第五章 電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整

第六章電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整電力系統(tǒng)中的有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機；無功功率電源除發(fā)電機外，還有電容器、調(diào)相機和靜止補償器等，分散在各變電所。供應(yīng)有功功率和電能；必須消耗能源，但無功功率電源一旦設(shè)置后，就可隨時使用而不再有其它經(jīng)常性耗費。系統(tǒng)中無功功率損耗遠大于有功功率損耗。正常穩(wěn)態(tài)運行時，全系統(tǒng)頻率相同，頻率調(diào)整集中在發(fā)電廠，調(diào)頻手段只有調(diào)整原動機功率一種。電壓水平則全系統(tǒng)各點不同，而且．電壓調(diào)整可分散進行，調(diào)壓手段也多種多樣。凡此種種，使電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整與有功功率和頻率調(diào)整有很大不同。本章主要闡述電力系統(tǒng)中無功功率的最優(yōu)分布和電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整兩個問題。而前者又可進而分為無功功率電源的最優(yōu)分布和無功功率負荷的最優(yōu)補償兩方面；后者除個別調(diào)壓措施外，還有幾種調(diào)壓措施的組合問題。第一節(jié)電力系統(tǒng)中無功功率的平衡一、無功功率負荷和無功功率損耗1．無功功率負荷各種用電設(shè)備中，除相對很小的白熾燈照明負荷只消耗有功功率、為數(shù)不多的同步電動機可發(fā)出一部分無功功率外，大多數(shù)都要消耗無功功率。因此，無論工業(yè)或農(nóng)業(yè)習(xí)戶都以滯后功率因數(shù)運行，其值約為0.6~0.9。其中，較大的數(shù)值對應(yīng)于采用大容量同步電動機的場合。無功功率負荷曲線的變化規(guī)律雖大體與有功功率相似，也并非完全亦步亦趨。但無論是電力系統(tǒng)的運行或設(shè)計部門，一般都不編制無功功率負荷曲線而只編制無功功率平衡表或各樞紐點電壓曲線。而且，這些表格或曲線也只是隔一段時間制作一欠。對無功功率管理之所以與對有功功率不同，原因仍在于無功功率與有功功率本身性質(zhì)的不同。2．變壓器中的無功功率損耗變壓器中的無功功率損耗分兩部分，即勵磁支路損耗和繞組漏抗中損耗。其中，勵磁支路損耗的百分值基本上等于空載電流I0的百分值，約為1％~

2％；繞組漏抗中損耗。在變壓器滿載時，基本上等于短路電壓Uk的百分值，約為10％。

但對多電壓級網(wǎng)絡(luò)。變壓器中的無功功率損耗就相當(dāng)可觀。以一個五級變壓的網(wǎng)絡(luò)為例：由此可見，系統(tǒng)中變壓器的無功功率損耗占相當(dāng)大比例，較有功功率損耗大得多。3．電力線路上的無功功率損耗電力線路上的無功功率損耗也分兩部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗。并聯(lián)電納中的這種損耗又稱充電功率，與線路電壓的平方成正比，呈容性。串聯(lián)電抗中的這種損耗與負荷電流的平方成正比，呈感性。因此，線路作為電力系統(tǒng)的一個元件究竟消耗容性或感性無功功率就不能肯定。但如利用第二章第三節(jié)第四小節(jié)中曾作過簡單介紹的自然功率的概念．可作一大致估計：當(dāng)通過線路輸送的有功功率大于自然功率時，線路將消耗感性無功功率；當(dāng)通過線路輸送的有功功率小于自然功率時，線路待消耗容性無功功率。一般．通過110kv及以下線路輸送的功率往往大于自然功率，通過500kv線路輸送的功率大致等于自然功率。通過220kv線路輸送的功率則因線路長度而異，線路較長時，小于自然功率，線路較短時，大于自然功率。1．發(fā)電機同步發(fā)電機既是有功功率電源，又是最基本的無功功率電源。2．電容器和調(diào)相機并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率。它所供應(yīng)的感性無功功率與其端電壓約平方成正比。調(diào)相機實質(zhì)上是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機。它在過激運行時向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率，欠激運行時從系統(tǒng)吸取感性無功功率。欠激運行時的容量約為過激運行時容量的50%。這些也就是作為無功功率電源的調(diào)相機的運行極限。二、無功功率電源3．靜止補償器和靜止凋相機靜止補償器和靜止調(diào)相機是分別與電容器和調(diào)相機相對應(yīng)而又同屬“靈活交流輸電系統(tǒng)”范疇的兩種無功功率電源。前者出現(xiàn)在70年代初，是這一“家族”的最早成員。目前已為人們所熟知；后者則尚待擴大試運行的規(guī)模。靜止補償器的全稱為靜止無功功率補償器(SVC)，有各種不同型式。目前常用的有晶閘管控制電抗器型(TCR型)、晶閘管開關(guān)電容器型(TSC型)和飽和電抗器型(SR型)三種，分別如圖6-1(a)、(b)、(c)所示。它們的靜態(tài)電壓特性(伏安特性)，則分別示于圖6-2(a)、(b)、(c)。第二節(jié)電力系統(tǒng)中無功功率的最優(yōu)分布如前所述，無功功率的最優(yōu)分布包括無功功率電源的最優(yōu)分布和無功功率負荷的最優(yōu)補償兩個方面。但在討論這兩方面問題之前，有必要對提高負荷的自然功率因數(shù)，即降低負荷對無功功率需求的重要性作一說明。因面對十分低劣的負荷自然功率因數(shù)談?wù)摕o功功率的最優(yōu)分布，顯然是舍本逐末。

但需指出，如上的分析并沒有引入不等約束條件。實際計算時，當(dāng)某一變量，例如QGi，逾越它的上限QGimax

或下限QGimin時，可取QGi＝QGimax或QGi＝QGimax。第三節(jié)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整—電壓管理和

借發(fā)電機、變壓器調(diào)壓一、調(diào)整電壓的必要性電力系統(tǒng)的電壓和頻率一樣也需要經(jīng)常調(diào)整。由于電壓偏移過大時，會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞設(shè)備，甚至引起系統(tǒng)性的“電壓崩潰”，造成大面積停電。分別說明如下：系統(tǒng)電壓降低時，發(fā)電機的定子電流將因其功率角的增大而增大。如這電流原已達額定值，則電壓降低后，將使其超過額定值。為使發(fā)電機定子繞組不致過熱，不得不減少發(fā)電機所發(fā)功率。相似地，系統(tǒng)電壓降低后，也不得不減少變壓器的負荷。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時，各類負荷中占比重最大的異步電動機的轉(zhuǎn)差率增大．從而，電動機各繞組中的電流將增大，溫升將增加，效率將降低，壽命將縮短，如圖6-10所示。而且，某些電動機驅(qū)動的生產(chǎn)機械的機械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的高次方成正比，轉(zhuǎn)差增大、轉(zhuǎn)速下降時，其功率將迅速減少。而發(fā)電廠廠用電動機組功率的減少又將反而影響鍋爐、汽輪機的工作，影