电力系统电压控制措施优化方案

电力系统电压控制主要目的，是采取各种调压手段和方法，在各种不同运行方式下，使用户的电压偏差保持在规定的范围之内。在电力系统无功功率平衡中，为了保证系统有较高的电压水平，必须要有充足的无功功率电源。但是要使所有用户处的电压都符合要求，还必须采用各种调压控制手段。图2-8所示的电力系统可以说明各种调压措施的基本原理。

图2-8　简单的电力系统

同步发电机通过升压变压器、输电线路和降压变压器向负荷用户供电。要求采取各种不同的调整和控制方式来控制用户端的电压。为分析简便，略去输电线路的充电功率、变压器的励磁功率以及网络中的功率损耗。变压器的参数已经归算到高压侧，这样用户端的电压为：

式中：K1和K2分别为升压变压器和降压变压器的变比；R和X分别为变压器和输电线路的总电阻和总电抗。

从式（2-8）可知，要想控制和调整负荷点的电压，可以采取以下的控制方式：

（1）控制和调节发电机励磁电流，以改变发电机端电压UG。

（2）控制变压器变比K1、K2调压。

（3）改变输送功率的分布P＋jQ（主要是Q），以使电压损耗减小。

（4）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ΔU。

1.发电机控制调压

控制同步发电机的励磁电流可以改变发电机的端电压。同步发电机可在额定电压的95%～105%范围内保持额定功率运行。发电机允许在端电压偏离额定值不超过±5%的范围内运行。对于由发电机直接供电的小系统，供电线路不长，输电线路上的电压损耗不大时，可以采用发电机直接控制电压方式，以满足负荷电压要求。它不需要增加额外的设备，因此是最经济合理的控制电压措施，应该优先考虑。

图2-9　单级电压系统的电压损耗

在图2-9中，当发电机电压恒定时，在最大负荷时发电机母线到末端负荷点的总电压损耗为20%；最小负荷时为8%。末端负荷点电压变动范围为12%，电压不能满足要求。现在用发电机进行逆调压，最大负荷时发电机电压升高5%UN，考虑到变压器二次侧电压较额定电压高100%，那么，末端负荷点电压较额定电压低5%。在最小负荷时发电机电压为UN，则末端负荷点电压高2%。可见电压偏移在±5%范围之内，电压质量得到了满足。各级电压和各点在最大负荷和最小负荷时的电压损耗都标在图2-10中。

图2-10　多级变压线路的电压损耗

在最大负荷时，线路末端的总电压损耗可达35%，最小负荷时为15%。两种方式下电压损耗差值达20%。发电机进行逆调压也只能缩小5%，仍相差15%，电压质量不能满足要求。所以，仅用发电机调压肯定满足不了负荷对电压的要求。而且发电机附近的地方负荷，电压不能调得太高。因此线路较长、多电压等级的网络并且有地方负荷的情况下，仅仅依靠发电机控制调压已不能满足负荷电压质量的要求。另外，在多台发电机供电系统情况下，控制并联发电机母线电压会引起无功功率的重新分配，与发电机的无功功率经济分配发生矛盾，因此，利用发电机调压，在大型电力系统中仅仅作为一种辅助性的控制措施。

2.控制变压器变比调压

（1）通过调整变压器分接头调压。

一般变压器都有可以调整的分接头，调整分接头的位置可以改变变压器的变比。通常分接头设在高压绕组（双绕组变压器）或中，高压绕组（三绕组变压器），对应高压（或中压）绕组额定电压UN的分接头称为主抽头。变压器低压绕组没有分接头。

改变变压器的变比可以升高或降低次级绕组的电压。容量为6300kVA以下的变压器，高压侧有3个分接头，即1.05UN、UN、0.95UN，容量为8000kVA及以上的变压器，高压侧有5个分接头，分别为1.05UN、1.025UN、UN、0.975UN、0.95UN。变压器低压绕组不设分接抽头。

控制变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择变压器分接抽头。

图2-11为双绕组变压器的分接头选择图。

图2-11　双绕组变压器的分接头选择图
（a）升压变压器；（b）降压变压器

高压侧实际电压为U1，归算到高压侧变压器阻抗为RT＋jXT，归算到高压侧的变压器电压损耗为ΔUT，低压侧负荷要求得到的电压为U2，则有

式中K＝U1/U2N是变压器的变比，即高压绕组分接头电压U1和低压绕组额定电压U2N之比。

将K代入式（2-9），可得到高压侧分接抽头电压为

当变压器通过不同的功率时，高压侧的电压U1、电压U2都要发生变化。通过计算可以求出在不同的负荷情况下，为满足低压侧调压要求所应该选择的高压侧电压分接抽头。

普通双绕组变压器的分接抽头只能在停电的情况下改变。在正常的运行中无论负荷如何变化，只能使用一个固定的分接抽头电压：

然后取它们的算术平均值，即

按式（2-12）计算出变压器分接头电压后，就可以根据U1tav来选择一个与它最接近的分接抽头，然后再根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线上的实际电压是否符合用户的要求。如果所选择的分接头不能使低压母线电压满足调压要求，还需另选分接头，或考虑采用其他调压措施。

【例2-1】 图2-12所示为降压变压器，变压器参数及负荷、分接抽头已标明，高压侧最大负荷时的电压为110V，最小负荷时的电压为113V，相应的负荷低压母线允许电压上下限为6～6.6kV，试选择变压器分接抽头。

图2-12　降压变压器及其等值电器

解：首先计算最大负荷及最小负荷时变压器的电压损耗：

假定变压器在最大负荷和最小负荷运行时低压侧的电压分别为U2max＝6kV和U2min＝6.6kV，

则：

取算术平均值，有

可以选择最近的高压分接抽头U1t＝107.25kV。然后按所选取分接头校验是否满足低压负荷母线的实际电压。

可见选择最接近的分接抽头是能够满足电压控制要求的。

三绕组变压器分接抽头的选择可以按如下方法来考虑：三绕组变压器一般在高压、中压绕组有分接抽头可供选择，而低压侧是没有分接抽头的。一般可先按高压、低压侧的电压要求来确定高压侧的分接抽头；然后再由所选定的高压侧分接头来考虑中压侧的电压要求，最后选择中压侧的分接抽头。同样，也有校验过程。如在最大、最小不同负荷时，高、中压绕组选择的分接头能满足调压要求，说明分接头选择的合适，若不能满足调压要求，还需另选取其他分接头，或采用有载调压变压器。

（2）利用有载调压变压器调压。

无载变压器调压范围不大，一般为±5%，调压时必须停电，所以不能经常调整。在输电线路较长，负荷变化大的情况下需要采用有载调压变压器，它的优点是可带负荷调压，调压范围大而且可以随时调整容易满足电力用户对电压偏差的要求。

有载调压变压器高压侧除主绕组外，还有一个可调分接头的调压绕组。我国制造的110kV及以下的有载调压变压器，在主分接头两侧各有3个分接头，调压范围为±3×2.5%。220kV的有载调压变压器调压范围为±4×2%共有9个分接头，有的变压器分接头更多。

图2-13为电抗型有载分接开关原理图。它有两个可动触头，改变分接头时，先将一个可动触头移到分接头上，然后将另一个可动触头也移到该分接头上，保证了分接头切换过程中不致使变压器开路。切换装置中的电抗器L是个限流电抗，是在切换过程中两个可动触头分别接在不同分接头时，限制两个分接头间的短路电流的。正常运行时，变压器的负荷电流是经由电抗器的a点及b点流向0点，电流所产生的磁动势互相抵消，电抗器的电抗角很小。

电抗器是按长期通过变压器额定电流设计的，分接头开关在切换过程中间位置停留不会发生危险。图2-13中分接头1～5间的调压绕组作用是加强主绕组的磁势。电压为110kV及以上的变压器，一般将调压绕组放在变压器中性点侧。因为110kV及更高电压级的电力网是大接地系统，中性点侧对地电压低，调节装置的绝缘要求比较容易解决。(www.xing528.com)

目前还有一种加压调压变压器，它是利用加压调节器和变压器配合使用，见图2-14。

它由电源变压器和串联变压器组成。串联变压器串接在主变压器的引出线上。当电源变压器采用不同分接头时，在串联变压器中产生大小不同的电动势，从而改变线路上的电压。加压调压变压器也可以单独串接在线路上。

图2-13　电抗器有载分接开关原理图

图2-14　加压调压变压器接线图

3.利用无功补偿设备调压

无功功率的产生基本上是不消耗能源，但是无功功率沿输电线路上传送却要引起无功功率的损耗和电压的损耗。合理的配置无功功率补偿设备和容量以改变电力网络中的无功功率分布，可以减少网络中的有功功率和电压损耗，从而改善用户负荷的电压质量。

图2-15　并联补偿简单电力系统图

并联补偿设备有调相机、静止补偿器，它们的作用都是在重负荷时发出感性无功功率，补偿负荷需要，减少由于输送这些感性无功功率在输电线路上产生的电压降落，提高负荷端的输出电压。

（1）采用并联补偿设备调压。具有并联补偿设备的简单电力系统如图2-15所示。

U1为线路首端电压，U2为变压器低压母线电压，Z为包括线路阻抗、归算到高压侧的变压器阻抗的总阻抗，P、Q为低压母线上的负荷。并联控制设备的容量计算方法如下：忽略线路充电功率及变压器空载损耗，U1为

U′2为归算至变压器高压侧之变电所低压侧的母线电压。

当没有并联补偿时，电压损耗ΔU可近似为电压降的纵向分量，即

当变压器低压侧装有并联电容器补偿为－jQc时，变压器低压母线电压升高至U2c，若线路末端电压U2c，线路首端电压不变，则U1为

1）电容器补偿容量的计算。为了充分利用无功补偿容量，电容器组只需要在重负荷时投入，轻负荷时全部退出。变压器的变比在计算时按照最小负荷时电容器组全部退出运行时来选择。

2）同步调相机补偿容量的计算。当调相机在最大负荷时按额定容量过激运行，在最小负荷时按0.5额定容量欠激运行，那么调相机容量可以得到最佳的利用率。

式中：U′2max为补偿前最大负荷时归算到高压侧的低压母线电压；U2cmax为补偿后最大负荷时低压母线电压要求保持的电压值。

从以上公式分析可知，改变电力网的无功功率分布的办法是在输电线末端，靠近用户处装设并联电容器或调相机，在大负荷时电容器或调相机过激运行，就地送给用户无功功率，从而减少线路输送的无功功率，电压损耗减少。在小负荷时使调相机欠励运行，调相机吸收无功功率，使线路电压损耗增加，从而降低了负荷端的电压。若采用电容器补偿，在小负荷时切除，使其不发出无功功率，可相对降低负荷端电压。

【例2-2】 输电系统及其等值电路如图2-16和图2-17所示，降压变压器变比为110±2×2.5%/11kV，变压器磁路和输电线路对地电容均忽略，节点归算到高压侧电压为118kV，且维持不变，负荷端母线电压要求保持为10.5kV，试确定受端装设如下的无功功率补偿设备容量：①电容器；②同步调相机。

图2-16　简单电力系统图

图2-17　等值电路图

所以

规格化后取110－2×2.5%/11kV，即K＝9.5，

2）调相机的补偿容量。由公式（2-21）可得到

图2-18　串联电容器控制调压

假若补偿前后输电线路首端电压维持不变，即

式中：ΔU为经串联电容补偿后输电线路末端电压需要抬高的电压增量数值。所以可以根据输电线路末端需要升高的电压数值来确定出串联电容补偿的电抗值。

由公式（2-27）可知，串联电容器抬高末端电压的数值为ΔU＝QXC/UN，即调压效果随无功功率负荷Q变化而改变。无功负荷增大时所抬高的末端电压将增大，无功功率负荷减小时所抬高的末端电压也将减小。而无功功率负荷增大将导致末端电压下降，此时正是需要保持末端电压水平。串联电容器调压方式与调压要求恰好一致，这是串联电容器补偿调压的一个显著优点。但是对于负荷功率因数高或者输电导线截面小的线路，线路电抗对电压损耗影响较小，故串联电容补偿控制调压效果小。因此利用串联补偿调压一般用于供电电压为35kV或10kV负荷波动大而频繁、功率因数又很低的输配电线路。

补偿所需要的容抗值XC和补偿输电线路原有感抗值XL之比称为补偿度，用KC来表示：

在输配电线路中经调压为目的的串联电容补偿，其补偿度常接近于1或大于1，一般在1～4之间。

对于超高压输电线，串联电容补偿主要用于提高输电线路的输电容量和提高电力系统运行的稳定性。

【例题2-3】 某35kV输电线路，阻抗为10＋j10Ω，由电力系统输入的功率为7＋j6MVA，线路首端电压为35kV要想使线路末端电压不低于33kV，试确定串联补偿电容的容量。设每个电容器是额定电压为UNC＝0.6kV，容量为QNC＝20kvar。

因此符合要求。

并联电容器和串联电容器补偿都可以提高输电线路末端电压和减少输电线路中的有功功率损耗。但是它们的补偿效果是不一样的。串联补偿可以直接减少输电线路的电压损耗以提高输电线路末端电压水平；而并联电容补偿则是通过减少输电线路上流通的无功功率而减少线路电压损耗，以提高线路末端的电压水平，它的效果不如前者。一般为了减少同一电压损耗，串联电容器容量仅为并联电容器容量的15%～25%。并联电容器补偿能够直接减少输电线路中的有功功率损耗，而串联电容器补偿是依靠提高末端电压水平而减少输电线路中有功损耗。

4.电力系统各种电压控制措施的比较

在各种电压控制措施中，首先应该考虑发电机调压，用这种措施不需要增加任何附加投资。对无功功率电源应较为充裕的系统，采取变压器有载调压既灵活又方便。尤其是电力系统中个别负荷的变化规律相差悬殊时，不采取有载调压变压器几乎无法满足负荷对电压质量的要求。对无功功率电源不足的电力系统，首先应该解决的问题是增加无功功率电源，因此采用并联电容器、调相机或补偿器为宜。同时，并联电容器或调相机还可以降低电力网中功率传输中的有功损耗。各种电压调节设备优缺点的比较见表2.2。

表2.2　电压调整设备比较