第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术
第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术
2020/4/8
电力系统自动化
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解：最大负荷归到高压侧
U' 2max
89.37(KV)
最小负荷归到高压侧
U' 2min
105.61(KV)
P.111
① 选择变比 最小负荷
Ut
U' 2min
U2min
U2N
105.6111 110.69(KV) 10.5
规格化
取110+0%抽头
K
110 10
)
补偿前后相同 U1，可得
XC
U2c Q
U2c
U2
PR QX U2c
PR QX U2
有多种（串并联组成）
补偿度
Kc
xC xL
一般1-4
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m
n
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有例题 P.113
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“串补”与“并补” “四”与“三”都可以提高 U2，减小有功损耗
“串补”： 直接减小U 提高U2
过激运行：向系统提供感性无功功率 欠激运行：从系统吸收感性无功功率
大小 改变励磁 →平滑改变无功 方向
实现调压
输出无功功率随端压的下降而增加
同步电动机：过激运行时向系统提供感性无功
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⑶ 并联电容器 （吸收容性无功，即发出感性无功）
Qc
U2
Xc
U 2C
➢集中使用，分散使用; ➢分相补偿; ➢随时投入（切除）;
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电力系统的无功功率电源
⑴ 同步发电机 （唯一的有功电源，也是基本的无功电源）
发电机的P-Q曲线：输出P与Q的关系 P(MW)
电力系统的无功功率和电压调整
1. 发电机
同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。
2．电容器和调相机
并联电容器只能向系统供应感性无功功率。特点有：电容器所供应的感性无功与其端电压的平方成正比，电容器分组投切，非连续可调。
调相机实质上是只能发出无功功率的发电机。
3．静止补偿器和静止调相机
作业9：
变比分别为 和 两台变压器并联运行，每台变压器归算到低压侧的电抗均为 ，其电阻和电导忽略不计。已知低压母线电压为 。负荷功率为 ,求变压器功率分布和高压侧电压。
但当电机经多级电压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满足负荷对电压质量的要求。
五、借改变变压器变比调压
双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组往往有若干分接头可供选择，例如，可有 或 ，即可有三个或五个分接头供选择，所以合理地选择变压器地分接头也可调压。如下图：
如上图，为一降压变压器
静止补偿器和静止调相机是分别与电容器和调相机相对应而又同属“灵活交流输电系统”范畴的两种无功功率电源。
4．并联电抗器
就感性无功功率而言，并联电抗器显然不是电源而是负荷，但在某些电力系统中的确装有这种设备，用以吸取轻载或空载线路过剩的感性无功功率。而对高压远距离输电线路而言，它还有提高输送能力，降低过电压等作用。
电力系统的无功功率和电压调整
一、 无功功率负荷和无功功率损耗
无功负荷：绝大部分是异步电动机
无功损耗：1. 变压器 ；2. 输电线路。
变压器中的无功功率损耗分为两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流 的百分值，约为 ；绕组漏抗中损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压 的百分值，约为 。因此，对一台变压器或一级变压器的网络而言，变压器中的无功功率损耗并不大，满载时约为它额定容量的百分之十几。但对多级电压网络，变压器中的无功功率损耗就相当可观。
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。
电力系统自动化考试内容
第一章 发电机的自动并列 （题型：选择题、简答题）1、 同步发电机并列有哪几种方式？准同期并列（一般采用） 自同期并列（很少采用）2、 同步发电机准同期并列的理想条件是什么？(1) fG=fX 待并发电机频率与系统频率相等，即滑差(频差)为零； (2) UG=UX待并发电机电压与系统电压的幅值相等，即压差为零； (3)δe=0 断路器主触头闭合瞬间，待并发电机电压与系统电压间的瞬时相角差为零。
3、 同步发电机机端电压与电网电压差值的波形是什么形式？第二章 同步发电机励磁自动控制系统 （题型：选择题、简答题、计算分析题）1、 同步发电机励磁自动控制系统由哪几部分组成？励磁调节器，励磁功率单元和发电机2、 同步发电机励磁系统由哪几部分组成？励磁调节器励磁功率单元3、 同步发电机感应电动势和励磁电流关系：等值电路图和矢量图图2-2 同步发电机感应电动势和励磁电流关系(a) 同步发电机运行原理；(b) 等值电路；(c) 矢量图)(b q E •G U •G I •x d )(a GEWG U •G I G EF I EF U G U •ϕx I j dG •x I j d Q •PI •G I •ϕI •q E •δG )(c4、 励磁控制系统的基本任务。
电压调节、无功分配、 提高发电机运行稳定性、 改善电力系统运行条件、 水轮发电机组要求实现强行减磁第三章电力系统频率及有功功率的自动调节（题型：选择题、名词解释、简答题、计算分析题）1、一次、二次、三次调频的概念及区别。
第一种负荷变化引起的频率偏移，利用调速器来调整原动机的输入功率，这称为频率的一次调整。
第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整，这称为频率的二次调整。
第三种负荷变化，调度部门预先编制的的日负荷曲线，按照经济原则分配到各个发电厂间。
2、负荷的频率调节效应系数KL的计算。
（例题3-1；3-2）3、常用的几种调频方法都有哪些？各自的特点是什么？哪些可以做到无差调频？一、有差调频法：各调频机组同时参加调频无先后之分、计划外负荷在调频及组间按一定比例分配、频率稳定值得偏差较大。
电力系统无功、电压调整与控制技术综述
电力系统无功、电压调整与控制技术综述摘要文中针对近年来国内外典型的电压/无功控制策略进行总结与评述，如九区图法、五区图法和模糊控制、专家系统、神经网络等智能优化控制方法等。
另外对无功电压就地控制等方法进行介绍。
全面分析比较了其设计思想、调节判据及各自的优缺点；并结合电力系统通信、电压稳定性、自动电压控制技术的最新发展，就电压无功控制最新成果进行了综述；最后对未来电压无功控制在电网运行中有待于研究的问题提出了几点展望。
关键词：无功，智能优化，综述，展望0 引言保证频率和电压的稳定是电力系统最基本的控制目标。
电压是衡量电能质量的重要技术指标，对电力系统的安全经济运行、保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全和寿命具有重要影响。
19世纪70、80年代法国、美国、瑞典、巴西、日本等国家相继发生电压崩溃性事故，这些以电压崩溃特征的电网瓦解事故每次均带来巨大的经济损失，同时也引起了社会的极大混乱。
而电压崩溃是由系统运行中的电压偏移未能良好的进行调整演变而成。
任何电压偏移都会带来经济和安全方面的不利影响，例如：用电设备工作在额定电压以外的电压情况下效率会下降；电压过高会大大缩短白炽灯一类照明设备的寿命，并且对设备的绝缘产生不利的影响；电压过低会严重影响异步电动机的工作性能，由此工业产品中会产生大量的次品废品，甚至会损坏电动机。
当系统出现故障时，电压会降低，如果不及时地采用合理有效的措施对电压进行调整，就会引起电压崩溃进而电网瓦解等重大灾难性事故。
因此，电压调整是保证电网安全可靠运行的重要方面之一。
保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。
由于高压输电系统具有X/R高比值的特点，频率/有功功率和电压/无功功率通常可以解耦来考虑。
对于大区电网和省网，对于频率/有功功率控制采用自动发电控制(AGC)，对于电压/无功功率则采用自动电压控制(A VC)。
但对于大多数地区电网调度而言，电网频率控制一般不作为其主要职责，而电压/无功控制(VQC)则作为其主要任务而倍受重视。
电力系统的无功功率和电压调整
电力系统的无功功率和电压调整前言在今天的社会中，电力系统已经成为了我们日常生活中不可或缺的一部分，而电力系统中的无功功率和电压调整则是其最重要的组成部分之一。
无功功率和电压调整可以保证电力系统的正常运行和稳定性，从而保障了人们生活的安全和稳定。
本文将会针对电力系统的无功功率和电压调整进行介绍和分析。
无功功率定义无功功率是指在交流电中由于电容、电感电流的相位与电压不同而引起的电流，它不能转化为机械功或电能的功率。
虽然无功功率不能直接输出，但是在电力系统中同样是非常重要的，因为它能够影响到电力系统的正常稳定运行。
无功功率的作用在电力系统中，无功功率具有很重要的作用。
第一，无功功率能够平衡电力系统中的有功功率，从而保证电力系统的电压和频率的稳定性。
当有功功率的需求增加时，无功功率就会自动地增加以保持电力系统的稳态；而当有功功率的需求减少时，无功功率也会自动地减少。
第二，无功功率还可以改善电力系统的功率因数。
正常情况下，电力系统的功率因数应该在0.8至1之间，但有些设备如电容器和电感器等会使功率因数发生变化。
而通过对无功功率的调整，我们就可以将功率因数调整到正常范围内，从而保证电力系统的正常运行。
无功功率的调整方法一般来说，无功功率的调整主要有以下几种方法：•静态无功发生器。
静态无功发生器是通过静态电子管将直流电分解成交流电来产生无功功率的。
它具有无机械运动、静音、响应快等优点，因此得到了广泛应用。
•动态无功补偿设备。
动态无功补偿设备可以根据负载状况自动调整无功功率，从而保持电网的稳定性。
这种设备具有响应时间快、可控性强等优点，在大型电力系统中尤为重要。
•磁流控制器。
磁流控制器是利用变压器的饱和磁路特性，通过控制原边电流和二次电流的相位差，调节负载电流，从而达到调整无功功率的目的。
电压调整定义电压调整是指对电力系统电压的控制和调节。
在电力系统中，电压的稳定性对于保证电网正常运行是非常重要的。
如果电压过高或者过低，都会对电力系统的正常运行产生不利的影响。
第四章 电力系统无功平衡与电压调整
另外，发电机还有一些特殊运行方式。 发电机作调相机运行，是指发电机不发有功功率，专 门发无功功率的状态。该方式，水电机组在枯水期时可以 采用。 发电机进相运行，是指发电机欠励磁运行，即从电 网中吸收无功功率。进相运行时，要受到系统稳定性、发 电机定子端部发热等因素的限制，故发电机如要进相运行， 必须符合以下条件：具备进相运行能力的发电机在进行了 进相运行试验后方可进相运行。
二、城网无功补偿 在城市电网建设中，无功补偿应遵循以下原则： ①无功补偿应根据就地平衡和便于调整电压的原则进行配置， 可采用分散和集中补偿相结合的方式，接近用电端的分散 补偿可取得较好的经济效益，集中安装在变电所内有利于 控制电压水平。 ②无功补偿设施应便于投切，装设在变电所和大用户处的电 容器应能自动投切。
据此可作发电机运行极限图：
P ③ C φ δ O' φ O
B ① ② D A Q
④
①定子绕组温升约束； 定子绕组温升取决于发电机定子电流，即取决于发电机 视在功率，当以发电机额定视在功率为限时，图中表现为 不能超出以O为圆心OB为半径的圆弧①。 ②励磁绕组温升约束； 励磁绕组温升取决于发电机励磁电流，而励磁电流正比 与发电机空载电势Eq，当以发电机额定空载电势为限时， 图中表现为不能超出以O’为圆心O’B为半径的圆弧②。 ③原动机功率约束； 发电机能够发出的有功功率受制于原动机的功率，如以 额定有功功率为限，图中表示为直线BC（直线③）之下。 ④发电机进相运行约束； 约束条件需通过计算和试验得到，图中以曲线④示意。
无功补偿设施的安装地点及其容量，可按下列原则考虑： ①220kV变电所应有较多的无功调节能力，使高峰负荷时功 率因数达到0.95以上，电容器容量应经计算，一般取主变 容量的1/6～1/4； ②当变电所带有的容量的无功设施时，如长距离架空线或电 缆，应考虑装设并联电抗器以补偿由线路电容产生的无功 功率；
国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定
国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定第一章总则第一条电压质量是电能质量的重要指标之一。
电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件，对保证电力系统的安全稳定与经济运行起着重要的作用。
为保证国家电网公司系统电压质量，降低电网损耗，向用户提供电压质量合格的电能，根据国家有关法律法规和《电力系统安全稳定导则》、《电力系统电压和无功电力技术导则》及相关技术标准，特制订本规定。
第二条本规定适用于国家电网公司各级电网企业。
所属发电机组并网运行的发电企业、电力用户应遵守本规定。
第三条各电网有限公司、省（自治区、直辖市）电力公司可根据本规定结合本企业的具体情况制订实施细则。
第二章电压质量标准第四条本规定中电压质量是指缓慢变化（电压变化率小于每秒1%时的实际电压值与系统标称电压值之差）的电压偏差值指标。
第五条用户受电端供电电压允许偏差值（一）35kV及以上用户供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%。
（二）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。
（三）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。
第六条电力网电压质量控制标准（一）发电厂和变电站的母线电压允许偏差值1．500（330）kV及以上母线正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统额定电压的+10%；最低运行电压不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、厂用电的正常使用及下一级电压的调节。
2．发电厂220kV母线和500（330）kV及以上变电站的中压侧母线正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电压的0%—+10%；事故运行方式时为系统额定电压的-5%—+10%。
3．发电厂和220kV变电站的110kV—35kV母线正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电压的-3%—+7%；事故运行方式时为系统额定电压的±10%。
4．带地区供电负荷的变电站和发电厂（直属）的10（6）kV母线正常运行方式下的电压允许偏差为系统额定电压的0%—+7%。
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电力系统自动化
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二、控制变压器变比调压
调整分接头
双绕组：在高压侧 三绕组：在中、高压侧
实质：改变无功功率的分布（变压器不是无功电源）
应用基本条件：全系统无功电源充足（否则有负调压）
ex.双绕组变压器
6300kVA及以下，3个分接头
8000kVA及以下，5个分接头
1.0 5 U N
U
N
（主轴头）
新 UG U
（ 维 持 U N ， 无 功 平 衡 ）
的 平 衡
U G U (增 加 Q G 多 ) U=UHUN Q G HQ D HQ LH U G U (增 加 Q G 少 ) U=UL<UN Q G LQ D LQ LL
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电力系统无功-电压静态特性
5
分析讨论： 无功平衡与电压水平
•
UG
•
U PD jQD
正常额定状态（电压额定）
发电机 U G
线路（网络）ΔU= Q D X
UN
负荷 U UN
•
UG
QGQDQL Xd （平衡的） Eq
jX
•
U
PD jQD YD
无功负荷 Q G 增加： U增大
若发电机增励磁 U G 增加 UG 补充 U Q'GQ'DQ'L
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电力系统自动化
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电力系统的无功功率电源
⑴ 同步发电机 （唯一的有功电源，也是基本的无功电源）
发电机的P-Q曲线：输出P与Q的关系 P (M W )
低 cos(cosN )运 行 ：
励磁限制
受 励 磁 电 源 限 制 ， 不 能 到 达 S （ N Q 大 ） P N
SN
高 cos(cosN)运 行 ：
实际分接头：选择接近值为 U 1 t ，再用最大、最小负荷校验 U 2 。
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三、利用无功功率补偿设备调压（还可以降低电网有功损耗）
并联补偿设备：调相机，静止无功补偿器，并联电容器 作用：重负荷时发出感性无功功率，提高负荷端电压
补偿负荷的无功需求
补偿设备容量计算：
U1
问题：补偿多
少?
U2
P+jQ
简单电力系统
R+jX
jQC
不考虑线路对地电容，变压器励磁功率
无补偿时 补偿 Q C 后
U1
U'2
PRQX U'2
（归算到高压侧）
U1U'2cPR(U Q '2-cQC)X （归到高压侧）
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如果补偿前后 U 1 不变，（发电机出口保持不变）
无补偿
PRQX U1 U2 U2
U1 R+jX -jXC U2
P+jQ
0 . 9 5 U N
1.0 5 U N、1.0 2 5 U N
U
N
（主轴头）
0 .9 5 U N、0 .9 2 5 U N
问题：选用哪个分接头？ 在 P jQ 时 保 持 U 2 N 需 要 的 U 1 t
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降压变压器 U1 K:1
RT +jXT
U2
R T +jXT 归到高压侧
UG 1:K1
U
R+jX
K2:1 U B
P+jQ
用户电压：
P R Q X U B (U G K 1 U )/K 2 (U G K 1U N )/K 2
可采用的电压控制方式： 与 UB有 关 的 因 素
⑴ 控制和调节发电机励磁，改变U B
⑵ 控制变比 K 1 , K 2
⑶ 改变输送功率 P + jQ (主 要 是 Q ),减 小 U PR<<QX(R<<X)
P+jQ U T 归到高压侧
U T(R T R + X T Q )/U 1
U 2(U 1U T)/K
其中K=U1t U2N
实际变比
U1t
U1UT U2
U2N
计 算 保 持 U 2需 要 的 U 1t
普通双绕组变，只有固定分接头（不能带负荷调）：
计算（最大最小负荷） ：
U U 1 1 t t m m a in x ( ( U U 1 1 m m a in x U U T T m m a in x ) ) U U 2 2 N N / /U U 2 2 m m a in x U 1tav(U 1m axU 1m in)/2算术平均值
规格化 取110+0%抽头 K 1 1 1 0 010即 U 1t110(K V ),K U U 2 1 N t
确定QC :
用最大负荷
QC=U2X cmax U2cmax-UK '2maxK2 1 0 .5 (1 0 .5 -8 9 .3 7 ) 1 0 2 (产 品 目 录 选 ) 1 3 0 1 0
cos=0.85
40
0.8
受 原 动 力 功 率 限 制 ， P N 是 限 制 条 件
0.5 0.4
超前cos运行：（Ⅱ象限）
40 Q N 80 Q(Mvar)
IEF很 小 ， 无 限 制并 联 稳 定 性 、 发 热 是 限 制 条 件
只有UGN、IGN、cosN下才可SN。
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⑵ 同步调相机及同步电动机
同步调相机：特殊运行状态下的同步电动机
➢不带有功负荷的同步发电机 ➢不带机械负荷的同步发电机
过激运行：向系统提供感性无功功率 欠激运行：从系统吸收感性无功功率
大小 改变励磁 →平滑改变无功 方向
实现调压
输出无功功率随端压的下降而增加
同步电动机：过激运行时向系统提供感性无功
U 1 1 1 8 k V ,要 求 保 持 U 2 1 0 .5 k V 确定各端无功补偿设备容量： ①电容器
②调相机
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解：最大负荷归到高压侧
最小负荷归到高压侧
U'2max89.37(KV) U'2min105.61(KV)
P.111
① 选择变比 最小负荷 U tU U '2 2m m iin nU 2N11 00 5..5 6111110.69(K V )
第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术
无 发电机
功
电
调相机
分散在变电所
源
电容器、静止补偿器
无需消耗能源
无功电源：是指
无需消耗能源的电 源设备
系统无功损耗>>有功损耗
大部分设备是感性元件
全系统各点电压水平不同，电压分散控制，手段多样
有功控制在电厂
全系统有统一的f
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电力系统自动化
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第四章电力系统电压调整和无功功率控制技术
⑵ 电压降低对负荷产生影响
➢电动机（电流增加，n↓…)
➢电热设备（降低发热量，照度变化）…
⑶ 电压降低对系统产生影响
➢降低影响稳定性
➢升高威胁设备绝缘
➢网损、电晕等
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我国对电压偏差的规定：
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
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② 选择变比
K=U2cmaxU U2 2'2cm m aaxx2U U 2 22 cm cm ininU'2min 10.589.37210.5105.61
= 10.52210.52
规格化 1 1 0 2 2 .5 % /1 1 0 k V 得 K=9.5
调相机容量
U '2P R U '2 Q X U '2cP R (U Q '2 -cQ C )X
则U
'2变到U
' 2
c
需要补偿：
Q C =U X '2c U '2cU '2 P R U '2Q cX P R U '2 Q X
U '2与 U '2c不 会 差 很 大 QC=UX'2c U'2c-U'2来自从产品目录中选合适的设备
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⑵ 补偿设备为同步调相机容量的计算
过励运行：发感性无功—最大负荷 Q C
欠励运行： 吸收感性无功—最小负荷
1 2
Q
C
最大负荷： QC=U2X cmax U2cmax-UK '2maxK2
最佳利用率
最小负荷：-1 2QC=U2 X cmin U2cmin-UK '2minK2
如 果 SV C 能 补 偿 Q D ：QDQLQ C
则 Q i0， U 不 变 化
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⑸ 高压输电线路的充电功率（线路电纳作用）
QL U2BL
固定的无功电源
电压调节 下面的问题：怎样应用这些无功电源实现 无功控制
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电力系统自动化
12
第三节 电力系统电压控制的措施
调相机QC1 并 联 电 容 器 QC2 静 止 补 偿 器QC3
变 压 器 无 功 损 耗 Q G T
Q L ： 无 功 损 耗线 路 电 抗 无 功 损 耗 Q x
线 路 电 阻 无 功 损 耗 Q B ( 定 性 ) 实 际 是 电 源