淺析電力系統(tǒng)中無功功率的平衡

崔　凌

電力系統(tǒng)中的無功功率電源除發(fā)電機(jī)外,還有電容器、調(diào)相機(jī)和靜止補(bǔ)償器等,分散在各變電所,供應(yīng)有功功率和電能必須消耗的能源,無功功率電源一經(jīng)設(shè)置后,就可隨時(shí)使用而不再有其他經(jīng)常性耗費(fèi)。

一、無功功率負(fù)荷和無功功率損耗

1.無功功率負(fù)荷。各種用電設(shè)備中,除相對(duì)很小的白熾燈照明負(fù)荷只消耗有功功率、為數(shù)不多的同步電動(dòng)機(jī)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)用戶都以滯后功率因數(shù)運(yùn)行,其值約為0.6～0.9。其中,較大的數(shù)值對(duì)應(yīng)于采用大容量同步電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。

無功功率負(fù)荷的變化規(guī)律,其最大值可能出現(xiàn)在白晝而不是傍晚,原因在于,系統(tǒng)總負(fù)荷的成分一晝夜間各不相同。大致可認(rèn)為,如白晝和傍晚有功功率負(fù)荷的峰值約略相等,白晝無功功率負(fù)荷的峰值將大于傍晚;反之,如白晝有功功率負(fù)荷的峰值遠(yuǎn)小于傍晚,白晝和傍晚無功功率負(fù)荷的峰值將約略相等。

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(lì)磁支路損耗和繞組漏抗中損耗。其中,勵(lì)磁支路損耗的百分值基本上等于空載電流I0和百分值,約為1%～2%;繞組漏抗中損耗,在變壓器滿載時(shí),基本上等于短路電壓UK的百分值,約為10%。因此,對(duì)一臺(tái)變壓器或一級(jí)變壓的網(wǎng)絡(luò)而言,變壓器中的無功功率損耗并不大,滿載時(shí)約為它額定容量的百分之十幾。

但對(duì)多電壓級(jí)網(wǎng)絡(luò),變壓器中的無功功率損耗就相當(dāng)可觀。以一個(gè)五級(jí)變壓的網(wǎng)絡(luò)為例,設(shè)電廠中10/220KV升壓,網(wǎng)絡(luò)中220/110、110/35、35/10、10/0.4降壓至用戶,典型計(jì)算的結(jié)果表明:

所有變壓器都滿載 所有變壓器都半載

變壓器的勵(lì)磁支路損耗7%7%

變壓器繞組漏抗中損耗50%12.5%

變壓器中總損耗 57%19.5%

變壓器損耗/變壓器負(fù)荷 57% 39%

由于可見,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,既并聯(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(fù)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(gè)元件究竟消耗容性或感性無功功率就不能肯定。但可作一大致估計(jì):當(dāng)通過線路輸送的有功功率大于自然功率時(shí),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(shí),線路將消耗容性無功功率。這樣估計(jì)的前提是線路“無損耗”且負(fù)荷功率因數(shù)為1。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(zhǎng)度而異,線路較長(zhǎng)時(shí),小于自然功率;線路較短時(shí),大于自然功率。

二、無功功率電源

1.發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)既是有功功率電源,又是最基本的無功功率電源。它的運(yùn)行總受一定條件,如定子繞組溫升、勵(lì)磁繞組溫升、原動(dòng)機(jī)功率等的約束。這些約束條件決定了發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功、無功功率有一定的限額。

2.電容器和調(diào)相機(jī)。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的平方成正比。調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機(jī)。它在過激運(yùn)行時(shí)向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率,欠激運(yùn)行時(shí)從系統(tǒng)吸取感性無功功率。欠激運(yùn)行時(shí)的容量約為過激運(yùn)行時(shí)容量的50%。這些也就是作為無功功率電源的調(diào)相機(jī)的運(yùn)行極限。

3.靜止補(bǔ)償器和靜止調(diào)相機(jī)。靜止補(bǔ)償器和靜止調(diào)相機(jī)是分別與電容器和調(diào)相機(jī)相對(duì)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。靜止補(bǔ)償器的全稱為靜止無功功率補(bǔ)償器,它們之所以能作為無功功率電源產(chǎn)生感性無功功率,依靠的仍是其中的電容器。而電容器所能產(chǎn)生的感性無功功率則與其端電壓的平方成正比。因此,當(dāng)系統(tǒng)電壓水平過于低下,迫切需要補(bǔ)償器增加其感性無功功率輸出時(shí),補(bǔ)償器往往無法增加,這是作為無源元件的靜止補(bǔ)償器所無法克服的缺陷。

4.并聯(lián)電抗器。相對(duì)感性無功功率而言,并聯(lián)電抗器顯然不是電源而是負(fù)荷。但在某些電力系統(tǒng)中裝有這種設(shè)施,用以吸取輕載或空載線路過剩的感性無功功率。而對(duì)高壓遠(yuǎn)距離輸電線路而言,它還有提高輸送能力、降低過電壓等作用。

三、無功功率的平衡

系統(tǒng)中無功功率的平衡關(guān)系:

∑QGC-∑QL-△Q∑=0 (1)

式中,電源供應(yīng)的無功功率∑QGC由兩部分組成,既發(fā)電機(jī)供應(yīng)的無功功率QG和補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無功功率QC,而補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無功功率又分調(diào)相機(jī)供應(yīng)的QC1、并聯(lián)電容器供應(yīng)的QC2和靜止補(bǔ)償器供應(yīng)的QC3三部分,因此,∑QGC可分解為:

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

式(1)中,負(fù)荷消費(fèi)的無功功率QL可按負(fù)荷的功率因數(shù)計(jì)算。未經(jīng)改善的負(fù)荷功率因數(shù)一般不高,僅達(dá)0.6～0.9,既負(fù)荷消費(fèi)的無功無率約為其有功功率的0.5～1.3倍。

式(1)中,無功功率損耗△Q∑包括三部分:變壓器中的無功功率損耗△Qr,線路電抗中的無功功率損耗△Qx,線路電納中的無功功率損耗△Qb?！鱍b屬容性,如將其作感性無功功率論處,則應(yīng)具有負(fù)值。因此,△Q∑可分解為:

△Q∑=△Qr +△Qx -△Qb

根據(jù)平衡關(guān)系,定期作無功功率平衡計(jì)算的內(nèi)容是:

A.參考累積的運(yùn)行資料確定未來的、有代表性的預(yù)想有功功率日負(fù)荷曲線。

B.確定出現(xiàn)無功功率日最大負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷的分配。

C.假設(shè)各無功功率電源的容量和配置情況以及某些樞紐點(diǎn)的電壓水平。

D.計(jì)算系統(tǒng)中的潮流分布

E.根據(jù)潮流分布情況,統(tǒng)計(jì)出平衡關(guān)系式中各項(xiàng)數(shù)據(jù),判斷系統(tǒng)中無功功率能否平衡。

F.如統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明系統(tǒng)中無功功率有缺額,則應(yīng)變更上列假設(shè)條件,重作潮流分布計(jì)算;而如無功功率始終無法平衡,則應(yīng)考慮增設(shè)無功電源的方案?！?/p>

(編輯/丹桔)