試論電力系統的無功功率和電壓控制
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汪穎翔 馮煒 王欣1由 分享
論文關鍵詞：電力系統 無功功率 電壓控制
論文摘要：電壓是衡量電能質量的一個重要指標。電力系統中各種用電設備只有在電壓為額定值時才有最好的技術和經濟指標。但是在電力系統的正常運行中，用電負荷和系統運行方式是經常變化的，由此引起電壓發生變化，不可避免地出現電壓偏移。而電力系統的運行電壓水平取決于無功功率的平衡，系統中各種無功電源的無功功率輸出應能滿足系統負荷和網絡損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則就會偏離額定值。
1、前言
總體來說，電力系統有效和可靠的運行，電壓和無功功率的控制應滿足以下目標：
1.1系統中有所有裝置的在端電壓應在可接受的限制內。
1.2為保證最大限度利用輸電系統，應加強系統穩定性。
1.3應使無功功率傳輸最小，以使得RI2和XI2損耗減小到最小。
當負荷變化時，輸電系統的無功功率的要求也要變化。由于無功功率不能長距離傳輸，電壓只能通過遍布整個系統的具體裝置來進行有效控制。
2、無功功率的產生和吸收
同步發電機可以產生或吸收無功功率，這取決于其勵磁情況。當過勵時產生無功功率，當欠勵時吸收無功功率。
架空線路產生或吸收無功功率取決于負荷電流。當負荷低于自然負荷（波阻抗），線路產生純無功功率；當高于自然負荷時，線路吸收無功功率。
地下電纜，由于它們對地電容較大，因此具有較高的自然負荷。它們通常工作在低于自然負荷情形下，因此在所有運行條件下總發生無功功率。
變壓器不管其負載如何，總是吸收無功功率。空載時，起主要作用的是并聯激勵電抗；滿載時，起主要作用的是串聯漏抗。
負荷通常吸收無功功率。由電力系統的供電的典型負荷節點由許多裝置所組成。這種組成隨日期、隨季節和氣候的變化而不同。通常負荷節點的負荷特性是吸收無功功率的，復合負荷的有功功率和無功功率都是電壓幅值的函數。具有低的滯后功率因數的負荷使傳輸網絡有大的電壓降落，因而供電也不經濟，對于工業用戶，無功功率通常和有功功率一樣要計費，這就鼓勵企業通過使用并聯電容器來提高負荷功率因數。
3、無功功率的補償
3.1無功功率不足的危害：交流電力系統需要電源供給兩部分能量：一部分將用于做功而被消耗掉，這部分稱為“有功功率”；另一部分能量是用來建立磁場，用于交換能量使用的，對于外部電路它并沒有做功，稱為“無功功率”，無功是相對于有功而言，不能說無功是無用之功，沒有這部分功率，就不能建立磁場，電動機，變壓器等設備就不能運轉。其物理意義是：電路中電感元件與電容元件正常工作所需要的功率交換。無功功率不足，無功電源和無功負荷將處于低電壓的平衡狀態，將給電力系統帶來諸如出力不足，電力系統損耗增加，設備損壞等一系列的損害，甚至可能引起電壓崩潰事故，造成電網大面積停電。
3.2無功補償原理：在交流電路中，純電阻元件中負載電流與電壓同相位，純電感負載中電流之后電壓九十度，純電容負載中電流超前電壓九十度，也就是說純電容中電流和純電感中的電流相位差為180度，可以互相抵消，即當電源向外供電時，感性負荷向外釋放的能量由榮幸負荷儲存起來；當感性負載需要能量時，再由榮幸負荷向外釋放的能量來提供。能量在兩種負荷間相互交換，感性負荷所需要的無功功率就可由容性負荷輸出的無功功率中得到補償，實現了無功功率就地解決，達到補償的目的。
3.3無功補償的三種形式：
3.3.1集中補償
集中補償就是把電容器組集中安裝在變電所的二次側的母線上或配電變壓器低壓母線上，這種補償方式，安裝簡便，運行可靠，利用率高，但當電氣設備不連續運轉或輕負荷時，又無自動控制裝置時，會造成過補償，使運行電壓升高，電壓質量變壞。季節性用電較強，空載運行較長又無人值守的配電變壓器不宜采用。
3.3.2分散補償
分散補償是將電容器組分組安裝在車間配電室或變電所個分路的出線上，形成抵押電網內部的多組分散補償方式，它能與工廠部分負荷的變動同時投切，適合負荷比較分散的補償場合，這種補償方式效果較好，且補償方式靈活，易于控制。
3.3.3個別補償
個別補償是對單臺用電設備所需無功就近補償的方法，把電容器直接接到單臺用電設備的同一電氣回路，用同一臺開關控制，同時投運或斷開，俗稱隨機補償。這種補償方法的效果最好，它能實現就地平衡無功電流，又能避免無負荷時的過補償，是農網中隊異步電動機進行補償的常用方法。
3.4無功補償設備
根據補償的效果而言，電容器可以補償負荷側的無功功率，提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量。電抗器可以吸收電網多余的線路充電功率，改善電網低谷負荷時的運行電壓，減少發電機的進相運行深度，提高電網運行性能。
3.4.1無源補償設備裝置
并聯電抗器，并聯電容器和串聯電容器。這些裝置可以是固定連接式的或開閉式的，無源補償設備僅用于特性阻抗補償和線路的阻抗補償，如并聯電抗器用于輸電線路分布電容的補償以防空載長線路末端電壓升高，并聯電容器用來產生無功以減小線路無功輸送，減小電壓損失；串聯電容器可用于長線路補償等。電力系統變電站內廣泛安裝了無功補償電容器，用來就地無功平衡，減少線損，提高電壓水平。
3.4.2有源補償裝置
通常為并聯連接式的，用于維持末端電壓恒定，能對連接處的微小電壓偏移做出反應，準確地發出或吸收無功功率的修正量。如用飽和電抗器作為內在固有控制，用同步補償器和可控硅控制的補償器作為外部控制的方式。
4、結束語
無功補償對提高功率因數，改善電壓質量，降損節能、提高供電設備的出力都有很好的作用。只要依靠科技進步，加大資金投入，優化無功補償配置，實現無功的動態平衡是完全可能的。
參考文獻：
[1] PRABHA KUNDUR 著.電力系統的穩定與控制[M]．中國電力出版社．
[2]劉婭.變電站無功補償分析 [M]．行業透視．
[3]韓磊.電力系統無功補償綜述[M]．中國新技術新產品．
論文摘要：電壓是衡量電能質量的一個重要指標。電力系統中各種用電設備只有在電壓為額定值時才有最好的技術和經濟指標。但是在電力系統的正常運行中，用電負荷和系統運行方式是經常變化的，由此引起電壓發生變化，不可避免地出現電壓偏移。而電力系統的運行電壓水平取決于無功功率的平衡，系統中各種無功電源的無功功率輸出應能滿足系統負荷和網絡損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則就會偏離額定值。
1、前言
總體來說，電力系統有效和可靠的運行，電壓和無功功率的控制應滿足以下目標：
1.1系統中有所有裝置的在端電壓應在可接受的限制內。
1.2為保證最大限度利用輸電系統，應加強系統穩定性。
1.3應使無功功率傳輸最小，以使得RI2和XI2損耗減小到最小。
當負荷變化時，輸電系統的無功功率的要求也要變化。由于無功功率不能長距離傳輸，電壓只能通過遍布整個系統的具體裝置來進行有效控制。
2、無功功率的產生和吸收
同步發電機可以產生或吸收無功功率，這取決于其勵磁情況。當過勵時產生無功功率，當欠勵時吸收無功功率。
架空線路產生或吸收無功功率取決于負荷電流。當負荷低于自然負荷（波阻抗），線路產生純無功功率；當高于自然負荷時，線路吸收無功功率。
地下電纜，由于它們對地電容較大，因此具有較高的自然負荷。它們通常工作在低于自然負荷情形下，因此在所有運行條件下總發生無功功率。
變壓器不管其負載如何，總是吸收無功功率。空載時，起主要作用的是并聯激勵電抗；滿載時，起主要作用的是串聯漏抗。
負荷通常吸收無功功率。由電力系統的供電的典型負荷節點由許多裝置所組成。這種組成隨日期、隨季節和氣候的變化而不同。通常負荷節點的負荷特性是吸收無功功率的，復合負荷的有功功率和無功功率都是電壓幅值的函數。具有低的滯后功率因數的負荷使傳輸網絡有大的電壓降落，因而供電也不經濟，對于工業用戶，無功功率通常和有功功率一樣要計費，這就鼓勵企業通過使用并聯電容器來提高負荷功率因數。
3、無功功率的補償
3.1無功功率不足的危害：交流電力系統需要電源供給兩部分能量：一部分將用于做功而被消耗掉，這部分稱為“有功功率”；另一部分能量是用來建立磁場，用于交換能量使用的，對于外部電路它并沒有做功，稱為“無功功率”，無功是相對于有功而言，不能說無功是無用之功，沒有這部分功率，就不能建立磁場，電動機，變壓器等設備就不能運轉。其物理意義是：電路中電感元件與電容元件正常工作所需要的功率交換。無功功率不足，無功電源和無功負荷將處于低電壓的平衡狀態，將給電力系統帶來諸如出力不足，電力系統損耗增加，設備損壞等一系列的損害，甚至可能引起電壓崩潰事故，造成電網大面積停電。
3.2無功補償原理：在交流電路中，純電阻元件中負載電流與電壓同相位，純電感負載中電流之后電壓九十度，純電容負載中電流超前電壓九十度，也就是說純電容中電流和純電感中的電流相位差為180度，可以互相抵消，即當電源向外供電時，感性負荷向外釋放的能量由榮幸負荷儲存起來；當感性負載需要能量時，再由榮幸負荷向外釋放的能量來提供。能量在兩種負荷間相互交換，感性負荷所需要的無功功率就可由容性負荷輸出的無功功率中得到補償，實現了無功功率就地解決，達到補償的目的。
3.3無功補償的三種形式：
3.3.1集中補償
集中補償就是把電容器組集中安裝在變電所的二次側的母線上或配電變壓器低壓母線上，這種補償方式，安裝簡便，運行可靠，利用率高，但當電氣設備不連續運轉或輕負荷時，又無自動控制裝置時，會造成過補償，使運行電壓升高，電壓質量變壞。季節性用電較強，空載運行較長又無人值守的配電變壓器不宜采用。
3.3.2分散補償
分散補償是將電容器組分組安裝在車間配電室或變電所個分路的出線上，形成抵押電網內部的多組分散補償方式，它能與工廠部分負荷的變動同時投切，適合負荷比較分散的補償場合，這種補償方式效果較好，且補償方式靈活，易于控制。
3.3.3個別補償
個別補償是對單臺用電設備所需無功就近補償的方法，把電容器直接接到單臺用電設備的同一電氣回路，用同一臺開關控制，同時投運或斷開，俗稱隨機補償。這種補償方法的效果最好，它能實現就地平衡無功電流，又能避免無負荷時的過補償，是農網中隊異步電動機進行補償的常用方法。
3.4無功補償設備
根據補償的效果而言，電容器可以補償負荷側的無功功率，提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量。電抗器可以吸收電網多余的線路充電功率，改善電網低谷負荷時的運行電壓，減少發電機的進相運行深度，提高電網運行性能。
3.4.1無源補償設備裝置
并聯電抗器，并聯電容器和串聯電容器。這些裝置可以是固定連接式的或開閉式的，無源補償設備僅用于特性阻抗補償和線路的阻抗補償，如并聯電抗器用于輸電線路分布電容的補償以防空載長線路末端電壓升高，并聯電容器用來產生無功以減小線路無功輸送，減小電壓損失；串聯電容器可用于長線路補償等。電力系統變電站內廣泛安裝了無功補償電容器，用來就地無功平衡，減少線損，提高電壓水平。
3.4.2有源補償裝置
通常為并聯連接式的，用于維持末端電壓恒定，能對連接處的微小電壓偏移做出反應，準確地發出或吸收無功功率的修正量。如用飽和電抗器作為內在固有控制，用同步補償器和可控硅控制的補償器作為外部控制的方式。
4、結束語
無功補償對提高功率因數，改善電壓質量，降損節能、提高供電設備的出力都有很好的作用。只要依靠科技進步，加大資金投入，優化無功補償配置，實現無功的動態平衡是完全可能的。
參考文獻：
[1] PRABHA KUNDUR 著.電力系統的穩定與控制[M]．中國電力出版社．
[2]劉婭.變電站無功補償分析 [M]．行業透視．
[3]韓磊.電力系統無功補償綜述[M]．中國新技術新產品．