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 ).
供用电系统教案——供配电系统的无功补偿和电压调整
第五章 供配电系统的无功补偿和电压调整5-1 供配电系统的电压偏移与无功平衡一、 电压偏移影响1.电力系统的负荷：电动机、照明设备、电热器具、家用电器、冲击性负荷（电弧炉、轧钢机等）2.所有的用电设备都是以额定电压为条件制造的，最理想的工作电压是额定电压。
3.电压偏移的影响：<1> 对用电设备的影响a ． 异步电动机（电力系统负荷中占较大比重，如起重机、磨煤机、碎石机）转矩与端电压平方成正比。
① 端电压降低太多，使带额定负荷的电动机可能停止，重载电机可能无法起动。
且带负载的电动机电流增大，使绕组温升，加速绝缘老化。
② 电压过高，对绝缘不利。
b ． 白炽灯端电压低于额定电压，会使发光效率和光通量下降。
端电压高于额定电压5％，则寿命会减少一半，但发光效率会提高。
c ． 电热器具 （阻抗值不随电压变化的负荷）电压变化会影响其出力；d ． 精密仪器加工业如电子元件加工业，电压大幅波动会产生大量不合格产品。
综上所述，电压偏移越小越好。
但由于电力系统节点多，结构复杂，负荷分布不均又经常变动，故保证所有节点电压都是额定电压是不可能的。
<2> 对电力系统本身电压降低，使网络中功率损耗和电能损耗加大，可能危及电力系统稳定性；电压过高，电气设备绝缘易受损。
二、电压偏移标准正常情况下：35Kv 及以上 %5± ;10Kv 及以下 %7± ;低压照明 +5％，－10％ ;低压照明与动力混合使用 +5％，－7％事故情况下：电压偏移允许值比正常值多5%，但电压的正偏移不大于10％。
三、 负荷的电压静态特性 static voltage characteristic of load—系统频率一定时，负荷功率随电压变化的关系。
<一> 有功负荷的电压静态特性static voltage characteristic of active load取决于负荷性质及各类负荷所占的比重。
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。
浅析电力系统中无功功率的平衡
浅析电力系统中无功功率的平衡电力系统中的无功功率电源除发电机外,还有电容器、调相机和静止补偿器等,分散在各变电所,供应有功功率和电能必须消耗的能源,无功功率电源一经设置后,就可随时使用而不再有其他经常性耗费。
一、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,除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外,大多数都要消耗无功功率。
因此,无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行,其值约为0.6～0.9。
其中,较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合。
无功功率负荷的变化规律,其最大值可能出现在白昼而不是傍晚,原因在于,系统总负荷的成分一昼夜间各不相同。
大致可认为,如白昼和傍晚有功功率负荷的峰值约略相等,白昼无功功率负荷的峰值将大于傍晚;反之,如白昼有功功率负荷的峰值远小于傍晚,白昼和傍晚无功功率负荷的峰值将约略相等。
2.变压器中的无功功率损耗。
变压器中的无功功率损耗分两部分,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I0和百分值,约为1%～2%;绕组漏抗中损耗,在变压器满载时,基本上等于短路电压UK的百分值,约为10%。
因此,对一台变压器或一级变压的网络而言,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。
但对多电压级网络,变压器中的无功功率损耗就相当可观。
以一个五级变压的网络为例,设电厂中10/220KV升压,网络中220/110、110/35、35/10、10/0.4降压至用户,典型计算的结果表明:所有变压器都满载所有变压器都半载变压器的励磁支路损耗7%7%变压器绕组漏抗中损耗50%12.5%变压器中总损耗57%19.5%变压器损耗/变压器负荷57% 39%由于可见,系统中变压器的无功功率损耗占相当大比例,较有功功率损耗大得多。
3.电力线路上的无功功率损耗。
电力线路上的无功功率损耗也分两部分,既并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。
电力系统的无功功率和电压调整知识讲义PPT(77张)
5－2 电压调整的基本概念
中枢 点调 压模 式
逆调压模式 顺调压模式 恒调压模式
在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方 式。一般采用逆调压方式，在最大负荷时可保持中 枢点电压比线路额定电压高5％，在最小负荷时保 持为线路额定电压。供电线路较长、负荷变动较大 的中枢点往往要求采用这种调压方式。
③ 降低生产率，出废品、次品 ④ 对电力系统，过低：使网络功率损耗加大，危
及稳定运行，过高：绝缘，增加电晕损耗。
为什么U和Q联系起来
因为：△U=(PR+QX)/U X>>R
所以：△U ≈ QX/U 即：Q在网络中的传输对U有决定性的影响。
主要内容
5-1 电力系统的无功功率平衡 5-2 电压调整的基本概念 5-3 发电机调压 5-4 改变变压器变比调压 5-5 利用无功功率补偿调压 5-6 几种调压措施的比较
B 2
(V12
V22 )
三、无功功率电源
发电机
无功 功率 电源
同步调相机 静电电容器 静止无功补偿器
静止无功发生器
发电机 E. N
jXd I N
UN
P
发电机是唯一
无功 的有功功率电
功率
源，又是最基 本的无功功率
D
C
电源 电源
.
EN
.
jXdIN
O
U. N A
B
I. N
Q
同步调相机
无功 功率 电源
功功率可以平衡且有适量的备用；Qres<0：
系统中无功功率不足，应考虑加设无功补
偿装置）
无功 功率 平衡
无功功率电源：QGC＝QG∑＋QG∑ QG∑ ：发电机的无功功率； QC∑ ：无功补偿设备的无功功率。
无功功率平衡的工作原理
无功功率平衡的工作原理如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。
在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，当有功负荷与有功电源出力相平衡时，频率就正常，达到额定值50Hz，而当有功负荷大于有功出力时，频率就下降，反之，频率就会上升。
电压与无功功率也和频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。
当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。
但是，需要说明的是电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多，大体上有以下几点：①在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样的。
当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，如果无功不是处于平衡状态时，那么情况就更复杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。
②系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，称为"无功损耗"，一般来说，这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的，我们以一台50MV A的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。
变压器的参数为：Ue =110kV，Se=50MV A，Uk%=17%，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：Q = SeUk%(I/Ie)2式中I--变压器的负荷电流；Ie--变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。
如果这台变压器满负荷运行，那么它的无功损耗就是：Q=50MV A×17%=8.5Mvar此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。
电力系统无功的平衡与无功补偿
补充知识：功率方向的判断
有功功率计算公式：P=U*I*cosα
在小电网低负荷时，发电机自身就能平衡系统中无功的需求，但是在大电网，高负荷时，发电机很难满足网络无功的需求，此时电压降低，严重危害系统的稳定。这样就必须投入无功补偿装置。
电压无功补偿装置又称VQC，是在电网有较大无功需求时自动根据事先设定的定值进行有载调压与电容器的投切。这样能够减少电网的无功消耗，改善电网运行质量。下面以广州科立公司生产的DWK型无功补偿装置为例讲解其原理。
特别要指出的是，根据能量平衡的原则，电容器是不可能主动发出功率的。只是由于电网呈感抗性质，使得发电机又发有功又发无功，现在由于加入了并联电容器，把绝大部分感抗补偿掉了，改变了网络阻抗特性，使得整个网络近似与电阻性质，这样发电机只需要发少量无功就能满足无功需求，从而提高了有功的发出能力，也提高了发电机的效率。从这个角度讲，犹如电容器发出了无功供给感抗消耗，所以电容器被称作无功电源。
第一节 电力系统无功的平衡与无功补偿
电力系统功率除了有功功率外还有无功功率。
无功功率的概念：无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。由于它不对外做功，才被称之为"无功"。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，也不是不消耗电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已.
电力系统的无功功率平衡分析与控制
电力系统的无功功率平衡分析与控制下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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电力系统无功平衡计算与分析
电力系统无功平衡计算与分析1无功平衡计算分析的意义电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，只有电力系统中各种无功电源的无功功率输出满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的要求，才能使电压不偏离额定值，系统正常运行，为用户提供合格的电能。
2计算原理2.1无功功率平衡的原理与要求无功功率平衡的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。
这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。
电力系统无功功率平衡的基本要求是：系统中的无功电源可能发出的无功功率应该大于或等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和。
为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长，系统还必须配置一定的无功备用容量。
令^GC为电源供应的无功功率之和，Q LD 为无功负荷之和，Q L为网络无功损耗之和，Q为无功功率备用，则系统中无功功率的平衡关系式为■ Q LD - Q L =气Q心〉0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；Q re<0表示系统中无功功率不足，应该考虑加设无功补偿装置。
电力系统的电压运行水平取决于无功功率平衡，为了确保系统的运行电压具有正常水平，系统拥有的无功功率电源必须满足正常电压水平下的无功功率需求，并留有必要的备用容量。
电力系统中既有有功功率电源，又有无功功率电源，为保证电能的质量，系统内的功率必须保持平衡。
否则当系统中各种无功电源的无功功率输出（简称无功出力）不满足系统负荷和网络损耗在额定电压下的无功功率需求时，电压偏离额定值。
电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。
它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率。
电力系统中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡。
有功功率、无功功率、视在功率之间的关系为：S = \P + 0其中，S为视在功率，KVA；P为有功功率，KW；Q为无功功率，KVRA。
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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。
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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。
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5.3.2 电枢点的电压偏移
中枢点电压曲线的编制:
图5.7 中枢点电压允许变化范围
电力系统分析
5.3.3 中枢点电压的调整方式
逆调压：在最大负荷时提高中枢点电压，但不高于网络额 定电压的105%，最小负荷时降低中枢点电压，但不低于网 络额定电压的调整方式称为“逆调压”。 逆调压方式适用于供电线路较长、负荷波动较大的中枢点。
QGC
Q G ——为系统中所有发电机发出的无功功率，
Qc ——为系统中所有无功补偿装置发出的无功功率;
QD ——为系统中所有负荷需要的无功功率;
Q ——为网络元件中的无功损耗。
系统中应保持一定的无功功率备用。
无功功率备用容量一般可取最大无功功率负荷的5%～8%。
电力系统分析
5.2.3 无功功率平衡
系统中的负荷点都是通过一些主要的供电点供电 的，因此只要控制这些母线的电压偏移在允许范围 内，系统中各母线电压，从而各负荷点的电压可基 本上满足要求。我们就把这些主要的供电点称为电 压中枢点 （voltage centre）。 电压中枢点包括： （1）水、火电厂的高压母线； （2）枢纽变电所（load-center substation ）的二次 母线； （3）有大量地方负荷的发电机机端母线（generator terminal bus）。
同步调相机是旋转机械，运行维护不方便。调相机的投资费 用与其容量有关，容量越小，投资费用越大，因此同步调相 机适宜于大容量集中使用。
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5.2.1 无功功率电源
静电电容器(power capacitor )
并联电容器只能向系统供给感性无功功率。 使用时可将电容器连接成若干组，按需要成组地投入或 切除。 其单位容量的投资费用较小，运行时有功功率损耗也较 小，约为额定容量的0.3％～0.5％。 当节点电压下降时，它向系统供给的无功功率也将下降。 而当系统发生故障或其它原因导致电压降低时，电容器向 系统供给的无功功率反而减少，从而导致电压继续下降。 这是电容器在调节性能上的缺点。
电力系统分析
图5.3发电机的运行极限图
5.2.1 无功功率电源
同步调相机(synchronous compensator ) 同步调相机相当于空载运行的同步电动机，也就是只能发 无功功率的发电机。 过励磁运行：它向系统供给感性无功，起无功电源的作用， 过励磁运行时的容量是调相机的容量； 欠励磁运行：它从系统吸取感性无功，起无功负荷作用， 欠励磁运行时的容量为过励磁运行时容量的50％～65％。
电力系统分析
5.4.2改变变压器变比调压
双绕组升压变压器 （step-up transformer）
升压变压器高压绕组分接头电压的确定 方法与降压变压器相同。 需要注意： 由于升压变压器中功率方向是从低压侧指向高压侧，因此公式 （5.11）中 UT 前的符号应为正，即
U1f U 1 UT u2N u2
电力系统分析
5.4 电压调整的措施
• 5.4.1 改变发电机端电压调压 • 5.4.2改变变压器变比（ratio ）调压 • 5.4.3 改变电力网无功功率分布调压
• 5.4.4 改变电力网的参数调压
电力系统分析
5.4.1 改变发电机端电压调压
利用发电机的自动调节励磁装置(auto-excitation regulator)，调节发电机的励磁电流，可以改变发电机电势 或端电压，因此这种调压措施也叫改变发电机励磁调压。 主要适用于孤立运行的发电厂不经升压直接供电的小型 系统。
电力系统分析
5.4.2改变变压器变比调压
双绕组降压变压器
变压器阻抗（ 的定义可得
impedance ）归算至高压侧，由变压器变比
U 1 UT U 1 f K u2 u2N
式中：
U 1 f ——变压器高压绕组分接头电压； U 1 ——变压器高压母线的实际电压；
UT ——变压器阻抗中归算到高压侧的电压损耗；
10.5, P0 47 KW , I 0 % 2.7
图5.6 例5.1的附图
电力系统分析
5.3 电力系统的电压管理
• 5.3.1 电压中枢点的概念
• 5.3.2 中枢点的电压偏移
• 5.3.3 中枢点电压的调整方式
• 5.3.4 电压调整的基本原理
电力系统分析
5.3.1 电压中枢点的概念
5.3.4 电压调整的基本原理
图5.8 简单的电力系统
图中 D点的电压： UD UGK 1 U K
2
PR Qx UGK 1 K2 UN
可采取以下的方法调压： 改变发电压端电压 ； 改变变压器的变比 ； 改变功率分布，主要是改变无功功率的分布； 改变电力网络的参数。
电力系统分析
5.2 电力系统的无功功率平衡
5.2.1 无功功率电源 5.2.2 无功负荷及无功损耗 5.2.3 无功功率平衡
电力系统分析
5.2.1 无功功率电源 同步发电机(synchronous generator )
发电机既是唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率电源。
发电机只有运行在额定状 态（即额定电压、电流和功 率因数）下的B点，其容量 可得到充分的利用。 当系统中有功功率备用充 足时，可使靠近负荷中心的 发电机降低有功功率，多发 无功功率，以提高系统运行 的电压水平。
第5章 电力系统的无功功率(reactive power)平 衡与电压调整(voltage regulation )
本章提示
5.1 电压调整(voltage regulation )的必要性
5.2 电力系统的无功功率(reactance capacity )平衡
5.3 电力系统的电压管理
5.4 电压调整的措施
5.1 电压调整的必要性
5.1.1 电压偏移对用电设备的影响 5.1.2 用户允许电压偏移值
电力系统分析
5.1 电压调整的必要性·引言
电压是衡量电能质量的又一重要指标。
电力系统中的用电设备都是按照标准的额定 电压设计制造的，因此用电设备工作在额定电 压下，各项性能指标发挥得最好。
电力系统分析
5.1.1 电压偏移对用电设备的影响
min
U 1 min UT min u2N u 2 min
max
U 1 fav
U1f
U 1 f 2
min
校验
电力系统分析
5.4.2改变变压器变比调压
例 5.2 有一降压变压器归算至高压侧的阻抗， 变压器的额定电压为，在最大负荷时，变压器高 压侧通过功率为，高压母线电压为113KV，低压 母线侧要求电压为6KV；在最小负荷时，变压器 高压侧通过功率为10+j6MVA，高压母线电压为 115KV,低压母线要求电压为6.6KV。试选该变压 器的分接头。
顺调压：在最大负荷时允许中枢点电压降低，但不低于网络 额定电压的102.5%,在最小负荷时，允许中枢点电压升高， 但不高于网络额定电压的107.5%。 顺调压方式适用于供电线路不长，负荷波动不大的变电所。 常调压（恒调压）：任何负荷下，中枢点电压保持基本不变， 一般比网络额定电压高2%~5%。
电力系统分析
小 结
电力系统分析
第5章
电力系统的无功功率平衡与电压调整
本章提示
调压的意义及电压的允许波动范围； 电力系统的无功功率平衡及无功补偿装置 (reactive compensation equipment )的作用； 电压中枢点的概念及中枢点的调压方式； 调压的措施。
电力系统分析
5.1 电压调整的必要性
白炽灯对电压变动的敏感性较大。
异步电动机：电压过低，将导致电动机电流显著增大，使电动机绕组 的温度升高，加速绝缘老化，严重时甚至可能烧毁电动机。如果电压超 过额定电压过多时，对电动机绝缘也是不利的。 广泛使用的电子设备：电压偏高将严重降低管子的寿命，电压偏低， 工作点不稳定，失真严重，甚至不能工作。
电压变化时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功 率，以满足动态无功补偿的需要。 它由静止元件组成，运行维护方便，并且有功损耗较小 （低于1％）。