基本介紹
簡介,有功功率平衡,無功功率平衡,基本概念,電壓調整,
簡介
隨著用電負荷的不斷增加，供電公司確保供給用戶的電壓和其額定值的偏移不能超過規定的數值是電力系統運行調整的基本任務之一。電力系統的運行電壓水平和無功功率的平衡有著密切的聯繫：系統的無功電源相對充足，系統就會有較高的運行電壓水平，相反，無功不足就反映為運行電壓水平較低。所以力求達到在額定電壓下的系統無功功率的平衡。
用電負荷
用電負荷系統頻率是靠電力系統內並聯運行的所有發電機組發出的有功功率總和與系統內所有負荷消耗的有功功率總和之間的平衡來維持的。但是電力系統的負荷是時刻變化的，從而導致系統頻率變化。
電力系統運行中隨時都在經受著有功負荷變化的擾動。當機組負荷增大或減少時，引起轉速下降或上升，造成交流電頻率偏移正常值。如頻率偏移過大，將影響工農、業產品的質量和產量，甚至造成設備損壞。嚴重時，甚至會造成系統頻率崩潰，電廠解列，引起大面積停電。因此，電力系統要進行頻率調整。
有功功率平衡
電力系統的有功功率消耗除了考慮用戶的有功功率負荷外，還應考慮網路損耗和發電廠的廠用電負荷。也就是說系統發電機的總容量應不小於用戶負荷、網路損耗和發電廠廠用電三部分之和。網路損耗由兩部分組成，一部分稱為不變損耗，主要是系統中變壓器的冷載損耗；另一部分稱為可變損耗，與負荷的平方
成正比。上述兩部分之和構成網路總損耗，約為系統總負荷的6%—10%。
發電廠的廠用電消耗則與發電廠的類型有關。水電廠的廠用電很小，僅為最大負荷的0.1%—1%；火電廠的用電負荷則大得多，一般為5%—8%；核能電廠則為4%—5%。為了求取各發電機組的最小比耗量，需要畫出各發電機組的耗量特性，即發電設備單位時間內消耗的能源與發出的有功功率的關係曲線。如圖1所示，耗量特性曲線上任意一點所對應的縱坐標表示發電設備單位時間內所消耗的能量，即火電廠所消耗的燃料F，水電廠所消耗的水量W。橫坐標則以千瓦或兆瓦為單位表示發電機所發出的功率。
耗量特性曲線上某一點與坐標原點所連直線的斜率就是該點的比耗量。如果輸入(縱坐標)和輸出採用同樣的單位，則比耗量的倒數正好就是發電設備的效率。(如圖1)耗量特性曲線上某一點切線的斜率表示該點單位時間內輸入能量的增量ΔF，與該點同一時間內輸出功率增量ΔP之間的比值，稱為該點的耗量微增率λ，即λ=ΔF/ΔP。
電力系統中各發電設備的有功功率負荷最優分配遵守一條著名的“等耗量微增率”準則，即當各發電沒備的耗量微增率相等時，系統運行最為經濟。
無功功率平衡
基本概念
1.無功功率概念
在電力系統中，電感性負荷所占的比重很大。所以，我們先來分析純電感電路的基本原理，再引入無功功率的基本概念。 在正半周期，瞬時功率為正，表示電感線圈從外電路吸收能量，轉換成線圈的磁場能。
在負半周期，瞬時功率為負，表示電感線圈將磁場能轉化為電能而送到外電路。此後，重複循環不止。這說明電力系統中的感性負荷與電源(發電機或上級系統變壓器)之間有著能量交換的情況，而且足霞復循環不止的。
我們為了定量地分析這種能量交換的情況，將瞬時功率的最大值稱為無功功率。它常用來表示電源向電感性負載所提供磁場能量的大小。這種能量的交換由電源流向負荷，再由負荷流向電源；用而復始，循環不止。這部分能量交換會影響到系統電源(如發電機)的有功出力，致使發電、輸電和配電設施不能獲得充分地利用，線路的損失也大大地增加，造成了大量的能源浪費。
純電感電路
在負半周期，瞬時功率為負，表示電感線圈將磁場能轉化為電能而送到外電路。此後，重複循環不止。這說明電力系統中的感性負荷與電源(發電機或上級系統變壓器)之間有著能量交換的情況，而且足霞復循環不止的。
我們為了定量地分析這種能量交換的情況，將瞬時功率的最大值稱為無功功率。它常用來表示電源向電感性負載所提供磁場能量的大小。這種能量的交換由電源流向負荷，再由負荷流向電源；用而復始，循環不止。這部分能量交換會影響到系統電源(如發電機)的有功出力，致使發電、輸電和配電設施不能獲得充分地利用，線路的損失也大大地增加，造成了大量的能源浪費。
純電感電路2.無功功率電荷與無功功率損耗
各種用電設備中，除相對很小的照明負荷消耗有功功率，為數不多的同步電動機可發生一部分大功功率外，大多數用電設備都要消耗無功功率。此外，電力系統中的變壓器和電力線路也要消耗無功功率。
同步電動機
各種用電設備中，除相對很小的照明負荷消耗有功功率，為數不多的同步電動機可發生一部分大功功率外，大多數用電設備都要消耗無功功率。此外，電力系統中的變壓器和電力線路也要消耗無功功率。
同步電動機變電站的無功功率損耗分為兩部分:勵磁支路損耗和繞組阻抗中的損耗。其中，勵磁支路損耗的百分數基本等於空載電流Jo的百分數。繞組中漏抗損耗，在變壓器滿載時、基本等於短路電壓力的百分數。雖然一台變壓器的大功功率損耗僅為變壓器容量的百分之幾到百分之十幾。但是，電力系統中的電壓是多級的，經過多級升降壓，變壓器中的無功功率損耗就相當可觀。例如，對於五級變壓的電網，根據典型計算表明，當變壓器全都處於半載時的無功功率損耗總和相當於變壓器負荷的30%以上。如果所有變壓器都滿載，則變壓器的無功損耗相當於變壓器負荷的50%以上。由此可見，變壓器的無功損耗較有功損耗大得多。
電力線路與變壓器不同。線路的串聯電抗呈感性，即消耗無功功率；而並聯電路，則呈容性，亦即作為無功功率電源出現。因此，電力線路究竟是消耗無功功率還是補償無功功率，就不能肯定。
3.無功功率電源
同步發電機既能發出有功、也能發出無功。只有在電壓、電流、功率因數都為額定值時、視在功率才能達到額定位。提高功率因數，無功功率容量減少，而有功功率由於受到電動機出力的限制不能多發，於是，視在功率減少。如果降低功率因數運行，有功功率減少，無功功率可以增加。但是無功功率的增加應以勵磁電流不超過額定值作為限制條件，因此，視在功率有可能低於額定出力。
電容器
電容器除了同步發電機外，可作為無功功率電源的還有調相機和電容器。調相機實質上就是只能發無功功率的發電機。它在過激運行時向系統供應感性無功功率。並聯電容器只能向系統供應感性無功功率。電容器的優點是靜止電器的安裝，隨意拆遷，投資比調相機少，因此被廣泛採用。
4.無功功率平衡及作用
與有功功率平衡相似，系統中電源供應的無功功率(發電機供應的和補償設備供應的)應等於負荷消費的無功功率和電閘中損耗的無功功率之和。在進行無功功率平衡時，要根據潮流分布情況，計算出系統中的無功電源出力、網路的無功功率損耗和無功負荷估計數值，比較數據，檢查能否平衡。如無法平衡，則應變更無功功率電源配置方案。同時，系統中要配備一定數量的無功功率備用容量，以適應無功負荷變化的需要。最佳化無功功率電源的分布可以減少無功電流在電網中的流動，從而減少電網中的有功功率報耗，同時也降低了電網中的電壓損失。和有功功率最優分布準則相似，無功功率電源的最優分布等網損微增率準則。
卷揚機
卷揚機5.電力系統的電壓偏移及調壓方法
有功、無功負荷變動時，會引起系統電壓偏離正常值。這種電壓偏移可分為兩類：
一類是衝擊性的或間歇性的電壓偏移；
另一類是周期長、波及面大的電壓偏移。
電弧爐電壓調整
一、電力系統電壓調整的必要性
電壓是衡量電能質量的一個重要指標，但是在電力系統的正常運行中，用電負荷和系統運行方式是經常變化的，由此引起電壓發生變化，不可避免地出現電壓偏移，電壓偏移過大，使供電質量降低，影響工農業生產的質量和產量，損壞電力設備，甚至引起系統性“電壓崩潰”，造成大面積停電。
（一）電網電壓偏低
1、電網電壓偏低的原因。
部分供電網路結構不合理，特別是一些線路送電距離長，供電半徑大，導線截面小，使線路末端電壓降低。電網無功功率電源不足或無功補償設備管理不善、檢修不及時、經常停用等負荷功率因子，使無功平衡破壞，這是電壓偏低的根本原因。變電站變壓器分接頭位置放置不合理，電網接線不合理，負荷過重，無功補償裝置較少，電力設備檢修及線路故障等，都可使電網電壓偏低。
2、電網電壓偏低的危害。
對發電機的危害：發電機定子電流隨其功率角的增大而增大。假設發電機在正常電壓時定子電流為額定值，若系統電壓降低，發電機仍要保持其出力，功率角就要增大，必然引起定子電流增大超過額定值。所以這種情況下，必須減少發電機的出力。
發電機
發電機對家用電器的危害：電網電壓下降，引起電器功率下降，效率降低，減少使用壽命。如果電壓太低，家用電器將不能啟動。
對冶金等行業的危害：電路的有功功率與電壓平方成正比，電路將因為電壓過低而影響冶煉時間，可能導致產品不合格，甚至報廢。電網電壓偏低還可能造成電網振盪、系統解列、大面積停電，導致斷水、斷氣、電訊中斷，嚴重影響人民生活和社會安全。
（二）電網電壓偏高
1、電網電壓偏高的原因。
隨著現代化電網的發展，大容量機組直接接入電網，以及 500kV 超高壓線路的投入運行，其線路充電功率較大，每百公里充電功率（電容性無功功率）約10 萬 Kvar，使 110kV ～ 500kV 超高壓電網內無功過剩，使主網電壓過高。
2、電網電壓偏高的危害。
加速電氣設備絕緣老化，降低電氣設備的使用壽命。電壓過高會造成變壓器、電動機等鐵芯飽和，鐵損增大，溫度上升，壽命降低；家用電器電壓高出額定值 10% 壽命會減少使用壽命；電子設備各種電子陰極電壓每增加 5%，陰極壽命減少一半。電網電壓偏高還會影響產品質量，使生產出來的產品不合格，造成經濟損失；使變壓器等電氣設備空載損耗增大，增加線損。電壓的偏移過大不但會影響工農業生產，而且電壓的波動也可能造成其它不良影響，例如由於電壓波動引起的燈光閃爍會導致人的疲勞，損壞家用電器。
電氣設備絕緣老化
電氣設備絕緣老化二、電壓調整的方法與措施
（一）電壓調整的方法有：逆調壓方法、恆調壓方法、順調壓方法。
1、逆調壓：在電壓允許偏差值範圍內，通過對供電電壓的調整，使電網高峰負荷時的電壓值高於低谷負荷時的電壓值的一種調壓方式。
2、恆調壓：如負荷變動較小，線路上的電壓損耗也較小，則只要把中樞點的電壓保持在較線路額定電壓高 2%-5% 的數值，即不必隨負荷變化來調整中樞點電壓即可保證負荷點的電壓質量，這種調壓方式就稱為：恆調壓，或稱：常調壓。
3、順調壓：在電壓允許偏差值範圍內，通過對供電電壓的調整，使電網高峰負荷時的電壓值低於低谷負荷時的電壓值的一種調壓方式。
（二）電壓調整的對策
1、經過改變發電機端的電壓調壓。
在各個調壓的措施中，最直接、最為經濟的對策是利用發電機來調壓，由於這是一種不需要額外投資的調壓對策，於是應該優先考慮使用。發電機調整端電壓是經過調整勵磁從而改變其無功功率的出力來完成的，現代的同步發電機可以在額定電壓的 95% ～ 105% 範圍內維持以額定功率的運行，也就是發電機保持同樣出力的狀況下，能夠在 10% 範圍內調節電壓。在發電機不經過變壓器升壓就向用戶提供電的簡易系統中，假如線路不是非常長、線路上電壓損耗不是很大的情況下，一般只通過改變發電機勵磁，改變其母線電壓就可以將電壓調整到合格的範圍。但是在發電機經過多級變壓器變換電壓向遠方供電的情況下，末端電壓隨著負荷的改變可能產生 20% 的電壓變化，單依靠發電機調壓顯然不能保證這部分用戶的電能質量，可採用其他調壓方式共同調節。
多級變壓器
多級變壓器2、通過調整變壓器檔位分接頭調整電壓。
雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高中壓繞組一般都有若干個分接頭可供選擇，通過選擇不同的分接頭，使變壓器變比發生變化，從而達到調壓目的。在無功充裕的系統中，運用各種類型的有載變壓器調壓方便、有效，而且有些負荷不採用有載調壓變壓器幾乎就無法獲得負荷需要的電能質量，中低壓配電網中因為輸電線路電阻較大，通過無功功率調壓往往效果不夠好，經常不得不採用具有分接頭的有載調壓變壓器。但是只有當無功充足時，用改變變壓器變比調壓才會有效，當系統無功不足時，必須先增設無功補償設備。若在無功不足時調節變壓器分接頭升壓，可能引起整個系統電壓的“崩潰”，因為節點電壓平方與無功功率成正比，若該點電壓升上去了，則該點所需要的無功會更多，最終導致整個系統的電壓繼續下降，導致電壓“崩潰”。
3、通過補償設備調壓。
系統中無功功率不夠充分時，需要考慮運用各種補償設備進行調壓。這些補償設備可分為兩類，即串聯補償和並聯補償。所謂串聯補償就是指串聯電容器補償，但是作為調壓措施，串聯補償電容器由於設計、運行等方面的原因，目前套用比較少。
調相機並聯電容器的優點：電容器可以根據需要連線成組，可以分組集中使用，又可以分散安裝，就地提供無功，從而減少線路功率損耗和電壓損耗；電容器還可以做到隨電壓波動分組投切，再加上電容器運行損耗小，投資費用低，因此，電容器仍是目前電網中套用最普遍的無功補償設備。
並聯電容器的缺點：電容器只能發出感性無功功率以提高節點電壓，不能吸收無功功率來降低節點電壓，因此，在低負荷時，應當切除節點上的部分至全部電容器。
電抗器與電容器調相機缺點：調相機的有功功率損耗比較大，在滿負荷運行的情況下，有功功率損耗可以占到其額定容量的 1.5% ～ 5%，而且調相機容量越小，有功損耗所占比重越大。此外，調相機是旋轉設備，運行的維護量也比較大。
SVC 靜止補償器，靜止補償器是一種可控的動態無功補償裝置，其特點是將可控的電抗器與電容器並聯使用，電容器發出無功，可控電抗器則可以吸收無功功率，根據無功負荷的變化情況進行調節，以保持母線電壓的穩定。SVG 靜止無功發生器，既可提供滯後的無功功率，又可提供超前的無功功率。特點是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接並聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償調整電壓的目的。
4、適當增大導線半徑。
部分電網都因為導線半徑小電阻大而導致電網電壓損耗太大。所以，加大導線半徑是電網改造的重要內容。對於新架設線路的導線需要考慮一定的裕度，尤其對配網中低壓線路，因其承受能力小容易出現過負荷過大。
5、組合調壓。
顧名思義就是幾種調壓措施的組合。既然不同的調壓措施都各有優缺點，應當綜合採用各種調壓措施，取長補短，才能達到最好的調壓效果。
