电力系统中无功功率平衡对电压的影响

电力系统中无功功率平衡对电压的影响钟焕双(广东省乐昌市坪石镇坪石供电分公司，广东 乐昌 512229) 摘 要：在电力系统中，不可忽视无功功率的平衡、对电压的影响，无功功率的增加或减少，均对系统电压产生较大的波动及增加电能损耗；必须调整无功功率的输出、安装无功补偿装置等均可保持无功功率的平衡，以保持电压在正常范围内，同时减少功率损耗。

关键词：电力系统；无功功率；系统电压；影响中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1811-8755(2004)010800 概述电力系统中既有有功功率电源，又有无功功率电源，为保证电能的质量，系统内的功率必须保持平衡。

电压是衡量电能质量的一个重要指标，电力系统运行调整的基本任务之一是保证用户处的电压接近额定值运行，而电力系统的运行电压水平则取决于系统中无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出能否满足系统负荷和网络损耗中的无功功率需求，将影响着电压的偏移。

当无功电源输出的无功功率大于无功负荷及网络中损耗时，负荷侧的电压就偏高；当无功电源发出的无功功率小于无功负荷及网络中的损耗时，负荷侧的电压就偏低。

当电压过高时，将可能造成各种电气设备绝缘受到损害，用电设备受命大大缩短；当电压过低时，将使网络中的功率损耗和能量损耗加大，加速电气设备的绝缘老化，严重时甚至可能烧毁电气设备，电压过低还可能危及电力系统运行的稳定性。

由于电力系统内的无功电源容量不足时，负荷的端电压就将被迫降低；系统内的无功电源容量过多时，负荷的端电压就将被迫升高。

因此电力系统中无功电源发出的无功功率不能保持平衡时，将对电压产生不利的影响。

1 电力系统的无功功率平衡对电压的影响1. 1 电力系统中的无功功率电源与无功负荷。

在电力系统中，无功功率为电力网络及各种电力设备提供励磁。

系统内主要需要感性无功功率，它为变压器和感应电动机提供了励磁电流。

无功功率的电源有发电机、高压输电线路、大型同步电动机和补偿装置。

其中发电机是最基本的无功功率电源，发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率为：N GN N GN GN tg P Sin S Q ψψ==（1-1）式中：GN S 、GN P 、N ψ分别为发电机的额定视在功率、额定有功功率和额定功率因数角。

电力系统中无功负荷主要为异步电动机，系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定，它所消耗的无功功率为：σσX I X U Q Q Q m m M 22/+=+=（1-2）式中：m Q 为励磁功率，m X 为励磁电抗，σQ 为漏抗无功损耗，σX 为漏电抗，U 为电动机端电压，I 为定子电流。

电力系统无功功率的损耗主要有变压器的无功损耗和输电线路的无功损耗。

1.2 无功功率对电压的影响。

在电力系统运行中，要求电源的无功出力在任何时刻都同负荷的无功功率和网络无功损耗之和相等。

即：L LD GC Q Q Q -=现以一发电机经过一段线路向负荷供电来说明无功电源对电压的影响。

略去各元件电阻，用Ｘ表示发电机电抗与线路电抗之和，等值电路如图1所示，并根据等值电路图作出发电机端电压与负荷侧电压关系的相量图2：根据图2可以确定发电机送到负荷节点的功率为：δψsin cos XEU UI P == XUX EU UI Q 2cos sin -==δψ 当P 为一定时，得： X UX EU P Q 222)(--=（1－3）当电势Ｅ为一定值时，根据式（1－3）可作出无功功率Ｑ与电压Ｕ的关系图，如图3中的曲线１：由图可知，Ｑ－Ｕ关系是一条向下的抛物线，而负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特性如图中的曲线２所示。

曲线１与曲线２的交点a 确定了负荷节点的电压值Ｕa ，即系统在电压Ｕa 下达到了无功功率的平衡。

当负荷增加时，其无功电压特性如曲线２'所示，如果系统的无功电源没有相应增加（即发电机励磁电流不变，电势也就不变），电源的无功特性仍然是曲线１，这时曲线１和曲线２'的交点a'就代表了新的无功平衡点，并由此决定了负荷点的电压为Ｕa'，显然Ｕa'〈Ｕa ，这说明负荷增加后，系统的电源已不能满足在电压Ｕa 下无功平衡的需要，因而只好降低电压运行，以取得在较低电压下的无功平衡。

如果发电机具有充足的无功备用，通过调节励磁电流增大发电机电势Ｅ，则发电机的无功特性曲缍将上移到曲线１’的位置，从而使曲线１’与曲线２’的交点c 所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数值Ｕa 。

同样，如果发电机的电势Ｅ增大而负荷没有增加，则由发电机的无功特性曲线１’与负荷无功特性曲线２的交点为a"，决定了负荷点的电压为Ｕa"，此时Ｕa 〈Ｕa"，负荷点的电压偏高。

由此可见，系统中的无功电源对系统中的电压的影响为当无功电源比较充足时，能满足较高电压水平下的无功平衡需要，系统就有较高的运行电压水平；反之，无功不足就反映为运行电压水平偏低。

因此，应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡，并根据这个要求装设必要的无功补偿装置。

1.3 电力系统中的无功功率的平衡。

电力系统无功功率平衡的基本要求是：系统中的无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗，同时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长，系统必须配置一定的无功备用容量。

系统中无功功率的平衡关系式为：RES L LD GC Q Q Q Q =--（1-3）其中：GC Q 为电源发出的无功功率之和，包括发电机的无功功率∑G Q 和各种无功功率∑C Q ，即∑∑+=C G GC Q Q Q ；LD Q 为无功负荷之和;L Q 为网络无功功率损耗之和，包括变压器的无功损耗∑LT Q 、线路电抗的无功损耗 ∑L Q 和线路电纳的无功功率∑B Q ，即：∑∑∑++=B L LT L Q Q Q Q ；RES Q 为无功功率备用。

当0>RES Q ，表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用； 当0<RES Q ，表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置； 当0=RES Q ，表示系统中无功功率刚好平衡，但当系统有小小的干扰时将破坏这平衡。

电力系统中一般要求发电机接近于额定功率因数运行，可按额定功率因数计算发电机所发出的无功功率。

此时如系统的无功功率能够平衡，则发电机就保持有一定的无功备用，其它的无功补偿装置按额定容量来计算其无功功率。

2 系统中无功功率与电压的调整2.1 系统中无功功率与电压的损耗。

无功功率在系统输送过程中，会产生功率损耗与电压降落，致使负荷则的电压偏移。

如下图的一段电力系统图：节点1和节点2电压之间的关系为：Z I U U .1.2.-=jQ P I U +=.1. （2－1）得：11..U jQ P U jQP I -=+=（2－2）这里的θθ，011.∠=U U 为参考角。

由式（2－1）和式（2－2）得：Z U jQ P U U )(11.2.--=忽略线路电阻，则： L L X U Q X U P j U U 111.2.--= （2－3）电压降落为： 电压降落的纵分量：11U QX U L =∆ 电压降落的横分量：11U RX U L =δ 功率损耗为：有功功率损耗：R U Q P P 2122+=∆ （2－4）无功功率损耗：X U Q P Q 2122+=∆（2－5）根据（2－3）式作出向量图5，由向量图可以出，电压水平主要受无功功率引起的电压降落的纵分量1U ∆的影响，而电压降落的横分量主要影响电压之间的夹角，而对电压降落大小影响不大，所以，电压降落的数值大小可以近似表示为1U ∆；当两点间的相角θ不大时，可近似地认为电压损耗就等于电压降落的纵分量；因此，由以上分析可知，当首端电压U 1保持恒定时，大量增大无功功率输送将使功率与电压的损耗也增大。

因此，应实现整个系统的无功功率平衡和实现各区域无功功率平衡，减少应输送大量的无功功率而增加的功率和电压损耗，负荷所需的无功功率应尽量做到就地平衡。

2.2 无功功率与电压的调整电力系统中为了实现无功功率在额定电压下的平衡，即实现整个系统的无功功率平衡和实现各区域无功功率平衡，保证电压质量，满足用户的用电要求，必须对系统中的无功功率和电压进行调节，使之在允许的偏移范围内。

电压调整是指对电力系统中各负荷点的电压进行调节，使之在允许的偏移范围内，在电压调整的过程中，县级电力系统用得较多的是只重视选择变压器的变比，而忽视了电力无功功率的平衡。

当电力系统的无功电源发出的无功功率不能满足（或高于）无功负荷及网络中损耗时，就应对系统电压进行调整。

以目前调整电压的措施有：调节励磁电流以改变发电机端电压、适当选择变压器的变比、改变线路的参数、改变无功功率的分布等；控制无功功率的产生和损耗及无功功率的流动可以实现调整电压。

下面是常用的进行无功功率和电压调整的装置。

1、发电机发电机是电压控制的基本手段，自动电压调节装置通过调节励磁，使发电机端电压保持在允许值范围内。

由式（1-1）作出发电机的P-Q极限图6。

从图中可以看出，发电机只有在额定电压、电流和功率因数（即运行点C）下运行时视在功率才能达到额定值，这样其容量就可以得到最充分的利用。

当系统无功电源不足时，只有使发电机在低功率因数下运行，从而多发出无功功率以提高电力网的电压水平；当系统无功电源充足时，只有使发电机在高功率因数下运行，从而少发出无功功率以恒定电力网的电压水平。

但不论发电机在何种功率因数下运行，其运行点不应越出P-Q极限曲线的范围（图中粗线部分）。

在电力系统中若由发电机发出大量的无功电源，不但降低发电机的效率，同时，发电机端的电压也将抬高，而且也增加了大量的功率损耗。

2、同步调相机同步调相机实质上是空载运行的同步电动机。

在过励磁运行时，它向系统供给无功功率，能提高系统电压；在欠励磁运行时，则从系统吸收无功功率，可降低系统电压。

3、电力电容器电力电容器只能作为无功电源，向系统供给无功功率。

4、并联电抗器并联电抗器用于补偿线路电容，特别是用于限制空载或轻载时线路末端电压不要过高。

5、调压变压器改变变压器高压侧绕组的分接头，即可改变变压器的变比，从而改变二次侧的电压。

6、静止补偿器静止补偿器由电力电容器和可调电抗器组成，并联在降压的低压母线上。

电容器吸收容性无功功率，静止补偿器根据母线电压的高低自动控制可调电抗器吸收的感性无功功率的大小，从而控制装置发出或吸收的感性无功功率的大小，进而达到稳定电压的目的。

3 结论电力系统中无功功率是否平衡，直接影响电压的质量。

为保证电压质量，满足用户的用电要求，系统中必须有充足的无功电源备用。

当系统中的无功功率大于（或不能满足）无功负荷的需要时，就得调整无功功率的输出，采用调压措施，调整负荷侧电压，以改善电压的偏移。