关于电力系统电压与无功补偿问题探讨

       摘要：在电力系统中存在许多的感性负荷和非线性装置，这些负荷需要消耗大量的无功功率。无功功率对电网具有严重的影响。为了确保电网的电压质量，降低网损，保持电压稳定，这就需要控制其管辖范围内的各级变电站，使电网的电压合格，并实现无功就地平衡。本文阐述了无功功率补偿概念，电压无功功率控制应具有的主要设备，以及电压无功功率的控制对策进行了探讨。

　　关键词：电力系统　无功功率　变电站　分层平衡

　　电力系统中无功补偿对电力系统的重要性越来越受到重视，合理地投停使用无功补偿设备，对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。如果系统无功电源不足，则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。同样，如果由于电网缺乏调节手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩，也会造成整个电网的运行电压过高。因此，要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗。

　　一、无功功率就地补偿的概念

　　无功补偿装置的分布，首先要考虑调压的要求，满足电网电压质量指标。同时，也要避免无功功率在电网内的长距离传输，减少电网的电压损耗和功率损耗。无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡，就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置。这既是经济上的需要，也是无功电力特征所必需的，如果不这样做，就达不到最佳补偿的目的，解决不了无功电力就地平衡的问题。

　　二、无功功率的平衡

　　在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，当有功负荷与有功电源出力相平衡时，频率就正常，达到额定值50Hz，而当有功负荷大于有功出力时，频率就下降，反之，频率就会上升。电压与无功功率也和频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多，大体上有以下几点：

　　2.1在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样的。当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，如果无功不是处于平衡状态时，那么情况就更复杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。

　　2.2压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，称为“无功损耗”，一般来说，这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的，我们以一台50MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。

　　变压器的参数为：Ue=110kV，Se=50MVA，Uk％=17％，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：
　　Q=SeUk％(I／Ie)2
　　式中I—变压器的负荷电流；
　　Ic—变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变JE器的额定容量及短路阻抗有关。
　　如果这台变压器满负荷运行，那么它的无功损耗就是：Q=50MVA×17％=8.5Mvar
　　此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。

　　2.3无功功率不宜远距离输送，当输送功率与传送距离达到一定极限时，其传送功率成为不可能，这是由于超高压等级的变压器、线路电抗较大，其无功损耗Q=I2X相应也很大，所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。另外，传送大量的无功功率时，线路电压损失也相当大，同样会造成无法传送的结果。

       三、各种无功补偿设备及补偿方式

　　3.1同步调相机
　　同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。

　　调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低，调相机可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。电容器输出无功功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当电压下降10％，变为0.9Ue时，电容器输出的无功功率变为0.81Q，即其输出的无功功率将下降19％，所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。

　　3.2并联电容器
　　作为无功补偿设备，电容器有以下显着优点：电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02％左右。调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2％～30％，大大高于电容器；电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。调相机为旋转电机，运行维护很复杂；并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90％的无功补偿设备是并联电容器。

　　3.3并联电抗器
　　并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避免电网运行电压过高。为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。

　　在无功电源充裕的系统中，应该大力推广有载调压变压器，这是在各种运行方式下保证电网电压质量的关键手段之一。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，电网负荷的峰谷差也越来越大，线路、变压器上高峰负荷与低谷负荷产生的电压损耗的差别，已经大到无法仅仅用发电机调压或无功补偿的方法来满足两种运行方式下用户电压的要求了，其结果不是高峰负荷时用户电压太低，就是低谷负荷时电压太高。在这种情况下，输电系统中的一级变压器或多级变压器，采用有载调压是保证用户电压质量最有效的办法。

　　参考文献：
　　[1]蔡学敏，蔡益宇.浅谈变电站VQC装置应用中存在的问题及对策浙江电力，2005
　　吴钟飞，刘涤尘.电压无功功率控制装置在变电站中的应用.广东电力，2005