第三章 电力系统电压调整和无功功率控制技术
电力系统的无功功率平衡和电压调整
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。
电力系统无功功率和电压调整
3
二、无功补偿与调压配置技术要求
• 500千伏电网应分散、优化配置高压、低压并联电抗器， 千伏电网应分散、优化配置高压、低压并联电抗器， 千伏电网应分散 原则上要求高、低压并联电抗器总容量与500千伏线路 原则上要求高、低压并联电抗器总容量与 千伏线路 充电功率基本补偿。接入500千伏系统电厂升压站可考 充电功率基本补偿。接入 千伏系统电厂升压站可考 虑装设一定容量、通过开关投退的高压电抗器。 虑装设一定容量、通过开关投退的高压电抗器。500 千伏降压变容性无功补偿容量应按主变容量10%— 千伏降压变容性无功补偿容量应按主变容量 25%配置或经计算分析确定。 配置或经计算分析确定。 配置或经计算分析确定 • 220 千伏变电站无功补偿容量一般按 220 千伏主变容 配置， 千伏主变最大负荷时， 量 10%—25%配置，并满足 配置 并满足220千伏主变最大负荷时， 千伏主变最大负荷时 其高压侧功率因素不低于0.95。当220千伏变电站 千伏变电站110 其高压侧功率因素不低于 。 千伏变电站 千伏及以下出线以电缆为主或较大容量地区电源接入 该变电站110千伏系统时，容性无功补偿容量可按下限 千伏系统时， 该变电站 千伏系统时 配置。一般情况下无功补偿装置的单组容量， 配置。一般情况下无功补偿装置的单组容量，接入 35 千伏电压等级不宜大于12Mvar，接于 千伏电压等级 千伏电压等级不宜大于 ，接于10千伏电压等级 不宜大于8Mvar。 不宜大于 。
7
三、电压的监视与调整
• 各地区加强各地关口无功电压的调度管理及网 供力率的考核， 供力率的考核，协助用电管理部门对用户电容 器的运行管理，充分调用地区电源机组的无功 器的运行管理， 调节能力， 调节能力，加强对调度管辖内电厂的无功电压 运行管理及考核。 运行管理及考核。地区无功电压调整应遵循如 下原则： 下原则： 1、正常情况下地区网供力率应满足省调下达的 、 网供力率考核指标，同时按逆调压原则调节， 网供力率考核指标，同时按逆调压原则调节， 即地区网供力率高峰时段调高、低谷时段调低 即地区网供力率高峰时段调高、 运行。当地区电压考核点电压越限时， 运行。当地区电压考核点电压越限时，应就地 采取控制措施。 采取控制措施。 2、地区电网无功电压的调整应与220千伏电压协 、地区电网无功电压的调整应与 千伏电压协 8 调控制。 调控制。
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。
电力系统无功功率和电压调整
三、电力系统的电压调整2011-5-91（1）我国规定的电压偏移范围¾35kV及以上供电电压：±5%¾10kV及以下三相供电电压：±7%¾220kV单相供电电压：+5%～-10%¾农村电网正常运行情况：+7.5%～-10%事故运行情况：+10%～-15%23（2）中枢点的电压管理1）电压中枢点对电力系统电压进行监视、控制和调整的主要的供电点。
2）电压中枢点的选择①区域性发电厂的高压母线；②枢纽变电所的高压母线和二次母线；③有大量地方负荷的发电机电压母线；④城市直降变电所的二次母线。
这些节点的点压满足要求，其他节点的电压也能满足要求4①顺调压¾最大负荷运行方式时，中枢点的电压不应低于线路额定电压的102.5%；¾最小负荷运行方式时，中枢点的电压不应高于线路额定电压的107.5%。
3）中枢点电压的调整方式适用于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点5②逆调压¾最大负荷运行方式时，中枢点的电压要比线路额定电压高5% ；¾最小负荷运行方式时，中枢点的电压要等于线路额定电压。
③恒调压¾最大和最小负荷方式时保持中枢点电压为线路额定电压的1.02～1.05倍。
适用于供电线路较长，负荷变动较大的中枢点6~CU U 2k G 1T 2T 1k R jX +l P jQ+2121/)(k U QX PR k U k U k U U N G G ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−≈Δ−=电压调整措施：¾①改变发电机的励磁电流调压；¾②改变变压器的变比调压；¾③改变网络的无功功率分布调压；¾④改变网络的参数调压。
3. 调压措施及应用①发电机调压现代同步发电机在端电压偏离额定值不超过的范围内，能够以额定功率运行。
对于不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。
在直接用机压母线供电的小型系统中，改变发电机的励磁电流可实现逆调压，是一种最经济、最直接的调压手段。
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 = （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 = （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。
电力系统电压和无功功率调节控制
电力系统电压和无功功率调节控制作者：谢鑫来源：《环球市场》2019年第31期摘要：电压质量是衡量电力系统电能质量的一个重要指标。
通过分析电压一无功功率的调节方式，说明使电压符合系统运行要求和无功功率平衡的方法。
同时运行中还要采取措施抑制电压波动并加强电压管理来提高电压质量。
关键词：电压一无功控制;电压波动;电压管理电力系统中的所有设备，都是在一定的电压和频率下工作的。
如果电压偏移过大，不仅会影响工农业生产产品的质量和产量，造成设备损坏，而且还可能引起系统性的“电压崩溃”，发生大面积停电事故，造成严重后果。
系统电压降低时，对发电机来说，其定子电流将因其功率角的增大而增大;为使发电机不致过热，不得不减少发电机所发功率。
相似地，系统电压降低后，也不得不减少变压器的负荷。
系统电压过高将使所有电气设备绝缘受损，寿命也缩短。
如果系统中无功功率短缺，电压水平低下，某些枢纽变电站母线电压在微小扰动下顷刻之间的大幅度下降，导致“电压崩溃”、系统瓦解的灾难性事故。
一、电力系统的电压调控在各种电压控制措施中，首先考虑发电机调压，但这是发电厂主要的调压手段;而对变配电站来说主要的调压手段是调节变压器分接头档位和无功补偿容量的投、退。
如果系统的无功功率较充裕，采用各种类型有载调压变压器调压显得灵活而有效。
但对无功功率电源不足的系统，首先应增加无功功率电源，以采用并联电容器、调相机或静止补偿器为宜。
有载调压变压器可改变变压器变比，起到调压和降低损耗的目的;但调压本身并不产生无功功率，而系统消耗的无功功率却与电压水平有关，所以在系统无功功率不足的情况下，不能用调压的方法来提高系统的电压水平，必须利用补偿电容器进行调压。
因此，为保证电压的质量，使电力系统能安全可靠运行，必须把调压和无功补偿相结合，进行合理调控，才能起到既改善电压水平，又降低网损的效果。
二、电压一无功的调节方式（一）电压一无功的调控对变电站电压、无功综合控制，其控制对象主要是变压器分接头和并联电容器，控制目的是保证主变压器二次电压在允许范围内，且尽可能提高进线的功率因数，所以一般选择电压和进线处功率因数为状态变量。
电力系统的无功功率和电压控制
若大于，则任何分接头都无法满足要求，需其他调压措施配合
双绕组升压变压器一般按高压侧的电压要求选择分接头
Ut1max
U1max U1max U 2max
Ut2
Ut1
U 2 U2
Ut2
U1 U1 Ut2 U2
Ut1min
U1min U1min Ut 2 U 2min
Ut1
Ut1max
发电机的端电压与发电机的无功功率输出密切相关，增加端电 压的同时也增加无功输出，反之，降低端电压也就减小无功输 出，因此发电机端电压的调节受发电机无功功率极限的限制。 发电机有功出力较小时，无功调节范围会大些，调压能力会强 些。发电机端电压的允许调节范围为0.95~1.05UN，如果端电压 低于0.95UN，输出的最大视在功率要相应减小（小于SN）
仅当系统无功功率电源容量充足时，改变变压器变比调压才有
效。当系统无功不足、电压水平偏低时，应先装设无功功率补偿
设备，使系统无功功率容量有一定的裕度。
例5.1，p191
5.2.5 应用无功功率补偿装置调节电压
常用并联电容器、同步调相机、静止补偿器等并联无功补偿装置
减小线路和变压器输送的无功，从而减小电压损耗、提高电网电
对故障后的非正常运行方式，一般允许电压偏移较正常时大5%
5.2.3 应用发电机调节电压
应用发电机调压不需要另外增加投资。根据励磁电源的不同， 同步发电机励磁系统可分为直流机励磁系统、自励半导体励磁 系统、它励半导体励磁系统 3大类。现代发电机励磁系统都有 自动调节功能，即自动励磁调节器（AER）或自动电压调节器 （AVR），通过改变励磁调节器的电压整定值，自动控制励磁 电流，即发电机空载电势，实现发电机端电压的闭环控制。
电压系统无功功率和电压调整课件
在电力系统中，无功功率和有功功率是相互依存的。有功功率用于消耗 电能并转换成其他形式的能量，而无功功率则用于维持系统的电压水平 和保障设备的正常运行。
02
电压调整的原理和方法
电压调整的必要性
1 2
保证电力系统的稳定运行
电压是电力系统稳定运行的重要因素，电压不稳 定可能导致设备损坏、系统崩溃等问题。
减少线路损耗
无功功率的传输和交换有助于减少线路损耗，提高电力系统的效率 。
无功功率的传输与交换
01
无功功率的传输
在电力系统中，无功功率主要通过变压器和线路进行传输。变压器通过
改变电压和电流的幅度和相位来实现无功功率的传输。
02 03
无功功率的交换
为了平衡区域间的无功功率需求，电力系统需要进行无功功率的交换。 这种交换通常通过无功补偿设备和装置来实现，如并联电容器、静止无 功补偿器等。
提高电力系统的经济性
合理调整电压可以降低线路损耗，提高电力系统 的经济性。
3
保证电能质量
电压质量对用户用电设备的安全和正常运行至关 重要，电压异常可能导致设备损坏或影响产品质 量。
电压调整的方法
变压器分接头调整
通过改变变压器的变比来调整电压。
调度指令调整
调度员根据系统运行状况，通过调度指令来 调整电压。
05
电压系统无功功率和电压 调整的实际应用
实际应用中的问题与挑战
01
02
03
04
电压波动问题
由于负载的随机变化，电压可 能在短时间内大幅度波动。
无功功率平衡问题
无功功率的不平衡可能导致电 压下降或上升，影响电力系统
的稳定性。
设备过载问题
电力系统无功功率和电压调整-PPT课件
V VV
imax max
min
电力系统分析
35
例
简单电力网电压损耗
电力系统分析
36
电力系统分析
37
只满足i节点负荷时，中枢点电压VO应维持的电压为
0~ 8h
VO Vi VOi
(0.95~1.0)5VN0.0V 4N (0.99~1.0)9VN
8 ~ 24h
VO Vi VOi
电力系统分析
25
5.静止无功发生器（SVG）
SVG的优点：响应速度快，运行范围宽，谐波电 流含量少，尤其重要的是，电压较低时仍可向系 统注入较大的无功。
电力系统分析
26
5.2.3 无功功率平衡
电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功 电源可以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。
（1）大型发电厂的高压母线； （2）枢纽变电所的二次母线； （3）有大量地方性负荷的发电厂母线。
电力系统分析
32
5.3 电力系统中枢点的电压管理
例：
中枢点
中枢点
图5-16 电力系统的电压中枢点
电力系统分析
33
5.3.2 中枢点电压允许变化范围
中枢点i的电压满足Vimin≤Vi ≤ Vimax 图5-17 负荷电压与中枢点电压
电力系统分析
4
5.1 电压调整的一般概念
（5）系统电压降低，发电机定子电流将因其功率角的增大
而增大。增大到额定值后，使发电机过热，不得不降低出力。
（6）系统电压过低会使电网的电压损耗和功率损耗增加，
影响系统的经济运行；过低的电压甚至严重影响电力系统的
稳定性。
系统无功功率不足，电压 水平低下时，某些枢纽变 电所母线电压在微小扰动 下会迅速大幅度下降，产 生电压崩溃，从而导致电 厂之间失步，系统瓦解， 大面积停电的灾难性事故。
4-电力系统电压调整和无功功率控制技术
第五节 电力系统无功功率电源的最优控制
最优控制的目的： 合理控制各无功电源的无功大小，使网络有功损耗达到最小
确定无功优化法：
设定模型 目标函数：以新增无功补偿设备投资费用及运行费用和最小为目标 约束条件：（1）投资决策约束，各节点要满足最大允许安装限制
（2）负荷约束，满足负荷要求和潮流分布要求 （3）支路潮流限制 （4）节点发电出力限制 （5）节点电压限制 （6）可调变比限制 选择算法：近年来，有hopfield算法，模拟退火算法、遗传算法、交叉分解法等 求解：得到一组满足约束条件，目标函数最小的解
合方式的SVC
➢ STATCOM（静止同步补偿器）
jX
U 1
Ia Ib Ic
AC
VS U 2
IR AC VR0
I
U 1 I
U 2
STATCOM
U 2 U U 1
I U1 U U 2
STATCOM原理结构图
变流器在运行时无需有功能量，所以电流 I 应与 U1相位差90°
当U2大于U1时，电流超前电压 90°,STATCOM吸收容性的无功功率
发电机增加励磁使发电机电压恢复到原 来值，发电机曲线由2移到2’，则工作点 为C点，曲线1’与曲线2’的交点
6
电力系统无功电源特点：
➢ 同步发电机
发出无功时主要受发电机电流限制 吸收无功时要受发电机稳定以及定子端部发热限制
➢ 同步调相机及同步电动机
可以发出或吸收无功，属旋转机械，维护量较大
➢ 并联电容器及高压输电线路的充电功率
第四章
电力系统电压调整和无功功率控制技术
主讲 谢荣军
1
第一节 电力系统电压控制的意义
电力系统无功电源：
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1 1 。 X q Xd
在相同的视在功率和相同的端部冷却条件下，发电机随着功率 因数由滞相向进相转移，发电机定子端部漏磁磁密值相应增高， 这将引起定子端部元件的损耗发热也趋向严重。因此，随着发电 机进相程度的增大，要维持发电机端部元件的温度不超过允许值， 其出力便要相应的降低。显然，防止定子端部过热，是发电机进 相运行深度的一个限制因素。 2、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。 当过励运行时，它向电力系统提供感性无功功率，；欠励运行 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和方向，从而平滑地 调节所在地区的电压。 同步调相机过励运行时，他所输出的无功功率随其端电压的 下降而增加，这是一个很难具备的优点！ 3、并联电容器 并联电容器可以向电力系统提供感性的无功功率。电容器所
第三章
对比
数值 途径
电力系统电压调整和 和无功功频率调整 电压调整 全系统频率相同 调发电机 电压水平各点不同 调发电机、调相机、电容 器和静止补偿器等
能耗
控制 对象
消耗能源
集中进行 进汽量
不消耗能源
分散进行 多种多样
电压降低的不良影响： 1.减少发电机所发有功功率。 2.异步电动机的转差率将增大，电流也将增大，温升将 增加。当转差增大、转速下降时，其输出功率将迅速减 少。 3.电动机的启动过程将大为增加，启动过程温度过高。 4.电炉等电热设备的发热量降低。 5.危及电力系统运行的稳定性。
U2 QC U 2C XC
5、高压输电线路的充电功率
QL U BL
2
§3.2 电力系统电压控制的措施
一、控制和调节发电机励磁电流，以改变发电机端电压UG 二、控制变压器变比调压 三、改变输送功率的分布P+jQ（主要是Q），以使电压损耗减小 四、改变电力系统网络中的参数R+jX（主要是X），以减小输电 线路电压的损耗
上表示在静态稳定极限情况下，有功功率极限Pm和无功功率极限Qm 之间的函数关系，发电机进相运行必须满足静稳定条件。Pm和Qm
U2 1 1 G 的关系是圆轨迹方程。此圆圆心在Q轴上，即 0, 2 X X ， d q
2 UG 半径 R 2
提供的无功功率QC与其端电压的平方成正比，即
4、静止无功功率补偿器（SVC） 静止无功补偿器是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动 态无功功率补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器（固定 或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可 控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节， 可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或 反向进行），并且响应快速。
§3.1电力系统的无功功率平衡与电压的关系
一、电力系统无功功率平衡的理论问题
无功功率负荷 无功功率损耗
电源供应 的无功功率
Q
G
QD QL
发电机供应 的无功功率
调相机供 并联电容器 静止补偿器 应的无功 供应的无功 供应的无功
Q
无功功 率损耗
G
QGi QC1 QC 2 QC 3
变压器中的 无功功率损耗 线路电抗中的 无功功率损耗 线路电纳中的 无功功率损耗
Q
L
QT QX QB
二、电力系统的无功功率电源
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。 发电机欠励磁运行时，发电机吸收系统的无功功率，这种运 行状态称为进相运行。