15.3 电力系统的电压控制

1. 15.3 电力系统的电压控制

2. 电力系统的电压偏移 一、大电压偏移对现代生产和生活的影响 • 电力设备设计：额定电压下才有好的技术经济性能 • 异步电动机： 电压低，定子电流显著增大，温升，加速绝缘老化，烧电机；电压高，破坏绝缘 • 电热设备：电压低，大大降低发热量 • 照明设备：电压低，发光不足；电压高，影响寿命 • 家用电器（如电视机）：电压低，图像不稳定；电压高，影响显像管寿命

3. 电子设备、精密仪器：对电压极其敏感，要求极高；电压质量已成为现代企业投资环境的重要因素电子设备、精密仪器：对电压极其敏感，要求极高；电压质量已成为现代企业投资环境的重要因素 • 电力系统用户，要求提供电压合格的优质电能商品 二、大电压偏移对电力系统自身的影响 • 电压低：功率损耗、电能损耗增大，危及电力系统的稳定性 • 电压高：破坏绝缘，超(特)高压网络电晕损耗增大

4. 三、电力系统允许的电压偏移 • 负荷随机变化，系统运行方式经常变化，导致电压损耗随机变化 • 不可能严格保证所有节点任何时刻额定电压，电压偏移不可避免，需要合理规定允许的偏移范围

6. jXσ I I0 r/s U jXm 15.3.1 电力系统无功功率电压静态特性 一、综合负荷的无功功率电压特性 • 异步电动机是电力系统主要的无功负荷 • 系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定

7. QM Ucr 0 U • 当U>UN时，铁芯磁路饱和，Xm下降，Qm按电压的高次方比例变化 • 当U<UN时，Qm按电压的平方比例变化 • 当U<<UN时，转差率s显著增大，定子电流增大，Qσ显著增加

8. E Q E I jIX E U δ φ jX U I P+jQ 0 Ucr U • 发电机无功功率的电压静态特性 • 近似二次曲线族 • E↑，曲线↑

9. 电力系统的电压静态特性 • 无功功率平衡 • 几何图解：负荷增加，电压下降和控制过程 • 结论：无功平衡水平决定电压水平，实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件，要求无功电源充足。 Q QLD' 3 QG' QLD QG 2 1 0 U2 U3 U1 U

10. 15.3.2电力系统无功功率的平衡 • 一、全系统的无功平衡 • 运行中： • 规划设计： • 二、无功功率负荷和无功功率损耗 • 实际负荷的功率因数低（0.6~0.9），负荷消耗的无功功率约为其有功功率的0.5~1.3倍，而发电机功率因数高（0.8~0.9）（会产生什么问题？）

11. 网损：无功损耗 > 有功损耗 • 线路无功损耗：约为QD的25% • 变压器：励磁支路无功损耗的百分值≈空载电流的百分值（1~2%）；绕组漏抗无功损耗≈短路电压的百分值（10%）；多级变压器无功损耗约为QD的50~75% • 系统中总无功损耗≈无功负荷，无功电源约为2倍无功负荷

12. 无功功率不能远距离输送 • 有功功率损耗 • 电压损耗 • 因此：需要就地设置除发电机外的其他无功电源以满足系统电压要求：无功补偿！

13. P D C E jXdIN O A B Q • 三、无功功率电源 • 同步发电机： • 目前唯一的有功电源，优势基本的无功电源。发无功的能力与同时发出的有功有关系，由发电机的PQ极限曲线决定。 • 有功备用足够时，可将负荷中心发电机降低功率因数运行，少发有功，多发无功，有利于无功的局部平衡，提高系统的电压水平。

14. 同步调相机 • 同步调相机是特殊运行状态下的同步电机，可视为不发PG的同步发电机或不带PL的同步电动机 • 过励运行时发出QG（无功电源）；欠励时吸收QG（无功负荷），为过励运行容量的50~60% • 优点：调节平滑、强励故障时也能调（有利于稳定性）、电源\负荷（升压\降压）均可 • 缺点：旋转机械设备，损耗大（额定容量的1.5~5%），投资大，维护量大。 • 一般安装在枢纽变电所，平滑调压，提高稳定性

15. 并联电容器 • 优点：可分散、集中，可分相补偿；投资少、损耗少（额定容量的0.3~0.5%），无旋转部件，维护量小，可根据负荷情况分组投切 • 缺点：无功补偿量与电压的平方成正比，电压下降时急剧下降，不利于电压稳定 • 在110kV以下电网应用得非常普遍

16. 静止无功补偿器 • SVC：static VAR compensator • 采用晶闸管控制和可调电抗器并联使用组成 • 原理图和伏安特性曲线

17. 通过控制晶闸管的导通角来改变吸收的无功功率（电力电子技术）通过控制晶闸管的导通角来改变吸收的无功功率（电力电子技术） • 优点：调节能力强，反应速度快，特性平滑，可分相补偿，维护简单，损耗小，国内外已大量使用 • 缺点：最大补偿量正比于电压平方，电压低时补偿量小；谐波污染

18. 高压输电线路的充电电容：Qp=U2BL • 高压线充电功率固有，当无功电源过剩，电压偏高时，才采取措施，如并联电抗器（特高压线路）

19. 四、无功功率平衡的基本要求 • 无功电源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之和 • 系统还必须配置一定的无功备用容量 • 尽量避免远距离、大量的传送无功功率，应该分地区、分电压等级地进行无功功率局部平衡 • 一般情况下按照正常最大和最小负荷的运行方式计算无功平衡，必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡

20. 15.3.4 电力系统的电压管理 • 调压的目的：采取各种措施，使用户处的电压偏移保持在规定的范围内 • 负荷节点：现代大规模电力系统中负荷节点数多且分散，不可能对所有负荷节点的电压进行监视和控制 • 我们该怎么办？

21. 一、中枢点的选择及其电压管理 • 中枢点：电压水平具有代表性的关键母线，包括：大型发电厂的高压母线、发行变电所的二次母线、有大量地方负荷的发电厂母线 • 认为：只要控制好中枢点电压，其他母线的电压就能满足要求。问题是：中枢点是否真正具有代表性？（一般取短路容量越大的点作为中枢点）

22. 中枢点电压和所代表的负荷电压的关系？

27. 结论：中枢点至各负荷点在最大最小负荷室电压损耗之差不能大于负荷点允许上下限电压之差（一般为10%）。即：中枢点到不同负荷点的电压损耗不能太大。结论：中枢点至各负荷点在最大最小负荷室电压损耗之差不能大于负荷点允许上下限电压之差（一般为10%）。即：中枢点到不同负荷点的电压损耗不能太大。

28. 二、中枢点电压的控制方式 • 逆调压（难）：最大负荷，高电压（线路额定电压+5%）；最小负荷，低电压（线路额定电压）。适用：中枢点到各负荷点远、负荷变化较大 • 顺调压（易）：最大负荷，低电压（不低于额定电压+2.5%）；最小负荷，高电压（不高于额定电压+7.5%）。适用：中枢点到各负荷点近，负荷变动小 • 恒调压（中）：保持在比线路额定电压高2~5%。适用：介于上述两者之间。

29. 三、电压控制原理 可能有几种控制措施？

30. 调整UG • 调整变比K1、K2 • 改变功率分布SD（以QD为主） • 改变网络参数R+jX（以X为主） 怎么做?

31. 15.3.4 电力系统电压调整措施 • 一、利用发电机控制电压 • 调节励磁电压 • 适用于直接由发电机供电的小系统、线路不长 • 易于逆调压，实质上是调节发电机无功输出 • 两个问题 • 机端负荷电压调整范围为5%~0，满足不了远方负荷要求：通过较长线路、多电压级，最大、最小负荷时电压损耗之差往往大于5% • 多机系统中，实际上是改变发电机间无功分配，与无功备用、无功的经济分配有矛盾 • 因此，发电机调压仅作为辅助措施

32. 二、改变变压器变比控制电压 • 改变电力变压器分接头（改变变比）、主接头（对应UN） • 主接头通常设在高压或中/高压绕组侧，如110±22.5%/10.5kV，主接头？分接头几个？变比分别是多少？ • 如何选择分接头？

33. 双绕组变压器：降压变 • 已知条件： • 低压侧固定接头电压：U2N • 实际高压侧电压U1（由潮流计算获得） • 希望通过调压，低压侧要求得到的电压为U2 • 待求量：高压侧分接头电压U1N • 负荷：P+jQ，归算到高压侧的变压器阻抗：RT+jXT （忽略励磁支路）

34. 普通双绕组变压器，须停电换分接头，这时，选定的分接头应当兼顾各种负荷水平！普通双绕组变压器，须停电换分接头，这时，选定的分接头应当兼顾各种负荷水平！ 规格化为U1N

35. 校验： • 误差应小于半个分接头电压，如不合格采用OLTC 取平均值兼顾 规格化为U1N

36. 双绕组变压器：升压变 • 已知低压侧实际电压U2和高压侧希望得到的电压U1，求高压分接头U1N？ • 与降压变不同之处： 规格化为U1N

37. 三绕组变压器 • 分接头在高、中压侧，两次套用双绕组算法 • 由高—低压侧，定高压侧分接头； • 由高—中压侧，定中压侧分接头。 • 注意点：三个绕组功率不一样时，计算ΔU时，须计算中性点电压

38. 有载调压变压器 • 如果选定的分接头不能兼顾不同负荷水平，则需要有载调压变压器（工作原理，在不同负荷水平下，可不停电选不同分接头）

39. 加压调压变压器 • 依电源变、串联变得不同解法，功能有所不同，可具有复数变比，有：纵向调压、横向调压、混合型调压3种加压调压变压器

40. 三、利用无功补偿控制电压 • 无功补偿：按调压要求；按经济要求。 • 与变压器调压配合，充分利用变压器的作用 • 两个步骤：变比和容量 • 假定补偿前后， U1不变 • 补偿前： • 补偿后：

41. 引入变比 k ： • 补偿量Qc取决于补偿前后的电压U’2、U2c及变比 k • 根据补偿设备不同，补偿量选择方法不同

42. 利用无功补偿控制电压（并联电容器） • 特点：只发感性无功，可全部或部分切除，不能平滑调节 • 分两步计算： • ①最小负荷时，无功电源不缺，切除全部电容，利用变压器调压满足要求（确定k） • 规格化为U1N，求得变比: k =U1N/U2N

43. ②最大负荷时，k 已确定，确定Qc： • U2cmax：最大负荷时，由调压要求确定的低压希望得到的电压 • U’2max：最大负荷时，补偿前低压侧归算到高压侧的实际电压 • 规格化Qc，并校验U2cmax 、U’2max是否达到要求

44. 利用无功补偿控制电压（同步调相机） • 特点：能作无功电源；又能作无功负荷，但此时最多为容量的50~60%；能平滑调节 • ①最大负荷时：作无功电源 • ②最小负荷时：作无功负荷 • 求出k，规格化，然后求Qc，再规格化后校验

45. 利用串联电容控制电压

46. 补偿电容器使短路电流显著加大，补偿容量越大，短路电流增大就越强烈。补偿电容器使短路电流显著加大，补偿容量越大，短路电流增大就越强烈。 • 在电容器“后侧”线路的短路时，短路电流可能大于其“前侧”线路短路时的电流，从而使保护误动作。