试论电力系统的无功功率和电压控制
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汪颖翔 冯炜 王欣1由 分享
论文关键词：电力系统 无功功率 电压控制
论文摘要：电压是衡量电能质量的一个重要指标。电力系统中各种用电设备只有在电压为额定值时才有最好的技术和经济指标。但是在电力系统的正常运行中，用电负荷和系统运行方式是经常变化的，由此引起电压发生变化，不可避免地出现电压偏移。而电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则就会偏离额定值。
1、前言
总体来说，电力系统有效和可靠的运行，电压和无功功率的控制应满足以下目标：
1.1系统中有所有装置的在端电压应在可接受的限制内。
1.2为保证最大限度利用输电系统，应加强系统稳定性。
1.3应使无功功率传输最小，以使得RI2和XI2损耗减小到最小。
当负荷变化时，输电系统的无功功率的要求也要变化。由于无功功率不能长距离传输，电压只能通过遍布整个系统的具体装置来进行有效控制。
2、无功功率的产生和吸收
同步发电机可以产生或吸收无功功率，这取决于其励磁情况。当过励时产生无功功率，当欠励时吸收无功功率。
架空线路产生或吸收无功功率取决于负荷电流。当负荷低于自然负荷（波阻抗），线路产生纯无功功率；当高于自然负荷时，线路吸收无功功率。
地下电缆，由于它们对地电容较大，因此具有较高的自然负荷。它们通常工作在低于自然负荷情形下，因此在所有运行条件下总发生无功功率。
变压器不管其负载如何，总是吸收无功功率。空载时，起主要作用的是并联激励电抗；满载时，起主要作用的是串联漏抗。
负荷通常吸收无功功率。由电力系统的供电的典型负荷节点由许多装置所组成。这种组成随日期、随季节和气候的变化而不同。通常负荷节点的负荷特性是吸收无功功率的，复合负荷的有功功率和无功功率都是电压幅值的函数。具有低的滞后功率因数的负荷使传输网络有大的电压降落，因而供电也不经济，对于工业用户，无功功率通常和有功功率一样要计费，这就鼓励企业通过使用并联电容器来提高负荷功率因数。
3、无功功率的补偿
3.1无功功率不足的危害：交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分将用于做功而被消耗掉，这部分称为“有功功率”；另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立磁场，电动机，变压器等设备就不能运转。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件正常工作所需要的功率交换。无功功率不足，无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态，将给电力系统带来诸如出力不足，电力系统损耗增加，设备损坏等一系列的损害，甚至可能引起电压崩溃事故，造成电网大面积停电。
3.2无功补偿原理：在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流之后电压九十度，纯电容负载中电流超前电压九十度，也就是说纯电容中电流和纯电感中的电流相位差为180度，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由荣幸负荷储存起来；当感性负载需要能量时，再由荣幸负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。
3.3无功补偿的三种形式：
3.3.1集中补偿
集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方式，安装简便，运行可靠，利用率高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。季节性用电较强，空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。
3.3.2分散补偿
分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上，形成抵押电网内部的多组分散补偿方式，它能与工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方式效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。
3.3.3个别补偿
个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农网中队异步电动机进行补偿的常用方法。
3.4无功补偿设备
根据补偿的效果而言，电容器可以补偿负荷侧的无功功率，提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。电抗器可以吸收电网多余的线路充电功率，改善电网低谷负荷时的运行电压，减少发电机的进相运行深度，提高电网运行性能。
3.4.1无源补偿设备装置
并联电抗器，并联电容器和串联电容器。这些装置可以是固定连接式的或开闭式的，无源补偿设备仅用于特性阻抗补偿和线路的阻抗补偿，如并联电抗器用于输电线路分布电容的补偿以防空载长线路末端电压升高，并联电容器用来产生无功以减小线路无功输送，减小电压损失；串联电容器可用于长线路补偿等。电力系统变电站内广泛安装了无功补偿电容器，用来就地无功平衡，减少线损，提高电压水平。
3.4.2有源补偿装置
通常为并联连接式的，用于维持末端电压恒定，能对连接处的微小电压偏移做出反应，准确地发出或吸收无功功率的修正量。如用饱和电抗器作为内在固有控制，用同步补偿器和可控硅控制的补偿器作为外部控制的方式。
4、结束语
无功补偿对提高功率因数，改善电压质量，降损节能、提高供电设备的出力都有很好的作用。只要依靠科技进步，加大资金投入，优化无功补偿配置，实现无功的动态平衡是完全可能的。
参考文献：
[1] PRABHA KUNDUR 著.电力系统的稳定与控制[M]．中国电力出版社．
[2]刘娅.变电站无功补偿分析 [M]．行业透视．
[3]韩磊.电力系统无功补偿综述[M]．中国新技术新产品．
论文摘要：电压是衡量电能质量的一个重要指标。电力系统中各种用电设备只有在电压为额定值时才有最好的技术和经济指标。但是在电力系统的正常运行中，用电负荷和系统运行方式是经常变化的，由此引起电压发生变化，不可避免地出现电压偏移。而电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则就会偏离额定值。
1、前言
总体来说，电力系统有效和可靠的运行，电压和无功功率的控制应满足以下目标：
1.1系统中有所有装置的在端电压应在可接受的限制内。
1.2为保证最大限度利用输电系统，应加强系统稳定性。
1.3应使无功功率传输最小，以使得RI2和XI2损耗减小到最小。
当负荷变化时，输电系统的无功功率的要求也要变化。由于无功功率不能长距离传输，电压只能通过遍布整个系统的具体装置来进行有效控制。
2、无功功率的产生和吸收
同步发电机可以产生或吸收无功功率，这取决于其励磁情况。当过励时产生无功功率，当欠励时吸收无功功率。
架空线路产生或吸收无功功率取决于负荷电流。当负荷低于自然负荷（波阻抗），线路产生纯无功功率；当高于自然负荷时，线路吸收无功功率。
地下电缆，由于它们对地电容较大，因此具有较高的自然负荷。它们通常工作在低于自然负荷情形下，因此在所有运行条件下总发生无功功率。
变压器不管其负载如何，总是吸收无功功率。空载时，起主要作用的是并联激励电抗；满载时，起主要作用的是串联漏抗。
负荷通常吸收无功功率。由电力系统的供电的典型负荷节点由许多装置所组成。这种组成随日期、随季节和气候的变化而不同。通常负荷节点的负荷特性是吸收无功功率的，复合负荷的有功功率和无功功率都是电压幅值的函数。具有低的滞后功率因数的负荷使传输网络有大的电压降落，因而供电也不经济，对于工业用户，无功功率通常和有功功率一样要计费，这就鼓励企业通过使用并联电容器来提高负荷功率因数。
3、无功功率的补偿
3.1无功功率不足的危害：交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分将用于做功而被消耗掉，这部分称为“有功功率”；另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立磁场，电动机，变压器等设备就不能运转。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件正常工作所需要的功率交换。无功功率不足，无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态，将给电力系统带来诸如出力不足，电力系统损耗增加，设备损坏等一系列的损害，甚至可能引起电压崩溃事故，造成电网大面积停电。
3.2无功补偿原理：在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流之后电压九十度，纯电容负载中电流超前电压九十度，也就是说纯电容中电流和纯电感中的电流相位差为180度，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由荣幸负荷储存起来；当感性负载需要能量时，再由荣幸负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。
3.3无功补偿的三种形式：
3.3.1集中补偿
集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方式，安装简便，运行可靠，利用率高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。季节性用电较强，空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。
3.3.2分散补偿
分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上，形成抵押电网内部的多组分散补偿方式，它能与工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方式效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。
3.3.3个别补偿
个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农网中队异步电动机进行补偿的常用方法。
3.4无功补偿设备
根据补偿的效果而言，电容器可以补偿负荷侧的无功功率，提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。电抗器可以吸收电网多余的线路充电功率，改善电网低谷负荷时的运行电压，减少发电机的进相运行深度，提高电网运行性能。
3.4.1无源补偿设备装置
并联电抗器，并联电容器和串联电容器。这些装置可以是固定连接式的或开闭式的，无源补偿设备仅用于特性阻抗补偿和线路的阻抗补偿，如并联电抗器用于输电线路分布电容的补偿以防空载长线路末端电压升高，并联电容器用来产生无功以减小线路无功输送，减小电压损失；串联电容器可用于长线路补偿等。电力系统变电站内广泛安装了无功补偿电容器，用来就地无功平衡，减少线损，提高电压水平。
3.4.2有源补偿装置
通常为并联连接式的，用于维持末端电压恒定，能对连接处的微小电压偏移做出反应，准确地发出或吸收无功功率的修正量。如用饱和电抗器作为内在固有控制，用同步补偿器和可控硅控制的补偿器作为外部控制的方式。
4、结束语
无功补偿对提高功率因数，改善电压质量，降损节能、提高供电设备的出力都有很好的作用。只要依靠科技进步，加大资金投入，优化无功补偿配置，实现无功的动态平衡是完全可能的。
参考文献：
[1] PRABHA KUNDUR 著.电力系统的稳定与控制[M]．中国电力出版社．
[2]刘娅.变电站无功补偿分析 [M]．行业透视．
[3]韩磊.电力系统无功补偿综述[M]．中国新技术新产品．