1、第四章 電力系統的正常運行與控制 正常運行狀態下，負荷會隨時變化，為保證系統安全可靠運行并滿足用戶對電能質量的要求，必須采取控制手段對系統進行調節。電壓頻率控制無功功率平衡有功功率平衡安全、經濟、可靠4.1 電力系統的無功功率平衡和電壓調整電壓是衡量電能質量的一個重要指標。電壓偏移電壓波動和閃變電網諧波三相不對稱程度。電壓質量包括：電壓合理的重要性引起效率下降、經濟性能變差，影響生活質量，如照明；縮短壽命，甚至造成損壞：白熾燈、電動機；降低生產率，出廢品、次品；對電力系統，過低：使網絡功率損耗加大，危及穩定運行，過高、絕緣，增加電暈損耗。500 (330)kV母線 0 表示系統中無功功率可以平

2、衡且有適量的備用；Qres0 表示系統中無功功率不足，應考慮加設無功補償裝置。l系統電源的總無功出力QGC包括發電機的無功功率QG和各種無功補償設備的無功功率QC，即 QGCQGQGl總無功負荷QLD按負荷的有功功率和功率因數計算。l網絡的總無功損耗QL包括變壓器的無功損耗QLT、線路電抗的無功損耗QL和線路電納的無功功率QB，即 QL QLTQLQB 一、電力系統的無功功率平衡一、電力系統的無功功率平衡1. 無功功率負荷和無功功率損耗1) 無功負荷異步電動機的簡化等值電路22MmmUQQQI XX勵磁功率，與U 2成正比漏抗中的無功損耗QmQM系統無功負荷的電壓特性主要由異步電動機決定。 2

3、M(1)/PI Rss轉差電壓降低磁通減小電動機力矩變小轉速變慢轉差變大電流變大無功變大電動機額定負荷電動機實際負荷異步電動機無功-電壓特性 負（受）載系數額定電壓附近，U，Q；U，Q當電壓過低時，QM由 Q決定，U，Q特點：負荷的電壓靜態特性 因此，在電力系統運行中應該盡量避免電壓下降過大、引起無功功率缺額加劇進而出現電壓崩潰的危險。 2) 變壓器的無功損耗所以： Q0與電壓平方成正比， QT與電壓平方成反比，與電動機特性相同。22220NKLT0TTTNN%()()100100IUUSSQQQU BXSUSU 變壓器的無功損耗QLT包括勵磁損耗Q0和漏抗中的損耗QT 。勵磁損耗Q0的大小近

4、似等于空載電流I0百分比，約12%；漏抗損耗在變壓器滿載時近似等于短路電壓Uk百分比，約10%；在額定滿載下運行時，無功功率的損耗約為額定容量的1012%。222LPQQXU2212()2BBQUU 0BQ3）輸電線路的無功損耗并聯電容：串聯電抗：在35KV及其以下（線路短）在110KV及其以上時，BLQQBLQQ傳輸較大時，傳輸較小時，（無功負荷）（無功電源）超高壓（500750kV）輸電線輕載時 （無功電源）U 并聯電抗器 2. 無功功率電源包括：發電機、同步調相機、靜止電容器、靜止無功補償器和靜止無功發生器等。l發電機在額定電壓、電流和功率因數下運行時，發電機能達到額定視在功率，效率最高

5、。l發電機的無功有有功功率和決定功率因數決定。l在反方向稱為進相運行，這時吸收無功功率，在負荷低谷時使用。1）發電機GNGNNGNNsinQSP tg發電機P-Q極限曲線 2）同步調相機（不發有功的發電機）過勵磁運行時，向系統提供感性無功功率QGN （無功電源）欠勵磁運行時，它從系統吸收感性無功功率 0.5QGN（無功負荷）投資大，調節平滑連續，安裝在樞紐變電所。旋轉機械，運行維護比較復雜，有功功率損耗較大（1.5%5%）。 由于相應速度較慢，難以適應動態無功控制的要求，20世紀70年代以來已逐漸被靜止無功補償裝置所取代。22CCUQUCX3 電容器（靜電） 容抗，其所供無功大小與電壓大小成正

6、比，U，Qc，U，Qc 特點：投資小，調節性能差，不連續，可分散安裝 。式中，XC1/wC為靜電電容器的電抗。 當節點電壓下降時，它供給系統的無功功率將減少。因此，當系統發生故障或由于其他原因電壓下將時，電容器無功輸出的減少將導致電壓繼續下降。換言之，電容器的無功功率調節性能比較差。集合式高壓并聯電容器 如何使調節連續？4 靜止無功補償器（Static Var Compensator SVC)靜止無功補償器 SVC由靜電電容器與電抗器并聯組成，并配以適當的調節裝置，可實現平滑調節。可輸出或吸收無功功率（相當于調相機但比較省錢）。飽和電抗器（SR）型晶閘管控制電抗器型(TCR)晶閘管投切電容器型

7、(TSC)TCR和TSC組合型 （無電力電子器件）飽和電抗器SR的特性是當電壓大于某值時，隨著電壓的升高，鐵芯急劇飽和。在補償器的工作范圍內，電壓的很小變化就會引起電流的很大變化。與SR串聯的電容Cs是用于斜率校正的，改變Cs的大小可以調節補償器外特性的斜率。 飽和電抗器（SR）型靜止無功補償器原理圖 伏安特性 由晶閘管控制電抗器TCR與固定電容器并聯組成，利用晶閘管的觸發角來改變通過電抗器的電流，可以實現平滑的調整電抗器吸收的無功功率，從而達到連續調節無功補償功率的目的。電容器串聯電感Lf的目的是消除高次諧波。晶閘管控制電抗器（TCR）型靜止無功補償器原理圖 伏安特性 每組晶閘管投切電容器都

8、串聯接入一小電感 LS，其作用是降低晶閘管開通時可能產生的電流沖擊。只能作為感性無功電源，且不能平滑的調節輸出的功率。但是由于晶閘管對控制信號的響應速度非常快，且通斷次數又不受限制，因此運行性能還是明顯優于機械開關投切的常規電容器。晶閘管投切（TSC）型靜止無功補償器原理圖 伏安特性 利用晶閘管的觸發角a來改變電抗器中的電流。Lh是高次諧波的調整電感；Ls 防止開通時的沖擊電流。TCR TSC 組合型靜止無功補償器TCR TSC 組合型靜止無功補償器總結：能夠在電壓變化時快速平滑地調節無功，以滿足動態無功補償的需要。與同步調相機相比較，運行維護簡單，功率損耗較小，響應時間較短，對于沖擊負荷有較

9、強的適應性。TCR型和TSC型靜止補償器能做到分相補償以適應不平衡的負荷變化。調節性能好、投資不大。當系統電壓越低時反而提供的感性無功功率越少。 （本質上是依靠靜電電容器產生無功功率的緣故）優點：缺點5. 靜止無功發生器(Static Var Generator, SVG)由六個可關斷晶閘管（GTO）分別與六個二極管反相并聯。適當控制GTO的通斷，可以把電容C上的直流電壓轉換成與電力系統電壓同步的三相交流電壓，通過變壓器或電抗器接入系統。 適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地控制SVG的運行工況，使其處于容性、感性或零負荷。優點：響應速度更快，運行范圍更寬。l 靜止無功補償器(SVC)：該裝

10、置產生無功和濾除諧波是靠其電容和電抗本身的性質產生的。 l 靜止無功發生器(SVG)：該裝置產生無功和濾除諧波是靠其內部電子開關頻繁動作產生無功電流和與諧波電流相反的電流。思考：SVC與SVG有何區別？ 無功平衡是一個比有功平衡更復雜的問題。 一方面，不僅要考慮總的無功功率平衡還要考慮分地區的無功平衡，還要計及超高壓線路充電功率、網損、線路改造、投運、新變壓器投運及大用戶各種對無功平衡有影響的化。 一般無功功率按照就地平衡的原則進行補償容量的分配。小容量的、分散的無功補償可采用靜電電容器；大容量的配置在系統中樞點的無功補償則宜采用同步調相機或SVC。總結：發電機G ：PGN=225MW，UN

11、=10.5kV， cos=0.85 ；變壓器T1：220MVA，10.5/121kV，P027.5kW，PK =104kW， I00.9，UK% =10.5；變壓器T2：216MVA，115.5/11kV， P023.5kW，PK =86kW， I00.9，UK% =10.5；變壓器T3：10MVA，110/11kV，PK =59kW， I01.0，UK% =10.5；線路L1、L2：r1=0.422/km， x1=0.429 /km，b1=2.66*10-6S/km。例4-1 系統接線如圖所示，圖中各元件參數如下： 變電站負荷、發電機機端負荷、線路長度均示于圖中，試作系統的無功功率平衡計算。

12、 系統接線圖無功功率對電壓有決定性的影響無功功率是引起電壓損耗的主要內容無功功率的遠距離傳輸和就地平衡節點電壓有效值的大小對無功功率分布起決定性作用無功功率和電壓的關系3. 無功平衡和電壓水平的關系 在電力系統運行中，電源的無功出力在任何時刻都同負荷無功加無功網損相平衡，即QGQLD+QL。答：正常水平，UN附近。問：該平衡是在什么樣的電壓水平下實現？cossinEUPUIX2sincosEUUQUIXX222()EUUQPXX 如圖：有一隱極發電機通過一段線路向負荷供電（略去電阻等）發電機輸出功率 j(cosjsin )PQU IUI隱極式發電機的功率方程 cosPUIsinQUI由于定子繞

13、組電阻很小，常忽略不計，r0. Eq U dx I j I dcosIxqdsinE Ux2qddcosE UUxxqsinEqd(j)EUrx IdsinIxUqcosE 當E為一定值時，Q同U的關系是一條開口向下的拋物線，他和無功負荷的曲線的交點，確定了負荷電壓值Ua。圖4-8 按無功功率平衡確定電壓 當負荷無功增加變為2，若電源無功未增加，則新的電壓值為Ua，新平衡點，電壓降低了； 若發電機有充足的無功備用，通過調節勵磁電流，增大發電機的電勢E，則發電機的無功特性曲線將上移到曲線1的位置，則又可回到原來電壓值Ua。222()EUUQPXX二、電力系統的電壓調整 電壓是電能質量的重要指標之

14、一。電壓質量對電力系統的安全與經濟運行，對保證用戶安全生產和產品質量以及電氣設備的安全與壽命有重要的影響。因此電壓調整具有一定的重要性。電壓偏移的危害 電壓過低 電壓過高會使網絡中功率和能量的損耗加大；電動機電流增大、發熱、燒毀；日光燈啟動困難；可能危及電力系統運行穩定性。二、電力系統的電壓調整 電壓是電能質量的重要指標之一。電壓質量對電力系統的安全與經濟運行，對保證用戶安全生產和產品質量以及電氣設備的安全與壽命有重要的影響。因此電壓調整具有一定的重要性。電壓偏移的危害 電壓過低 電壓過高設備絕緣可能受到損害，絕緣易老化，壽命縮短，在超高壓網絡中還將增加電暈損耗等。35KV及以上：510KV及

15、以下：7低壓照明：+5，-10農村電網：+7.5，-10 (+10，-15)l允許電壓偏移指標 各種用電設備都是按額定電壓設計制造的。這些設備在額定電壓下運行才能取得最佳效果。1)允許電壓偏移1、電壓調整的必要性中樞點的定義電力系統中重要的電壓支撐點電力系統中負荷點數目眾多又很分散，有必要選擇一些有代表性的負荷點這些點的電壓質量符合要求，其它各點的電壓質量也能基本滿足要求中樞點的選擇區域性水、火電廠的高壓母線樞紐變電所的二次母線有大量地方負荷的發電機電壓母線中樞點設置數量不少于全網220kV及以上電壓等級變電所總數的72)中樞點的電壓管理中樞點的電壓允許變化范圍的確定 中樞點向兩個負荷點供電

16、中樞點向多個負荷點供電 如果中樞點是發電機母線 在任何時候，各個負荷點所要求的中樞點允許變化范圍都有公共部分 SABASBOSBmaxt/h SSBminSAmax SAmint/h Ut/h U 中樞點向兩個負荷點供電 A、B兩負荷點電壓允許變化范圍都是（0.951.05）UN。U？ 中樞點向多個負荷點供電 其電壓允許變化范圍可按兩種極端情況確定：在地區負荷最大時，電壓最低的負荷點的允許電壓下限加上到中樞點的電壓損耗等于中樞點的最低電壓；在地區負荷最小時，電壓最高負荷點的允許電壓上限加上到中樞點的電壓損耗等于中樞點的最高電壓。 如果中樞點是發電機的電壓母線 除了上述要求外，還應受廠用電設備與

17、發電機的最高允許電壓以及為保持系統穩定的最低允許電壓的限制。 如果在任何時候中樞點電壓允許變化范圍都有公共部分 那么，調整中樞點電壓，使其在公共部分的允許范圍內變動，就可以滿足各負荷點的調壓要求，而不必在各負荷點再裝設調壓設備。中樞點允許變電范圍確定1、弄清由中樞點調壓的各負荷節點的負荷的變化和規律和電壓允許的范圍。2、根據1，計算各負荷節點對中樞點的電壓的要求。3、各負荷對中樞點電壓要求的公共區域，即為中樞點電壓容許變化范圍，反過來說，只要中樞點電壓在這一范圍內，即可以滿足各點的調壓要求。如何調整中樞點電壓？中樞點調壓模式 逆調壓模式 順調壓模式 逆調壓模式 在大負荷時升高電壓，小負荷時降低

18、電壓的調壓方式。一般采用逆調壓方式，在最大負荷時可保持中樞點電壓比線路額定電壓高5，在最小負荷時保持為線路額定電壓。供電線路較長、負荷變動較大的中樞點往往要求采用這種調壓方式。 常（恒）調壓模式（效果好，實現較難）中樞點調壓模式 逆調壓模式 順調壓模式 逆調壓模式 大負荷時允許中樞點電壓低一些，但不低于線路額定電壓的102.5；小負荷時允許其電壓高一些，但不超過線路額定電壓的107.5的調壓模式。對于某些供電距離較近，或者符合變動不大的變電所，可以采用這種調壓方式。 常（恒）調壓模式（效果差，實現較易）中樞點調壓模式 逆調壓模式 順調壓模式 常（恒）調壓模式 逆調壓模式 介于前面兩種調壓方式之

19、間的調壓方式是恒調壓。即在任何負荷下，中樞點電壓保持為大約恒定的數值，一般較線路額定電壓高25。總結：三種調壓方式比較：三種調壓方式：從效果上看，逆最好，順最差 從實現難易，順最易，逆最難逆調壓：大負荷時升高電壓達1.05UN，在小負荷時降低電壓到1.0UN。順調壓：小負荷時允許電壓高一些，但小于1.075UN ,大負荷時允許電壓低一些，但大于1.025UN 。常調壓：在大小負荷時均保持電壓大約不變，約（1.02-1.05)UN。 在事故情況下，允許電壓偏移比正常大5%2. 電壓調整的措施具體措施： 調節勵磁電流以改變發電機端電壓UG； 適當改變變壓器變比(k1，k2)； 改變無功功率的分布，

20、主要是并聯無功補償裝置 ； 改變線路參數R和X（串聯電容器減小線路電抗和增大導線截面減小電阻 ）。ld1212()/()/GGPRQXUU kUkU kkU1）發電機調壓（1）由孤立的發電廠不經升壓直接供電的小型電力網，改變發電機端電壓就可以滿足負荷點的電壓質量要求，不必另外在增加調壓設備。對于不同類型的供電網絡，發電機調壓所起作用不同：（2）對于線路較長、供電范圍交大、有多級變壓的供電系統，發電機調壓主要是為了滿足近處地方負荷的電壓質量要求。發電機的電壓調整是通過調節勵磁電流來改變發電機的端電壓。發電機調壓的優點：(1) 不增加投資 (2) 可實現逆調壓。故優先采用。（3）對于由若干發電廠并

21、列運行的電力系統，進行電壓調整的電廠需有相當充裕的無功容量儲備，一般不易滿足。 另外調整個別發電廠的母線電壓，會引起無功功率重新分配，可能同無功功率的經濟分配發生矛盾。所以在大型電力系統中發電機調壓一般只作為一種輔助性的調壓措施。2）改變變壓器變比調壓 雙繞組變壓器在高壓繞組，三繞組變壓器在高、中壓繞組一般有若干分接頭可供選擇使用。 改變變壓器變比可以升高或降低次級繞組的電壓。改變變壓器的變比調壓實際上就是根據調壓要求適當選擇分接頭。 有載調壓變壓器，可帶電改變分接頭位置，因而可按不同負荷選擇不同的分接頭。 普通變壓器分接頭的改變只能在停電狀態下進行，因而它的分接頭對于最大負荷、最小負荷只能使

22、用同一分接頭（因為不能隨意停電）。（1）降壓變壓器分接頭的選擇U2P+jQU1RT jXT式中，kU1t/U2N是雙繞組降壓變壓器的實際變比，即高壓繞組分接頭電壓U1t和低壓繞組額定電壓U2N之比； 為歸算到高壓側的變壓器電壓損耗。將k代入上式，得高壓側分接頭電壓TTT1()/UPRQXU21T()/UUUk1T1t2N2UUUUU 當變壓器通過不同的功率時，可以通過計算求出在不同負荷下為滿足低壓側調壓要求的高壓電壓，進而變壓器確定分接頭。低壓側要求得到的電壓 當考慮負荷變化時，分接頭的選擇需要滿足最大負荷和最小負荷下所要求的分接頭電壓。U1tmax（U1maxUtmax）U2N / U2ma

23、xU1tmin（U1minUtmin）U2N / U2min對于有載調壓器對計算的U1tmax和U1tmin分別進行歸整即可 （按最近分接頭進行） 如：110(1-0.025), 110, 110(1+0.025）對于普通變壓器，則取兩者的平均值：U1t.av（U1tmax +U1tmin）/ 2 根據值可選擇一個與它最接近的分接頭。然后根據所選取的分接頭校驗最大負荷和最小負荷時低壓母線電壓上的實際電壓是否符合要求。（若誤差小于1.25%則認為合格。）（2）升壓變壓器分接頭的選擇U2P+jQU1RT jXT選擇升壓變壓器分接頭的方法，與選擇降壓變壓器的基本相同 由于升壓變壓器中功率方向是從低壓

24、側送往高壓側的，故公式中UT前的符號應相反，即應將電壓損耗和高壓側電壓相加。因而有式中， U2為變壓器低壓側的實際電壓或給定電壓； U1為高壓側所要求的電壓1T1t2N2UUUUUkU1t/U2N， 。TTT1()/UPRQXU有載調壓變壓器工作原理若變壓器分接頭由4檔移到3檔，其過程如下： 先斷開J1，然后移動K1到3檔，再合上J1 ，再斷開J2，把K2移到3檔再合上J2。 J1，J2為接觸器，它們在單獨的油箱中；DK繞組是當K1 和K2 在不同檔位時，限制短路電流的。3） 利用無功功率補償調壓 無功功率應就地平衡，因線路傳送無功功率要引起有功功率損耗和電壓損耗，合理配置無功補償容量以改變無

25、功潮流分布，進而減少有功損耗和電壓損耗122PRQXUUUC12c2c()PRQQXUUU未加補償裝置 加無功補償裝置 式中：U2為歸算到高壓側的變電站低壓母線電壓； U2C變電站低壓母線的歸算到高壓側電壓。 C22c22c()PRQQXPRQXUUUU2cC2c22c2()()UPRQXPRQXQUUXUU 使變電站低壓母線的歸算電壓從 U2改變到 U2C時所需要的無功補償為 變壓器變比為k，經過補償后變電站低壓側要求保持的實際電壓為U2C 則：2c2cUkU22c2c2C2c22c()()kUk UUQkUUUXXk 補償容量與調壓要求和降壓變壓器的變比選擇均有關。變比k的選擇原則是在滿足

26、調壓要求下使無功補償容量為最小。 2max2max2max2)(kkUUXUQCCC變壓器分接頭的選擇應考慮到無功補償的投切情況，為了充分利用電容器的補償容量，在最大負荷時電容器應全部投入，在最小負荷時應全部退出。因而并聯電容器補償容量的計算步驟如下： 根據調壓要求，按最小負荷時沒有補償的情況確定變壓器的分接頭。 按最大負荷時的調壓要求計算補償容量，即max2Umax2CU式中， 和 分別為補償前變電所低壓母線歸算到高壓側的電壓和補償后變電所低壓側要求保持的實際電壓。考慮并聯補償時 變壓器分接頭的選擇并補容量的一般選擇原則（1）并補容量QC首先從無功就地平衡的原則（減少網損）出發，其容量應接近

27、負荷無功Q；（2）由于負荷無功是變化的，因而補償裝置若是靜電電容器，則應分組安裝以便根據無功負荷的變化進行增減；（3）在500kV或330kV變電站內，還應考慮在負荷低谷時為了避免高壓網電壓過高，從降低電壓的要求下，還應裝設電抗器補償，當然它會引起的有功損耗的增加；（4）電容器容量的選擇，在最大負荷時應全部投入，在最小負荷時應全部退出；PRQXUU()CCPRQ XXUUCUU 4) 線路串聯電容補償調壓當X較大時，線路上串聯電容器，其容抗為XC , 則即：減小了電壓損耗 串聯電容器是由許多電容器串、并聯組成，串聯是承受電壓，并聯是承受電流CQXUU減小的電壓損耗與線路上流過的無功Q成正比 串

28、補一般用在負荷波動大的35kV和10kV線路上。 至于高壓線路220kV及以上的串補是為了提高輸送容量及其系統的穩定性，不是調壓。 上述兩種串補的目的是完全不同的。5) 各種調壓措施的合理應用 發電機調壓，不增加投資，可實現逆調壓，應優先采用，但它受發電機出口電壓上限和無功出力的限制，在大系統中一般作為輔助手段。此外，在系統輕載電壓較高時，發電機可進相運行吸收無功功率。 在無功充裕或無功平衡的電力系統中，改變變壓器變比調壓有良好的效果，應優先采用。有載變壓器可帶電改變分接頭，可實現逆調壓。 在無功不足的電力系統中，不宜采用改變變壓器變比調壓。因為改變變壓器的變比從本質上并沒有增加系統的無功功率而是以減少其它地方的無功功率來補充某地由于無功功率不足而造成的電壓低下，其它地方則有可能因此而造成無功功率不足，不能