电力系统的无功功率平衡和电压调整

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电力系统无功平衡与电压调整

不仅要考虑总的无功功率平衡，还要考虑分地区的无功平衡，还要计及超高压线路充电功率、网损、线路改造、投运、新变压器投运及大用户各种对无功平衡的影响。
系统一般需按无功功率就地平衡的原则进行无功补偿。
电力系统的无功功率---小结
无功功率和电压的关系
无功功率对电压有决定性的影响
无功功率是引起电压损耗的主要内容
➢只能成组投入或切除运行，不能平滑调压（为
阶跃式调压）。
无功电源
▪3、静止（无功）补偿器（SVC）－－FACTS的一
员，由特种电抗器和电容器组成，是一种并联联接的动态无功补偿装置。
基本工作原理：
电容器发出可调（TSC型）或固定的无功功率（TCR 型）；电抗器则根据负荷变化调节其吸收的无功功率；两者配合响应负荷变化，相应改变无功输出大小及方向，从而稳定或调节系统电压。
无功功率平衡
▪电力线路的无功损耗，包括：
➢串联电抗中的无功功率损耗（感性） ➢并联电纳中的充电功率（容性，看作无功损耗时
应取负号）。
V1 P1+jQ1 R+jX
P2+jQ2 V2
jB/2
jB/2
无功功率平衡
V1 P1+jQ1 R+jX
P2+jQ2 V2
jB/2
jB/2
QLX
3I 2 X
P2 Q2 U2
二、无功损耗
✓主要为线路和变压器的无功损耗； ✓小部分并联电抗器的无功损耗
✓用以吸取轻载线路过剩的感性无功，对高压远距离输电有益— 降低过电压。
无功功率平衡
▪变压器的无功损耗，包括：
➢励磁损耗----近似等于空载电流百分数，约1~2（其
对额定容量的百分数）。

电力系统无功功率平衡与电压调整

电力系统无功功率平衡与电压调整由于电力系统中节点很多，网络结构复杂，负荷分布不均匀，各节点的负荷变动时，会引起各节点电压的波动。

要使各节点电压维持在额定值是不可能的。

所以，电力系统调压的任务，就是在满足各负荷正常需求的条件下，使各节点的电压偏移在允许范围之内。

由综合负荷的无功功率一电压静态特性分析可知，负荷的无功功率是随电压的降低而减少的，要想保持负荷端电压水平，就得向负荷供应所需要的无功功率。

所以，电力系统的无功功率必须保持平衡，即无功功率电源发出的无功功率要与无功功率负荷和无功功率损耗平衡。

这是维持电力系统电压水平的必要条件。

一、无功功率负荷和无功功率损耗1．无功功率负荷无功功率负荷是以滞后功率因数运行的用电设备(主要是异步电动机)所吸收的无功功率。

一般综合负荷的功率因数为0.6～O.9，其中，较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合。

2．电力系统中的无功损耗(1)变压器的无功损耗。

变压器的无功损耗包括两部分。

一部分为励磁损耗，这种无功损耗占额定容量的百分数，基本上等于空载电流百分数0I ％，约为1％～2％。

因此励磁损耗为0/100Ty TN Q I S V (Mvar)(5-1-1)另一部分为绕组中的无功损耗。

在变压器满载时，基本上等于短路电压k U 的百分值，约为10％这损耗可用式(6-2)求得2(%)()100k TN TL Tz TNU S S Q S V (Mvar)(5-1-2) 式中，TN S 为变压器的额定容量(MVA)；TL S 为变压器的负荷功率(MVA)。

由发电厂到用户，中间要经过多级变压，虽然每台变压器的无功损耗只占每台变压器容量的百分之十几，但多级变压器无功损耗的总和可达用户无功负荷的75%～100％左右。

(2)电力线路的无功损耗。

电力线路上的无功功率损耗也分为两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。

并联电纳中的无功损耗又称充电功率，与电力线路电压的平方成正比，呈容性。

电力系统无功功率的平衡和电压的调整

（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压UG；
（2）适当选择变压器的变比K；
（3）改变网络参数R和X（主要是X），改变电压损耗 △U （4）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗△U 变化
22
第三节
电力系统的几种主要调压措施
一．改变发电机端电压调压
• 根据运行情况调节励磁电流来改变机端电压。
20
二、电压调整的基本原理
Ub
略去电力线路的电容功率，变压器的励磁功率和网络的功率损耗
PR QX U b (U G k1 U ) / k2 U k k G 1 2 U G k1
21
电压调整的措施：
PR QX U b U k k2 G 1 U G k1
A
ห้องสมุดไป่ตู้DF
发电机的P-Q极限
10
2. 同期调相机
•同步调相机相当于只能发出无功功率的发电机。
•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。
以滞后功率因素运行的用电设备所吸收的无功功率。 • 照明、电热，消耗感性无功QL小。
• 同步电动机，有励磁绕组，通过励磁电流的调节，可以调节其输出无功的大小。过激运行，发QL ；欠激运行，吸收QL 。在综合负荷中比例小。 • 异步电动机，消耗QL ，在综合负荷中比例很大。 • 综合负荷功率因素，0.6～0.9，滞后（感性无功）

第五章电力系统的无功功率平衡与电压调整

u2
u2 N
U U T max S max : U 1max u2 N 1 f max
U1min U T min S min : U1 f min u2 N u2 min
u2 max
后面同降压式，对普通变要记得校验。
三. 改变无功功率分布调压使用前提：（超）高压网络效果显著要求:按照用户侧调压要求，选择无功补偿装置的容量Qb（及变压器变比）。
正常情况下
10 kV : 7%
35kV : 0 ~ 10%
第5章电力系统的无功功率平衡与电压调整
§5-2 电力系统的无功电源和无功平衡
一. 无功功率电源无功电源同步发电机、某些情况的输电线路：无功补偿装置：同步调相机、静电（并联）电容器、静止补偿器 1. 同步发电机唯一的有功电源，主要的无功电源。发电机在正常运行状态下发出无功：
静电（并联）电容器运行特点：时，全投；时，全切。 ① 时，根据变压器低压侧调压要求选择k 已知：为时用户侧电压，为其归算至高压侧的值
选择与最接近的分接头电压，确定
②
时，按照调压要求确定Qb
查产品目录，选大于Qb且与其最接近电容器。 ③ 根据所选、校验和时低压侧电压是否满足要求。
u2 (u2C )
k :1
电源电压（恒定）
（用户所需功率 (U 2C ) ）
（无功补偿容量（归算至高压侧））说明：高压侧电压用大写符 k ：实际变比号,低压侧电压用小写符号, u ：U 归算到高压侧的值 U u k 补偿后的参数在下标加字母 u ：U 归算到高压侧的值 U u k ”c”.
2 2 2 2
2C
2C

第6章电力系统无功功率的平衡和电压调整

Q2 (U பைடு நூலகம் U 2 )U 2 X
若U1>U2时，Q2>0；U1＜U2时，Q2 ＜ 0。电力网中的感性无功功率总是从电压高的一端流向电压低的一端，而容性无功功率则总是从电压低的一端流向电压高的一端。注意：上述关于电力网中功率的流动方向的结论只适用于高压电网---要注意使用条件！。
第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系二、容性无功与感性无功
U
( < 0 容性）
I ( >0 感性)
(a)

(b)
I
U
(a):
(b):
Q = UIsin ＞ 0 , 感性无功
Q = UIsin ＜ 0 , 容性无功
注意: 消耗容性无功相当于提供感性无功。
第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系
P jQ1 1
P2 jQ2
Z R jX
呈感性
呈容性，相当于提供感性无功
第二节电力系统中无功功率的平衡
Z R jX P2 jQ2 P jQ1 1

U1
2 P 2 Q12 U12 U 2 QX QB 1 2 X B U1 2
△QX：线路电抗的无功功率 △QB：充电无功功率
φ δ φ
jIX
I
(c) 简单系统
U
正常运行时，工作在ab段
（a）系统图；（b）等值电路；（c）相量图
第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系
(2) 发电机的无功—电压静态特性
所谓发电机的无功—电压静态特性，是指发电机向系统输送的无功功率与电压的变化关系曲线。
G T-1 L T-2

电力系统分析第5章电力系统的无功功率(reactive power)平衡与电压调整(voltage regulation ).

U S％S 2 U N 2 I o % U S %S NT S 2 I o % QT ( ) SN T ( ) S NT 100S NT U 100 100 S NT 100
电力系统分析
5.2.3 无功功率平衡
电力系统的无功平衡表示式为其中：
QD＋ Q Q GC Q G＋ Q C
例5.1 求图5.6所示简单系统的无功功率平衡。图中所示负荷为最大负荷值。线路参数： r0 0.17 km, x0 0.41 km， b0 2.82 106 S km 变压器试验数据： PS 200KW , U s % 10.5, P0 47 KW , I 0 % 2.7
异步电动机在电力系统无功负荷中占的比重很大，因此，电力系统综合负荷的无功电压静态特性主要取决于异步电动机的特性。
图5.5 异步电动机的Q—U关系
电力系统分析
5.2.2 无功负荷及无功损耗
无功损耗(active loss) 输电线路的无功损耗
P12 Q12 B 2 2 Ql QlX QB X ( U U ) L 1 2 2 U1 2 P22 Q22 B 2 2 X ( U U ) L 1 2 变压器的无功损耗 2 U2 2
这种方法简单、经济，且不需增加额外设备。
电力系统分析
5.4.2改变变压器变比调压
改变变压器的变比就是通过改变绕组间匝数比（ratio of winding ）来实现的，因此，这种调压措施也常叫利用变压器分接头（tap）调压。
分接头设置在双绕组变压器的高压绕组，三绕组变压器的高压绕组和中压绕组。一般与绕组额定电压值对应的分接头为主分接头，其它分接头为附加分接头。

无功功率平衡和的电压调整

静电电容器运行时的功率损耗较小，约为额定容量的0.3〜0.5%。静电电容器的无功功率与所在节点的电压平方成正比，即
U2
X
式中X=A—电容器的容抗；U—电容器所在节点电压。C①C
故当节点电压下降时，它供应给系统的无功功率也将减少。在系统发生故障或其他原因而使电压下降时，其输出的无功功率反而减少，结果将导致电力网电压的继续下降。这是静电电容器的缺点。但是它可以分散装设，就地供应无功功率，减少线路上的功率损耗和电压损耗；在负荷降低时，还可以部分切除电容器组；它本身的功率损耗小，单位容量的投资费用也较小。特别是近年来采用可控硅控制及和可调电抗器并联使用组成静止补偿器，改进了它的调节无功功率的性能。这种静止补偿器可以按负荷变动需要调节无功功率大小及方向，既调整电压又改善系统稳定。
输电线路上还有电纳，电纳中的无功功率为容性，称为线路的充电功率，可视为无功电源。这种充电功率，一般按等值冗电路用以下公式计算
B .
AQ=U2—l兆之
LGi i2
式中Bl――线路L段上的电纳（西门）；Ui――线路L段所联接的节点i的线电压（千伏）；A。』为线路对某一端点i的充电功率。
线路充电功率是向线路输送的无功功率，如作为无功损耗则原为负值。
3
3.1
无功负荷是以滞后功率因数运行的用电设备所吸取的无功功率。
Q=Ssin^
其中主要是异步电动机的无功功率。在综合负荷中如果同步电动机的比重较大，则功率因数将有所改进，无功负荷较小。一般综合负荷的功率因数为0.6〜0.9。
3.2
（1）输电线路的无功损耗输电线路中电抗的无功损耗与线路电流的平方成正比，这种无功损耗比线路上的有功损耗要大，特别是导线截面大的线路，无功损耗比有功损耗大得多。

电力系统分析：第06章电力系统无功功率平衡与电压调整

jB T
励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流I0的百分值，约为1％ ~ 2％不随负荷大小的改变而变化，称之为不变损耗；绕组漏抗中损耗
与所带负荷的大小有关，称为可变损耗。在变压器满载时，基本上等于
短路电压Uk的百分值，约为10％。但对多电压级网络。变压器中的无功功率损耗就相当可观。变压器的无功损耗是感性的
（三）无功储备
无功平衡的前提是系统的电压水平正常。和有功一样，系统中也应该保持一定的无功储备。一般取最大负荷的7~8%。
12
例6-1
T-1 110kV
T-2
S% =
G
2 ×100kM
40LD+ j30MVA
某输电系统各元件参数如下：
发电机：变压器T-1
P每N =台50SMN=W31,.5McVoAs，△= P0.=80358.5kWU，N =
= 42.27 + j37.618(MVA)
若发电机在满足有功需求时按额定功率因数运行，其输出功率
SG = 42.27 + j42.27×tg =42.27+j26.196 (MVA )
此时无功缺额达到
37.618 26.196=11.422(Mvar)
根据以上对无功功率缺额的初步估算，拟在变压器T-2的低压侧设置10Mvar补偿容量，补偿前负荷功率因数为0.8，补偿后可提高到0.895.计及补偿后线路和变压器绕组损耗还会减少，发电机将能在额定功率因数附近运行
(c)饱和电抗器型SR
电容和电感组成滤波电路，滤去高次谐波，以免产生电流和电压的畸变运行维护简单，损耗较小，对冲击负荷有较强的适应性，可装于枢纽变电所进行电压控制，也可装于大的冲击负荷侧，如轧钢厂做无功补偿

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任务一电力系统无功功率平衡
5.1.3无功功率平衡电力系统无功功率平衡的基本条件:系统无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗，同
时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长，系统必须配置一定的无功备用容量。当系统中某些负荷节点电压低落的原因是系统中无功电源不足时，调压问题就与无功功率的合理供应和合理使用紧密联系。如果不从解决无功电力不足的问题着手，而是调节电源，使发电机多发无功，是很不合理的。因为电源与负荷间距离较远，发电机多发的功率在网络中的无功损耗也大，不易调高末端电压。
发电机在额定状态下运行时见图5一4所示。
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任务一电力系统无功功率平衡
2.同步调相机同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，它在过励磁运行时向
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。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，同步调相机在欠励磁状态下运行时，其容量为过励磁运行时额定容量的50%一60 % }, 装有自动励磁装置的同步调相机，可以平滑地改变输出(或吸取的)无功功率，从而平滑地调节所在地区的电压。在有强行励磁装置时，在系统故障情况下也能调节系统电压，有利于系统稳定运行。
由上式可见，调节用户端电压U，可以采用以下措施: (1)调节发电机的端电压，称为发电机调压。 (2)调节变压器的变比k，和左2，称为变压器调压。 (3)在输电线路中串联电容器以减小X，从而减小电压损耗，称为串联补
偿调压。 (4)在负荷端并联无功补偿装置，减小经线路传输的无功功率Q，从而减
小电压损耗，称为并联补偿调压。
2.变压器的无功功率损耗变压器无功损耗包括励磁损耗QLT和漏抗中的损耗么Δ QLT即
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任务一电力系统无功功率平衡
3.输电线路的无功损耗输电线路用II形等值电路见图5一3,电路线路的无功损耗也可以分为两部
分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。 5.1.2无功功率电源电力系统的无功功率电源，除发电机外，还有同步调相机、静电电容器
及静止补偿器，这三种装置又称无功补偿装置。 1.发电机发电机既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
在额定状态下运行时，发出的无功功率为:
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任务一电力系统无功功率平衡
在不影响有功功率平衡的前提下，改变发电机的功率因数(通过改变励磁电流)，可以调节其无功功率的输出，从而调整系统的运行电压。当然，发电机的无功功率输出要受其P一Q运行极限的限制。它既可发出感性无功，又可吸收感性无功。
如果由同一中枢点供电的各用户的变化规律差别很大，调压要求也不相同，就可能在某段时间内，各用户的电压质量要求反映到中枢点O的电压允许变化范围没有公共部分。
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任务二电压调整的基本概念
3.中枢点的调压方式当在实际运行的电力系统中，由于缺乏必要的数据而无法确定中枢点的
电压控制范围时，可根据中枢点所管辖的电力系统中负荷分布的远近及负荷波动的程度，对中枢点的电压调整方式提出原则性要求，以确定一个大致的电压波动范围。)这种电压调整方式一般分为逆调压、顺调压和常调压三类。 (1)逆调压。对于大型网络，如中枢点至负荷点的供电线较长，且负荷变动较大，则在最大负荷时要提高中枢点的电压，以抵偿线路上因最大负荷而增大的电压损耗;在最小负荷时则要将中枢点电压降低一些，以防止负荷点的电压过高，一般对这种情况的中枢点实行“逆调压”。
项目五电力系统的无功功率平衡和电压调整
1 任务一电力系统无功功率平衡
2 任务二电压调整的基本概念
3 任务三发电机调压
4 任务四改变变压器变比调压任务五改变电网无功功率分布调
5 压及改变电力网参数调压
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任务一电力系统无功功率平衡
5.1.1无功功率负荷和无功功率损耗 1.无功功率负荷各种用电设备中，除相对很小的自炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数
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任务二电压调整的基本概念
(2)顺调压。对于小型网络，如中枢点至负荷点的供电线路不长，负荷大小变动不大，线路上的电压损耗也很小，在这种情况下，可对中枢点采用“顺调压”.
(3)常调压。对于中型网络，如负荷变动较小，线路上电压损耗也较小，这种情况只要把中枢点电压保持在较线路电压高2%一5%的数值.
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任务一电力系统无功功率平衡
而且，为了防止发电机因输出过多的功率而严重过负荷，往往不得不降低整个系统的电压水平，以减小无功功率的消耗量，所以这就不免出现电压水平低落和无功出力不足的恶性循环。因此，在个别负荷节点电压较低的情况下，就应增加无功补偿装置，补充系统的无功，从而抬高电压水平。但在无功电源不足，增设无功补偿装置时，无功补偿装置应尽可能装在负荷中心，以做到无功功率的就地平衡，减少无功功率在网络中传输而引起的网络功率损耗和电压损耗。
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任务三发电机调压
不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。对于由发电机经多级变压向负荷供电的大中型电力系统，线路较长，供
电范围大，从发电厂到最远处的负荷之间的电压损耗和变化幅度都很大。图5一12为一个多级电压网络，各级网络的额定电压及最大、最小负荷时的电压损耗均标于图中。最大负荷时，从发电机至线路末端的总电压损耗为35 % ,最小负荷时，总电压损耗为15%，两者相差20 %。而对发电机来说，考虑机端负荷的要求及供电至地方负荷线路上的电压损耗，其电压调整范围为0~5%，这时，单靠发电机调压是不能解决问题的。发电机调压主要是为了满足近处负荷的电压质量要求，即发电机采用逆调压方式。对于远处负荷电压变动，只能靠其他调压方式来解决。
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任务一电力系统无功功率平衡
4.静止补偿器静止补偿器由电力电容器与电抗器并联组成。静止补偿器是20世纪60年
代发展起来的一种新型可控的静止无功补偿装置(SVC)。其特点是:利用晶闸管电力电子元件所组成的电子开关来分别控制电容器组与电抗器的投切，这样它的性能完全可以做到和同步补偿机一样，既可发出感性无功，又可发出容性无功，并能依靠自身装置实现快速调节，从而可以作为系统的一种动态无功电源，对稳定电压、提高系统的暂态稳定性，以及减弱动态电压闪变等起着较大的作用。
上一页电电容器可按三角形或星形接法并联在变电所的母线线路上。静电电
容器只能向系统供给无功功率，它可以根据需要由许多电容器连接成组。因此，它的优点有:静电电容器组的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。电容器单位容量成本低，且与总容量大小无关，安装维护方便静电电容器在运行时的有功功率损耗较小，为额定容量的D.3% ~0.5%。此外由于它没有旋转部件，维护比较方便。为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷变化，分组投入或者切除。
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任务四改变变压器变比调压
在原边电压不变的情况下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可供选择，其中对应额定电压ll;}的称为主接头。变压器的低压绕组不设分接头。对于三绕组变压器，一般是高压绕组和中压绕组设置分接头。
任务二电压调整的基本概念
5. 2. 1允许电压偏移电压偏移的定义公式为:
各种用电设备都是按照额定电压来设计制造的。这些设备在额定电压下运行将取得最佳效果。电压偏离额定值过大或者过小将对用户产生不良的影响。
在电力系统的正常运行中，随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变，网络中损耗也将发生变化。要严格保证所有用户在任何时刻都获得额定电压供电是不可能的，因此系统运行中各节点出现电压偏移是不可避免的。实际上，大多是用电设备在稍微偏离额定值的电压下运行，仍有良好的机械性能。从技术上和经济上综合考虑，合理规定供电电压的允许偏移值是完全必要的。
下限加上该用户到中枢点的电压损失;中枢点的最高电压等于地区负荷最小时，电压最高点的用户电压的上限加上该用户到中枢点的电压损失。
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任务二电压调整的基本概念
对一个实际运行的系统，网络参数和负荷曲线已知后，要确定中枢点的电压波动范围，图5 -9为由一个中枢点O向两个负荷A, B供电的简单网络。设A, B两负荷允许电压偏移都为士5%;负荷A, B的简化日负荷曲线见图5 -9 (b) ;设由于这两个负荷功率的流通，线路OA, OB上的电压损耗见图5 -9 (c)。求中枢点电压1l,，的波动范围，即编制中枢点电压变化曲线。
当p为一定值时，得:
当电势E为一定值时，根据式
可作出无功功
率Q与电压U的关系图，见图5一8中的曲线1.Q-U关系是一条向下的抛物
线，而负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特性见图5一8中的曲
线2.曲线1与曲线2的交点a确定了负荷节点的电压值Ua，即系统在电压私下达到无功功率的平衡。
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问题在于无功功率是在什么样的电压水平下实现的。现在以一个最简单的网络为例来说明。
隐极发电机经过一段线路向负荷供电，略去各元件电阻，用X表示发电机电抗与线路电抗之和，等值电路见图5一6，假设发电机的有功功率为定值，根据相量图5 -7，可以确定发电机送出负荷节点的功率为:
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任务一电力系统无功功率平衡
5. 2. 3电压调整的基本原理现以图5一10所示的简单电力系统为例，说明常用的各种调压措施所依
据的基本原理。发电机通过升压变压器、线路和降压器向用户供电。要求调整符合节点
D的电压。为简单起见，略去线路的电容功率、变压器的励磁功率和网络功率的损耗。D点的电压为:
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