电力系统的稳定性与无功补偿的关系

2014-01-01刘剑

通信电源技术 2014年5期

刘剑

（国网陕西省咸阳市供电公司，陕西咸阳712000）

1 电压质量的重要性

随着现代经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对电力的需求日益增长，对电能质量也提出了更高的要求。电能质量是指电力系统供给用户受电端的交流电电能质量。目前，主要利用电压质量、频率、谐波含量等指标对用户电能质量进行评价。其中，电压是电能的最主要质量指标之一。电压质量对电网的安全经济稳定运行以及保证用户用电的质量和安全有着重要的影响。在电力系统中，电压稳定性会受到很多因素的影响，因此电力系统的控制非常复杂。其中无功功率是最主要的影响因素，因此，需要对电力系统中的无功功率进行控制和补偿，实现各个部分无功功率的平衡，从而保证电压的质量。

2 无功功率与电压的关系

节点电压与无功功率之间存在密切的关系，无功功率直接决定着电网的电压水平，同时电网的电压水平影响着无功损耗的大小，无功功率的传输也会导致电压的损耗。

2．1 节点电压对无功功率分布的影响

无功功率的平衡直接影响电力系统运行过程中的电压质量。为了保证电压质量，要求电力系统在每一时刻所吸收的无功功率应该等于所有负荷消耗的无功功率与系统的无功功率损耗之和，这样才能保持无功功率的平衡。

图1 简单输电线路示例

如图1所示的输电线路中，在忽略输电线路的对地电容时，从节点i到节点j的功率为P＋jQ，两个节点的电压分别为Ui和Uj，输电线路之间的阻抗为R＋jX，则可以用下面的公式表示节点i和节点j之间电压的关系：

当输电线路在超高压输电系统中时，X≫R，则可以将公式（1）转换为：

如果将节点j的电压作为参考当量，则可以用下面的关系式表示：

公式中的δ表示线路两端电压的相位差，通过比较式（3）和式（4）可以得到以下结果：

其中，在输电线路运行正常的情况下，线路两端的相位差δ非常小，因此可以认为，cosδ≈1，则可以将公式（5）简化：

从公式（6）可以看出，输电线路中无功功率的大小与线路两端电压的有效值之差成正比，无功功率会从电压较高的节点向电压较低的节点流动。无功功率的传输与节点电压幅值之间存在着紧密的关系，当节点电压发生变化时，也会使依靠该线路传输的无功功率发生变化。另外，无功功率在传输过程中所产生损耗引起的有功功率损耗可以按照下面公式进行计算：

从上面的公式可以知道，当电网的结构、输送的有功功率及节点电压保持不变时，电力系统的有功功率和无功功率的损耗主要受到所输送的无功功率值的影响，当输送的无功功率越大时，有功功率和无功功率的损耗越高。因此，为了保证电能质量，需要降低线路中所传输的无功功率，并保持较高的电压值。

2．2 无功功率对母线电压水平有重要作用

在电力系统中，无功功率是一个非常重要的物理量。在电能输送使用的过程中，用于电路内电场与磁场交换的能量部分被称为无功功率。无功功率是影响电力系统电压质量的重要因素，当电力系统的有功功率不足时，就会导致系统的运行频率下降，而当无功功率不足时，则会导致系统的电压下降。

在电力系统运行的过程中，无功电源的无功出力在任何时刻都要同所有负荷消耗的无功功率与网络的无功损耗之和相等。电源的无功Q和电压U之间的关系如图2中的曲线1所示，所负荷的主要成分是异步电动机，其无功Q和电压U的特性关系如图2中的曲线2所示，曲线1和曲线2的交点表示负荷节点的电压值Ua，当系统电压值为Ua时，系统的无功功率处于平衡状态。

当负荷所吸收的功率上升，会呈现出如曲线4所示的无功电压特性，在这种条件下，如果无功出力保持不变或者下降，则无功电压特性仍然呈现曲线1的趋势，则此时曲线1和曲线4的交点为无功功率平衡点，交点表示负荷的电压值为Ub，此时Ub＜Ua，从这里也可以看出，当系统的无功出力无法满足Ua电压水平时，系统有无功功率平衡的需求。因此，需要降低系统的运行电压，从而降低无功功率的消耗，以实现低电压条件下的无功平衡。如果发电机提供了充足的无功功率进行备用，则发电机的无功电压呈现出如曲线3所示的特性，曲线3与曲线4的交点与原有的无功平衡点Ua接近。由此可以得出，当系统无功源充足的条件下，能够满足无功负荷增长的需要，系统的运行电压质量较高，而当无功出力不足时，运行电压质量则会下降。因此，在电力系统运行的过程中，应该尽量保证无功功率的平衡，并充分保有备用的无功功率储备。

图2 无功功率与电压的关系

3 无功补偿原理及对策

在交流电路中，纯电阻元件中的电流与电压同相位，而纯电感负载中的电流相位滞后电压与纯电容负载中的电流相位超前电压，二者可以相互抵消。当电源向外供电时，容性负荷会储存感性负荷向外释放的能量；而当感性负荷需要能量时，容性负荷释放所储存的能量，以满足感性负荷所需。这种能量的变换，可以使感性负荷所需的无功功率得到补偿。

据相关统计数据显示，用电设备消耗1 kW有功功率，就需要1．2～1．3 kvar的无功功率配套。电力系统运行中所需要的无功电源主要由发电机所产生的无功功率、无功补偿设备输出的无功功率以及输电线路的充电功率三部分组成。其中，发电机产生50%左右的有功功率，而线路的充电功率则存在很大的随机性，主要受到线路长度及电压高低等因素的影响。因此，在通常情况下，保证电力系统运行质量的无功功率，有50%左右需要无功补偿设备提供。

现阶段，我国的能源形势十分严峻，电力系统无功功率的治理是落实科学发展观的重要内容之一。因此，建议相关的部门对电力系统无功功率进行研究，探索以技术与标准的形式，将现行的电能用户功率因数基本值适当提高，从法律和技术规范的层面来解决用户无功补偿容量不到位的问题。

从目前国内的情况来看，无功功率不会对用户的经济利益产生直接影响，大部分用户根本不重视电能的流失，需要通过多种手段来提高这部分用户对电力系统中无功功率的认识，促使其提高功率因数的积极性。另外，随着科学技术的不断进步，需要对一些高性能、小体积且价格合理，普遍适用于大部分普通居民的无功自动补偿设备进行研究，使无功补偿设备能够更加广泛地应用到整个社会中，从而使电网中无功功率的流动大大减少，真正实现无功补偿“就地补偿”的基本原则。