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1、 CHENGNAN COLLEGE OF CUST 毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目题目：电力系统无功功率控制的研究电力系统无功功率控制的研究 学生姓名：学生姓名：唐唐 嘉嘉 键键 学学 号：号：200782250221200782250221 班班 级级:258210702258210702 专专 业：业：电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导教师：指导教师：罗罗 玉玉 雄雄 20201111 年年 6 6 月月 电力系统无功功率控制的研究 学生姓名学生姓名：唐唐 嘉嘉 键键 学学 号：号：200782250221200782250221 班班 级：级：258210702258210
2、702 所在院所在院(系系):电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导教师指导教师：罗罗 玉玉 雄雄 完成日期完成日期:20112011 年年 6 6 月月 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 电气与信息工程 学院 电气工程及其自动化 专业 258210702 班 题 目 电力系统无功功率控制的研究 任务起止日期：2011 年 3 月 日 2011 年 6 月 日 学 生 姓 名 唐 嘉 键 学 号 200782250221 指 导 教 师 罗 玉 雄 教研室主任 年 月 日审查 院 长 年 月 日批准 一、一、毕业设计（论文）任务毕业设计（论文）任务 课题内容：无功功率是电力系统
3、设计和运行中的一个重要因素。为了传输有功功率，要求送电端和受电端的电压之间有相角差；而为了传输无功功率，则要求这两端的电压之间有一幅值差，故必须控制电网中各中枢点的电压。这种控制很大程度上由供给和消耗这些点的无功功率来实现，因此无功功率的控制对系统的电压质量、安全稳定有非常重要的现实意义。课题任务要求：1研究无功功率控制的意义、目的。2无功功率控制的理论分析。3无功功率控制的计算。4无功功率控制的补偿理论。5无功功率控制的方法和措施。6无功功率控制国内外发展动态。课题完成后应提交的资料（或图表、设计图纸）：1、开题报告 2、外文翻译 3、毕业论文（中、英文摘要，正文）4、毕业论文进程日记本 5
4、、毕业论文资料袋(内有：毕业论文装订件一份，毕业论文进程日记本一本，毕业设计（论文）成绩评定册一份)主要参考文献与外文翻译文件（由指导教师选定）：1 陈珩电力系统稳态分析M北京：中国电力出版社，1995：243-285 2 张元明基于原对偶内点法的二次电压无功功率优化J东南大学学报，1998，28(2)：51-56 3 刘宏超，彭建春，李生伟，欧阳征武 电力系统无功功率控制与优化综述J 电测与仪表，2004，41(460)：1-3 4 罗一钟电力系统无功功率平衡的重要性J煤矿现代化，2004，(1)：61-63 5 王先伦，李霞，宋守云无功补偿在电力系统中的具体运用J河南机电高等专科学校学报，
5、1999，7(1)：24-26 6 张玉屏电压与无功功率的控制策略J湖南电力，1998，(3)：17-20 7 王正风，徐先勇 浅谈电力系统的无功优化和无功补偿J 合肥工业大学学报，2002，(3)：9-13 8 柴群梅，张郎博无功和无功补偿及其计量J工业计量，1999，(3)：35-37 9 孙元章，王志芳，卢强静止无功补偿器对电压稳定性的影响J中国电机工程学报，1997，17(6)：373-376 10 张建成，律方成，陈志业，赵宇华电力系统无功补偿容量最优分布数值算法的研究J电工技术学报，1999，14(6)：52-55 11 Li Gengyin，Zhou Ming，Yang Juan
6、，Sun Liying Research on Procurement Strategy Of Reactive Power as Auxiliary Service in Power MarketsJIEEE Intemational Conference on Electric Utility Deregulation Restructuring and Power Technologies，2004，(8)：349-354.12 Jianxue Wang，Weichao Wang，Xifan Wang，Haoyong Chen，Xiuli Wang Cooperative Co-evol
7、utionary Approach Applied in Reactive Power Optimization of Power SystemJICNC，2006，1：620-628.同组设计者 注：1.此任务书由指导教师填写。如不够填写，可另加页。2.此任务书最迟必须在毕业设计（论文）开始前一周下达给学生。3.此任务书可从教务处网页表格下载区下载 二、毕业设计（论文）工作进度计划表二、毕业设计（论文）工作进度计划表 序序号号 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）工文）工 作作 任任 务务 工工 作作 进进 度度 日日 程程 安安 排排 周周次次 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6
8、6 7 7 8 8 9 9 1010 1111 1212 1313 1414 1515 1616 1717 1818 1919 2020 1 搜集资料 2 认真撰写开题报告，翻译一篇与所要撰写的设计课题相近的英文论文成中文 3 研究无功功率控制的意义、目的 4 研究无功功率控制的理论分析 5 无功功率控制的计算 6 无功功率控制的补偿理论 7 无功功率控制的方法和措施 8 整理及答辩 注：1.此表由指导教师填写；2.此表每个学生人手一份，作为毕业设计（论文）检查工作进度之依据；3.进度安排请用“一”在相应位置画出。三、学生完成毕业设计（论文）阶段任务情况检查表三、学生完成毕业设计（论文）阶段任
9、务情况检查表 时间 第 一 阶 段 第 二 阶 段 第 三 阶 段 内容 组织纪律 完成任务情况 组织纪律 完成任务情况 组织纪律 完成任务情况 检 查 记 录 教师 签字 签字 日期 签字 日期 签字 日期 注：1.此表应由指导教师认真填写。阶段分布由各学院自行决定。2.“组织纪律”一档应按长沙理工大学学生学籍管理实施办法精神，根据学生具体执行情况，如实填写。3.“完成任务情况”一档应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。包括优点，存在的问题与建议 4.对违纪和不能按时完成任务者，指导教师可根据情节轻重对该生提出忠告并督促其完成。四、学生毕业设计（论文）装袋要求：四、学生毕业设计（论文
10、）装袋要求：1.毕业设计（论文）按以下排列顺序印刷与装订成一本（撰写规范见教务处网页）。(1)封面 (2)扉 页(3)毕业设计（论文）任务书 (4)中文摘要 (5)英文摘要 (6)目录 (7)正文 (8)参考文献(9)致谢 (10)附录（公式的推演、图表、程序等）(11)附件 1：开题报告（文献综述）(12)附件 2：译文及原文影印件 2.需单独装订的图纸（设计类）按顺序装订成一本。3.修改稿（经、管、文法类专业）按顺序装订成一本。4.毕业设计(论文)成绩评定册一份。5论文电子文档由各学院收集保存。学生送交全部文件日期 学生（签名）指导教师验收（签名）电力系统无功功率控制的研究 电力系统无功功
11、率控制的研究 摘要 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要有发电机提供并且经过长距离传送时不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是我们所谓的无功补偿，结合电力系统现实状况进行合理的补偿措施达到
12、无功功率平衡，也就是此论文主要讨论的无功功率控制。关键词：电力系统；无功功率；无功补偿；功率平衡；电压 电力系统无功功率控制的研究 POWER SYSTEM REACTIVE POWER CONTROL RESEARCH ABSTRACT Combined with the practical situation of power system reasonably compensated measures to achieve reactive power balance,namely this paper mainly discuss the reactive power control.
13、Reactive power is important for power supply system and load operation.The resistance of the Power system network component are mainly inductive.Therefore,roughly speaking,in order to transport active power,it requires a certain phase difference between transmission side and receiving end and it can
14、 be achieved within a fairly wide range.But in order to transport the reactive power,it requires a amplitude difference between both end,this only realizated in a narrow range.Not only the most network components consumption reactive power,most load also need to consume reactive power.The reactive p
15、ower needed by Network components and load must be obtained from the network somewhere.Obviously,it is unreasonable and impossible if these reactive power all provieded by the generators and transport though a long distance.Reasonable methods should be produce reactive power where need to consume re
16、active power,this is what we call reactive power compensation,combined with the practical situation of power system and make reasonably compensated measures to achieve reactive power balance,this paper is mainly disscussed the reactive power control.Key words:power system;reactive power;reactive pow
17、er compensation;power balance;voltage 电力系统无功功率控制的研究 目 录 1 绪论.1 1.1 课题背景及目的1 1.2 国内外研究状况1 1.3 课题研究方法2 1.4 论文构成及研究内容2 2 无功功率.3 2.1 无功功率的基本概念及研究意义.3 2.1.1 单相正弦电路的无功功率和功率因数.4 2.1.2 三相正弦电路的无功功率和功率因数.6 2.2 无功功率对电力系统的影响.7 2.2.1 无功功率对有功功率的影响.7 2.2.2 无功功率对电压的影响.7 2.2.3 无功功率对线损的影响8 2.3 电力系统无功电源与无功负荷.8 2.3.1 电
18、力系统的无功电源.8 2.3.2 电力系统的无功负荷9 3 无功功率的控制理论 11 3.1 无功功率的平衡.11 3.2 无功功率电源的最优分布12 3.2.1 等网损微增率准则12 3.2.2 无功功率电源的最优分布14 3.3 无功功率负荷的最优补偿.15 3.3.1 最优网损微增率准则15 3.3.2 无功功率负荷的最优补偿16 4 无功功率的补偿.18 4.1 静态无功功率补偿18 4.1.1 并联电容器18 电力系统无功功率控制的研究 4.1.2 并联电抗器25 4.1.3 串联电容器26 4.1.4 串联电抗器.29 4.2 动态无功功率补偿32 4.2.1 基本概念.32 4.
19、2.2 动态无功功率补偿的主要功能.33 4.2.3 动态无功功率补偿的原理.34 4.2.4 动态无功功率补偿的主要类型.41 4.2.5 柔性交流输电系统与动态静止无功功率补偿.42 5 电力系统中电压无功功率的控制.46 5.1 无功功率的补偿与电压调整46 5.2 变电站电压无功控制的主要设备47 5.2.1 有载调压变压器.47 5.2.2 并联电容器.47 5.2.3 并联电抗器.48 5.3 变电站电压无功控制的原则和要求48 5.4 变电站电压无功控制的实现方式50 5.4.1 基于变电站自动化系统的电压无功功率综合控制(VQC)装置50 5.4.2 VQC 专用独立式成套设备
20、.51 5.4.3 半独立式VQC 控制方式51 5.5 结论52 6 无功功率补偿容量的计算.53 6.1 提高功率因素的方法及其特点53 6.2 固定补偿容量的计算54 6.2.1 补偿前平均功率因素.54 6.2.2 无功功率补偿容量55 6.2.3 补偿后平均功率因素.56 6.3 无功功率自动补偿58 6.3.1 无功功率补偿容量.58 6.3.2 补偿后功率因数.58 电力系统无功功率控制的研究 6.4 结论59 参考文献.61 致谢.62 电力系统无功功率控制的研究 第 1 页 共 63 页 1 绪论 1.1 课题背景及目的 国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负
21、荷的高速增长，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在不断提高，电力生产与供应企业都非常重视电力系统运行的稳定和经济性，而电力系统运行的经济性以及电能质量都与无功功率有着重大的关系。大量感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压下降，电能质量都不到保证，同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统的经济性。所以对电力系统无功功率控制的研究，其主要目的是使电力系统中无功功率平衡，降低线路损失，增加电网的传输能力，提高设备利用率，减少设备容量，改善电压质量，减少用户电费支出，提高电力系统运行的经济性和保证电能质量。1.2 国内外研究状况 无功功率
22、补偿装置接入系统的方式有两种：并联和串联。以并联方式接入系统的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿，以串联方式接入系统的无功功率补偿方式称为串联无功功率补偿。并联补偿方式因为接线简单，操作方便，对系统的可靠性影响小而广泛使用，串联补偿方式因为接线复杂，操作不方便，对系统可靠性影响大而使使用范围受到限制，一般是在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使用。从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统中应用，同步发电机可以看作是最早的并联补偿装置。随着电力系统的发展，各种并联补偿装置不断出现，如采用机械投切的电容器和电抗器；在发电机端口，采用机械投切的制动电阻。由于机械投切电容或电抗器会造成
23、较大的冲击，人们开始在负荷中心安装同步调相机，但是不能满足系统动态稳定的要求，因此在 20 世纪 70 年代，出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置和晶闸管控制的并联补偿装置，如 TSC，TSR,TCR 及综合装置 SVC，使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段。随着高压大容量可关断期间，如 IGBT，GTO，IGCT 器件的发展，20 世纪 80 年代出现了基于可判断器件的电压源或电流源变流器的并联补偿装 电力系统无功功率控制的研究 第 2 页 共 63 页 置，这种并联补偿装置成为完全可控的电压源或电流源，使得并联补偿装置的性能得到了较大的提升。20 世纪 90 年代以来，基于变流器的并联
24、补偿装置在输电系统和配电系统中获得了越来越广泛的应用。目前世界上几大著名的公司（如瑞士 ABB 公司，德国西门子公司，法国阿尔斯通公司，美国 GE 公司以及日本东芝，三菱等公司）都推出了基于变流器的并联补偿装置。我国清华大学也研制成功了基于变流器的20MvarSTATCOM装置，在河南电力系统运行。2003 年 8 月 14 日美国东部大停电及其后英国伦敦，瑞典等大停电，使人们进一步认识到电力系统安全稳定的重要性及我国京沪穗负荷中心潜在的安全稳定隐患，并联补偿提供的有功或无功补偿将在增强电力系统安全稳定性方面发挥不可替代的重要作用，因此用于输电和配电系统的并联补偿装置（如 SVC,STATCO
25、M 装置）将获得广泛的应用，这是并联补偿装置大量应用新的契机。1.3 课题研究方法 通过文献法，计算比较法，根据任务书要求，通过对搜集资料的研读，参考，对无功补偿装置的结构，原理，控制与应用方面进行比较，计算，对电力系统无功功率控制进行深入的了解，对无功补偿装置的透彻了解，对电力系统无功功率进行最合理的分配，达到最好的经济型和稳定性 1.4 论文构成及研究内容 此论文主要研究以下几个方面的内容（1）研究无功功率控制的意义、目的。（2）无功功率控制的理论分析。（3）无功功率控制的计算。（4）无功功率控制的补偿理论。（5）无功功率控制的方法和措施。（6）无功功率控制国内外发展动态。电力系统无功功率
26、控制的研究 第 3 页 共 63 页 2 无功功率 2.1 无功功率的基本概念及研究意义 无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。变化的磁场产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，这正是无功功率交换的规律。因此有磁场空间和电场空间才能存在无功功率产生的空间。在正弦电路中，无功功率的概念有清楚的物理意义，无功功率表示有能量交换，但不消耗功率，其幅值可作为能量交换的量度。传统是无功功率一般采用平均无功功率概念，它是电路中储能元件与电源间交换功率的最大值，也是储能元件与电源间交换能量的一种量度。在非正弦电路中，无功功率的概念却很抽象，并且至今未获得公认的无功功率定义。于是，在非正弦波情况下
27、，有关平均无功功率的定义有两种学派：一种学派是依据Budeanu的定义，采用频域分析法；另一种学派是依据Fryze的定义，采用时域分析法。近年来，国内外学者又提出了广义平均无功功率、瞬时无功功率以及广义瞬时无功功率的概念。近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。因此无功功率对电力系统是十分重要的，研究无功功率具有重要的现实意义，归纳如
28、下：（1）研究无功功率，可以解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列技术问题，主要有：无功功率静态稳定问题；电容性无功功率引起的发电机自励磁问题；因潜供电流引起的单相快速自动重合闸电弧不能熄灭问题；冲击性无功负荷的调节问题；无功功率中的高次谐波公害和闪变问题；跟随馈电系统引起的负荷功率因数的变化与改善问题。（2）研究无功功率可以促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。一个10GW的电力系统，如果无功功率问题处理得好，每年从这个电网的发电厂、变电所、用户中节约的电能超过10亿KWh，并且可以减少系统中200300MW容量的输变电设备。（3）研究无功功率，掌握它的经济规律。通过统计、理
29、论分析和各项技术措施来 电力系统无功功率控制的研究 第 4 页 共 63 页 达到经济运行的目的。（4）研究无功功率，可以保证电能质量，促使电力系统安全运行。2.1.1 单相正弦电路的无功功率和功率因数 经典无功功率及功率因数的概念是建立在线性正弦交流电路基础上。在正弦交流电路中，负荷是线性的，电路的电压和电流都是正弦波。设电压、电流瞬时值u、i的表达式分别为 2sin2 sin()2 cossin2 sincospquUtiItItItii （2-1）式中 U电压u的有效值；I电流i的有效值；电压u和电流i之间的相位差；pi和电压同相位的电流分量；qi和电压相位相差90的电流分量。电流i被分
30、解为与电压相位相同的分量pi和与电压相位相差90的分量qi，则pi和qi分别为 2 cossin2 sincospqiItiIt （2-2）电路的瞬时功率P为 pui 瞬时功率p在一个周期内的平均功率P为 00020201111coscost dt21sinsin2 tdt2cosTTTpqPpdtuidtuiui dtTTTUIUIUI=（1-2）（）（-）（）（2-3）式（2-3）中的cosPUI是消耗在电阻元件上的平均功率，常称为有功功率。电路的无功功率定义为 电力系统无功功率控制的研究 第 5 页 共 63 页 sinQUI （2-4）可以看出，Q就是式（2-3）中被积函数的第二项qu
31、i的变化幅度。qui的平均值为零，表示电路有能量交换，但是不消耗有功功率。Q表示了这种能力交换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常在电源和具有储能元件的负荷之间进行。从式（2-3）中看出，真正的功率消耗是由被积函数的第一项pui产生的。因此，pui称为正弦电路的瞬时有功功率，qui称为正弦电路的瞬时无功功率，pi称为瞬时有功电流分量，qi称为瞬时无功电流分量。由式（2-4）可知，当电流的相位滞后电压时，Q为正，Q是消耗在感性负荷的无功功率；当电流的相位超前电压时，Q为负，Q是消耗在容性负荷的无功功率。因此通常规定感性无功功率为正，容性无功功率为负。对于发电机和变压器等电器设备来说，其额定电流
32、与导线的截面积及铜损耗有关，其额定电压和绕组电气绝缘有关，在工作频率一定的情况下，其额定电压还和铁心尺寸及铁心损耗有关。因此工程上，常把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限，这个值也就是电气设备最大可利用容量，称为视在功率S。视在功率定义S为 SUI （2-5）功率因数定义为有功功率与视在功率的比值。即 cosP S （2-6）由式（2-5）和式（2-6）可以看出，在正弦电路中，功率因数由电压和电流之间的相角差决定。在这种情况下，功率因数常用cos来表示。因此，在单相正弦电路中，功率因数有明确的物理意义，它就是电压和电流之间的相角差的余弦值。由式（2-3）（2-5）可得S、P、Q满足如
33、下关系：222SPQ (2-7)需要指出的是，视在功率只是电压和电流的有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。在线性交流电路中，当电流和电压均为正弦波时，无功功率是代表负荷与电源之间能量来回交换的一种量度，它是电路中储能元件与电源间交换功率的最大值。无功功率表示有能量交换，但不消耗功率，而且一般只有当有储能元件的时候才会有这种能量的 电力系统无功功率控制的研究 第 6 页 共 63 页 交换。2.1.2 三相正弦电路的无功功率和功率因数 三相正弦电路的总有功功率定义为各相有功功率之和。三相正弦电路的总无功功率定义为各相无功功率之和。三
34、相正弦电路的总视在功率至今还没有一个统一的定义。定义之一为：若设三相正弦电路的总有功功率为P，三相正弦电路的总无功功率为Q，那么三相正弦电路的总视在功率定义之一为 22()()SPQ (2-8)由于三相正弦电路的总视在功率至今还没有一个统一的定义，从而导致三相功率因数至今也还没有一个统一的定义，三相功率因数定义之一为 cosPS （2-9）在三相对称正弦电路中，各相视在功率、功率因数也均相同。由式（2-8）可知，三相对称正弦电路的总视在功率等于各相视在功率之和，三相对称电路的功率因数等于单相功率因数。因此，三相对称电路的总视在功率和功率因数也有明确的物理意义，三相总视在功率等于各相电压电流有效
35、值的乘积之和，三相功率因数就是等于单相功率因数。但是在三相不对称电路中，由于各相电压、电流存在不对称，各相的视在功率、功率因数也不相同。由式（2-8）可知，三相不对称正弦电路的总视在功率并不一定等于各种视在功率之和，因此三相不对称电路的功率因数可能不等于任意单相功率因数。因此，三相正弦电路的视在功率和功率因数失去了单相电路的视在功率和功率因数的物理意义。另外，在三相对称正弦电路中，瞬时功率p等于三相平均功率，也就是说瞬时功率p等于三相有功功率P，这是三相对称正弦电路的一大特点。从上述无功功率定义可以进一步得出其以下几个属性：（1）无功功率是一个物理量，其表达式为sinQUI。（2）无功功率是一
36、个有符号的物理量。（3）系统中无功功率可以被平衡掉，即流入某节点的无功功率等于流出某节点的无功功率。（4）对无功功率进行补偿可以使功率因数等于1。（5）单相无功功率与有功功率及视在功率满足直角三角形运算关系。电力系统无功功率控制的研究 第 7 页 共 63 页 （6）三相无功功率与有功功率及向量视在功率满足直角三角形运算关系，而三相无功功率与有功功率及算术视在功率不一定满足直角三角形运算关系。2.2 无功功率对电力系统的影响 电力系统中的无功功率主要用于电路内电场与磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为系统提供电压支撑，在电源与负荷之间提供电压降落所需的
37、势能。无功功率不直接作为实际消耗之功，但无功功率的交换将引起发电和输电设备上的电压开降和电能损失。无功功率是交流电力设计和运行中的一个重要因素，不仅大多数网络元件需要消耗无功功率，而且大多数用户负荷也需要消耗无功功率。如变压器、大量感应式电动机、气体放电电灯、电风扇、冰箱、空调等设备，它们不仅需要从电力系统中吸收有功功率，同时需要吸收无功功率，以产生这些设备维持正常工作所必须的交变磁场。无功功率不是无用功率，它能为能量的交换、输送、转换创造必要的条件，但大量的无功功率在系统中经高低压供电系统流入设备，会引起有功损耗，造成电压降落，影响电能质量，对发电、供电、配电三方都会产生不良影响。2.2.1
38、 无功功率对有功功率的影响 输电线路的主要任务是输送有功功率，而为了实现有功功率的传输和电网无功功率的平衡，一般也需要输送一定量的无功功率。输送无功功率时需要消耗有功功率。当有功功率一定时，无功功率越大，则网络中的有功功率损耗就越大。当电力线路的传输能力一定时，传输无功功率越小，则传输有功功率的能力越大。2.2.2 无功功率对电压的影响 2.2.2.1 无功功率平衡水平对电压水平的影响 电力系统中无功功率平衡水平对电压水平有较大的影响。如果发电机有足够的无功功率备用，系统的无功电源比较充足，就能满足较高电压质量下无功功率平衡的需要，系统就有较高质量的运行电压水平。反之，如果无功功率不足，系统只
39、能在较低质量的电压水平下运行。另外，电能在电力网中传输时，要损失掉部分有功功率和无功功率。当无功功率损耗较大时，将会引起系统电压大幅度下降，影响系统运行的稳定性、经济性。电力系统无功功率控制的研究 第 8 页 共 63 页 2.2.2.2 无功功率对电压质量的影响 电力系统是向用户提供电能的网络，因而电能质量是供电部门生产经营活动中的一个重要经济技术指标。电压是电能质量的主要指标之一，电压质量对电力系统稳定运行，降低线路损耗和保证工农业的安全生产有着重要意义。在工农业生产和人民生活中使用的各种电设备都是按照额定电压来设计制造的。这些设备在额定电压下运行时，才能取得最佳的运行状态。电压超出所规定
40、的范围时，对用电设备将产生不良的后果。目前大多数国家规定的电压允许变化范围一般为+5%-10%UN(额定电压）。电力部门为了确保电力系统正常运行时能够提供优质的电压，确保优质的供电服务，必须确保各输配电线路的母线电压稳定在允许的偏差范围之内。电力系统正常运行时，应有充足的无功电源。无功电源的总容量要能满足系统在额定电压下对无功功率的需求。否则，电压就会偏离额定值。当电力网有能力向负荷供给足够的无功功率时，负荷的电压就能维持在正常的水平上。如果无功电源容量不足，负荷的端电压就会降低。所以，我们要保证电力系统的电压质量，就必须先保证电力系统无功功率的平衡。2.2.3 无功功率对线损的影响 无功电源
41、的布局、无功功率的传输以及无功功率的管理，直接影响线路的损耗和电力系统的经济运行。当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。当网络结构已定，输送有功功率一定时，总的功率损耗完全决定于无功功率的大小。2.3 电力系统无功电源与无功负荷 2.3.1 电力系统的无功电源 在电力系统中，无功电源主要是同步发电机、同步调相机以及同步电动机（1）同步发电机。同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源装置。从系统观点来看，它的容量最大，调节也最方便。电力系统中大部分无功功率需求都是由同步发电机提供的。同步发电机在过励磁和欠励磁时可以分别发出或吸收无功功率。即当同步发电机在低功率因数情
42、况下，可以发出无功功率。但是，发电机应严格地按照有功功率无功功率（P-Q）极限曲线运行，不得越出曲线范围。同步发电机供给无功功率的能力，不仅与短路比值有关，还与同时担负的有功负载大小有关，其最大无功功率出力将受转子温升的条件限制。同步发电机正常运行时，以滞后功率因数运行为主，即向系统提供无功功率。电力系统无功功率控制的研究 第 9 页 共 63 页 但必要时，也可以减小励磁电流，使功率因数超前，即所谓的“进相运行”，以吸收系统多余的无功功率。（2）同步调相机。同步调相机是一种特制的同步电动机，轴上不带机械负载，专门用于补偿无功功率。它能在过励磁运行时，向系统供给感性无功功率，起无功电源作用；在
43、欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，起无功负荷作用。装有自动励磁装置的同步调相机能根据电压平滑地调节输入或输出无功功率。同步调相机的定子与转子间的空隙比一般同步电动机小的多，轴的结构较简单，强度要求也较低。同步调相机的主要优点是可以无极调节无功功率的数值，但由于它是一种旋转机械，有功功率损耗较大，运行维护复杂，响应速度慢，近来已逐渐退出电网运行，通常只在需要大容量的无功功率补偿设备时才装设同步调相机。（3）同步电动机。同步电动机是一种除可将电能转换成机械能外，还可调节其励磁电流产生无功功率的旋转机械，因而也是一种无功电源补偿装置。同步电动机的优点是：可在功率因数超前的方式下运行，输出无功功率
44、；当电网频率不变时，电动机的转速恒定，且转速与负载情况有关；如果采用强行励磁，可提高供电系统的稳定性。但这种电动机的价格较贵，控制设备较复杂，维护也较麻烦。2.3.2 电力系统的无功负荷（1）异步电动机。异步电动机在电力系统运行负荷中占的比重非常大，是电力系统的无功功率消耗大户。所以系统中无功负荷的电压特性主要是由异步电动机来确定的。特别是经辐射性网络供电的工业负荷，如果这些负荷主要是大型感应电动机负荷时，甚至有可能引起负荷端的电压连续下降，最后可能扩展到整个电力系统的电压崩溃。出现这种现象的原因在于负荷无功功率供应不足，系统为满足负荷的无功功率需求而造成电压不稳定。据有关的统计，在工矿企业所
45、消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功功率消耗占60%70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功功率又占到电动机总无功功率消耗的60%70%。（2）变压器。变压器是电力系统的又一无功功率消耗大户。变压器的无功功率消耗包括励磁消耗和漏抗中的消耗两部分：励磁消耗基本上等于空载损耗电流的百分值，约为1%2%；绕组漏抗消耗在变压器满载时基本上等于短路电压的百分值，约为10%。因此，在从电源到用户需要进过好几级变压的情形，其无功功率消耗的数值是相当可观的。无论是双绕组还是三绕组变压器，绕组均有两组参数。电阻与电抗为绕组纵分量，电力系统无功功率控制的研究 第 10 页 共 63 页 电导与电纳为绕组横分量，
46、而消耗系统无功功率的参数是电抗与电纳。电抗中的无功功率消耗是感性无功功率，与负荷有关，随负荷随机变化，变动范围很大。电纳中的无功功率损耗称为励磁损耗，消耗容性无功功率，它与空载电流有关，变动范围很小，对于给定的变压器，励磁损耗是固定不变的。所以变压器的无功功率损耗的变化大小主要由负荷的变化来决定。（3）电力线路。电力线路有一定的特殊性。由于电力线路存在分布电容，能产生无功功率作为无功功率电源，又由于自身串联阻抗的作用，消耗无功功率作为无功功率负荷。无功功率损耗是由电力线路的电抗和电纳造成的。电力网中对于一定电压等级的电力线路，电力线路越长，电力线路参数越大，无功功率损耗也越大，电力线路上电压降
47、也越大。一般来说，对于电压等级为35kV及以下的电力线路，其充电功率小，电力线路主要是消耗无功功率。但是对于电压等级为110KV及以上的电力线路，其情况较为复杂。当电力线路的传输功率较大时，电力线路中电抗消耗的无功功率将大于电纳中产生的无功功率，则电力线路为无功负荷，消耗无功功率；当电力线路的传输功率较小时，电力线路中电纳产生的无功功率，除了抵消电抗中的无功功率损耗以外，还有剩余，电力线路为无功电源，发出无功功率。（4）整流装置。近些年来，国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整流装置，它们在减少能量损耗的同时，也带来了诸如功率因数下降、电压波动和闪变、三相不平衡以及谐波干扰等问题，严重
48、危及电力系统安全经济运行。（5）其他用电设备。各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负载只消耗有功功率外，大多数都有消耗无功功率。因此，无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行，其值约为0.60.9，其中较大的数值对应于使用大容量同步电动机的场合。电力系统无功功率控制的研究 第 11 页 共 63 页 3 无功功率的控制理论 3.1 无功功率的平衡 系统中无功功率的平衡关系与有功功率相似，如下式所示 0GCLQQQ （3-1）式中，电源供应的无功功率GCQ由两部分组成，即发电机供应的无功功率GQ和补偿设备供应的无功功率CQ，而补偿设备供应的无功功率又分调相机供应的1CQ、并联电容器供应的2CQ和
49、静止补偿器供应的3CQ三部分。因此，GCQ可分解为 123GCGCGCCCQQQQQQQ (3-2)式（3-1）中，负荷消费的无功功率LQ可按负荷的功率因数计算。未经改善的负荷功率因数一般不高，仅达0.60.9，即负荷消费的无功功率约为其有功功率的0.51.3倍。但因规程对电力用户的功率因数有一定的限制，例如，不得低于0.90等等，系统运行部门作无功功率平衡时，可按规程规定确定负荷消费的无功功率LQ。式（3-1）中，无功功率损耗Q包括三部分：变压器中的无功功率损耗TQ，线路电抗中的无功功率损耗XQ，线路电纳中的无功功率损耗bQ。而如前所述，bQ属容性，如将其作感性无功功率损耗论处，则应具有负值
50、。因此，Q可分解为 Q=TQ+XQ-bQ （3-3）根据如上的平衡关系，定期作无功功率平衡计算的内容大体是：（1）参考累积的运行资料确定未来的、有代表性的预想有功功率日负荷曲线。（2）确定出线无功功率日最大负荷时系统中有功功率负荷的分配。（3）假设各无功功率电源的容量和配置情况以及某些枢纽点的电压水平。（4）计算系统中的潮流分布。（5）根据潮流分布情况，统计出平衡关系式中各项数据，判断系统中无功功率能否平衡。电力系统无功功率控制的研究 第 12 页 共 63 页 （6）如统计结果表明系统中无功功率有缺额，则应变更上列假设条件，重作潮流分布计算；而如无功功率始终无法平衡，则应考虑增设无功电源的方