
(4)改变Q（无功功率的分布）。
12 一 3 电压调整的措施 一、发电机调压 现代同步发电机在端电压偏离额定值不超过士 5 ％的范围内，能够以额 定功率运行。 大中型同步发电机都装有自动励磁调节装置，可以根据运行情况调节励 磁电流来改变其端电压。 一般，不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。 由孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网，因供电线路不长，线路 上电压损耗不大，故改变发电机端电压（例如实行逆调压）就可以满足 负荷点的电压质量要求，而不必另外再增加调压设备。这是最经济合理 的调压方式。
V
V1
V1t V2 N k
P+jQ
k
V1t V1 VT V2 N V2
式中， V2 为低压侧的实际电压或给定电压； V1为高压侧所要求的电压。 要注意升压变压器与降压变压器绕组的额定电压是略有差别的（见表1-1）。 选择发电厂中升压变压器的分接头时，在最大和最小负荷情况下，要求发 电机的端电压都不能超过规定的允许范围。 在发电机电压母线上有地方负荷，则应当满足地方负荷对发电机母线的调 压要求，一般可采用逆调压方式调压。
V1tN max (V1max VT max )V2 N V2 max V1tN min (V1min VT max )V2 N V2 min
V1tNav (V1tN max V1tN minx ) / 2
根据 V1tN.av 值可选择一个与它最接近的分接头。然后校验最大负荷 和最小负荷时低压母线上的实际电压是否符合要求
日负荷曲线
电压损耗的变化曲线
日负荷曲线
电压损耗的变化曲线
A对中枢点电压控制要求：
B对中枢点电压控制要求：
A负荷对中枢点O电压要求范围
B负荷对中枢点O电压要求范围
图中的阴影部分就是同时满足 A 、 B 两 负荷点调压要求的中枢点电压的允许变 化范围。 可见，尽管 A 、 B 两负荷点的电压可在 (0.95~1.05)的范围内变化， 但是由于两处负荷大小和变化规律不同，两段线路的电压损耗数值及变化 规律亦不相同。 为同时满足两负荷点的电压质量要求，中枢点电压的允许变化范围就大大 地缩小了，最大时为7% ，最小时仅有1％。
V2
V1t
R jX
V1
P+jQ
V1 V V2 N V2
V1tN
121 121 2.5% 124.025
由以上讨论可见， 采用固定分接头的变压器进行调压，不可能改变电压损耗的数值， 也不能改变负荷变化时次级电压的变化幅度；
通过对变比的适当选择，只能把这一电压变化幅度对于次级电压的变化范 围进行适当的调整（升高或降低）。
二、中枢点的电压管理
电力系统调压的目的是保证系统中各负荷点的电压在允许的偏移范围 内。
由于负荷点数目众多分散，不可能也没有必要对每一个负荷点的电压 进行监视和调整。 系统中的负荷点总是通过一些主要的供电点供应电力的，例如： (1)区 域性水、火电厂的高压母线； (2)枢纽变电所的二次母线； (3)有大量 地方负荷的发电机电压母线。这些供电点称为中枢点。 计及由中枢点到负荷点的馈电线上的电压损耗及各个负荷点允许的电 压偏移，便可确定每个负荷点对中枢点电压的要求范围。 若能找到中枢点电压的一个允许变化范围，使得由该中枢点供电的所 有负荷点的调压要求都能同时得到满足，那么，只要控制中枢点的电 压在这个变化范围内就可以保证电网的正常运行。
如果计及变压器电压损耗在内的总电压损耗，最大负荷和最小负荷时的电 压变化幅度（例如 12 % ）超过了分接头的可能调整范围（例如士 5 % ) ， 或者调压要求的变化趋势与实际的相反（例如逆调压时）， 则仅靠选普通变压器的分接头的方法就无法满足调压要求。 这时可以装设带负荷调分接头（调压）的变压器或采用其他调压措施。
图12-18：各元件在最大和最小负荷时的电压损耗如图注
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对于有若干发电厂并列运行的电力系统，利用发电机调压会出现新的问 题。 发电机节点的无功功率与节点的电压有密切的关系。
例如，两个发电厂相距 60km , 由110kV 线路相联，如果要把一个电厂的 110kV 母线的电压提高 5 % ，大约要该电厂多输出25Mvar 的无功功率。