电力系统自动化第4章--电力系统电压调整

可控电抗器。
• 静止补偿器向系统供应感性无功功率的容量取决于它的电容 器支路，从系统吸取感性无功功率的容量则取决于它的电抗 器支路。
3、静止补偿器的特点
（1）能快速平滑地调节无功功率，以满足无功功率的要求。
• 这样就克服了静电电容器作为无功补偿装置只能作为 无功电源而不能作为无功负荷、调节不连续的缺点。 （2）与同步调相机相比较，静止补偿器运行维护简单、功 率损耗较小，响应时间较短，能做到分相补偿以适应不
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C、对电热设备的影响 电炉等电热设备的发热量与电压平方成正比，电压降 低将大大降低发热量，使效率降低。 照明负荷，对电压变化反应灵敏。电压过高，白炽 灯的寿命将大为缩短；电压过低，亮度和发光效率要大 幅度下降。 D、损耗和绝缘 电压降低时，会使电网中的有功功率损耗和无功损耗 增加，过低还会危及电力系统运行的稳定性； 而电压过高，各种电气设备的绝缘会受到损坏，在超 高压输电线路中还将增加电晕损耗。
第 4章 电力系统电压调整和 无功功率控制技术
本章主要内容
第一节 电力系统电压控制的意义 第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系 第三节 电力系统电压控制的措施
第四节 电力系统电压的综合控制
第五节 电力系统无功功率电源的最优控制
第一节 电力系统电压控制的意义
学习目的：
• 掌握电力系统电压调节的必要性 • 掌握电力系统无功功率平衡与电压的关系
1、有功和无功的不同特点
产生：
有功功率电源是集中在各类发电厂中的发电机； 无功功率电源除发电机外，还有调相机、电容器和静止补偿器 等，它们分散安装在各个变电所。
运行：
有功功率电源需要消耗能源;无功功率电源工作时基本不消耗能 源；
由于电网中的线路以及变压器等设备均以感性元件为主，因此 系统中无功功率损耗远远大于有功功率损耗。
Qk ——电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；
电源所发出的无功功率必须满足负荷与损耗的需要
QG QD QL
（4-1）
电源供应的无功功率，包括发电机、无功补偿设备供应无功功 率，后者又可分为调相机、并联电容器和静止补偿器。
Q Q Q Q
G Gi C1
（2）由晶闸管控制电抗器和固定电容器并联组 成的静止补偿器
• 电抗器L与反向并联连接的晶闸管串联， 依靠控制晶闸管的触发角来改变电抗器 的电流大小，即可平滑地调整电抗器吸 收的无功功率的大小。 • 当触发角由90°变到180°时，可使电抗 器的无功功率由额定值变到零。
（3）晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器并联 组成的静止补偿器(TCR+TSC)
平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性。
• 20世纪70年代以来，在电力系统中应用越来越广泛。
五、静止无功发生器
• 使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的 无功补偿器已开始进入实用阶段。 • 这种装置称为静止补偿器(Static Compensator，STATCOM)， 或称为静止无功发生器(SVG)。
（1）由饱和电抗器和固定电容器并联组成的静止补偿器
• 饱和电抗器L的特性是当电压大于某一定值时，随着电压的升高，铁心急剧 饱和，相当于空心电抗器。
• 正常运行时，补偿器工作在A点； • 当电压低于额定电压时，电抗器L铁心不饱和，电抗器与串联电容器组合回 路的总感抗大，故基本上不消耗无功功率，并联电容器C发出的无功功率使 母线电压升高。 • 当电压高于额定电压时，由于此时的电抗器因饱和感抗小，所吸收的无功功 率增加，从而使母线电压降低。 在补偿范围内，电压的稍许变化将 引起电流大幅度变化。 采用自饱和电抗器和固定电容器并 联组成的静止补偿器，几乎可以完 全消除电压波动，可维持母线电压 在额定值附近。
三、并联电容器
基本工作原理
式中
—交流电的角频率; X C—电容器的容抗；
C —电容器的电容量。
U U 2 C QC XC
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（4-6）
• 人工投入，自动切除
优点：
• 提供无功功率和电压支持最廉价的方法
• 设在负荷区附近，通过提高受端负荷功率因数可以 19 有效地扩大其电压稳定极限
• 容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，并 且可以分相补偿，随时投入、切除部分或全部电容器 组，运行灵活。 • 电容器的有功损耗小（约占额定容量的 0.3％一0.5 ％），投资也节省。
3、必要时也可以减小励磁电流在超前功率因数下运行， 即所谓进相运行，以吸收系统中多余的无功功率。
二、调相机
同步调相机相当于空载运行的同步电动机。
1、调相机工作方式：
（1）当它的转子励磁电流刚好为某一特定值时，它发出的无功功 率恰好为零。
这时仅从电网中吸收少量的有功功率用来克服机械旋转阻力， 改变同步调相机的励磁，可以平滑的改变它的 维持同步速度空转；
无功功率的大小和方向，从而平滑的调节所在 （2）当转子励磁电流大于此特定值时，称为过励磁。 地区的电压。 在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率起无功电源的作 用；
（3）当转子励磁电流小于此特定值时，称为欠励磁。
在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率起无功负荷作用。
2、同步调相机的特点
（1）同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂，一 次性投资较大。 （2）它的有功功率损耗较大。
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A、对发电机和变压器的影响
电力系统电压降低时，为了维持恒定功率，发电机的 定子电流增大。
为了使发电机定子绕组不致过热，不得不减少发电机 所发有功功率。
类似的，电力系统电压降低后，也不得不减少变压器 所带的有功负荷。
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B、对电动机的影响
电压降低，异步电动机的转差率将增大。因而，电动机 各绕组中的电流也将增大，温升将增加，效率将降低， 寿命会缩短。 转差增大转速下降输出功率减少影响锅炉、汽轮 机的工作最终影响发电厂所发出的功率。 电压降低 电动机启动过程增加，可能在启动过程中 因温度过高而烧毁。 电压偏高将加速设备绝缘老化，影响电动机寿命。
• 它的端电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。因此，可得到较 好的静态稳定性能和故障下的暂态稳定性能。由于STATCOM中电容器 容量较小，在电网内普遍使用也不会产生低频谐振。
(4) STATCOM的谐波含量可以比同容量SVC的低。 • 因为STATCOM可由多逆变桥串并联连接，并通过曲折绕组变压器进行 叠加后，可得到较理想的正弦电压和电流波形。
• 静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)，简称静止 补偿器。由电力电容器与电抗器并联组成。 • 1、工作原理： • 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，就成为能够平滑地改变 输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。 • 2、类型： • 静止补偿器有很多类型，其部件主要有饱和电抗器、固定 电容器，晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器。
六、高压输电线路
高压输电线即产生无功，又消耗无功
产生无功：
QC U 2 B
变化不大 随潮流而变
消耗无功：
QL I 2 X
高压输电线路，特别是分裂导线，其充电功率相当可 观，是电力系统所固有的无功功率电源。
第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系
一、电力系统无功功率控制与电力系统电压的关系
（回顾）
• 维持系统电压正常水平
整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：
n m l
Q
i 1
Gi
QLj Qk
j 1 k 1
QGi——无功电源i向系统供给的无功功率；
QLj
——负荷j所消耗的无功功率；
3、不消耗能源
4、电压控制分散进行 5、调节手段多种多样
5、调进汽量
2、电压控制的意义
电力系统的电压和频率一样，都是电能质量的重要 指标。 用电设备只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作 效率。
当电压偏离额定值较大时，会对负荷的运行带来不良 影响。影响产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起 电力系统电压崩溃，造成大面积停电。
C2
Qபைடு நூலகம்
C3
（4-2）
无功损耗包括三部分：变压器、线路电抗、线路电纳无功损耗。
Q Q Q Q
L T X
B
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要控制电力系统 在额定电压运行， 就要控制电力系 统中无功电源发 出的无功功率等 于电力系统负荷 在额定电压时消 耗的无功功率。
结论：维持电力系统电压在允许范围之内变化是靠 控制电力系统无功电源的出力实现的。
• 允许附近的发电机在功率因数为 1.0 附近运行，增 加了系统快速响应的无功储备，对电压稳定有利。
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缺点： • 其产生的无功功率正比于电压的平方，在系统低电 压期间无功输出反而下降，这是一个恶性循环问题。
• 一个大量应用并联电容器补偿无功的系统，电压调 节能力反而变差；
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四、静止无功补偿器
(1) STATCOM输出的无功电流与电压无关； • 当电压降低时，SVC输出的无功电流(补偿容量)减小，而STATCOM仍然 可以产生较大的电容性电流。
(2) STATCOM有较大的过负荷能力；
GTO的开断容量可以达120%～180%稳态额定容量。 (3) 可控性能好，其电压幅值和相位可快速调节。
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我国规定在正常运行情况下各类用户允许电压偏移为： • 10kV及以下电压供电的负荷： ±7％；
• 35kV及以上电压供电的负荷： ±5％；
• 低压照明负荷： ＋ 5％ －10％；
• 农村电网（正常）： ＋7.5％
• 农村电网（事故）： ＋10％
－10％；
－15％；
在事故状态下，由于电力系统部分设备退出运行， 电压损耗比正常大。考虑故障时间较短，电压偏移允许比 正常值再多5％，但电压的正偏移不应超过10％。
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。 故同步调相机宜于大容量集中使用，安装于枢纽变电站中， 一般不安装容量小于5Mvar的调相机。
（3）同步调相机的响应速度较慢，难以适应动态无功 功率控制的要求。
20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代。
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调整： 电力系统正常稳定运行时，全系统频率相同。频率调 整集中在发电厂，调频控制手段只有调整原动机功率 一种。 电压水平在全系统各点不同，并且电压控制可分散进 行，调节控制电压手段也多种多样。
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电压和频率一样，都是电能质量的重要指标！
频率调整: 1、全系统频率相同 2、调发电机 3、消耗能源 4、集中控制 电压调整： 1、电压水平各点不同 2、调发电机、调相机、电 容器和静止补偿器等
第二节 电力系统无功功率平衡与电压的关系
二、 电力系统的无功电源
同步发电机 • 同步调相机 • 静电电容器 • 静止无功补偿装置
无功补偿装置
• 静止无功发生器
高压输电线路
一、同步发电机
同步发电机是唯一的有功功率电源，又是最基本的无 功功率电源。 发电机的工作方式： 发电机供给的无功功率不是无限可调的，当发电厂 1、发电机在额定状态下运行时，可作为无功电源。 距用户较远时，无功功率所引起的线损较大，在这 2、发电机正常运行时以滞后功率因数运行为主，可作 种情况下，则应在用户中心设置补偿装置。 为无功电源发出无功功率。
它的主体部分是一个电压源型逆变器。 适当控制晶闸管的通断，可以把电容上的直流 电压转换成与电力系统电压同步的三相交流电压， 逆变器的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。 适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改 变静止无功发生器的运行工况，使其处于容性负荷、 感性负荷或零负荷状态。
静止无功发生器的特点：
总结：
（1）以上三种静止补偿器的共同点是其中的电容器支路作为无
功功率的电源。
• 电容器C与电感Ls串联构成谐振回路，起到高次谐波滤波器的 作用，滤去补偿器中各电磁元件产生的5、7、…等奇次谐波 电流，防止高次谐波分量注入系统，这类支路是不可控的。 （2）它们的不同点在电抗器支路，其中后两种静止补偿器都是
• 图中采用一组固定电容器和三组 晶闸管投切电容器与电抗器并联。 • 每组晶闸管投切电容器回路串有 小电感，其作用是降低晶闸管开 通时可能产生的电流冲击。 • 晶闸管投切电容器作为无功功率 电源，虽然不能平滑调节输出的 功率，但晶闸管对控制信号的响 应迅速，通断次数不受限制，运 行性能优于机械开关投切电容器。