第五章 电力系统的电压与无功功率

电压调整的措施：
PR+QX Ui = UGk1 k2 UN
（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压UG； （2）改变变压器的变比k1、k2； （3）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗△U 变化； （4）改变网络参数 数R+jX（主要是X），改变电压损耗 △U 。
③静止补偿器的工作原理分析
三种静止补偿器的原理基本相同。系统供给 节点i的无功功率应满足下式要求
Qi = QLD +QL QC
负荷变化所引起的节点i的无功功率变化为
Qi = QLD +QL QC
如要保持Qi为常数，需要
QLD = QL
只要调节电抗器吸收的无功功率QL,使之随
应在额定电压或额定电压所允许的电压偏移范 围内建立电力系统无功功率平衡方程式。
无功不足应采取的措施
电力系统的无功功率平衡应分别按正常运行时的最大和最小 负荷进行计算。 经过无功功率平衡计算发现无功功率不足 时，可以采取的措施有： (1)要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的 数值。
(2)挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机 改作调相机运行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。
沿线路各点电压的变化
我国规定的电压偏移范围
35kV及以上电压供电的负荷： ±5% 10kV及以下电压供电的负荷： ±7% 低压照明负荷： +5%～-10% 农村电网
正常运行情况： +7.5%～-10%
事故运行情况：
+10%～-15%
电压调整的基点-无功功率
①电压损耗近似等于电压降落的纵分量 △U； ②△U可以分解成电阻电压损耗分量PR/U和电抗
七、改变网络参数调压
一、 电压调整的必要性
•电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备会带来不良 的影响。
（1）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。 （2）电压过低，转矩下降，电机发热。 （3）系统电压崩溃 •不可能使所有节点电压都保持为额定值。 （1）设备及线路压降 （2）负荷波动 （3）运行方式改变 （4）无功不足
图5-22
异步电动机的简化等值电路
受载系数:实际负载和额定负载之比.
在额定电压附近，电动 机的无功功率随电压的 升降而增减。
当电压明显低于额定值 时，无功功率主要由漏 抗中的无功损耗决定， 随电压下降反而具有上 升的性质。
图5-24 异步电动机的无功功率与端电压的关系
㈡发电机的无功功率―电压静态特性
①静止补偿器的分类
自饱和电抗器 静止补偿器 FC + TCR 可控硅控制 电抗器型 TSC+TCR
②静止补偿器工作原理简介 FC-TCR型静止补偿器
固定连接电容器加可控硅控制 的电抗器型
C为固定电容器FC；线性电抗 器Lh 和两个反极性并联的可控硅 构成TCR。
TSC-TCR型静止补偿器
TSC为可控硅控制的电
当有功功率不变时，发电机送至负荷点
的无功功率为
2
X
X
若励磁电流不变，则发电机电势E为常数 ，无功功率就是电压U的二次函数，其特性 曲线如下
(三) )无功功率平衡对电力系统电压的影响
电力系统的电压运行水平取决于发电机的
无功出力QG和综合负荷无功功率QLD （含网
络无功功率损耗）的平衡，如下图所示
结 论
1 1. 发电机
发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率： QGN = SGN sinN = P GNtgN
发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功 功率。
发电机的运行限制条件 ①SG≤SGN； ②if ≤ ifN ； ③PG ≤ PGN ；
原动机功 率约束
定子绕组 温升约束
图5-28
发电机的 Q极限 的P P-Q
①造成电力系统运行电压下降的主要原因是
系统的电源无功功率不足；
②为提高电力系统的运行质量，减小电压的
偏移，必须使电力系统的无功功率在额定电
压或其允许电压偏移范围内保持平衡。
三、电力系统的无功功率
（一）无功负荷和无功损耗功率
（二）无功电源 （三）无功功率的平衡方程
(一)无功负荷和无功损耗功率
有功功率确定后，负荷的无功功率由功率因素决定 ⑴我国关于负荷功率因数的规定 ①高压供电的工业企业及装有带负荷调整电压设 备的用户，其功率因数应不低于0 于0.95；
电压中枢点：用来监视、控制和调整系统电压水 平的节点（母线）。 1．电压中枢点的选择 一般可选择下列母线作为电压中枢点：
（1）大型发电厂的高压母线； （2）枢纽变电所的二次母线； （3）有大量地方性负荷的发电厂母线。 （4）城市直降变电所的二次母线。
例：
中枢点
中枢点
图5-32 电力系统的电压中枢点
(3)根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按 无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、 分散的无功补偿可采用静电容电器；大容量的、配置在系统 中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或静止补偿器。
四、电力系统的电压管理 （一）电压中枢点的调压方式
（二）电压调整Biblioteka Baidu措施
（一）电压中枢点的调压方式
定义：发电机输出的无功功率与电压变
化关系的曲线。
对于一个简单电力系统，原理图与等值
电路图如下图所示
G
~
l
U
.
E I
.
.
jXd
jXL
U
.
jX
P+jQ
P+jQ
（a) 原理图
(b) 等值电路
图 5—25 简单电力系统
电流为I，U和I间的相角为φ，则发电机 电势和系统电压间的关系将为
E =U + jIX
②其它用户的功率因数不低于 0 9； 于0.9
③趸售和农业用户功率因数为0.8以上。
⑵无功功率损耗的主要组成
变压器无功功率损耗；
线路无功功率损耗。
变压器的无功损耗
2 2
U
I 0% U S%S2 SN + 100 100SN
假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压US%=10.5，
说 明
①在有功备用较充裕时，可利用靠近负荷中 心的发电机降低功率因数运行，多发无功功 率以提高电力网的运行电压水平； ②远离负荷中心的发电厂不宜降低功率因数 运行。因为无功功率大量的、远距离传输， 会引起网络较大的有功和无功功率以及电压 损耗。
2. 同步调相机
•同步调相机相当于空载运行的同步电动机。
QC=U 2/XC
• 缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。 • 优点：电容器的装设容量可大可小，既可集中使用， 又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较 小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。
4. 静止补偿器
•静止补偿器由电容器与电抗器并联组成 •电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率， 两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平 滑地改变输出（或吸收）的无功功率。 •它可以迅速地按负荷的变化改变无功功率输出的大 小和方向，调节或稳定系统的运行电压，尤其适用 于作冲击性负荷的无功补偿装置。
缺点：
•同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂； •有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量
的(1.5~5)%，容量越小，百分值越大；
•小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。
故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA
的一般不装设。 同步调相机常安装在枢纽变电所 。
3. 电力电容器
• 电力电容器可按三角形和星形接法连接在变电所 母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的 平方成正比，即
改变发电机端电压调压——最经济、最直接
• 根据运行情况调节励磁电流来改变机端电压。适合于由孤
立发电厂不经升压直接供电的小型电力网。在大型电力系 统中，电压损耗超过±5％，发电机调压一般只作为一种辅
助性的调压措施。
15%~35%
图5-34 多级变压供电系统的电压损耗分布
向量图如下:
.
E
jIX U
.
.

.
I
(c) 相量图
发电机经输电线向系统传送的有功功率PG 和无功功率QG为
P G =UI cos G sin Q UI
=

发电机电势和系统电压间的夹角为δ时
Esin = IX cos cos
sin E
U
I
于是可得
EU sin i PG = X 2 EU cos U QG = X X
(3) 恒调压
• 电压保持在较线路额定电压高2%~5%的数值，即 (1.02~1.05)UN，不随负荷变化来调整中枢点的 电压。
（二）电压调整的措施
1．电压调整的基本原理
UG
G T1 T2 U
~
l
k1
R+jX
k2
P+ jQ
图5-33 电压调整原理图
PR+QX
忽略线路充电功率、变压器励磁功率和网络功率损耗
EU 2 2 U QG = （ ） PG X X
2
PG = 0
EU U 2 QCS = QG＝ X X
•在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源 的作用，能提高系统电压； •在欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量的 （50% ～65%）)，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷 作用，可降低系统电压。 •它能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取）的无 功功率，进行电压调节。因而调节性能较好。
负荷的变化作相反的变化，就可使Qi恒定
，从而使Ui保持常数或在允许的电压偏移 范围之内。
（三）无功功率的平衡方程
⑴电力系统无功功率平衡的基本要求 ①系统中的无功电源功率要大于或等于负荷所 需的无功功率和网络中的无功功率损耗之和； ②留有一定的无功备用容量。
⑵系统无功功率平衡方程式
QG = QLD +Qp +Q+Qre
励磁绕组 温升约束
（1）当发电机低于额定功率因数运行时，能增加 输出的无功功率，但发电机的视在功率因取决于 励磁电流不超过额定值的条件，将低于其额定值。 定子容量得不到充分利用； （2）当发电机高于额定功率因数运行时，励磁电 流不再是限制条件，原动机的机械功率又成了限 制条件。定子和转子容量都得不到充分利用。 （3）发电机只有在额定电压、额定电流和额定功 率因数（即运行点C）下运行时视在功率才能达到 额定值，使其容量得到最充分的利用。
容器； TCR为可控硅控制的电 抗器；
自饱和电抗器型静止补偿器
Lh为自饱和电抗器； 电压低于额定电压时，因铁 芯不饱和而呈现很大的电抗 值，基本不消耗无功功率；
电压达到或超过额定电压 时，因铁芯急剧饱和而呈现 很小的电抗值，消耗无功功 率；
在额定电压附近，电抗器 吸收的无功功率敏捷随电压 变化，有稳压作用。
电压损耗分量QX/U
③减小无功功率的输送可降低电压损耗。
二、 电力系统的电压特性 ㈠负荷无功功率―电压静态特性
定义：各种用电设备所消耗的无功功率随 电压变化的关系。 负荷的电压特性主要取决于异步电动机的 电压静态特性
异步电动机
U 2 Q M=Q m+Q = Xm +I X
2
电压下降,转差 增大,定子电流 增大.
第三节 电力系统电压与无功功率
本节主要介绍电力系统各元件的无功 功率--电压特性，无功功率平衡，以 及各种调压措施的原理及应用。
电力系统的电压与无功功率
一、电压调整的必要性 二、电力系统的电压特性 三、电力系统的无功功率 四、电力系统的电压管理 五、改变变压器分接头的调压方法 六、改变无功功率分布调压
2．中枢点电压调整的方式
• 中枢点电压调整方式一般分为三类： 顺调压、逆调压和恒调压。 (1)顺调压 • 最大负荷时，中枢点电压不低于线路额定电压 的102.5%，即1.025UN； • 最小负荷时，中枢点电压不超过线路额定电压 的107.5%，即1.075UN。
(2) 逆调压
• 最大负荷时，中枢点电压高于线路额定电压的 5%，即1.05UN； • 最小负荷时，中枢点电压等于线路额定电压， 即1.0UN。
线路的无功总损耗为
Q L+Q B =
2
P +2Q
2
U1
2 U 1 +U2 X B 2
一般情况下，220kV系统，线路长度100km以内，呈 感性，消耗无功功率；300km左右，呈电阻性，不 消耗无功功率；大于300km时，呈容性，提供无功 功率。
（二）无功功率电源
•电力系统的无功功率电源有发电机、同步调相机、电 力电容器及静止补偿器，后三种装置又称为无功补偿 装置。
在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的13%。
如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功 功率损耗的数值是相当可观的。
输电线路的无功损耗
输电线路的π型等值电路
2 +Q 2 P +2 Q P Q L = 2 X = 2 X U1 U2 B 2 (U1 +U 2 ) QB = 2 2