电力系统的无功功率和电压控制

双绕组降压变压器分接头电压的计算：按最大和最小负荷时的分
接头电压平均值选择分接头
U1
Ut1
U 2 U2
Ut2
U1 U1 Ut2 U2
k Ut1 U2 Ut2 U2
k :1 R jX
U2 P jQ
Ut1max
U1max U1max U 2max
Ut2
4个电压的关系
U1 U U2 R jX
U1min U min Ut1 Ut2
U 2max
U 2max kt1
U1max U max Ut1 Ut2
最大和最小负荷时低压侧电压差的相对值为
U2min U 2max U2min U2max U 2min U2max
U2N
kt1U 2 N
U1N
？
U 2R min U 2R max U2N
按中压侧的调压要求，在高压和中压之间确定中压侧分接头
最后校验中压侧和低压侧的调压效果是否满足要求
有载调压变压器能够不停电地改变分接头位置，以满足调压要求
，改变一档分接头约需2~5s，便于自动化，但价格较高、运维较
复杂。选择有载调压变压器时，需按调压要求和负荷变化情况，
确定所需分接头调节范围和每档分接头的调节量。
压水平，并减小功率损耗、提高经济效益。当负荷变化时，调节
补偿装置就能控制电网电压。
忽略线路对地导纳和变压器励磁导纳
未加装并联补偿时
U1
U 2
PR QX U 2
加装并联补偿时
等值电源S
线路l
变压器T U2 P+jQ
jQC
k :1
Var
U1
kU 2 R
PR
(Q QC kU 2 R
)X
U2R：低压母线要求的电压
发电机的端电压与发电机的无功功率输出密切相关，增加端电 压的同时也增加无功输出，反之，降低端电压也就减小无功输 出，因此发电机端电压的调节受发电机无功功率极限的限制。 发电机有功出力较小时，无功调节范围会大些，调压能力会强 些。发电机端电压的允许调节范围为0.95~1.05UN，如果端电压 低于0.95UN，输出的最大视在功率要相应减小（小于SN）
中枢点电压控制（运行角度）
根据中枢点周围节点对电压偏移的要求，确定中枢点电压允 许变化的上下限
U CA C
U CB
UC
A
B 0
为满足UA上限的UC UC
为满足U A上限的U C
为满足U B下限的U C
不可控 为满足U B下限的U C
对电压损耗 相差太大的 线路，需 同时采用其 它调压措施
(时)
(时)
电力系统中的无功损耗相当大，一般约占系统负荷的50%，需 尽量实现无功功率的就地平衡和补偿，以减小有功和无功损耗 、提高电压水平、减小电网无功变化幅度、减小电压波动。
每增加 1 kW的有功负荷，需相应增加约1.4kvar的无功功率， 因此在系统负荷增长时，须不断增加无功补偿容量，以保证全 系统无功平衡，并有一定的备用。无功电源的备用容量一般取 最大无功负荷的7%~8%。全系统无功功率补偿容量与系统最大 负荷之比称为无功功率补偿度，一般要达到0.7~0.8或更大。
对故障后的非正常运行方式，一般允许电压偏移较正常时大5%
5.2.3 应用发电机调节电压
应用发电机调压不需要另外增加投资。根据励磁电源的不同， 同步发电机励磁系统可分为直流机励磁系统、自励半导体励磁 系统、它励半导体励磁系统 3大类。现代发电机励磁系统都有 自动调节功能，即自动励磁调节器（AER）或自动电压调节器 （AVR），通过改变励磁调节器的电压整定值，自动控制励磁 电流，即发电机空载电势，实现发电机端电压的闭环控制。
各种无功功率电源性能的比较
类型
投资
无功调节 性能
安装地点
无功出力与 电压的关系
对系统短路 电流的影响
有功损耗
同步发电机 无需额 同步电动机 外投资
同步调相机 大
静止补偿器 较大
可发可吸 平滑调节
各发电厂 某些大用户
枢纽变电所
使短路电流增大 不必考虑 影响很小 不必考虑
基本不受影响 使短路电流增大 大 中等
Ut1min 2
三绕组变压器分接头电压的计算
变压器分接头设在高压侧（二绕组变压器）或高、中压侧（三
绕组变压器），对应于额定电压的分接头称为主接头或主抽头。
三绕组变压器分接头的确定与负荷流向有关，需两次套用双绕
组变压器分接头的选择方法。负荷从高压侧流向中低压侧时，
按低压侧的调压要求，由高压和低压之间确定高压侧分接头
第五章
电力系统的无功功率和电压控制
5.1 电力系统的无功功率平衡
5.1.1 无功功率和电压的关系
Ui
R+jX U j
1. 节点电压的大小对无功功率分布起决定作用
P+jQ
P
jQ
U
i
U
R
i
Uj
jX
*
U
2 i
UiU j cosq
R jX
j sin q
Q
Ui
U j X
cosq
Ui
cosq ≈1，Q与两端电压有效值之差成正比，从高电压侧流向低电压侧
对220kV以上的超高压电网，需考虑低谷负荷时的无功功率平 衡。要求直接接在超高压电网的发电厂和变电所具有吸收过剩 无功功率的能力，以避免各级电网的运行电压过高。
5.2 电力系统电压控制
5.2.1 电压控制的必要性
电压偏移过大会对用户及电力系统带来经济和安全的不利影响 用电设备的效率下降，经济性变差 电压过低，发光效率和发热量减小，电子设备可能不能正常工 作；异步电动机转差增大，温升增加，影响用户产品产量和质 量，影响发电厂锅炉、汽轮机和发电机的出力，增大发电机定 子电流；危及系统运行的稳定性，甚至引起电压崩溃 电压过高，照明设备寿命缩短，设备绝缘受到损害；变压器和 电动机铁芯饱和，增大损耗和温度
实际运行中，各节点电压不可能维持在额定值 每个元件都可能产生电压降落，故各节点电压不相同 负荷时刻变化，导致相关元件电压降落变化
正常运行条件下，35kV及以上，正负偏差的绝对值之和不超过 额定电压的10%；10kV及以下，7%；220V，+7%、10%
5.2.2 中枢点电压管理
电压监视中枢点 选择有代表性的节点，监视和控制其电压，若中枢点电压满 足要求，其邻近节点电压基本也能满足要求 电压中枢点一般选择：区域性发电厂的高压母线、有大量地 方性负荷的电厂母线、枢纽变电所的二次母线
若大于，则任何分接头都无法满足要求，需其他调压措施配合
双绕组升压变压器一般按高压侧的电压要求选择分接头
Ut1max
U1max U1max U 2max
Ut2
Ut1
U 2 U2
Ut2
U1 U1 Ut2 U2
Ut1min
U1min U1min Ut 2 U 2min
Ut1
Ut1max
S
N
I0%：0.5~2 Uk%：6~15
PT
P0
wk.baidu.com Pk
S SN
2
变压器的无功损耗较大，特别在多级电压电网中，相当可观
5.1.3 无功功率的平衡
有两层含义：运行中，电源发出的无功功率与无功负荷和无功 损耗相平衡；规划设计时，系统配置的无功电源容量与系统所 需的无功电源功率及系统无功备用电源功率相平衡。
仅当系统无功功率电源容量充足时，改变变压器变比调压才有
效。当系统无功不足、电压水平偏低时，应先装设无功功率补偿
设备，使系统无功功率容量有一定的裕度。
例5.1，p191
5.2.5 应用无功功率补偿装置调节电压
常用并联电容器、同步调相机、静止补偿器等并联无功补偿装置
减小线路和变压器输送的无功，从而减小电压损耗、提高电网电
U1 rs jxs
R jX rl jxl
rT jxT
U2 kU2 P+jQ
P j(Q QC )
jQC
Var
QC
kU 2 R X
[(kU2R
U
2
)
(
PR QX kU 2 R
PR QX U 2
)]
kU 2 R X
[(kU 2 R
U2 )
因此已知负荷P+jQ和变比 k 时，根据U2R，可近似算出所需的QC
电源
一般负荷
电源
一般负荷
输电系统
波动 负荷
系统性电压控制的前提是已解决冲 击性和间歇性负荷引起的电压波动
输电系统 电源
输电系统
波动负荷 一般负荷
波动 负荷
无功功率损耗
电力线路上的无功功率损耗 串联电抗始终消耗感性无功功率， 与通过线路电流的平方成正比
Q
I2X
Q
并联电纳发出感性无功功率（充电
0
I
功率），与其上电压的平方成正比 35kV及以下的架空线充电功率很小，
(Ui2
U
2 j
)
B 2
可以略去不计，因此总是消耗感性无功功率
变压器中的无功功率损耗 励磁支路的无功损耗与变压器所加电压有关 绕组漏抗中的无功损耗与通过变压器的视在功率成正比
QT
I
0
%
100
Uk % 100
S SN
2
适用于发电机直接供电的小系统。对于大系统，尤其是线路很 长且有多级电压的电网，须和其它调压方法相配合。
5.2.4 改变变压器变比调压
通过切换分接头改变变比，调节变压器低压侧或高压侧的电压。
按分接头开关类型，变压器可分为无载调压变压器（停电切换）
和有载调压变压器（根据需要随时带负荷调节分接头）。
为保证电力系统正常运行的电压水平，
系统必须具有充足的无功电源容量
0
1 a'
QL 2' 2
a
QG
Ua' Ua
U
5.1.2 无功功率电源、负荷及损耗
1、无功功率电源
发电机是最基本的Q电源，在额定工作状况时发出的Q为QN ， 降低P运行时，输出的Q可以较QN大，但S较SN小。
电力系统中主要的Q电源还有并联电容器、同步调相机、静止 补偿器等无功功率补偿设备，以及高压线路的充电功率。
双绕组变压器分接头电压的计算
求出分接头电压Ut1后，选择一个与计算值最接近的分接头电压 ，以兼顾最大和最小负荷时的要求。
由于分接头未按Ut1max 和Ut2min选择，故最大及最小负荷期间，低 压侧电压可能不满足要求的U2Rmin ~U2Rmax，故须进行校验。
U 2min
U 2min kt1
电压的变化使流经线路的Q发生变化，进而影响电网的无功潮流
Q的改变影响电压损耗、线路的有功和无功损耗，进而引起电压变化
负荷所需的无功功率应尽可能由附近的电源供给
2. 无功功率对电压水平有决定性影响
Q
无功负荷与节点电压有关
当无功供给不足时，系统电压水平将下降
无功功率不足是系统电压低下的根本原因
8
16 24 0
8 16 24
中枢点电压管理
实际系统选择一批代表性的发电厂和变电所母线作为中枢点，根 据日负荷曲线和电压质量要求，经一系列潮流计算及电压控制方 式等的分析，才能确定各中枢点的允许电压偏移上下限曲线。
电力系统规划设计中，难以确定各中枢点电压控制的范围，故规 定 3 种中枢点电压控制的要求，作为设计依据（规划角度） 逆调压：高峰负荷时，将中枢点电压调高到1.05UN，低谷负 荷时，将降低到UN。适用于大型网络、由中枢点供电的线路 较长、负荷变化范围较大的场合。 顺调压：高峰负荷时，要求中枢点电压不低于1.025UN，低谷 负荷时，不高于1.075UN。适用于小型网络、用户对电压要求 不高或供电线路较短、负荷变动不大的场合。 常调压（恒调压）：在任何负荷时，要求中枢点电压基本保 持不变、且略大于UN ，如1.025UN 或1.02~1.05UN。适用于中 型网络、负荷变动较小、线路电压损耗也较小的情况。
k :1 U2 P jQ
Ut1min
U1min U1min U 2min
Ut2
Ut1
Ut1max
Ut1min 2
Ut1：高压侧分接头电压 Ut2：低压侧额定电压
方法2：
方法1：
PR QX U1 U2
U2
P jQ P jQ P2 Q2 R jX
U1N
U 2
U1
PR QX U1
并联电容器
小
只能发出 分散在各变电 与电压平方成 可分级调节 所及大用户处 正比（缺点）
不增大
小
并联电抗器 小
只能吸取
高压远距离线 与电压平方成 路中间或两端 正比（优点）
无功功率负荷
未经补偿的综合负荷的自然功率因数一般为0.6~0.9，因此，负 荷所消耗的无功功率约为有功功率的1.3~0.5倍
最小补偿容量的确定
为了减少无功补偿的配置容量，需配合使用并联补偿与变压
器分接头，使得最大负荷时补偿的无功功率等于额定值QCN， 最小负荷时吸收的无功功率等于KQ QCN ，其中KQ为进相最大 容量与额定容量的比值，对并联电容器为0，对同步调相机约
无功功率负荷的波动通常只分两类： 变化周期长、波动面积大的波动：生产、生活和气象等导致， 其峰值不一定与P峰值同时，是电网电压调整和控制的对象。 变化周期短、波及面积小的随机波动：冲击性或间歇性负荷导 致，需采取抑制措施（装静止补偿器、在波动点和电源间装设 串联补偿电容器、设置调相机并在其线路上串联电抗器 ）