無功功率平衡的概念

文章摘要：如同有功功率平衡一樣，電力系統的無功功率在每一刻也必須保持平衡。 在電力系統中，頻率與有功功率是一對統一體，當有功負荷與有功電源出力相平衡時，頻率就正常，達到額定值50Hz，而當有功負荷大于有功出力時，頻率就下降，反之，頻率就會上升。電壓與無功

如同有功功率平衡一樣，電力系統的無功功率在每一刻也必須保持平衡。  
在電力系統中，頻率與有功功率是一對統一體，當有功負荷與有功電源出力相平衡時，頻率就正常，達到額定值50Hz，而當有功負荷大于有功出力時，頻率就下降，反之，頻率就會上升。電壓與無功功率也和頻率與有功功率一樣，是一對對立的統一體。當無功負荷與無功出力相平衡時，電壓就正常，達到額定值，而當無功負荷大于無功出力時，電壓就下降，反之，電壓就會上升。  
但是，需要說明的是電壓與無功功率之間的關系要比頻率與有功功率之間的關系復雜得多，大體上有以下幾點：  
①              在一個并列運行的電力系統中，任何一點的頻率都是一樣的，而電壓與無功電力卻不是這樣
的。 
當無功功率平衡時，整個電力系統的電壓從整體上看是會正常的，是可以達到額定值的，即便是如此，也是指整體上而已，實際上有些節點處的電壓并不一定合格，如果無功不是處于平衡狀態時，那么情況就更復雜了，當無功出力大于無功負荷時，電壓普遍會高一些，但也會有個別地方可能低一些，反之，也是如此。  
②系統需要的無功功率遠遠大于發電機所能提供的無功出力，這是由于現代超高壓電網包括各級變壓器和架空線路在傳送電能時需要消耗大量的無功，稱為"無功損耗"，一般來說，這些無功損耗與整個電網中的無功負荷的大小是差不多的，我們以一臺50MVA的110kV變壓器為例來了解變壓器在運行中的無功損耗情況。  
變壓器的參數為：Ue = 110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，變壓器在傳送電能時的無功損耗的計算式為：  
Q = SeUk%(I/Ie)2
  
式中 I--變壓器的負荷電流；  
   Ie--變壓器的額定電流，與變壓器的無功損耗與變壓器的負載率、變壓器的額定容量及短路阻抗有關。  
如果這臺變壓器滿負荷運行，那么它的無功損耗就是：Q = 50MVA×17%=8.5Mvar  
此時變壓器的無功損耗相當大，其低壓側安裝的并聯電容器組的容量甚至不夠補償變壓器滿負荷時的無功損耗。  
③無功功率不宜遠距離輸送，當輸送功率與傳送距離達到一定極限時，其傳送功率成為不可能，這是由于超高壓等級的變壓器、線路電抗較大，其無功損耗Q = I2
X相應也很大，所輸送的無功功率均損耗在變壓器及線路上了。另外，傳送大量的無功功率時，線路電壓損失也相當大，同樣會造成無法傳送的結果。  
合理的就地無功補償對調整系統電壓、降低線損有十分重要的作用。  
設有一條110kV線路選用LG-300型導線(導線電阻0.095W/km)線路全長20km，輸送有功功率30MW，無功功率40Mvar，下面分別計算在功率因數cosf = 0.6和0.9時線路的功率損耗和應補償的無功功率。本題只計算導線電阻的功率損耗，不考慮其它因素。  
1)在cosf = 0.6時，此時有功P = 30MW，無功Q = 40Mvar，視在功率S = 50MVA，電流I = S/U = 50MVA/(110kV×31/2
) = 263A，功率損耗P = I2
·R = 2632
×0.095×20×3 = 394kW。  
2) 在cosf = 0.9時，此時有功功率P = 30MW，視在功率S = 33.333MVA，無功功率Q = 14.528Mvar，I = S/U = 33.333MVA/(110kV×31/2
) = 175A，功率損耗 P = I2
·R = 1752
×0.095×20×3 = 175kW。應補償無功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。  
補償前后有功損耗相差219kW。由計算結果可知補償無功功率25.472Mvar后每小時可降低線損219kWh。  
無功補償對電力系統的重要性越來越受到重視，合理地投停使用無功補償設備，對調整電網電壓、提高供電質量、抑制諧波干擾、保證電網安全運行都有著十分重要的作用。  
無功補償裝置的合理使用可以給供電企業帶來巨大的經濟效益。對于像北京電力公司這樣的大企業來說，線損每降低0.1個百分點，就可以增加上千萬元收入。  
從根本上說，要維持整個系統的電壓水平，就必須有足夠的無功電源來滿足系統負荷對無功功率的需求和補償線路和變壓器中的無功功率損耗。  
如果系統無功電源不足，則會使電網處于低電壓水平上的無功功率平衡，即靠電壓降低、負荷吸收無功功率的減少來彌補無功電源的不足。同樣，如果由于電網缺乏調節手段或無功補償元件的不合理運行使某段時間無功功率過剩，也會造成整個電網的運行電壓過高。  
我國電網曾在20世紀70年代由于缺乏無功功率補償設備而長期處于低電壓運行狀態。有些地方想用調節變壓器分接頭的辦法來解決本地區電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價的，因為總的無功電源不足，局部地區電壓升高無功負荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調節變壓器分接頭的結果，不僅沒能提高負荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個系統低電壓問題更加嚴重。在這種情況下，首要的問題應該是增加無功功率補償設備。  
低壓運行同時對電網安全帶來巨大危害，系統穩定性差，十分脆弱，經受不起事故異常及負荷強烈變化對系統的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統瓦解的后果，國內外均有此先例。 


各種無功補償設備及補償方式:下面我們介紹各種無功功率補償設備及補償方式。 3.1同步調相機 同步調相機實質上是一種不帶機械負載的同步電動機，它是最早采用的一種無功補償設備，在并聯電容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺點是投資大，運行維護復雜。因此，許多國家不再新增

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