山大电气考研复试——电力系统自动控制(课件)4-1

• 电动机选择通常是容量过大，约有一半的大马力电 动机运行在额定功率的60%以下。
• 电动机吸收的稳态有功值基本上与电压无关；但无 功值对电压水平较灵敏。
• 当电压开始降低时，无功会瞬时减少；但电压进一 步降低时，无功反而增加。
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（2）空调和热泵 • 空调属于电动机一类，但很多空调器不用接触器， 所以发生故障和电压下降时不会从系统断开；
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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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电力系统电压控制的意义
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。
变化不大 随潮流而变
QL I X
2
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。 传输线无功发出量等于消耗量时所传输的负荷叫波阻 抗负荷。 x 2 2 Z0 U BI X b 各点电压电流都一样，同相位。
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无功的消耗
（1）异步电动机
• 负荷中大部分是电动机；象居民区中的空调、冰箱； 工业中的各种泵、鼓风机、风扇等。
第四章 电力系统无功和电 压控制
有功和无功运行的不同
功率源：
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。
0.95(1.05 0.760 0.95) Qr 0.289 0.5
如果受端不吸收也不反送无功功率，则有
U s cos Ur 0
Ur cos Us
不能在大的角度差下传输无功
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25.21

无功功率传输困难在于： （1）无功功率不能在传输线两端间有大的角度下 传输； （2）大量传输无功会导致大的功率损耗和电压损耗； （3）防范“甩负荷”引起的瞬时过电压不能大幅度传 输无功
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• 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。
• 允许附近的发电机在功率因数为1.0附近运行，增 加了系统快速相应的无功储备，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。 • 当电容器安装节点电压下降时，其所提供给电力系 统的无功功率也将减少，而此时正是电力系统需要无 功功率电源的时候，这是其不足之处。 • 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；
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。
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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 35kV及以上电压供电的负荷 低压照明负荷 农村电网（正常） （事故）
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电力系统无功平衡与电压水平的关系

UG
U
P
D
jQ
D

UG
j X

U
X
d
P
D
jQ
D
Y
D
E
q
图4-1 电力系统接线图
QD X U UN
30
无功功率总是要保持平衡状态，当电力系统无功功率电 源充足，可调节容量大时，电力系统可在较高电压水平 上保持平衡；
当电力系统无功功率电源不足，可调容量小甚至没有时， 电力系统只能在较低电压水平上保证平衡。
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无功功率的传输
U s
Ss
U r 0 X
Sr
U sU r Ps sin X U (U U r cos ) Qs s s X U s (U s U r ) X
U sU r Pr sin X U r (U s cos U r ) Qr X U r (U s U r ) X
5% 7.5% 10 % 7% 5% 10 % 10 % 15 %
在事故后运行状态下，由于电力系统部分设备退出运行， 电压损耗比正常时大。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％。
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10
无功的产生
（1）同步发电机
同步发电机目前是电力系统中惟一的有功功率电源， 它又是基本的无功功率电源。 它所提供给电力系统的无功功率与同时输出的有功功 率有一定的关系，由同步发电机的P-Q曲线决定。
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。
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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，发电机的定子电流增大。如果 发电机定子电流原已达到额定值，则因系统电压降低， 使发电机输出电流超过其额定值。
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。
(c)
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静止无功补偿器不仅用于传输网络，而且广泛用于配 电系统中。 如在大型电动机的启动中应用SVC可以降低电压跌落 值；SVC亦可应用于单相负荷入电焊机和电气化铁路 供电系统中。
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SVC能快速、平滑的调节无功功率的大小和方向， 以满足动态无功功率补偿要求，尤其是对冲击性负荷 适应性较好。 与同步调相机比较，运行维护简单，功率损耗较小 ，能够作到分相补偿以适应不平衡的负荷变化。其缺 点是最大无功补偿量正比于端电压的平方，在电压很 低时，无功补偿量将大大降低。
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P(MW )
SN
PN
cos 0.85
40 0 .8
0 .5 0 .4
40
QN
80
Q(MVAR)
PQ 图4-4 同步发电机的P=Q 曲线
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同步发电机以超前功率因数运行时，定子电流和励磁 电流大小都不再是限制条件，而此时并联运行的稳定 性或定子端部铁芯发热成了限制条件。
当电力系统中有一定备用有功电源时，可以将离负荷 中心近的发电机低于额定功率因数运行，适当降低有 功功率输出而多发一些无功功率，这样有利于提高电 力系统电压水平。
• 电压不稳现象极易发生在气温较高或较低及负荷较 重的情况下； • 测试表明，当故障清除时间在5周波及以上时，空调 在电压降至60%时减速直至失速；
• 当故障清除更为缓慢时，空调在较高电压便可失速；
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（3）放电照明设备 • 照明可能占到商用负荷的20%； • 照明基本上是静态的，但在低电压期间会熄灭；直 至电压恢复，在一个短时延迟后重新点燃； • 当电压在放电照明设备停止工作点以上时，一般有 功部分为恒流，无功部分为电压四次方；无功特性有 助于电压稳定性 • 新的电子镇流器、高效率灯和光控设备接近于恒定 视在功率负荷； • 白炽灯通常被看作具有恒定阻抗特性；
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无功的平衡
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，包括发电机供应的无功功率和无功补偿 设备供应的无功功率，而无功补偿设备又可分为调相机、并联电 容器和静止补偿器。 无功损耗包括三部分：变压器中的无功损耗、线路电抗中的无功 损耗。
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（4）同步调相机及同步电动机
同步调相机是特殊运行状态下的同步电动机，可视为 不带有功负荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步 电动机。 当过激运行时，它向电力系统提供感性无功功率；欠 激运行时，从电力系统中吸收感性无功功率。
因此，改变同步调相机的励磁，可以平滑地改变它的 无功功率的大小及方向，从而平滑地调节所在地区的 电压。
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（3）静止无功功率补偿器（SVC）
静止无功功率补偿器（Static VAR Compensator，简称SVC）是 一种发展很快的无功功率补偿装置，其工作原理下图所示。
Qi

U

U

U
QLC
QD QC
UN
2

1
IL IC

QL
C
LI LC容性o感性I
容性

o 感性
I
(a )
(b)
图4-5 静止无功补偿器工作原理
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（2）并联电容器
基本工作原理
U （4-6） U 2 C QC XC 式中 X C —电容器地电抗； —交流电的角频率; C —电容器的电容量。
2
• 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 有效地扩大其电压稳定极限
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Qs
Qr
无功功率传输主要取决于电压幅值，总是从高电压节点流 向低电压节点
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例：当Us=1.05p.u.，Ur=0.95p.u.，X=0.5p.u.，两端角 度差为45度，求两侧无功功率。
cos45 0.760
Qs 1.05(1.05 0.95 0.760) 0.689 0.5
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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。
某些电动机驱动的生产机械的机械转矩与转速的高次 方成正比，所以当转差增大、转速下降时，其输出功率 将迅速减少。 而电厂厂用电动机输出功率的减少又将反过来影响锅 炉、汽轮机的工作，最终影响发电厂所发出的功率。