无功功率平衡的概念

文章摘要：如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。 在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，当有功负荷与有功电源出力相平衡时，频率就正常，达到额定值50Hz，而当有功负荷大于有功出力时，频率就下降，反之，频率就会上升。电压与无功

如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。  
在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，当有功负荷与有功电源出力相平衡时，频率就正常，达到额定值50Hz，而当有功负荷大于有功出力时，频率就下降，反之，频率就会上升。电压与无功功率也和频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。  
但是，需要说明的是电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多，大体上有以下几点：  
①              在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样
的。 
当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，如果无功不是处于平衡状态时，那么情况就更复杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。  
②系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，称为"无功损耗"，一般来说，这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的，我们以一台50MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。  
变压器的参数为：Ue = 110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：  
Q = SeUk%(I/Ie)2
  
式中 I--变压器的负荷电流；  
   Ie--变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。  
如果这台变压器满负荷运行，那么它的无功损耗就是：Q = 50MVA×17%=8.5Mvar  
此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。  
③无功功率不宜远距离输送，当输送功率与传送距离达到一定极限时，其传送功率成为不可能，这是由于超高压等级的变压器、线路电抗较大，其无功损耗Q = I2
X相应也很大，所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。另外，传送大量的无功功率时，线路电压损失也相当大，同样会造成无法传送的结果。  
合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低线损有十分重要的作用。  
设有一条110kV线路选用LG-300型导线(导线电阻0.095W/km)线路全长20km，输送有功功率30MW，无功功率40Mvar，下面分别计算在功率因数cosf = 0.6和0.9时线路的功率损耗和应补偿的无功功率。本题只计算导线电阻的功率损耗，不考虑其它因素。  
1)在cosf = 0.6时，此时有功P = 30MW，无功Q = 40Mvar，视在功率S = 50MVA，电流I = S/U = 50MVA/(110kV×31/2
) = 263A，功率损耗P = I2
·R = 2632
×0.095×20×3 = 394kW。  
2) 在cosf = 0.9时，此时有功功率P = 30MW，视在功率S = 33.333MVA，无功功率Q = 14.528Mvar，I = S/U = 33.333MVA/(110kV×31/2
) = 175A，功率损耗 P = I2
·R = 1752
×0.095×20×3 = 175kW。应补偿无功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。  
补偿前后有功损耗相差219kW。由计算结果可知补偿无功功率25.472Mvar后每小时可降低线损219kWh。  
无功补偿对电力系统的重要性越来越受到重视，合理地投停使用无功补偿设备，对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。  
无功补偿装置的合理使用可以给供电企业带来巨大的经济效益。对于像北京电力公司这样的大企业来说，线损每降低0.1个百分点，就可以增加上千万元收入。  
从根本上说，要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗。  
如果系统无功电源不足，则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。同样，如果由于电网缺乏调节手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩，也会造成整个电网的运行电压过高。  
我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。开始，这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。在这种情况下，首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。  
低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。 


各种无功补偿设备及补偿方式:下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。 3.1同步调相机 同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因此，许多国家不再新增

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