電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)系

劉 劍

（國網(wǎng)陜西省咸陽市供電公司，陜西 咸陽712000）

1 電壓質(zhì)量的重要性

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)電力的需求日益增長，對(duì)電能質(zhì)量也提出了更高的要求。電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)供給用戶受電端的交流電電能質(zhì)量。目前，主要利用電壓質(zhì)量、頻率、諧波含量等指標(biāo)對(duì)用戶電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，電壓是電能的最主要質(zhì)量指標(biāo)之一。電壓質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行以及保證用戶用電的質(zhì)量和安全有著重要的影響。在電力系統(tǒng)中，電壓穩(wěn)定性會(huì)受到很多因素的影響，因此電力系統(tǒng)的控制非常復(fù)雜。其中無功功率是最主要的影響因素，因此，需要對(duì)電力系統(tǒng)中的無功功率進(jìn)行控制和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分無功功率的平衡，從而保證電壓的質(zhì)量。

2 無功功率與電壓的關(guān)系

節(jié)點(diǎn)電壓與無功功率之間存在密切的關(guān)系，無功功率直接決定著電網(wǎng)的電壓水平，同時(shí)電網(wǎng)的電壓水平影響著無功損耗的大小，無功功率的傳輸也會(huì)導(dǎo)致電壓的損耗。

2．1 節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)無功功率分布的影響

無功功率的平衡直接影響電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電壓質(zhì)量。為了保證電壓質(zhì)量，要求電力系統(tǒng)在每一時(shí)刻所吸收的無功功率應(yīng)該等于所有負(fù)荷消耗的無功功率與系統(tǒng)的無功功率損耗之和，這樣才能保持無功功率的平衡。

圖1 簡單輸電線路示例

如圖1所示的輸電線路中，在忽略輸電線路的對(duì)地電容時(shí)，從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的功率為P＋jQ，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓分別為Ui和Uj，輸電線路之間的阻抗為R＋jX，則可以用下面的公式表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間電壓的關(guān)系：

當(dāng)輸電線路在超高壓輸電系統(tǒng)中時(shí)，X?R，則可以將公式（1）轉(zhuǎn)換為：

如果將節(jié)點(diǎn)j的電壓作為參考當(dāng)量，則可以用下面的關(guān)系式表示：

公式中的δ表示線路兩端電壓的相位差，通過比較式（3）和式（4）可以得到以下結(jié)果：

其中，在輸電線路運(yùn)行正常的情況下，線路兩端的相位差δ非常小，因此可以認(rèn)為，cosδ≈1，則可以將公式（5）簡化：

從公式（6）可以看出，輸電線路中無功功率的大小與線路兩端電壓的有效值之差成正比，無功功率會(huì)從電壓較高的節(jié)點(diǎn)向電壓較低的節(jié)點(diǎn)流動(dòng)。無功功率的傳輸與節(jié)點(diǎn)電壓幅值之間存在著緊密的關(guān)系，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)使依靠該線路傳輸?shù)臒o功功率發(fā)生變化。另外，無功功率在傳輸過程中所產(chǎn)生損耗引起的有功功率損耗可以按照下面公式進(jìn)行計(jì)算：

從上面的公式可以知道，當(dāng)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、輸送的有功功率及節(jié)點(diǎn)電壓保持不變時(shí)，電力系統(tǒng)的有功功率和無功功率的損耗主要受到所輸送的無功功率值的影響，當(dāng)輸送的無功功率越大時(shí)，有功功率和無功功率的損耗越高。因此，為了保證電能質(zhì)量，需要降低線路中所傳輸?shù)臒o功功率，并保持較高的電壓值。

2．2 無功功率對(duì)母線電壓水平有重要作用

在電力系統(tǒng)中，無功功率是一個(gè)非常重要的物理量。在電能輸送使用的過程中，用于電路內(nèi)電場與磁場交換的能量部分被稱為無功功率。無功功率是影響電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量的重要因素，當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率不足時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行頻率下降，而當(dāng)無功功率不足時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓下降。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，無功電源的無功出力在任何時(shí)刻都要同所有負(fù)荷消耗的無功功率與網(wǎng)絡(luò)的無功損耗之和相等。電源的無功Q和電壓U之間的關(guān)系如圖2中的曲線1所示，所負(fù)荷的主要成分是異步電動(dòng)機(jī)，其無功Q和電壓U的特性關(guān)系如圖2中的曲線2所示，曲線1和曲線2的交點(diǎn)表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓值Ua，當(dāng)系統(tǒng)電壓值為Ua時(shí)，系統(tǒng)的無功功率處于平衡狀態(tài)。

當(dāng)負(fù)荷所吸收的功率上升，會(huì)呈現(xiàn)出如曲線4所示的無功電壓特性，在這種條件下，如果無功出力保持不變或者下降，則無功電壓特性仍然呈現(xiàn)曲線1的趨勢，則此時(shí)曲線1和曲線4的交點(diǎn)為無功功率平衡點(diǎn)，交點(diǎn)表示負(fù)荷的電壓值為Ub，此時(shí)Ub＜Ua，從這里也可以看出，當(dāng)系統(tǒng)的無功出力無法滿足Ua電壓水平時(shí)，系統(tǒng)有無功功率平衡的需求。因此，需要降低系統(tǒng)的運(yùn)行電壓，從而降低無功功率的消耗，以實(shí)現(xiàn)低電壓條件下的無功平衡。如果發(fā)電機(jī)提供了充足的無功功率進(jìn)行備用，則發(fā)電機(jī)的無功電壓呈現(xiàn)出如曲線3所示的特性，曲線3與曲線4的交點(diǎn)與原有的無功平衡點(diǎn)Ua接近。由此可以得出，當(dāng)系統(tǒng)無功源充足的條件下，能夠滿足無功負(fù)荷增長的需要，系統(tǒng)的運(yùn)行電壓質(zhì)量較高，而當(dāng)無功出力不足時(shí)，運(yùn)行電壓質(zhì)量則會(huì)下降。因此，在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，應(yīng)該盡量保證無功功率的平衡，并充分保有備用的無功功率儲(chǔ)備。

圖2 無功功率與電壓的關(guān)系

3 無功補(bǔ)償原理及對(duì)策

在交流電路中，純電阻元件中的電流與電壓同相位，而純電感負(fù)載中的電流相位滯后電壓與純電容負(fù)載中的電流相位超前電壓，二者可以相互抵消。當(dāng)電源向外供電時(shí)，容性負(fù)荷會(huì)儲(chǔ)存感性負(fù)荷向外釋放的能量；而當(dāng)感性負(fù)荷需要能量時(shí)，容性負(fù)荷釋放所儲(chǔ)存的能量，以滿足感性負(fù)荷所需。這種能量的變換，可以使感性負(fù)荷所需的無功功率得到補(bǔ)償。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，用電設(shè)備消耗1 kW有功功率，就需要1．2～1．3 kvar的無功功率配套。電力系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的無功電源主要由發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的無功功率、無功補(bǔ)償設(shè)備輸出的無功功率以及輸電線路的充電功率三部分組成。其中，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生50%左右的有功功率，而線路的充電功率則存在很大的隨機(jī)性，主要受到線路長度及電壓高低等因素的影響。因此，在通常情況下，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的無功功率，有50%左右需要無功補(bǔ)償設(shè)備提供。

現(xiàn)階段，我國的能源形勢十分嚴(yán)峻，電力系統(tǒng)無功功率的治理是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的重要內(nèi)容之一。因此，建議相關(guān)的部門對(duì)電力系統(tǒng)無功功率進(jìn)行研究，探索以技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的形式，將現(xiàn)行的電能用戶功率因數(shù)基本值適當(dāng)提高，從法律和技術(shù)規(guī)范的層面來解決用戶無功補(bǔ)償容量不到位的問題。

從目前國內(nèi)的情況來看，無功功率不會(huì)對(duì)用戶的經(jīng)濟(jì)利益產(chǎn)生直接影響，大部分用戶根本不重視電能的流失，需要通過多種手段來提高這部分用戶對(duì)電力系統(tǒng)中無功功率的認(rèn)識(shí)，促使其提高功率因數(shù)的積極性。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，需要對(duì)一些高性能、小體積且價(jià)格合理，普遍適用于大部分普通居民的無功自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行研究，使無功補(bǔ)償設(shè)備能夠更加廣泛地應(yīng)用到整個(gè)社會(huì)中，從而使電網(wǎng)中無功功率的流動(dòng)大大減少，真正實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償“就地補(bǔ)償”的基本原則。

4 結(jié) 論

電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中的電能質(zhì)量主要受電力資源供應(yīng)的質(zhì)量和效率的影響，因此，其中最主要的無功補(bǔ)償問題越來越得到人們的重視。電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償主要依靠無功補(bǔ)償設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。通過無功補(bǔ)償工作的有效開展，能夠保證各個(gè)區(qū)域之間電壓的平衡，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的提高，促進(jìn)電力系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的不斷提高。

［1］ 金學(xué)文．電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用［J］．新疆電力技術(shù)，2009，3（12）：20－21．

［2］ 劉曉東．淺析電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償技術(shù)［J］．科技向?qū)В?012，1（32）：105－106．

［3］ 孫 靜，張 斌，杜明星．電壓失穩(wěn)預(yù)防校正控制初探［J］．繼電器，2007，35（17）：52－57．