无功功率平衡和的电压调整

电力系统的无功功率平衡和电压调整1.输电线路传输无功功率的电压效应。

负荷的无功功率――电压静特性。

2.电力系统的无功功率平衡3. 电力系统的无功损耗。

4.电力系统的无功功率源。

5.电力系统调压方式有哪几种。

6.电力系统中无功功率分布对电压的影响。

1.输电线路传输无功功率的电压效应。

负荷的无功功率――电压静特性。

如图7－1所示的简单输电线路。

图中R ＋jX 为线路集中阻抗，输电线的电容不考虑。

当线路末端的功率为r r jQ P +,这一功率将在线路上引起电压降。

在高压电网中系统节点电压幅值的变化仅与无功功率的变化有关，且一节点的无功功率变化对其本身的电压变化影响最大。

当传输的负荷功率r r jQ P +通过阻抗时要产生电压降，电压降纵分量U ∆和横分量U δ和电压相量sU ,均示于图7－1（b ），我们已知图7－1 简单输电线路(a)等值电路；(b)相量图=+r r rr r r U R Q X P U U XQ R P U －＝δ∆并可以近似地认为线路首端到末端的电压损耗为υ∆。

从图7－1(b)，当已知r U ，rP ，r Q ，始端电压s U 可由下式求得（r U 作为参考相量）。

rR r Q X r P j r X r Q R r P r j S r R r Q X r P j r X r Q R r P r j r S U U U )sin (cos U U U U U +++=+•+++=++υδδυυδυ∆ ＝ 电压为110千伏以上的输电线路R<<X ，因而上式可简化为r r r r r s s X P j X Q j U U U sin U cos U ++=+δδ 即 r rs r r r s X P XQ U sin U U U cos U ＝δυδ+= （7－1）从第二式可得δsin U U XP r s r = 这说明输电线路传输的有功功率和线路两端电压的夹角有关，其最大值为XP r s M U U =称为输电线路的功率极限。

从式（7－1）的第一式可得)U cos U (U U U U cos U r s r r r r r s X Q XQ －＝＝－δδ这说明输电线路所传输的无功功率的大小和方向主要取决于r s U U 和的大小。

一般输电线路的δ较小，可认为1cos ≈δ,故无功功率将由电压高的一端流向电压低的一端。

电压差值愈大，流过的无功功率r Q 愈大。

如两端电压差为零（即s r U U ＝），则线路流过的无功功率r Q 为零，如果无功功率r Q 要由输电线传送的话，则必需提高s U 或降低r U 。

但当提高s U 或降低r U 超过电压偏移的允许范围时，就应减少线路上传送的无功功率来保证电压偏移不超过允许范围，这样，所缺少的无功功率也只能由设在末端的无功电源来满足。

这种为满足电压要求而设置的无功电源，称为无功补偿电源，或简称为无功补偿。

如不能满足负荷所需要的无功功率将会出现什么现象呢？从负荷电压静特性可知，负荷的无功功率是随电压降低而减少的。

一般综合负荷的无功－电压静特性如图7－2中实线所示。

从图可以看出，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，当供应不足时，负荷端电压将被迫降低。

如图中的11U 和Q 的关系。

当无功负荷增加时，无功负荷的电压静特性要平行上移。

如图中虚线所示，但如果系统对负荷所供应的无功功率不能相应地增加Q ∆，则负荷端电压也将被迫降低，如图中的2U 。

由此可知，电力系统的无功功率必需保持平衡，即发出的无功功率要与无功负荷（即负荷吸取的无功功率）和无功损耗平衡。

这是维持电力系统电压水平的必要条件。

2. 电力系统的无功功率平衡2.1无功功率的平衡所谓无功功率的平衡，就是要使系统的无功电源所发出的无功功率与系统的无功负荷及无功损耗相平衡。

同时，为了运行的可靠性及适应系统负荷的发展，还要求有一定的无功备用。

用式子表示为21Q Q Q R ∑∑－＝图7－2负荷的无功功率－电压静特性式中1Q ∑――所有无功电源之和；2Q ∑――所有无功负荷及损耗之和；R Q ――无功备用。

如果R Q >0，表示系统中无功功率可以平衡而且有适当的备用。

如果R Q <0，则表示系统中无功功率不足，需要额外的补偿。

电力系统的运行部门并不须要每时每刻都作无功平衡的计算，可以隔一段时间（如一日，一月，一季度或一年）计算一次，主要是计算这一时段中最大负荷时的无功平衡，以决定电力系统运行的电压水平。

在进行电力系统设计时，也需要进行无功平衡的计算，以决定是否需要设置无功补偿电源和对这些无功电源进行合理配置。

无功功率有超前与滞后之分，这两类无功功率的方向是相反的。

对负荷而言，滞后的无功功率为无功负荷，表示负荷从系统吸收无功功率；超前的无功功率则为无功电源，表示从负荷输送无功功率至系统。

对于发电机而言，滞后的无功功率表示由发电机输出无功功率至系统；而超前的无功功率则表示发电机从系统吸收无功。

3.电力系统的无功损耗。

3.1 电力系统的负荷无功负荷是以滞后功率因数运行的用电设备所吸取的无功功率。

D D D S Q φsin ＝其中主要是异步电动机的无功功率。

在综合负荷中如果同步电动机的比重较大，则功率因数将有所改进，无功负荷较小。

一般综合负荷的功率因数为0.6～0.9。

3.2 电力系统的无功损耗(1) 输电线路的无功损耗 输电线路中电抗的无功损耗与线路电流的平方成正比，这种无功损耗比线路上的有功损耗要大，特别是导线截面大的线路，无功损耗比有功损耗大得多。

输电线路上还有电纳，电纳中的无功功率为容性，称为线路的充电功率，可视为无功电源。

这种充电功率，一般按等值π电路用以下公式计算2U 2L i LGi B Q =∆兆乏 式中L B ――线路L 段上的电纳（西门）；i U ――线路L 段所联接的节点i 的线电压（千伏）；LGi Q ∆为线路对某一端点i 的充电功率。

线路充电功率是向线路输送的无功功率，如作为无功损耗则原为负值。

(2) 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C I ％。

100/00TN S I Q ％＝∆兆乏另一部分为电抗的无功损耗，在变压器额定负荷时，约与短路电压S U %相等，故可用下式计算2)(100%U TN TD TN s d S S S Q =∆ 兆乏 两式中TN S ――变压器的额定容量（兆伏安）；TD S ――变压器的负荷功率（兆伏安）。

0Q ∆与变压负荷大小无关。

当有n 台相同的变压器并联运行时，总的无功损耗T Q ∆可写成+=20)(100%U TN TD TN s T S S S Q n Q ∑∆∆ 兆乏式中TN S ――一台变压器的额定容量；∑TD S ――n 台变压器的总负荷功率。

作电力系统计算时，也可将变压器的空载损耗和励磁损耗用等值导纳接入变压器等值电路中。

接在变压器电源侧的等值导纳为jB G Y T －＝电力系统的无功损耗是很大的。

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，但多级变压器的无功损耗总和就很可观了，约为用户无功负荷的75％。

此外，输电线路上的无功损耗约为用户无功负荷的25％。

因此需要电力系统供应两倍的用户无功负荷。

这么多的无功功率，不可能全部由发电机供应，需在系统的适当地点装设其他无功电源，才能保证系统的无功平衡。

4.电力系统的无功功率源。

电力系统的无功电源包括有：同步发电机，同步调相机和静电电容器等。

4.1 同步发电机同步发电机除发出有功功率，实现机械能变电能，作为系统的有功功率电源之外，同时又是最基本的无功功率电源。

同步发电机在额定有功功率条件下运行时，所能提供的最大无功功率与发电机的额定功率因数有关。

发电机的额定有功功率N P ，额定无功功率N Q ，额定视在功率N S 以及额定功率因数N Cos ϕ之间有如下的关系：N N N N NN N N tg P P S Q ϕϕϕϕ==cos sin sin ＝而 N N N NN tg P Q P S 2221＋＝＋＝ 同步发电机在一定条件下可能发出的最大视在功率和无功功率都和它的有功功率有关。

发电机正常运行时，定子电流和转子电流都不应超过其额定值。

图2－54为同步发电机的有功－无功关系曲线，又称为发电机的P －Q 曲线。

图中的OA 段表示发电机在额定功率因数及额定电压时的容量N S ，这时有功功率为N P ，无功功率为N Q 。

图中的AC 段为受原动机的最大功率及由定子电流不过载条件所决定的最大有功功率，这时其无功出力较额定功率因数下的无功功率要小，因而转子电流并未达到额定值，发电机的容量未能得到充分利用。

图中的BD 段为由发电机转子电流不过载条件所决定的最大无功功率，这时发电机的有功出力将小于额定值，发电机的实际功率因数将低于额定功率因数，因而定子电流的去磁分量比在额定功率因数时要大。

为了使转子不致过载，就得把定子电流降低至额定值以下，这就相应地减小了发电机的视在功率，使发电机的容量得不到充分利用。

只有当发电机运行在图上的AB 段时，才可以在维持视在容量N S 不变的情况下调节P 、Q 值。

4.2 静电电容器及静止补偿器静电电容器只能向系统供给无功功率，它可以根据需要由许多电容器连结成组。

因此，静电电容器的容量可大可小，即可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。

静电电容器运行时的功率损耗较小，约为额定容量的0.3~0.5%。

静电电容器的无功功率与所在节点的电压平方成正比，即cc X Q 2U = 图7－3 发电机的P －Q曲线式中CX C ω1＝－电容器的容抗；U －电容器所在节点电压。

故当节点电压下降时，它供应给系统的无功功率也将减少。

在系统发生故障或其他原因而使电压下降时，其输出的无功功率反而减少，结果将导致电力网电压的继续下降。

这是静电电容器的缺点。

但是它可以分散装设，就地供应无功功率，减少线路上的功率损耗和电压损耗；在负荷降低时，还可以部分切除电容器组；它本身的功率损耗小，单位容量的投资费用也较小。

特别是近年来采用可控硅控制及和可调电抗器并联使用组成静止补偿器，改进了它的调节无功功率的性能。

这种静止补偿器可以按负荷变动需要调节无功功率大小及方向，既调整电压又改善系统稳定。

静电电容器和静止补偿器作为系统中的无功补偿设备，一般应优先加以考虑。

5.电力系统调压方式有哪几种。

5.1利用发电机调压发电机的电压调整是借助于电压调整器改变励磁机电压而实现的。

改变发电机转子电流F i ，就可以改变发电机定子的端电压。

图7－5示出发电机调压系统的原理图。

现在用于同步发电机的励磁调节设备种类很多，但原理是相同的。