稳态分析 第二节 电力系统无功功率与电压的调整.docVIP

第二节 电力系统无功功率与电压的调整 电压是衡量电能质量的重要指标，各种电气设备都是设计在额定电压下运行的，这样既安全又有最高的效率。 电力系统在正常运行时，由于网络中电压损耗的存在，当用电负荷变化或系统运行方式变化时，网络中的电压损耗也将发生变化，从而网络中的电压分布将不可避免地随之而发生变化。 图9-7 综合负荷的电压静态特性随着电力工业的发展，供电范围不断扩大，网络的电压损耗也增大，要使系统中各处的电压都在允许的偏移范围内，需要采取多种调压措施。电力系统的负荷由各种类型的用电设备组成，一般以异步电动机为主体。综合负荷的电压静态特性，即电压与负荷取用的有功功率和无功功率的关系如图9-7所示。分析负荷的电压静态特性可见，在额定电压附近，电压与无功功率的关系比电压与有功功率的关系密切得多，表现为无功功率对电压具有较大的变化率，所以分析系统运行的电压水平应从系统的无功功率分析入手。 图9-7 综合负荷的电压静态特性 一、电力系统的无功功率平衡 1．无功电源 电力系统的无功电源有发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器等。 同步发电机不仅是电力系统唯一的有功电源，也是电力系统的主要无功电源。当发电机处于额定状态下运行时，发出的无功功率为 QGN=SGNsinφN=PGNtgφN （9-6） 式中，SGN——发电机的额定视在功率； PGN——发电机的额定有功功率； QGN——发电机的额定无功功率； φN——发电机的额定功率因数角。 现在以图9-8所示的汽轮发电机有功与无功功率出力图为例来分析发电机在非额定功率因数下运行时，可能发出的无功功率。图中代表发电机额定电压，为发电机额定定子电流，它滞后于一个额定功率因数角φN。代表在发电机电抗Xd上引起的电压降，正比于定子额定电流，所以亦正比于发电机的额定视在功率SGN。这样，图9-8 发电机有功与无功功率的出力图C点表示了发电机的额定运行点。而在纵坐标和横坐标上的投影分别正比于发电机的额定有功功率PGN和额定无功功率QGN。为发电机电势，它正比于发电机的额定激磁电流。 图9-8 发电机有功与无功功率的出力图 当改变功率因数运行时，受转子电流不能超过额定值的限制，发电机运行不能越出以O为圆心，以为半径的圆弧；受定子电流不能超过额定值（正比于额定视在功率）的限制，发电机运行不能越出以A为圆心，以为半径的圆弧；此外，发电机有功出力还要受汽轮机出力的限制，发电机运行不能越出水平线。从对图9-8的分析可知，当发电机运行于段时，发电机发出的无功功率低于额定运行情况下的无功输出；而当发电机运行于段时，发电机可以在降低功率因数、减少有功输出的情况下多发无功功率；只有在额定电压、额定电流和额定功率因数（即C点）下运行时，发电机的视在功率才能达到额定值，其容量也利用得最充分。当系统中有功功率备用容量较充裕时，可使靠近负荷中心的发电机在降低有功功率出力的条件下运行，从而可多发无功功率，改善系统的电压质量。 分析图9-8中由组成的发电机电势相量图，可以得出发电机的无功输出与电压的关系。 由 可得 （9-7） 又由 可得 （9-8） 由式（9-36）解出sinδ，考虑到，当P为一定值时，得 图9-9 无功与电压静态特性曲线1-发电机无功与电压的静特性；2-异步电动机无功与电压的静特性 图9-9 无功与电压静态特性曲线 1-发电机无功与电压的静特性； 2-异步电动机无功与电压的静特性 由上式可见，当电势E为一定值时，Q同U的关系，是一条向下开口的抛物线，如图9-9曲线1所示。 同步调相机是专门设计的无功功率发电机，其工作原理又相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时，同步调相机向系统输送无功功率，欠励磁运行时，它从系统吸收无功功率。所以，通过调节调相机的激磁可以平滑地改变其输出的无功功率的大小和方向。由于同步调相机主要用于发出无功功率，它在欠励磁运行时的容量仅设计为过励磁运行时容量的50%~60%。调相机一般装在接近负荷中心处，直接供给负荷无功功率，以减少传输无功功率所引起的电能损耗和电压损耗。调相机的无功功率与电压静特性与发电机相似。 电力电容器并接于电网，它供给的无功功率与其端电压的平方成正比。 （9-10） 式中，U——电容器所接母线的电压； XC——电容器的容抗，XC=1/（ωC）。 和电容器相