电力系统的无功功率和电压调整新

第六章电力系统的无功功率和电压调整

6-1 电力系统总无功功率的平衡

电力系统中的电压是衡量电能质量的一个重要指标。保证供给用户的电压与其额定值的偏移不超过规定的数值是电力系统运行调整的基本任务之一。从前面分析可知，电力系统中的电压与系统中的无功功率密切相关，为保证系统的电压水平，系统中应有充足的无功电源。本节就是分析无功功率与电压的关系，以及对电压的调整问题。

一、无功功率负荷和无功功率损耗

1.无功负荷：除白只灯消耗有功外，绝大部分异步电动机消耗无功。

要保持负荷的电压水平，就得供给负荷所需要的无功功率，只有当系统有能力供给足够的无功时，负荷的端电压才能维持在正常的水平。如果系统的无

功电源容量不足，负荷的端电压将被迫降低，所以维持电力系统的电压水平与无功功率之间有着不可分割的关系。

电力系统综合无功负荷的静态电压特性如图4—3所示。它的特点是：电压略低于额定值时，无功功率随电压下降较为明显；当电压下降幅度较大时，无功功率减小的程度逐渐变小。

2. 变压器无功损耗

变压器中的无功功率损耗分为两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流0I 的百分值，约为%2~%1；绕组漏抗中损耗，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。因此，对一台变压器或一级变压器的网络而言，变压器中的无功功率损耗并不大，满载时约为它额定容量的百分之十几。但对多级电压网络，变压器中的无功功率损耗就相当可观。

3. 输电线路无功损耗

电力线路上的无功功率损耗也分为两部分，即并联导纳和串联电抗中的无功功率损耗。

并联电纳中的无功功率损耗b Q ∆可表示为

22

b B Q U ∆=- 可见，并联电纳中的无功功率与线路电压的平方成正比，呈容性，又称为线路的充电功率。

而串联电抗中的无功功率损耗x Q ∆可表示为

22

2

2x P Q Q I X X U +∆== 可见，串联电抗中的无功功率与负荷电流的平方成正比，呈感性。

以上两部分无功功率的总和反映线路上的无功功率损耗。如果容性大于感性，则向系统输送无功；如果感性大于容性，则向系统吸收无功。因此，电力线路究竟是损耗无功还是发无功，则需要按具体情况作具体的分析、计算。

二、电网中的无功电源

1. 发电机

同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。在正常运

行时，其定子电流和转子电流都不应超过额定值。

设发电机额定视在功率为N S ，额定有功功率为N P ，额定功率因数为N cos ϕ，则发电机在额定状态下运行时，可发出的额定无功功率为

N N N N N N N N

sin sin tg cos P Q S P ϕϕϕϕ=== 由上分析可知，发电机供给的无功不是无限可调的，当发电厂距用户较远时，无功所引起的线损较大，这种情况下，则应在用户中心设置补偿装置。

2．电容器

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接成组。因此，优点：静电电容器组的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，使用起来比较灵活。静电电容器在运行时的功率损耗较小，约为额定容量的0.3％~0.5％。

电容器所供出的无功功率C Q 与其端电压U 的平方成正比，即

2C C

U Q X = 式中 C X ——电容器的容抗。

缺点：当节点电压下降时，它供给系统的无功功率也将减小，导致系统电压水平进一步下降，这是其不足的地方。

特点：电容器所供应的感性无功与其端电压的平方成正比，电容器分组投切，非连续可调。

3.调相机

同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，它在过激运行时向系统供

给无功功率，欠激运行时从系统吸取无功功率。

优点：平滑地改变它的无功功率的大小及方向，从而平滑地调节所在地区的电压。

但在欠激状态下运行时，其容量约为过激运行时额定容量的50％~60％。

同步调相机可以装设自动励磁调节装置，能自动地在系统电压降低时增加输出无功以维持系统电压。在有强行励磁装置时，在系统故障情况下也能调节系统电压，有利于系统稳定运行。

缺点：运行时要产生有功功率损耗，一般在满负荷运行时，有功功率损耗为额定容量的1.5％~3％，容量越小，所占的比重越大，在轻负荷时，这一比例数也要增大；小容量的同步调相机每千伏安的费用大，故同步调相机适用于大容量集中使用；同步调相机为转动设备，维护工作量相对较大。

3．静止补偿器和静止调相机

静止无功功率补偿器（SVC）P245页和静止调相机是分别与电容器和调相机相对应而又同属“灵活交流输电系统”范畴的两种无功功率电源。

静止补偿器由电力电容器与电抗器并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器。

静止补偿器有很多类型，目前较为完善的有直流助磁饱和电抗器型、晶闸管控制电抗器型、自饱和电抗器型三种，如图4-5所示。这三种补偿器都有两个支路，左侧支路为电抗器支路，右侧支路为电容器支路。它们的共同点是其中的电容器支路，既为同步频率下感性无功功率的电源，又因电容C与电感Lf串

联构成谐振回路，并作高次谐波的滤波器，滤去补偿器中各电磁元件产生的5、7、11、13、…等奇次谐波电流，这类支路是不可控的。它们的不同点集中在电抗器支路，直流助磁饱和电抗器和晶闸管控制电抗器都是可控电抗器，而自饱和电抗器则不可控；晶闸管控制电抗器是不饱和电抗器，其他两种则都是饱和电抗器。显然，静止补偿器向系统供应感性无功功率的容量取决于它的电容器支路，从系统吸取感性无功功率的容量则取决于它的电抗器支路。

优点：快速平滑地调节无功功率，以满足无功功率的要求，这样就克服了电容器作为无功补偿装置只能作电源不能作负荷、调节不连续的缺点；与同步调相机相比较，静止补偿器运行维护简单、功率损耗小，能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击性负荷也有较强的适应性，因此在电力系统中得到越来越广泛的应用。

缺点：费用高。

三、无功功率平衡

综合以上所述的无功功率负荷、无功功率损耗及无功功率电源，就可以作出系统的无功功率平衡。如果发电机所发无功功率为G Q ，调相机所发无功功率为

C1Q ，电容器所供无功功率为C2Q ，静止补偿器所供无功功率为C3Q ，而负荷消耗