[科普中国]-功率平衡

简介

随着用电负荷的不断增加，供电公司确保供给用户的电压和其额定值的偏移不能超过规定的数值是电力系统运行调整的基本任务之一。电力系统的运行电压水平和无功功率的平衡有着密切的联系：系统的无功电源相对充足，系统就会有较高的运行电压水平，相反，无功不足就反映为运行电压水平较低。所以力求达到在额定电压下的系统无功功率的平衡。

系统频率是靠电力系统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗的有功功率总和之间的平衡来维持的。但是电力系统的负荷是时刻变化的，从而导致系统频率变化。

电力系统运行中随时都在经受着有功负荷变化的扰动。当机组负荷增大或减少时，引起转速下降或上升，造成交流电频率偏移正常值。如频率偏移过大，将影响工农、业产品的质量和产量，甚至造成设备损坏。严重时，甚至会造成系统频率崩溃，电厂解列，引起大面积停电。因此，电力系统要进行频率调整1。

有功功率平衡电力系统的有功功率消耗除了考虑用户的有功功率负荷外，还应考虑网络损耗和发电厂的厂用电负荷。也就是说系统发电机的总容量应不小于用户负荷、网络损耗和发电厂厂用电三部分之和。网络损耗由两部分组成，一部分称为不变损耗，主要是系统中变压器的冷载损耗；另一部分称为可变损耗，与负荷的平方

成正比。上述两部分之和构成网络总损耗，约为系统总负荷的6%—10%。

发电厂的厂用电消耗则与发电厂的类型有关。水电厂的厂用电很小，仅为最大负荷的0.1%—1%；火电厂的用电负荷则大得多，一般为5%—8%；核能电厂则为4%—5%。为了求取各发电机组的最小比耗量，需要画出各发电机组的耗量特性，即发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系曲线。如图1所示，耗量特性曲线上任意一点所对应的纵坐标表示发电设备单位时间内所消耗的能量，即火电厂所消耗的燃料F，水电厂所消耗的水量W。横坐标则以千瓦或兆瓦为单位表示发电机所发出的功率。

耗量特性曲线上某一点与坐标原点所连直线的斜率就是该点的比耗量。如果输入(纵坐标)和输出采用同样的单位，则比耗量的倒数正好就是发电设备的效率。(如图1)耗量特性曲线上某一点切线的斜率表示该点单位时间内输入能量的增量ΔF，与该点同一时间内输出功率增量ΔP之间的比值，称为该点的耗量微增率λ，即λ=ΔF/ΔP。

电力系统中各发电设备的有功功率负荷最优分配遵守一条著名的“等耗量微增率”准则，即当各发电没备的耗量微增率相等时，系统运行最为经济1。

无功功率平衡基本概念1.无功功率概念

在电力系统中，电感性负荷所占的比重很大。所以，我们先来分析纯电感电路的基本原理，再引入无功功率的基本概念。 在正半周期，瞬时功率为正，表示电感线圈从外电路吸收能量，转换成线圈的磁场能。
在负半周期，瞬时功率为负，表示电感线圈将磁场能转化为电能而送到外电路。此后，重复循环不止。这说明电力系统中的感性负荷与电源(发电机或上级系统变压器)之间有着能量交换的情况，而且足霞复循环不止的。
我们为了定量地分析这种能量交换的情况，将瞬时功率的最大值称为无功功率。它常用来表示电源向电感性负载所提供磁场能量的大小。这种能量的交换由电源流向负荷，再由负荷流向电源；用而复始，循环不止。这部分能量交换会影响到系统电源(如发电机)的有功出力，致使发电、输电和配电设施不能获得充分地利用，线路的损失也大大地增加，造成了大量的能源浪费2。

2.无功功率电荷与无功功率损耗
各种用电设备中，除相对很小的照明负荷消耗有功功率，为数不多的同步电动机可发生一部分大功功率外，大多数用电设备都要消耗无功功率。此外，电力系统中的变压器和电力线路也要消耗无功功率。

变电站的无功功率损耗分为两部分:励磁支路损耗和绕组阻抗中的损耗。其中，励磁支路损耗的百分数基本等于空载电流Jo的百分数。绕组中漏抗损耗，在变压器满载时、基本等于短路电压力的百分数。虽然一台变压器的大功功率损耗仅为变压器容量的百分之几到百分之十几。但是，电力系统中的电压是多级的，经过多级升降压，变压器中的无功功率损耗就相当可观。例如，对于五级变压的电网，根据典型计算表明，当变压器全都处于半载时的无功功率损耗总和相当于变压器负荷的30%以上。如果所有变压器都满载，则变压器的无功损耗相当于变压器负荷的50%以上。由此可见，变压器的无功损耗较有功损耗大得多。

电力线路与变压器不同。线路的串联电抗呈感性，即消耗无功功率；而并联电路，则呈容性，亦即作为无功功率电源出现。因此，电力线路究竟是消耗无功功率还是补偿无功功率，就不能肯定1。

3.无功功率电源

同步发电机既能发出有功、也能发出无功。只有在电压、电流、功率因数都为额定值时、视在功率才能达到额定位。提高功率因数，无功功率容量减少，而有功功率由于受到电动机出力的限制不能多发，于是，视在功率减少。如果降低功率因数运行，有功功率减少，无功功率可以增加。但是无功功率的增加应以励磁电流不超过额定值作为限制条件，因此，视在功率有可能低于额定出力。

除了同步发电机外，可作为无功功率电源的还有调相机和电容器。调相机实质上就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。并联电容器只能向系统供应感性无功功率。电容器的优点是静止电器的安装，随意拆迁，投资比调相机少，因此被广泛采用。

4.无功功率平衡及作用

与有功功率平衡相似，系统中电源供应的无功功率(发电机供应的和补偿设备供应的)应等于负荷消费的无功功率和电闸中损耗的无功功率之和。在进行无功功率平衡时，要根据潮流分布情况，计算出系统中的无功电源出力、网络的无功功率损耗和无功负荷估计数值，比较数据，检查能否平衡。如无法平衡，则应变更无功功率电源配置方案。同时，系统中要配备一定数量的无功功率备用容量，以适应无功负荷变化的需要。优化无功功率电源的分布可以减少无功电流在电网中的流动，从而减少电网中的有功功率报耗，同时也降低了电网中的电压损失。和有功功率最优分布准则相似，无功功率电源的最优分布等网损微增率准则。

5.电力系统的电压偏移及调压方法

有功、无功负荷变动时，会引起系统电压偏离正常值。这种电压偏移可分为两类：

一类是冲击性的或间歇性的电压偏移；

另一类是周期长、波及面大的电压偏移。

引起冲击性电压偏移的设备主要有电弧炉、卷扬机、校复式泵、通风设备等。另一类电压偏移，其周期较长，波及面较大，是由于生产、生活、气候变化带来的，或者是由于个别设备退出运行或系统接线方式的变化引起的。为了监视电压变化，通常选择系统中有代表性的几个中枢点加以控制，并在若干有代表性的用电负荷受电端设置电压自动监测仪表，定时记录电压值，以便考核电压偏移是否超过允许范围1。

电压调整一、电力系统电压调整的必要性

电压是衡量电能质量的一个重要指标，但是在电力系统的正常运行中，用电负荷和系统运行方式是经常变化的，由此引起电压发生变化，不可避免地出现电压偏移，电压偏移过大，使供电质量降低，影响工农业生产的质量和产量，损坏电力设备，甚至引起系统性“电压崩溃”，造成大面积停电。

（一）电网电压偏低

1、电网电压偏低的原因。

部分供电网络结构不合理，特别是一些线路送电距离长，供电半径大，导线截面小，使线路末端电压降低。电网无功功率电源不足或无功补偿设备管理不善、检修不及时、经常停用等负荷功率因子，使无功平衡破坏，这是电压偏低的根本原因。变电站变压器分接头位置放置不合理，电网接线不合理，负荷过重，无功补偿装置较少，电力设备检修及线路故障等，都可使电网电压偏低。

2、电网电压偏低的危害。

对发电机的危害：发电机定子电流随其功率角的增大而增大。假设发电机在正常电压时定子电流为额定值，若系统电压降低，发电机仍要保持其出力，功率角就要增大，必然引起定子电流增大超过额定值。所以这种情况下，必须减少发电机的出力。

对异步电动机的危害：在电力系统的负荷中，异步电动机占很大的比例，如果电压降低，异步电动机的转差率将增大，从而电动机定子绕组中电流将随之增大，导致电动机温升增加，效率降低，寿命缩短。

对家用电器的危害：电网电压下降，引起电器功率下降，效率降低，减少使用寿命。如果电压太低，家用电器将不能启动。

对冶金等行业的危害：电路的有功功率与电压平方成正比，电路将因为电压过低而影响冶炼时间，可能导致产品不合格，甚至报废。电网电压偏低还可能造成电网振荡、系统解列、大面积停电，导致断水、断气、电讯中断，严重影响人民生活和社会安全。

（二）电网电压偏高

1、电网电压偏高的原因。

随着现代化电网的发展，大容量机组直接接入电网，以及 500kV 超高压线路的投入运行，其线路充电功率较大，每百公里充电功率（电容性无功功率）约10 万 Kvar，使 110kV ～ 500kV 超高压电网内无功过剩，使主网电压过高。

2、电网电压偏高的危害。

加速电气设备绝缘老化，降低电气设备的使用寿命。电压过高会造成变压器、电动机等铁芯饱和，铁损增大，温度上升，寿命降低；家用电器电压高出额定值 10% 寿命会减少使用寿命；电子设备各种电子阴极电压每增加 5%，阴极寿命减少一半。电网电压偏高还会影响产品质量，使生产出来的产品不合格，造成经济损失；使变压器等电气设备空载损耗增大，增加线损。电压的偏移过大不但会影响工农业生产，而且电压的波动也可能造成其它不良影响，例如由于电压波动引起的灯光闪烁会导致人的疲劳，损坏家用电器。

二、电压调整的方法与措施

（一）电压调整的方法有：逆调压方法、恒调压方法、顺调压方法。

1、逆调压：在电压允许偏差值范围内，通过对供电电压的调整，使电网高峰负荷时的电压值高于低谷负荷时的电压值的一种调压方式。

2、恒调压：如负荷变动较小，线路上的电压损耗也较小，则只要把中枢点的电压保持在较线路额定电压高 2%-5% 的数值，即不必随负荷变化来调整中枢点电压即可保证负荷点的电压质量，这种调压方式就称为：恒调压，或称：常调压。

3、顺调压：在电压允许偏差值范围内，通过对供电电压的调整，使电网高峰负荷时的电压值低于低谷负荷时的电压值的一种调压方式。

（二）电压调整的对策

1、经过改变发电机端的电压调压。

在各个调压的措施中，最直接、最为经济的对策是利用发电机来调压，由于这是一种不需要额外投资的调压对策，于是应该优先考虑使用。发电机调整端电压是经过调整励磁从而改变其无功功率的出力来完成的，现代的同步发电机可以在额定电压的 95% ～ 105% 范围内维持以额定功率的运行，也就是发电机保持同样出力的状况下，能够在 10% 范围内调节电压。在发电机不经过变压器升压就向用户提供电的简易系统中，假如线路不是非常长、线路上电压损耗不是很大的情况下，一般只通过改变发电机励磁，改变其母线电压就可以将电压调整到合格的范围。但是在发电机经过多级变压器变换电压向远方供电的情况下，末端电压随着负荷的改变可能产生 20% 的电压变化，单依靠发电机调压显然不能保证这部分用户的电能质量，可采用其他调压方式共同调节。

2、通过调整变压器档位分接头调整电压。

双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高中压绕组一般都有若干个分接头可供选择，通过选择不同的分接头，使变压器变比发生变化，从而达到调压目的。在无功充裕的系统中，运用各种类型的有载变压器调压方便、有效，而且有些负荷不采用有载调压变压器几乎就无法获得负荷需要的电能质量，中低压配电网中因为输电线路电阻较大，通过无功功率调压往往效果不够好，经常不得不采用具有分接头的有载调压变压器。但是只有当无功充足时，用改变变压器变比调压才会有效，当系统无功不足时，必须先增设无功补偿设备。若在无功不足时调节变压器分接头升压，可能引起整个系统电压的“崩溃”，因为节点电压平方与无功功率成正比，若该点电压升上去了，则该点所需要的无功会更多，最终导致整个系统的电压继续下降，导致电压“崩溃”。

3、通过补偿设备调压。

系统中无功功率不够充分时，需要考虑运用各种补偿设备进行调压。这些补偿设备可分为两类，即串联补偿和并联补偿。所谓串联补偿就是指串联电容器补偿，但是作为调压措施，串联补偿电容器由于设计、运行等方面的原因，目前应用比较少。

并联补偿指并联电容器、调相机、SVC 静止补偿器和 SVG 静止无功发生器。

并联电容器的优点：电容器可以根据需要连接成组，可以分组集中使用，又可以分散安装，就地提供无功，从而减少线路功率损耗和电压损耗；电容器还可以做到随电压波动分组投切，再加上电容器运行损耗小，投资费用低，因此，电容器仍是目前电网中应用最普遍的无功补偿设备。

并联电容器的缺点：电容器只能发出感性无功功率以提高节点电压，不能吸收无功功率来降低节点电压，因此，在低负荷时，应当切除节点上的部分至全部电容器。

调相机的优点：调相机的调压方式是借改变其励磁电流的大小来改变其供出或吸收的感性无功功率。在负荷较大时可以过励磁运行发出无功功率，在负荷较小时可以欠励磁运行吸收无功功率；可以通过调节调相机励磁，平滑地改变其无功功率的大小和方向，因此可以平滑地调节电压，既可以升压也可以降压；调相机还可以装设自动励磁调节装置，在电力系统电压变化时自动增减无功出力以维持系统电压，这对于提高电力系统运行的稳定性是有益的。

调相机缺点：调相机的有功功率损耗比较大，在满负荷运行的情况下，有功功率损耗可以占到其额定容量的 1.5% ～ 5%，而且调相机容量越小，有功损耗所占比重越大。此外，调相机是旋转设备，运行的维护量也比较大。

SVC 静止补偿器，静止补偿器是一种可控的动态无功补偿装置，其特点是将可控的电抗器与电容器并联使用，电容器发出无功，可控电抗器则可以吸收无功功率，根据无功负荷的变化情况进行调节，以保持母线电压的稳定。SVG 静止无功发生器，既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。特点是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿调整电压的目的。

4、适当增大导线半径。

部分电网都因为导线半径小电阻大而导致电网电压损耗太大。所以，加大导线半径是电网改造的重要内容。对于新架设线路的导线需要考虑一定的裕度，尤其对配网中低压线路，因其承受能力小容易出现过负荷过大。

5、组合调压。

顾名思义就是几种调压措施的组合。既然不同的调压措施都各有优缺点，应当综合采用各种调压措施，取长补短，才能达到最好的调压效果3。