电力系统电压和无功功率控制

以负荷侧电压Ub表示，线路的电压降落（折 算到高压侧） ：
S P jQ Ub * I* Ub * (IY jIW )
U I *Z
(IY jI W ) * (R jX )
P jQ * (R jX ) Ub
PR QX j PX QR
Ub
Ub
Ub jUb
其中，Ub
PR QX Ub
/
K2
• 从上述分析可得，影响负荷端电压的因素有： ➢ 发电机端电压UG 或 Eq ➢ 变压器变比K1，K2 ➢ 负荷节点的有功、无功负荷P＋jQ
➢ 电力系统网络中的参数R＋jX
因此，为了有效控制电力系统中的电压，就可以针对 上述因素进行。其中，根据前面推导过程得出的结论，无 功功率的分布起着决定性的作用。
异步电动机的转矩 Md U 2 电炉的功率 P U 2
照明设备发光和亮度大幅度下降。 电压过高时：
电气设备绝缘受损、铁心饱和、铁损增加、 温度升高、寿命缩短。
电压闪变对用户产生不良影响。
1、电压控制的必要性
（2）电压偏移对电力系统的影响 电厂，特别是火电厂，很多辅机由电动机
驱动，电压降低会使它们的出力下降，从而影 响发电厂出力，严重时可能造成“电压崩溃”。
异步电动机负荷在电力系统无功负荷中占很大的比重， 故电力系统的无功负荷与电压的静态特性主要由异步电 动机决定。异步电动机的无功消耗为：
ห้องสมุดไป่ตู้
QL
Qm
Q
U2 Xm
I 2 X
Qm— 异步电动机激磁功率，与异步电动机的电压平方成 正比。
Qσ—异步电动机漏抗Xσ的无功损耗，与负荷电流平方成 正比。
曲线1、2的交点确定了 节 点 的 电 压 值 UA ， 电 力 系统在此电压水平下达 到无功功率平衡。
励磁控制系统构成框图见：
3、励磁控制系统的基本任务
（1）调压和稳压
根据运行需要，调节同步发电机机端电压，并且维 持发电机机端电压在给定水平上；
（2）合理分配无功功率
对同一并列点上的各同步发电机，按标幺值相等的 原则动态分配总无功功率增量。
（3）提高电力系统稳定性
增加同步发电机阻尼，以提高并列运行同步发电机 的动态稳定性及输电线路的有功功率传输能力；在 电力系统发生短路故障时，迅速增加励磁电流，提 高电力系统暂态稳定性。
B、自并励励磁系统 同步发电机的励磁电流由发电机自身通过机端变压器供
给，其特点是整个励磁系统没有转动部件，故也称静止励 磁系统。
•取消了励磁机，简化 了设备及其接线，因 而提高了可靠性，同 时也提高了相应速度
• 电压控制：电压就是控制目标，即通过 控制电力系统中的各种因素，使电力系 统电压满足用户、设备和系统运行的要 求。
• 无功功率控制：指的是控制手段，即通 过控制无功功率的分布，实现某种控制 目标。一般是“电压水平合格”，“提 高电网稳定性”，“提高运行经济性”。
• 为什么要将“电压与无功功率”结合起 来说明？
农村电网（正常）
+7.5% -10%
（事故）
+10% -15%
A、同步发电机的无功－电压关系
同步发电机是系统中主要的无功电源设备，故电力 系统无功电源与电压的静态特性可由同步发电机的无功 电压特性获得：
同步发电机输出的无功功率和机端电压关系：
QG
UG Xd
(Eq
cos
UG )
B、负荷的无功电压关系
➢三级电压控制（TVC，全局控制）：基于实时测量， 在一个电力公司、联营公司或地区范围内用于经济和 /或安全性优化的协调动作。典型响应时间大约为10 分钟或更长。
我国电力系统电压合格指标
35kV及以上电压供电的负荷：+5% -5%
10kV及以下电压供电的负荷：+7% -7%
低压照明负荷：
+5% -10%
电流的有功功率分 量在感抗上产生的 电压PX/ Ub和无功 分量在电阻上产生 的电压－QR/ Ub， 均与受端电压Ub垂 直，两者之和等于 横分量，由于两者 方向相反，相互抵 消后再与Ub垂直相 加，故对电压Ub的 影响较小；
近似计算及结论 ：
由上可知，电压损耗主要由电压降落的纵分量决定，
受横分量影响较小，故工程上近似计算时常常略去横分量
2、无功功率控制的必要性
（1）维持电力系统电压在给定水平；
n
m
l
QGi QLj Qk
i 1
j 1
k 1
无功功率可以在不同的电压水平下平衡!
（2）提高电力系统运行的经济性；
改变潮流可以改变网损。
（3）维持电力系统运行的稳定性。 电网电压水平的高低对稳定性有影响。
二、电力系统电压和无功功率控制概述
提高线路的输送能力，提高系统稳定水平，电压控制仅是其具
备的功能。
• 利用高压线路充电功率：高压输电线路的对地电容电流也
是系统中非常可观的无功电源。
• 需求侧管理（DSM）：这是电网通过经济手段调动用户积
极参与电网运行的一种手段。目前，在调压方面，主要针对系统 中的主要无功负荷源“异步电动机”进行，通过直接在“异步电 动机”端装设电容器，减小无功负荷提高功率因数，从而达到调 压的目的。
1、同步发电机机端电压
发电机定子电压方程为： 一般δ很小，cos δ 1，上式可简化为：
Eq cos UG Iq X d
Eq UG Iq X d
其中：Eq与励磁电流成正比，Iq为定子电流的无功分量。 因此，发电机机端电压主要受励磁电流和无功电流的影响。
2、励磁系统和励磁控制系统
（1）励磁系统的定义和基本组成
方式。 根据励磁电源来源的不同, 有多种励磁方式，
目前最常见的有： 三机励磁系统（含无刷励磁系统）。 自并励励磁系统等。
不同励磁方式励磁功率单元的组成也不同。
A、三机励磁系统和无刷励磁系统 原理接线图如下图：
典型三机励磁系统原理图 （它励静止半导体励磁系统）
•同步发电机的励磁由交 流主励磁机经二极管不 可控整流桥供给；
为电压降落的纵分量。
U b
PX QR Ub
为电压降落的横分量。
相量图为：
而电流的无功功率分量在感抗上 产生的电压QX/Ub和有功分量在电 阻上产生的电压PR/Ub，均与受端 电 压 Ub 同 向 ， 两 者 之 和 等 于 纵 分 量 ， 由 于 两 者 均 与 Ub 同 向 ， 所 以 能够最大程度地影响Ub。
• 无刷励磁系统的特点 也与三机励磁系统相 似，只是发电机的励 磁电压和励磁电流测 量因旋转而变得比较 困难。
无刷励磁系统原理图 （旋转硅整流器励磁系统）
• 目前无刷励磁技术已 经成熟，已在大型机 组中应用。
三机励磁系统的特点：励磁电源可靠，不受电力系统短路的 影响；由于主励磁机励磁绕组的存在，励磁响应速度较慢；
确保稳定性： 深入分析负荷特点，通过运行计划优先利用动态响应慢的 控制手段，将快速控制手段留作备用。
兼顾经济性 合理安排电网中的无功电源和补偿装置的配置及运行计划， 降低整个系统运行时的线损，提高系统运行的经济性
3、电力系统电压控制的主要方法概述
（2）控制手段简介：
针对各种影响节点电压的因素，电压控制 方法无非以下几种：
电压水平影响电网损耗：传输相同的有功功率，电
压下降－>电流升高－>线损增加；因此，无功功率控 制是实现电力系统经济调度的一个重要方面。
随着电力市场的逐步推进，供电企业角色的转变，
不仅要连续供电，而且要供好电，用户对供电质量的 要求越来越高，电能质量也将逐步成为供、用电双方 合同内容的一部分，而电压是电能质量最重要的指标 之一。
无功负荷功率增加，使 曲线1转移至1’，曲线交 点变为 A’，电压下降； 若提高UG，则使曲线2转 移 至 2’ ， 达 到 新 平 衡 点 为C。与A相比，新平衡 点电压相同，但是发电 机无功出力增加，机端 电压升高。
C 影响电力系统电压的主要因素
以一个单机—负荷的简单系统为例，推导负 荷侧电压公式:
“电压——无功”的强相关性。
• 电压无功控制已成为电力系统运行控制的一个 重要的方面，在国内外发展都很迅速：
➢一级电压控制（PVC，就地控制）：基于就地测量， 对电力系统个别的或有限数量的设备进行自动操作。 典型响应时间从几毫秒到大约一分钟。
➢二级电压控制（SVC，区域控制）：基于在电力系 统规定的范围内的控制设备的协调动作，目的在于维 持系统的安全性。典型的响应时间是一分钟到几分钟 之间。
二、电力系统电压和无功功率控制概述
D、电力系统电压控制的主要方法概述
注意：这里所指的电压控制，主要指控制负荷点的电压。
（1）控制原则：
无功功率分层、就地、就近平衡； 由于在超高压电网中，X>>R，因此I2X>>I2R，即电网中 的无功损耗要远远大于有功损耗，而无功负荷和无功损耗 又是造成电压下降的主要原因。因此，无功功率是无法远 距离传输和跨越变压器补偿的，这就决定了无功功率必须 遵循分层、就地、就近平衡的原则。
第四章 电力系统电压和 无功功率的自动控制
一、电力系统电压和频率控制的必要性 二、电力系统电压和无功功率控制概述 三、机端电压控制手段－励磁控制系统 四、输、配电网电压控制手段分析 五、电力系统自动电压控制（AVC） 六、电力系统无功功率控制 七、电力系统无功电压的综合控制
1、电压控制的必要性
（1）电压偏移对电力用户的影响 电压过低时：
➢ 并联电抗器：也称高抗，包括固定式电抗器和分组投切电 抗器。
➢ SVC和ASVG：利用电力电子技术的新型并联无功补偿装置。
• 改变线路参数：在线路上串接电容器或其他补偿装置：
➢ 串联电容：包括固定式电容器和分组投切电容器。 ➢ 可控串补（TCSC）：利用电力电子技术的新型串联补偿装