1、第四章 電力系統(tǒng)無(wú)功和電壓控制2功率源：有功和無(wú)功運(yùn)行的不同有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)；有功功率電源需要消耗能源;無(wú)功功率電源工作時(shí)不消耗能源；運(yùn)行：由于電網(wǎng)中的線路以及變壓器等設(shè)備均以感性元件為主，因此系統(tǒng)中無(wú)功功率損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功功率損耗。無(wú)功功率電源除發(fā)電機(jī)外，還有調(diào)相機(jī)、電容器和靜止補(bǔ)償器等，它們分散安裝在各個(gè)變電所。3電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，全系統(tǒng)頻率相同。頻率調(diào)整集中在發(fā)電廠，調(diào)頻控制手段只有調(diào)整原動(dòng)機(jī)功率一種。調(diào)整：電壓水平在全系統(tǒng)各點(diǎn)不同，并且電壓控制可分散進(jìn)行，調(diào)節(jié)控制電壓手段也多種多樣。4電力系統(tǒng)電壓控制的意義 電力系統(tǒng)的電壓和頻率一樣，都是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)

2、。用電設(shè)備只有在額定電壓下運(yùn)行才能取得最佳的工作效率。當(dāng)電壓偏離額定值較大時(shí)，會(huì)對(duì)負(fù)荷的運(yùn)行帶來(lái)不良影響。影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞設(shè)備，甚至引起電力系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電。5 電力系統(tǒng)電壓降低時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子電流增大。如果發(fā)電機(jī)定子電流原已達(dá)到額定值，則因系統(tǒng)電壓降低，使發(fā)電機(jī)輸出電流超過(guò)其額定值。A、對(duì)發(fā)電機(jī)和變壓器的影響為了使發(fā)電機(jī)定子繞組不致過(guò)熱過(guò)熱，不得不減少發(fā)電機(jī)所發(fā)有功功率。類似的，電力系統(tǒng)電壓降低后，也不得不減少變壓器所帶的有功負(fù)荷。 6電壓降低，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率將增大。因而，電動(dòng)機(jī)各繞組中的電流也將增大，溫升溫升將增加，效率將降低，壽命會(huì)縮短。 某些電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)

3、械的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的高次方成正比，所以當(dāng)轉(zhuǎn)差增大、轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其輸出功率將迅速減少。B、對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響而電廠廠用電動(dòng)機(jī)輸出功率的減少又將反過(guò)來(lái)影響鍋爐、汽輪機(jī)的工作，最終影響發(fā)電廠所發(fā)出的功率。7更為嚴(yán)重的是，電力系統(tǒng)電壓降低后，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程將大為增加，電動(dòng)機(jī)可能在啟動(dòng)過(guò)程中因溫度過(guò)高而燒毀。而當(dāng)電壓偏高運(yùn)行時(shí)將加速電器設(shè)備的絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。8電爐等電熱設(shè)備的發(fā)熱量與電壓平方成正比，電壓降低將大大降低發(fā)熱量，使效率降低使效率降低。電壓降低時(shí)，會(huì)使電網(wǎng)中的有功功率損耗和無(wú)功損耗增加，過(guò)低還會(huì)危及電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；C、對(duì)電熱設(shè)備的影響照明負(fù)荷，尤其是白熾燈，對(duì)電壓變化的反應(yīng)

4、最靈敏。電壓過(guò)高，白熾燈的壽命將大為縮短，電壓過(guò)低，亮度和發(fā)光效率要大幅度下降。而電壓過(guò)高，各種電氣設(shè)備的絕緣會(huì)受到損壞，在超高壓輸電線路中還將增加電暈損耗。 9在事故后運(yùn)行狀態(tài)下，由于電力系統(tǒng)部分設(shè)備退出運(yùn)行，電壓損耗比正常時(shí)大?？紤]故障時(shí)間較短，電壓偏移允許比正常值再多5，但電壓的正偏移不應(yīng)超過(guò)10。 我國(guó)規(guī)定在正常運(yùn)行情況下各類用戶允許電壓偏移為： %710kV及以下電壓供電的負(fù)荷%535kV及以上電壓供電的負(fù)荷%5%10低壓照明負(fù)荷%10%5 . 7農(nóng)村電網(wǎng)（正常）%10%15（事故）1011無(wú)功的產(chǎn)生同步發(fā)電機(jī)目前是電力系統(tǒng)中惟一的有功功率電源，它又是基本的無(wú)功功率電源。（1）同步發(fā)

5、電機(jī)它所提供給電力系統(tǒng)的無(wú)功功率與同時(shí)輸出的有功功率有一定的關(guān)系，由同步發(fā)電機(jī)的P-Q曲線決定。12QP 圖4-4 同步發(fā)電機(jī)的P=Q 曲線SN)(MWP)(MVARQPNQN80404085. 0cos8 . 05 . 04 . 013同步發(fā)電機(jī)以超前功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，定子電流和勵(lì)磁電流大小都不再是限制條件，而此時(shí)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性或定子端部鐵芯發(fā)熱成了限制條件。當(dāng)電力系統(tǒng)中有一定備用有功電源時(shí)，可以將離負(fù)荷中心近的發(fā)電機(jī)低于額定功率因數(shù)運(yùn)行，適當(dāng)降低有功功率輸出而多發(fā)一些無(wú)功功率，這樣有利于提高電力系統(tǒng)電壓水平。 14（2）并聯(lián)電容器 提供無(wú)功功率和電壓支持最廉價(jià)的方法 設(shè)在負(fù)荷區(qū)附近，通過(guò)提

6、高受端負(fù)荷功率因數(shù)可以有效地?cái)U(kuò)大其電壓穩(wěn)定極限CUXUQCC22（4-6） 式中 電容器地電抗； 交流電的角頻率; C 電容器的電容量。XC基本工作原理優(yōu)點(diǎn)： 人工投入，自動(dòng)切除15 容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，并且可以分相補(bǔ)償，隨時(shí)投入、切除部分或全部電容器組，運(yùn)行靈活。 電容器的有功損耗?。s占額定容量的0.3一0.5），投資也節(jié)省。 允許附近的發(fā)電機(jī)在功率因數(shù)為1.0附近運(yùn)行，增加了系統(tǒng)快速相應(yīng)的無(wú)功儲(chǔ)備，對(duì)電壓穩(wěn)定有利。16 其產(chǎn)生的無(wú)功功率正比于電壓的平方，在系統(tǒng)低電壓期間無(wú)功輸出反而下降，這是一個(gè)惡性循環(huán)問(wèn)題。 缺點(diǎn)： 一個(gè)大量應(yīng)用并聯(lián)電容器補(bǔ)償無(wú)功的系統(tǒng)，電壓調(diào)節(jié)能

7、力反而變差； 當(dāng)電容器安裝節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，其所提供給電力系統(tǒng)的無(wú)功功率也將減少，而此時(shí)正是電力系統(tǒng)需要無(wú)功功率電源的時(shí)候，這是其不足之處。 17 靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器（Static VAR Compensator，簡(jiǎn)稱SVC）是一種發(fā)展很快的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，其工作原理下圖所示。 （3）靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器（SVC）QiUQLCQDQCLQLC)(aICILUUNI容性感性o12)(bUI容性感性oLCI)(c圖4-5 靜止無(wú)功補(bǔ)償器工作原理18靜止無(wú)功補(bǔ)償器不僅用于傳輸網(wǎng)絡(luò)，而且廣泛用于配電系統(tǒng)中。如在大型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)中應(yīng)用SVC可以降低電壓跌落值；SVC亦可應(yīng)用于單相負(fù)荷入電焊機(jī)和電氣化鐵路供

8、電系統(tǒng)中。19SVC能快速、平滑的調(diào)節(jié)無(wú)功功率的大小和方向，以滿足動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償要求，尤其是對(duì)沖擊性負(fù)荷適應(yīng)性較好。與同步調(diào)相機(jī)比較，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，功率損耗較小，能夠作到分相補(bǔ)償以適應(yīng)不平衡的負(fù)荷變化。其缺點(diǎn)是最大無(wú)功補(bǔ)償量正比于端電壓的平方，在電壓很低時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償量將大大降低。 20同步調(diào)相機(jī)是特殊運(yùn)行狀態(tài)下的同步電動(dòng)機(jī)，可視為不帶有功負(fù)荷的同步發(fā)電機(jī)或是不帶機(jī)械負(fù)荷的同步電動(dòng)機(jī)。（4）同步調(diào)相機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)當(dāng)過(guò)激運(yùn)行時(shí)，它向電力系統(tǒng)提供感性無(wú)功功率；欠激運(yùn)行時(shí)，從電力系統(tǒng)中吸收感性無(wú)功功率。因此，改變同步調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁，可以平滑地改變它的無(wú)功功率的大小及方向，從而平滑地調(diào)節(jié)所在地區(qū)的電壓。

9、21同步調(diào)相機(jī)在運(yùn)行時(shí)要產(chǎn)生有功損耗，一般在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有功功率損耗為額定容量的1.55，容量越小，有功損耗所占的比重越大。但在欠激狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其輸出功率為過(guò)激運(yùn)行時(shí)輸出功率的5060。 22高壓輸電線路，特別是分裂導(dǎo)線，其充電功率相當(dāng)可觀，是電力系統(tǒng)所固有的無(wú)功功率電源。 （5）高壓輸電線路高壓輸電線即產(chǎn)生無(wú)功，又消耗無(wú)功2CQU B產(chǎn)生無(wú)功：2LQI X消耗無(wú)功：變化不大隨潮流而變傳輸線無(wú)功發(fā)出量等于消耗量時(shí)所傳輸?shù)呢?fù)荷叫波阻抗負(fù)荷。 22U BI X0 xZb各點(diǎn)電壓電流都一樣，同相位。 23無(wú)功的消耗（1）異步電動(dòng)機(jī) 負(fù)荷中大部分是電動(dòng)機(jī)；象居民區(qū)中的空調(diào)、冰箱；工業(yè)中的各種泵、鼓

10、風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等。 電動(dòng)機(jī)選擇通常是容量過(guò)大，約有一半的大馬力電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定功率的60%以下。 電動(dòng)機(jī)吸收的穩(wěn)態(tài)有功值基本上與電壓無(wú)關(guān)；但無(wú)功值對(duì)電壓水平較靈敏。 當(dāng)電壓開始降低時(shí)，無(wú)功會(huì)瞬時(shí)減少；但電壓進(jìn)一步降低時(shí)，無(wú)功反而增加。24（2）空調(diào)和熱泵 空調(diào)屬于電動(dòng)機(jī)一類，但很多空調(diào)器不用接觸器，所以發(fā)生故障和電壓下降時(shí)不會(huì)從系統(tǒng)斷開； 電壓不穩(wěn)現(xiàn)象極易發(fā)生在氣溫較高或較低及負(fù)荷較重的情況下； 測(cè)試表明，當(dāng)故障清除時(shí)間在5周波及以上時(shí)，空調(diào)在電壓降至60%時(shí)減速直至失速； 當(dāng)故障清除更為緩慢時(shí)，空調(diào)在較高電壓便可失速；25（3）放電照明設(shè)備 照明可能占到商用負(fù)荷的20%； 照明基本上是靜態(tài)的，但

11、在低電壓期間會(huì)熄滅；直至電壓恢復(fù)，在一個(gè)短時(shí)延遲后重新點(diǎn)燃； 當(dāng)電壓在放電照明設(shè)備停止工作點(diǎn)以上時(shí)，一般有功部分為恒流，無(wú)功部分為電壓四次方；無(wú)功特性有助于電壓穩(wěn)定性 新的電子鎮(zhèn)流器、高效率燈和光控設(shè)備接近于恒定視在功率負(fù)荷； 白熾燈通常被看作具有恒定阻抗特性；26無(wú)功功率的傳輸0rU sUXsSrSsinsrrU UPXsinsrsU UPX(cos)rsrrU UUQX(cos )ssrsU UUQX無(wú)功功率傳輸主要取決于電壓幅值，總是從高電壓節(jié)點(diǎn)流向低電壓節(jié)點(diǎn)()ssrsU UUQX()rsrrU UUQX27例：當(dāng)Us=1.05p.u.，Ur=0.95p.u.，X=0.5p.u.，兩端

12、角度差為45度，求兩側(cè)無(wú)功功率。cos450.7601.05(1.050.95 0.760)0.6890.5sQ0.95(1.05 0.7600.95)0.2890.5rQ 如果受端不吸收也不反送無(wú)功功率，則有cos0srUUcosrsUU25.21不能在大的角度差下傳輸無(wú)功28無(wú)功功率傳輸困難在于：（1）無(wú)功功率不能在傳輸線兩端間有大的角度下傳輸；（2）大量傳輸無(wú)功會(huì)導(dǎo)致大的功率損耗和電壓損耗；（3）防范“甩負(fù)荷”引起的瞬時(shí)過(guò)電壓不能大幅度傳輸無(wú)功29無(wú)功的平衡電源所發(fā)出的無(wú)功功率必須滿足負(fù)荷與損耗的需要電源供應(yīng)的無(wú)功功率，包括發(fā)電機(jī)供應(yīng)的無(wú)功功率和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無(wú)功功率，而無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備又可分為調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和靜止補(bǔ)償器。QQQLDG（4-1）無(wú)功損耗包括三部分：變壓器中的無(wú)功損耗、線路電抗中的無(wú)功損耗。30電力系統(tǒng)無(wú)功平衡與電壓水平的關(guān)系GUUQPDDjGUXdYDQPDDjXjUEq圖4-1 電力系統(tǒng)接線圖DNQ XUU31無(wú)功功率總是要保持平衡狀態(tài)，當(dāng)電力系統(tǒng)無(wú)功功率電源充足，可調(diào)節(jié)容量大時(shí)，電力系統(tǒng)可在較高電