浅析电力系统中无功功率的平衡

崔　凌

电力系统中的无功功率电源除发电机外,还有电容器、调相机和静止补偿器等,分散在各变电所,供应有功功率和电能必须消耗的能源,无功功率电源一经设置后,就可随时使用而不再有其他经常性耗费。

一、无功功率负荷和无功功率损耗

1.无功功率负荷。各种用电设备中,除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外,大多数都要消耗无功功率。因此,无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行,其值约为0.6～0.9。其中,较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合。

无功功率负荷的变化规律,其最大值可能出现在白昼而不是傍晚,原因在于,系统总负荷的成分一昼夜间各不相同。大致可认为,如白昼和傍晚有功功率负荷的峰值约略相等,白昼无功功率负荷的峰值将大于傍晚;反之,如白昼有功功率负荷的峰值远小于傍晚,白昼和傍晚无功功率负荷的峰值将约略相等。

2.变压器中的无功功率损耗。变压器中的无功功率损耗分两部分,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I0和百分值,约为1%～2%;绕组漏抗中损耗,在变压器满载时,基本上等于短路电压UK的百分值,约为10%。因此,对一台变压器或一级变压的网络而言,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。

但对多电压级网络,变压器中的无功功率损耗就相当可观。以一个五级变压的网络为例,设电厂中10/220KV升压,网络中220/110、110/35、35/10、10/0.4降压至用户,典型计算的结果表明:

所有变压器都满载 所有变压器都半载

变压器的励磁支路损耗7%7%

变压器绕组漏抗中损耗50%12.5%

变压器中总损耗 57%19.5%

变压器损耗/变压器负荷 57% 39%

由于可见,系统中变压器的无功功率损耗占相当大比例,较有功功率损耗大得多。

3.电力线路上的无功功率损耗。电力线路上的无功功率损耗也分两部分,既并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的这种损耗又称充电功率,与线路电压的平方成正比,呈容性。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成正比,呈感性。因此,线路作为电力系统的一个元件究竟消耗容性或感性无功功率就不能肯定。但可作一大致估计:当通过线路输送的有功功率大于自然功率时,线路将消耗感性无功功率;当通过线路输送的有功功率小于自然功率时,线路将消耗容性无功功率。这样估计的前提是线路“无损耗”且负荷功率因数为1。一般,通过110KV及以下线路输送的功率往往大于自然功率;通过500KV线路输送的功率大致等于自然功率。通过220KV线路输送的功率则因线路长度而异,线路较长时,小于自然功率;线路较短时,大于自然功率。

二、无功功率电源

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。它的运行总受一定条件,如定子绕组温升、励磁绕组温升、原动机功率等的约束。这些约束条件决定了发电机组发出的有功、无功功率有一定的限额。

2.电容器和调相机。并联电容器只能向系统供应感性无功功率。它所供应的感性无功功率与其端电压的平方成正比。调相机实质上是只能发无功功率的发电机。它在过激运行时向系统供应感性无功功率,欠激运行时从系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为过激运行时容量的50%。这些也就是作为无功功率电源的调相机的运行极限。

3.静止补偿器和静止调相机。静止补偿器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。静止补偿器的全称为静止无功功率补偿器,它们之所以能作为无功功率电源产生感性无功功率,依靠的仍是其中的电容器。而电容器所能产生的感性无功功率则与其端电压的平方成正比。因此,当系统电压水平过于低下,迫切需要补偿器增加其感性无功功率输出时,补偿器往往无法增加,这是作为无源元件的静止补偿器所无法克服的缺陷。

4.并联电抗器。相对感性无功功率而言,并联电抗器显然不是电源而是负荷。但在某些电力系统中装有这种设施,用以吸取轻载或空载线路过剩的感性无功功率。而对高压远距离输电线路而言,它还有提高输送能力、降低过电压等作用。

三、无功功率的平衡

系统中无功功率的平衡关系:

∑QGC-∑QL-△Q∑=0 (1)

式中,电源供应的无功功率∑QGC由两部分组成,既发电机供应的无功功率QG和补偿设备供应的无功功率QC,而补偿设备供应的无功功率又分调相机供应的QC1、并联电容器供应的QC2和静止补偿器供应的QC3三部分,因此,∑QGC可分解为:

∑QGC=∑QG+∑QC= ∑QG + ∑QC1+ ∑QC2+∑ QC3 (2)

式(1)中,负荷消费的无功功率QL可按负荷的功率因数计算。未经改善的负荷功率因数一般不高,仅达0.6～0.9,既负荷消费的无功无率约为其有功功率的0.5～1.3倍。

式(1)中,无功功率损耗△Q∑包括三部分:变压器中的无功功率损耗△Qr,线路电抗中的无功功率损耗△Qx,线路电纳中的无功功率损耗△Qb。△Qb属容性,如将其作感性无功功率论处,则应具有负值。因此,△Q∑可分解为:

△Q∑=△Qr +△Qx -△Qb

根据平衡关系,定期作无功功率平衡计算的内容是:

A.参考累积的运行资料确定未来的、有代表性的预想有功功率日负荷曲线。

B.确定出现无功功率日最大负荷时系统中有功功率负荷的分配。

C.假设各无功功率电源的容量和配置情况以及某些枢纽点的电压水平。

D.计算系统中的潮流分布

E.根据潮流分布情况,统计出平衡关系式中各项数据,判断系统中无功功率能否平衡。

F.如统计结果表明系统中无功功率有缺额,则应变更上列假设条件,重作潮流分布计算;而如无功功率始终无法平衡,则应考虑增设无功电源的方案。□

(编辑/丹桔)