无功功率平衡的工作原理
电力系统的无功功率平衡和电压调整
任务一 电力系统无功功率平衡
5.1.3无功功率平衡 电力系统无功功率平衡的基本条件:系统无功功率电源可能发出的无功 功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗，同
时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长，系统必须配置一定的无 功备用容量。 当系统中某些负荷节点电压低落的原因是系统中无功电源不足时，调压 问题就与无功功率的合理供应和合理使用紧密联系。如果不从解决无功 电力不足的问题着手，而是调节电源，使发电机多发无功，是很不合理 的。因为电源与负荷间距离较远，发电机多发的功率在网络中的无功损 耗也大，不易调高末端电压。
发电机在额定状态下运行时见图5一4所示。
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任务一 电力系统无功功率平衡
2.同步调相机 同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，它在过励磁运行时向
系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压;在欠励磁 运行时从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。 由于实际运行的需要和对稳定性的要求，同步调相机在欠励磁状态下运 行时，其容量为过励磁运行时额定容量的50%一60 % }, 装有自动励磁装置的同步调相机，可以平滑地改变输出(或吸取的)无功 功率，从而平滑地调节所在地区的电压。在有强行励磁装置时，在系统 故障情况下也能调节系统电压，有利于系统稳定运行。
由上式可见，调节用户端电压U，可以采用以下措施: (1)调节发电机的端电压，称为发电机调压。 (2)调节变压器的变比k，和左2，称为变压器调压。 (3)在输电线路中串联电容器以减小X，从而减小电压损耗，称为串联补
偿调压。 (4)在负荷端并联无功补偿装置，减小经线路传输的无功功率Q，从而减
小电压损耗，称为并联补偿调压。
无功功率与有功功率均衡
第六节无功功率与有功功率均衡飞机上均是同容量的几台发电机并联，电网的容量不能视为无穷大，当调节一台发电机的无功功率或有功功率时，将会引起电网的电压和频率变化。
例如，当一台发电机输出的有功功率增大时，若不减少其他发电机的有功功率，则各发电机总的有功功率输入将会多于负载的有功功率，多余的有功功率会使整个电网上的发电机转子加速而提高电网的电压和频率，从而使输出也增大，结果总的输入和输出就在一个新的频率和电压下达到新的平衡。
同样，如果改变一台发电机输出的无功功率，则电网总的无功功率输入将会有相应的变化，而使总无功功率的输入和输出在一个新的电网电压下达到新的平衡。
因此，若要保持电网的频率和电压不变，在总负载不变的情况下，当一台发电机的有功功率或无功功率增加（减少）时，必须相应地减少（增加）其他发电机的输出。
无功功率的调节是通过调节发电机的励磁电流而实现的。
根据上述分析，在增加一台发电机的励磁电流的同时，必须相应地减少其他发电机的励磁电流，才能保证电网的电压和频率不变。
有功功率的调节是通过改变原动机（恒速传动装置）加在发电机转子轴上的转矩而实现的。
在增加一台发电机转子轴上的转矩时，要相应地减少其他发电机转子轴上的转矩，这样，转矩增大的发电机转子会加速，使发电机功率角增大，引起电磁功率增大而分担较多的有功负载；而转矩减小的发电机转子会减速，使发电机功率角减小，引起电磁功率减小而分担较少的有功负载。
为了保持电网电压不变，还要适当地改变各台发电机的励磁电流。
总之，在改变发电机之间有功功率的分配关系时，为了保持电网频率、电网电压及无功功率分配不变，对有功负载增大的发电机要增大其输入转矩并适当地增加其励磁电流，而对有功负载减小的发电机就要减小其输入转矩并适当地减小其励磁电流。
一、无功电流的自动均衡（一）基本方法及要求1.基本方法从上面分析可知，若要改变发电机输出的无功功率，使并联发电机的无功负载均匀分配，则必须调节发电机的励磁电流，即对分担无功电流少的发电机增强励磁，同时对分担无功电流多的发电机减弱励磁电流，这样才能保证输出总的无功功率和电网电压不变。
电力系统无功功率的平衡和电压的调整
（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压UG；
（2）适当选择变压器的变比K；
（3）改变网络参数R和X（主要是X），改变电压损耗 △U （4）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗△U 变化
22
第三节
电力系统的几种主要调压措施
一．改变发电机端电压调压
• 根据运行情况调节励磁电流来改变机端电压。
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二、电压调整的基本原理
Ub
略去电力线路的电容功率，变压器的励磁功率和 网络的功率损耗
PR QX U b (U G k1 U ) / k2 U k k G 1 2 U G k1
21
电压调整的措施：
PR QX U b U k k2 G 1 U G k1
A
ห้องสมุดไป่ตู้DF
发电机的P-Q极限
10
2. 同期调相机
•同步调相机相当于只能发出无功功率的发电机。
•在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功
电源的作用，能提高系统电压； •在欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量的
（50% ～65%）)，它从系统吸取感性无功功率而起无功
负荷作用，可降低系统电压。 •它能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取） 的无功功率，进行电压调节。因而调节性能较好。
以滞后功率因素运行的用电设备所吸收的无功功率。 • 照明、电热，消耗感性无功QL小。
• 同步电动机，有励磁绕组，通过励磁电流的调节， 可以调节其输出无功的大小。过激运行，发QL ； 欠激运行，吸收QL 。在综合负荷中比例小。 • 异步电动机，消耗QL ，在综合负荷中比例很大。 • 综合负荷功率因素，0.6～0.9，滞后（感性无功）
无功功率平衡的工作原理
无功功率平衡的工作原理如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。
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。
但是，需要说明的是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：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系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变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50MV A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=50MV A，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；Ie--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、变压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=50MV A×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。
电力系统无功功率平衡与电压调整
电力系统无功功率平衡与电压调整由于电力系统中节点很多，网络结构复杂,负荷分布不均匀，各节点的负荷变动时，会引起各节点电压的波动。
要使各节点电压维持在额定值是不可能的。
所以，电力系统调压的任务，就是在满足各负荷正常需求的条件下，使各节点的电压偏移在允许范围之内.由综合负荷的无功功率一电压静态特性分析可知，负荷的无功功率是随电压的降低而减少的，要想保持负荷端电压水平,就得向负荷供应所需要的无功功率。
所以，电力系统的无功功率必须保持平衡,即无功功率电源发出的无功功率要与无功功率负荷和无功功率损耗平衡。
这是维持电力系统电压水平的必要条件。
一、无功功率负荷和无功功率损耗1．无功功率负荷无功功率负荷是以滞后功率因数运行的用电设备(主要是异步电动机)所吸收的无功功率。
一般综合负荷的功率因数为0.6～O.9，其中，较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合.2．电力系统中的无功损耗(1)变压器的无功损耗。
变压器的无功损耗包括两部分.一部分为励磁损耗，这种无功损耗占额定容量的百分数,基本上等于空载电流百分数0I ％，约为1%～2%。
因此励磁损耗为0/100Ty TN Q I S = （Mvar) （5-1-1） 另一部分为绕组中的无功损耗。
在变压器满载时,基本上等于短路电压k U 的百分值,约为10％这损耗可用式(6—2）求得 2(%)()100k TN TL Tz TNU S S Q S = （Mvar) (5-1-2) 式中，TN S 为变压器的额定容量(MVA ）；TL S 为变压器的负荷功率（MVA ）. 由发电厂到用户,中间要经过多级变压,虽然每台变压器的无功损耗只占每台变压器容量的百分之十几，但多级变压器无功损耗的总和可达用户无功负荷的75％~100％左右.（2）电力线路的无功损耗.电力线路上的无功功率损耗也分为两部分,即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。
并联电纳中的无功损耗又称充电功率,与电力线路电压的平方成正比，呈容性。
无功平衡原则
无功平衡原则
无功平衡原则是电力系统中的基本原则之一，它是指电力系统中的无功功率输入和输出要保持平衡。
在电力系统中，除了有用功率外，还存在着无用功率，即所谓的无功功率。
无功功率由电容和电感等电路元件产生，它们不仅不参与能量的转换，而且还会造成能量的损失和浪费。
因此，对于电力系统的稳定运行和能效提升，无功平衡是至关重要的。
无功平衡的实现需要通过控制和调节电力系统中的无功功率，使其保持平衡。
具体方法包括改变电力系统中的电容和电感等电路元件的参数，调节电力系统中的无功发生器的输出功率等。
无功平衡的不良情况会导致电力系统的电压波动、电力损耗增加、电力质量下降等问题，甚至可能导致电力系统崩溃。
因此，无功平衡原则的实现对于电力系统的稳定运行和能效提升至关重要。
在电力系统的运行和管理中，无功平衡原则被广泛应用，并成为了电力系统中的基本原则之一。
- 1 -。
电力系统无功功率平衡和电压调整
无功补偿装置的应用场景和效果
高峰负荷时段
提高电压稳定性，减少电压波动和闪变现象。
电网故障时
快速响应无功功率变化，维持系统电压稳定。
风电、光伏等新能源接入
平滑新能源发电的功率输出波动，提高并网性能。
工业园区和大型建筑物
降低能耗，提高供电质量。
电力系统无功功率平衡和电 压调整
目 录
• 电力系统无功功率平衡 • 电压调整的原理和方法 • 电力系统无功补偿装置 • 电力系统无功管理和优化 • 电力系统电压稳定性和控制 • 电力系统无功功率平衡和电压调整的未来发展
01
电力系统无功功率平衡
无功功率的产生和影响
无功功率的产生
在电力系统中，电动机、变压器等感 性负载需要消耗无功功率来建立磁场 ，以实现能量的转换和传输。
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THANKS
06
电力系统无功功率平衡和 电压调整的未来发展
新能源并网对无功功率平衡和电压调整的影响
01
新能源并网将增加电力系统的复杂性和不确定性，对无功功率 平衡和电压调整带来挑战。
02
新能源并网将促进无功功率平衡和电压调整技术的发展，推动
电力系统向更加智能化、高效化的方向发展。
新能源并网将促进电力系统的优化配置，提高电力系统的可靠
电压波动可能导致电力设备过载或欠载，影响 其正常运行和寿命。
对用户设备的影响
电压波动可能导致用户设备工作异常，影响生 产和生活。
对系统稳定性的影响
电压波动可能导致电力系统不稳定，甚至引发系统崩溃。
电压调整的原理
根据电力系统的无功功率平衡原理， 电压水平取决于无功功率的分布和平 衡情况。
无功电力平衡的基本原则
无功电力平衡的基本原则
无功电力平衡的基本原则是根据电力系统无功功率的产生与吸收特性，通过合理的设计和运行措施，保持无功功率的产生和吸收之间的平衡。
具体原则如下：
1. 无功功率产生与吸收的平衡：电力系统中的发电机、电容器、电感器等装置产生无功功率，而电动机、电阻、电抗器等装置则消耗无功功率。
无功功率产生和吸收之间应保持平衡，以维持电力系统的稳定运行。
2. 优先消耗无功功率：在电力系统中，应优先消耗发电机产生的无功功率，以确保发电机的额定性能。
如果发电机产生的无功功率超过负载需要，可以通过增加电容器或电感器并联的方式消耗多余的无功功率。
3. 控制无功功率的流动：在电力系统中，无功功率的流动会引起电压波动和能量损耗。
因此，应采取措施控制无功功率的流动，如优化电力系统的无功功率分布、调整电压等级、调节电容器和电感器的容量等。
4. 稳定电压与频率：无功功率的变化会影响电力系统的电压和频率稳定性。
因此，无功功率的产生和吸收要根据电力系统的负载情况和运行要求进行调整，以保持电压和频率的稳定。
5. 充分利用系统无功资源：电力系统中的无功功率可以通过适当的调控和管理手段进行合理的利用。
例如，可以通过调整电容器和电感器的容量和连接方式，优化无功功率的分布，减少
无功功率的流动和损耗，提高系统的运行效率。
总之，无功电力平衡的基本原则是通过合理地控制和管理无功功率的产生和吸收，保持无功功率的平衡，以维持电力系统的稳定运行和提高系统的能效。
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无功功率平衡的工作原理
如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。
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。
但是，需要说明的是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：
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系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变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50MV A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=50MV A，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；
Ie--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、变压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=50MV A×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。
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。
合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低线损有十分重要的作用。
设有一条110kV线路选用LG-300型导线(导线电阻0.095W/km)线路全长20km，输送有功功率30MW，无功功率40Mvar，下面分别计算在功率因数cosf = 0.6和0.9时线路的功率损耗和应补偿的无功功率。
本题只计算导线电阻的功率损耗，不考虑其它因素。
1)在cosf = 0.6时，此时有功P = 30MW，无功Q = 40Mvar，视在功率S = 50MV A，电流I = S/U = 50MV A/(110kV×31/2) = 263A，功率损耗P = I2?R = 2632×0.095×20×3 = 394kW。
2) 在cosf=0.9时，此时有功功率P=30MW，视在功率S=33.333MV A，无功功率Q= 14.528Mvar，I=S/U=33.333MV A/(110kV×31/2) =175A，功率损耗P = I2?R = 1752×0.095×20×3 = 175kW。
应补偿无功容量= 40-14.528 = 25.472Mvar。
补偿前后有功损耗相差219kW。
由计算结果可知补偿无功功率25.472Mvar后每小时可降低线损219kWh。
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。
无功补偿装置的合理使用可以给供电企业带来巨大的经济效益。
对于像北京电力公司这样的大企业来说，线损每降低0.1个百分点，就可以增加上千万元收入。
从根本上说，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。
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。
我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。
有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。
开始，这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。
各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。
在这种情况下，首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。
低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。