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 =V (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 =V (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。

串联电抗中的无功损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。

因此电力线路作为电力系统的一个元件，究竟是消耗容性还是感性无功功率，根据长线路运行分析理论，可作一个大致估计。

对线路不长，长度不超过100km ，电压等级为220kV 电力线路，线路将消耗感性无功功率。

对线路较长，其长度为300km 左右时，对220kV 电力线路，线路基本上既不消耗感性无功功率也不消耗容性无功功率，呈电阻性。

大于300km 时，线路为电容性的。

二、系统综合负荷的电压静态特性电力系统中某额定功率的用电设备实际吸收的有功功率和无功功率的大小是随电力网的电压变化而变的，尤其是无功功率受电压的影响很大。

电力系统综合负荷的电压静态特性是指：在系统频率等于额定值且负荷连接容量不变时，综合负荷所消耗的有功功率和无功功率与电压的关系曲线。

电力系统主要负荷的电压静态特性如下。

1．白炽灯负荷白炽灯由于其灯丝电阻随温度而变化，且不消耗无功功率，所消耗的有功功率可用式(3—9)表示1.6P KU = (5-1-3)式中P ——有功功率(w)；K ——与温度有关的灯丝系数；U ——端电压(V)。

2．电热负荷电炉和电弧炉均只消耗有功功率，所消耗的有功功率为 2U P R= (5-1-4)式中R ——电热设备电阻(Q)。

3．电抗器负荷电抗器负荷主要消耗无功功率，所消耗的无功功率可用式(3-11)表示2U Q X= (5-1-5) 式中Q ——无功功率(var)；x ——电抗器感抗(Ω)。

4．异步电动机负荷异步电动机需要消耗有功功率来转动机器，又要取用感性无功功率来建立磁场。

异步电动机的功率转差率特性曲线如图5-1-1(a)所示。

若电动机所带的机械负荷不变，当外电压从额定电压降低到80％N U 时，电动机的转差率将从1s 增大到2s 。

转差率增大，将使电动机的电流增大，因此，电动机吸收的有功功率可近似地看作不变。

异步电动机的有功功率电压静态特性曲线如图5-1-1(b)所示，近似于一条水平直线。

图5-1-1异步电动机特性曲线(a)功率转差率特性；(b)功率电压静态特性1——U=100％N U ；2——U=90％N U ；3——U=80％N U ；4——U=70％N U 异步电动机吸收的无功功率受端电压的影响很大。

当端电压接近额定电压时，异步电 动机的铁芯磁路接近饱和。

当端电压高于额定电压时，由于磁路饱和，励磁无功将按电压 的高次方比例增加。

当端电压低于额定电压时，由于磁路尚未饱和，励磁无功将按电压的平方比例减少。

若电压低于额定电压很多，电动机的转差率将显著增加，引起定子电流大幅升高，从而使电动机的漏磁无功损耗大幅增加。

综上所述，异步电动机的无功功率电压静态特性曲线如图5-1-1(b)所示。

在电力系统中，异步电动机占综合负荷的绝大多数。

因此，系统综合负荷的电压静态特性曲线近似于异步电动机的电压静态特性曲线，如图5-1-2所示。

图5-1-2系统综合负荷电压静态特性曲线(a)有功负荷； (b)无功负荷由图5-1-2可以看出，电压变化对有功负荷的影响不大，而对无功负荷的影响很大。

当电压升高时，负荷吸收的无功功率显著增加；当电压降低时，负荷吸收的无功功率明显减少。

若电力系统的无功电源不足，为维持系统无功平衡，则不得不降低运行电压，减少负荷吸收的无功功率。

若运行电压过高，则表示电力系统的无功电源过剩，应尽量减少各电源的无功功率。

三、电力系统的无功功率平衡电力系统的无功功率和有功功率一样在运行时也要保持平衡。

电力系统的无功功率平衡方程为G C ceQ Q Q Q Q +=++∆∑∑∑∑∑ 式中G Q ∑——系统各发电厂发出的无功功率总和；C Q ∑——无功补偿设备发出的无功功率总和 (包括同步调相机、并联电容器、静止补偿器及输电线路容纳中电容无功功率等)Q ∑——系统无功负荷的总和；ce Q ∑——各发电厂厂用无功负荷的总和；Q ∆∑——电力网各元件无功损耗的总和 (包括并联电抗器)。

电力系统的无功负荷主要包括异步电动机、电抗器消耗的无功功率，以及变压器和线路的无功功率损耗。

为维持电力系统的无功功率平衡，还应有一定的无功功率备用容量。

无功备用容量一般为无功负荷的7％～8％。

同步发电机在额定功率因数下运行，若发电机留有一定的有功功率备用容量，也就保持了一定的无功功率备用容量。

根据电力系统综合负荷的电压静态特性曲线和系统无功功率平衡方程，可知，系统电压过低的根本原因，就是系统无功电源不足。

当系统电压过低时，首先要增加系统的无功电源，保持系统无功平衡。

关于无功电源的设置，除发电厂里的发电机以外，无功补偿设备的设置则根据无功分层(电压层次)分区(地区、县或站网络)和就地平衡以及便于调整电压的原则来进行设置。

无功补偿设备的容量需要根据调压要求及系统对功率因数的要求来进行计算。

课题二电力系统无功电源教学目标知道电力系统的无功电源。

知识点发电机，调相机，电容器，静止补偿器。

技能点发电机运行极限图。

教学内容电力系统的无功电源包括同步发电机、同期调相机、并联电容器和静止补偿器等。

1．同步发电机发电机是电力系统中唯一的有功功率电源，同时也是基本的无功功率电源。

发电机在正常运行时，其定子电流和转子电流都不应超过额定值。

在额定状态下运行时，发电机容量得到最充分的利用。

设发电机额定视在功率为GN S ，额定有功功率为GN P ，额定功率因数为cos N ϕ，则额定无功功率GN Q 为cos sin N GN GN N GN N Q S P tg ϕϕϕ==(5-2-1)下面讨论发电机可能发出的感性无功功率。

图5-2-1(a)所示一隐极机接在N U 为常数的系统母线上，图5-2-1(b)为其等值电路，图5-2-1(c)为额定运行时的相量图。

电压降相量AC 的长度代表N d I x ，正比于额定视在功率GN S ，它在纵轴上的投影正比于GN P ，在横轴上的投影正比于GN Q ，相量0C 的长度代表空载电动势N E ，它正比于发电机的额定励磁电流。

图5-2-1发电机的运行极限图(a)接线图；(b)等值电路；(c)相量图当改变功率因数时，发电机可能发出的功率P 和Q 受到以下限制。

(1)受额定视在功率(定子额定电流)的限制。

如图5-2-1(c)中，用以A 为圆心、以AC 为半径的圆弧表示。

(2)受转子额定电流的限制。

即用图5-2-1(c)中以O 为圆心、以0C 为半径的圆弧表示。

(3)受原动机出力(额定有功功率)的限制。

即用以图5-2-1(c)中的水平线GN P C 表示。

所以发电机的P —Q 极限曲线如图5-2-1(c)中阴影线所示。

从图中可以看到，发电机只有在额定的电压、电流和功率因数下运行时(即运行点C)，视在功率才能抵达额定值，其容量得到最充分的利用。

当系统中无功电源不足，而有功备用容量又较充裕时，可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数运行，多发无功功率以提高电力系统的电压水平。

但是发电机的运行点不应越出P —Q 极限曲线的范围。

2．同期调相机调相机实质上就是只能发无功功率的发电机。

它在过激运行时向电力系统供给感性无功功率，欠激运行时从电力系统吸取感性无功功率。

所以改变同期调相机的励磁，可以平滑地改变它的无功功率大小及方向，因而它可以平滑地调节所在地区的电压。

欠激运行时的容量约为过激运行时容量的50％～60％，这也是作为无功功率电源的调相机的运行极限。

同期调相机可以装设自动调节励磁装置，能自动地在电力系统电压降低时增加输出的无功功率以维持系统的电压。

特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下也能调整系统的电压，这对提高系统的稳定性是有利的。

但是调相机是旋转机械，运行维护比较复杂。

它的有功功率损耗较大，在满载时损失约为额定容量的1.5％～5％。

同期调相机常安装在枢纽变电所，现已很少采用同期调相机，而改用静止补偿器。

3．并联电容器及静止补偿器并联电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上，只能供给系统无功功率而不能吸收无功功率，它供给的无功功率C Q 值与所在节点的电压U 的平方成正比，即 2C CU Q X = (5-2-2) 式中，1C X Cω=为并联电容器的容抗。

故当节点电压下降时，它供给的无功功率也减少。

因此在系统发生故障或其它原因而使电压下降时，其输出的无功功率反而减少，结果导致电力系统电压的继续下降。

这是并联电容器的缺点。

并联电容器的装设既可集中使用，又可分散装设就地供给无功功率。

并联电容器投资费用少，运行时功率损耗也较小，约为额定容量的0.3％～0.5％，维护也较方便。

为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，采用真空断路器分组投入或切除。

近年来采用将电容器同可控电抗器并联使用的静止补偿器，可以按负荷变化调节输出无功功率的大小和方向，调节性能也好。