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电力系统中的无功功率电源

系统的无功向系统发出滞后的无功功率,一般系统中有以下几类无功电源,一是同步发电机以及过激运行的同步;二是无功补偿电源包括器、静止无功补偿器和同步调相机;三是110kv及以上电压线路的充电功率。

1)同步发电机

发电机既是唯一的有功功率电源,同时也是最基本的无功功率电源。发电机发出的无功功率一般为有功功率的40-60%。同步发电机允许运行范围如图2-10所示,发电机只有运行在额定状态(即额定电压、电流和功率因数)下的n点才能发出额定的无功功率,其容量才可得到充分的利用。当系统中有功功率备用充足时,可使靠近负荷中心的发电机降低有功功率,多发无功功率,以提高系统运行的电压水平。大型发电机受制造上的限制,额定功率因数随容量的增大而增高,因而额定无功功率相对下降,如表1所示,

表1 发电机的额定功率因数


功率因数容量sgn无功功率qgn
0.801.25pgn0.75pgn
0.851.17pgn0.62pgn
0.901.11pgn0.48pgn


其中发电机发出的功率如下,

(1)

式中,sgn为发电机的额定容量,mva;pgn为发电机的额定有功功率,mw;qgn为发电机的额定无功功率,mvar。

2)同步调相机

同步调相机是系统中的无功功率电源,实质上,它是专用的空载运行的大容量同步电机,同步调相机运行时,由电网供给的有功功率约为其额定容量的1.5-3%,功率因数

同步调相机正常运行时数学模型与同步发电机相同,简化条件为,即电压与电流的相量相交。因此输出电流只有纵轴分量,i=id,iq=0。电压只有横轴分量,u=uq,ud=0,端电压与电流的关系为

(2)

电压与电流向量图如图1所示,

a)过励磁 (b)欠励磁

图1 同步调相机的工作状态

同步调相机输出的无功功率为:

(3)

式中,eq和u表示线电势和线电压,q为三相无功功率。

式(5-3)表明,当,过励磁运行(相位滞后),无功功率为正,同步调相机输出滞后的无功功率,相当于,它向系统供给感性无功,起无功电源的作用,过励磁运行时的额定无功功率即为调相机的容量。当欠励磁运行(相位超前),无功功率为负,同步调相机输出超前的无功功率或吸收滞后的无功功率,相当于电抗器。起无功负荷作用,欠励磁运行时的容量为过励磁运行时容量的50%~65%。欠励磁的极限为励磁电流为零,此时,达到极限值。

同步调相机一般装设有自动电压调节器,根据电压的变化可自动调节励磁电流,以达到改变输出无功功率的作用,使节点电压的允许的范围内。调相机的优点是,它不仅能输出无功功率,还能吸收无功功率,具有良好的电压调节特性,对提高系统运行性能和稳定性有一定的作用。但调相机是旋转机械,运行维护不方便,投资费用与其容量有关,容量越小,投资费用越大,因此同步调相机适宜于大容量集中使用。

3)静电电容器

电容器一般采用并联形式接入电网,并联电容器广泛应用于改善负荷的功率因数,是电力系统中一种重要的无功功率电源。由于单台容量有限,使用时可将电容器连接成若干组,按需要成组地投入或切除。其单位容量的投资费用较小,运行时有功功率损耗也较小,约为额定容量的0.3%~0.5%。当节点电压下降时,它向系统供给的无功功率也将下降。而当系统发生故障或其它原因导致电压降低时,电容器向系统供给的无功功率反而减少,从而导致电压继续下降。这是电容器在调节性能上的缺点。

并联电容器输出的电流与无功功率为

(4)

4)静止补偿器

静止补偿器由电容器组与可调电抗器组成,是一种动态无功补偿装置,既可向系统供给无功功率,也可以从系统吸取无功功率。静止补偿器的全称为静止无功补偿器(svc),有各种不同型式。目前常用的有晶闸管控制电抗器固定电容器型(tcr-fc型)、晶闸管开关电容器型(tsc)和饱和电抗器型(sr型)。电压变化时,静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功率,以满足动态无功补偿的需要。它由静止元件组成,运行维护方便,并且有功损耗较小(低于1%)。

图2静止补偿器(a)tcr型;(b)tsc型;(c)sr型

tcr-fc型补偿器(晶闸管控制电抗器固定电容器型)接线如图2(a)所示,控制导通角a可改变线性电抗器的导纳值,

(5

tsc型补偿器是用可控硅投切的电容器组构成的(thyristor switched capacitor)

用可控硅开关代替机械类开关,接线如图2(b)所示。sr型补偿器是用直流电流控制的饱和电抗器(d.c. control saturable reaction)与固定电容器的并联组合。 这类补偿器是用直流控制的饱和电抗器与固定电容器的并联组合,这类补偿器是用改变励磁电流来调节电抗值,从而达到调整输出无功功率的目的。接线如图如图2(c)所示。静止无功补偿器的优点是调节速度快,响应时间小,损耗小,无旋转部分,可靠性高,比调相机价格低25-30%,缺点是具有负的电压调节效应。为克服这一缺点,采取新型的有源静止无功补偿器。

5)高压输电线路的充电功率

如前所述,高压及超高压线路是一种数量可观的无功功率电源,其充电功率与线路电压的平方成正比,电力线路中的无功功率包括两部分,串联电抗中的无功功率损耗(感性)与并联电纳中的充电功率(容性)。

(6)

pλ为线路中的自然功率,线路无损,线路为无功电源,线路为无功负荷。


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