1、武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书2电力系统无功平衡计算与分析1 设计意义与要求1.1 设计内容意义电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，只有电力系统中各种无功电源的无功功率输出满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的要求，才能使电压不偏离额定值，系统正常运行，给我们提供质量好的电能。本次的课程设计是对我们平时学习的理论知识的一个检验，也是让我们熟悉课本知识并应用的一个好机会。其目的在于让我们对电力系统无功功率平衡这一方面有更深刻的了解。1.2 设计内容要求1. 根据给定条件和电路原理图计算并分析电力系统无功功率平衡；2. 认真撰写课程设计报告。2 设计原理2.1 无功功率平衡
2、的原理与要求无功功率平衡的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。 电力系统无功功率平衡的基本要求是：系统中的无功电源可能发出的无功功率应该大于或等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和。为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长，系统还必须配置一定的无功备用容量。令 为电源供应的无功功率之GCQ和， 为无功负荷之和， 为网络无功损耗之和， 为无功功率备用，则系统中无功LDQLQres功率的平衡关系式为 GCLDres表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用； 表示系统中无功功
3、率不足，res0 0Q应该考虑加设无功补偿装置。电力系统的电压运行水平取决于无功功率平衡，为了确保系统的运行电压具有正常武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书3水平，系统拥有的无功功率电源必须满足正常电压水平下的无功功率需求，并留有必要的备用容量。电力系统中既有有功功率电源，又有无功功率电源，为保证电能的质量，系统内的功率必须保持平衡。否则当系统中各种无功电源的无功功率输出（简称无功出力）不满足系统负荷和网络损耗在额定电压下的无功功率需求时，电压偏离额定值。电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率
4、。电力系统中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡。 有功功率、无功功率、视在功率之间的关系为： 2SPQ其中， 为视在功率， ； 为有功功率， ； 为无功功率， 。 SKVAKWKVRA图 1-1 各功率几何关系角为功率因数角，它的余弦 是有功功率与视在功率之比，即 。由coscosPQ功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数 越小，则所需的无功功率越大。如果无功功率不是由电容器提供，则必须由输电系统供给，为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量需要增大。这样，不仅增加供电投资、降低设备的利用率，也将增加线路损耗。为此，国家供用电规则规定：无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自
5、然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送。还规定用户的功率因数应达到相应的标准，否则供电部门可以拒绝供电。因此，无论对供电部门还是用电部门，对无功功率进行自动补偿以提高功率因数，防止无功倒送，从而节约电能，提高运行质量都具有非常重要的意义。2.2 无功补偿负荷异步电动机在电力系统负荷（特别是无功负荷）中占得比重很大。系统的无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定。在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减。当电压明显低于额定值时，无功功率主要由漏抗中的无功损耗决定，因此，随武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书4电压下降反而具有上升
6、的性质。变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当比重。假定一台变压器的空载电流 ，短路电压 ,则额定满载下运行时， ，无功功率的消耗将达到额定0%1.5I%10.5SV容量的 12%。如果电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中的无功功率损耗的数值是可观的。输电线路也是带有一定无功损耗的。35KV 及以下的架空线路充电功率甚小，一般来说这种线路都是消耗无功功率的，110KV 及以上的架空线路当传输功率较大时，电抗中消耗的无功功率将大于电纳中产生的无功功率，除抵抗电容中的损耗以外还有多余，这时线路就成了无功电源。2.3 无功补偿电源电力系统中为了实现无功功率在额定电压下的平衡，即实现整个系
7、统的无功功率平衡和实现各区域无功功率平衡，保证电压质量，满足用户的用电要求，必须对系统中的无功功率和电压进行调节，使之在允许的偏移范围内。从目前国内外无功补偿装置的应用情况看，无功补偿装置主要有同步调相机、并联电容器和静止补偿器等三种。2.3.1 同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。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，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。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁最大容量只有过励磁容量的50%65%。装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或
8、吸取）的无功功率，进行电压调节。特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下，还能调整系统的电压，有利于提高系统的稳定性。但是同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂。它的有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的1.5%5%，容量越小，百分值越大。小容量的调相机每千伏安容量的投资费用也较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5 MVA 的一般不装设。在我国，同步调相机常安装在枢纽变电所，以便平滑调节电压和提高系统稳定性。2.3.2静止电容器静止电容器的结构比较简单，装设容量可大可小，而且既可集中使用，又可分散装武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书5设来就地供应无功功率，以降低网络的电能损耗。
9、静止电容器的优点是经济、灵活、损耗低、安装维护方便。为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，分组投入或切除，可控硅投切型电容器补偿装置就可以实现补偿功率的调节。2.3.3静止补偿器静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置。它是将电力电容器与电抗器并联起来使用，电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑地改变输出（或吸收）无功功率的静止补偿器。静止补偿器有四种不同类型，即可控饱和电抗器型，自饱和电抗器型，可控硅控制电抗器型，以及可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型静止补偿器。电压变化时，静止补偿器能
10、快速地、平滑地调节无功功率，以满足动态无功补偿的需要。与同步调相机比较，运行维护简单，功率损耗较小，能作到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击负荷也有较强的适应性，在我国电力系统中它将得到日益广泛的应用。2.4 无功补偿方式无功补偿就其补偿方式来说分为高压补偿和低压补偿。高压补偿通常是在变电所高压侧进行，仅能补偿补偿点前端的无功功率，对补偿点后的线路和负载的无功功率起不到补偿作用；低压补偿可直接补偿配电线路和负载的无功功率，补偿效果较为理想。无功补偿应根据分级就地平衡和便于调整电压的原则进行配置。集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损
11、相结合，以降损为主；并且与配电网建设改造工程同步规划、设计、施工、同步投运。高压无功补偿装置广泛地采用高压并联电容器，装设在变电站主变压器的低压侧，作用是对电网无功进行补偿，改善电网的功率因数，提高变电所的母线电压，补偿变电所主变压器和高压线路的无功损耗，充分发挥供电设备的效率。因此应根据负荷的增长，安排、设计好变电所的无功补偿容量，运行中在保证电压合格和无功补偿效果最佳的情况下，尽可能使电容器投切开关的操作次数减少。低压补偿方式有三种：集中补偿、分散补偿和就地补偿。集中补偿是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，对无功进行统一补偿。这种补偿方式比较适合在负荷集中、离变电所较近，无
12、功补偿容量较大的场合。武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书6集中补偿的优点是：可以就地补偿变压器的无功功率损耗。由于减少了变压器的无功电流，相应地减少了变压器的容量，也就是说，可以增加变压器所带的有功负荷。可以补偿变电所母线、变压器和受电线路的功率损耗，节约能源。当负荷变化时，能对母线电压起一定的调节作用，从而改善电压质量。便于管理、维护、操作及集中控制。缺点是：它只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损耗，而不能减少用户内部通过低压线路向用电设备输送无功功率所造成的损耗。分散补偿是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相联接，形成低压电
13、网内部的多组分散补偿方式，适合负荷比较分散的补偿场合。分散补偿的优点：对负荷比较分散的电力用户，有利于无功进行分区控制，实现无功负荷就地平衡，减少配电网络和配电变压器中无功电流的损耗和电压损失，使线损显著降低；在负载不变的条件下，可增加网络的输出容量；补偿方式灵活，易于控制。分散补偿的缺点是：如果装设的电容器无法分组，则补偿容量无法调整，运行中可能出现过补偿或欠补偿；补偿设备的利用率较集中补偿方式低；安装分散，维护管理比较不方便。就地补偿用电设备所消耗的无功功率，将电容器组直接装设在用电设备旁边，与用电设备的供电回路并联，以提高用电系统的功率因数，从而获得明显的降损效益。就地补偿的优点是：无功
14、电流仅仅与附近的用电设备相互交换，不流向网络其它点，在网络中无功电流的无功损耗和电压损耗小，既对系统补偿，也对用户内部无功损耗补偿，大大减少了电能损失，被补偿网络运行最经济；在配电设备不变的情况下，可增加网络的供电容量，导线截面可相应减小；适应性好，既可三相补偿，对容量较大的电动机个别补偿，也可进行两相、单相补偿，并且单台补偿装置的容量较小，电容器投切冲击电流小，对于宾馆、大楼等无功补偿特别适合。就地补偿的缺点是：对于电网内公用负荷，与集中补偿和分散补偿相比，补偿相同容量的无功负荷所需的补偿电容器总容量和补偿装置总数量增加，投资较大，补偿装置利用率较低。2.5 无功功率平衡与电压的关系在电力系
15、统运行中，要求电源的无功出力在任何时刻都同负荷的无功功率和网络无功损耗之和相等。即：武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书7GCLDQ现以一发电机经过一段线路向负荷供电来说明无功电源对电压的影响。略去各元件电阻，用 表示发电机电抗与线路电抗之和，等值电路如下图所示：X图 2-1 无功功率和电压关系的解释图假定发电机和负荷的有功功率为额定值，根据向量图可以确定发电机送到负荷节点的功率为 cosinEVPIX2inQI22EVPX当电势 为一定值时， 同 的关系是一条向下开口的抛物线。负荷的主要成分是E异步电动机，其无功电压特性如图中曲线 2 所示。图 2-2 按无功功率平衡确定电压武汉理工大学电
16、力系统分析课程设计说明书8负荷增加时，其无功电压特性如曲线 所示，如果系统的无功电源没有相应增加，2电源的无功特性仍然是曲线 1，这时曲线 1 和曲线 的交点 就代表了新的无功平衡点，a并由此决定了负荷点的电压为 ，显然 ，负荷点的电压偏高。aVa由此可见，系统中的无功电源对系统中的电压的影响为当无功电源比较充足时，能满足较高电压水平下的无功平衡需要，系统就有较高的运行电压水平；反之，无功不足就反映为运行电压水平偏低。因此，应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡，并根据这个要求装设必要的无功补偿装置。3 设计过程及参数计算31 输电系统参数计算画出等值电路图 3-1 如下所示：图 3-1
17、系统等值电路图3.1.1 变压器 T-1 两台并联2233NT1PsV10R10.5S6武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书92 23 3NT1Vs%10.5X10.0S6-3001 .8Pj j(.12.08)var1NI jM（ ） （ ）3.1.2 变压器 T-2、T-3 两台并联2 232311500%1.4SNTpVR2 23 323 . .76XTNX0023) )0.8(.11(.4.2)ISPjSjj 3.1.3 输电线路线路 L1：L1L1ZRjX0.2.450(.281)jj（ ）641B.81.S2242B121NQV.01.36Mvar线路 L2：L2L2ZRjX0.
18、3.48(.8)jj（ ）6421B.71.10S242B33NQV.8.316Mvar32 无补偿平衡计算作为初步估算，先用负荷功率计算变压器绕组损耗和线路损耗。武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书10线路 L1 的阻抗及相关损耗：11230.54.26.0413.LTLTRR111231876XX1 112 2.()(13.40.)0.57.0LTLTNPQS jMVAUj线路 L2 的阻抗及相关损耗：212.534.26.8LTLTRR211281750XX2 2222 .()(6.8.)0.796.5LTLTNPQS jMVAUj累计到发电机端的输电系统总功率需求为： 12 1234
19、012032(3.)7796.5.0804()6.5.6DLTL BBSSSjQjQjjjMVA若发电机在满足有功需求时按额定功率因数运行，其输出功率为 (2tan)62.538.76GSj jMVA此时无功缺额达到(54.368.7)1.9VA根据以上对无功功率缺额的初步估算，拟在变压器 T-2 和 T-3 侧设置 10Mvar 补偿容量。补偿前负荷功率因数为 ，补偿后可提高到20cos.83.5。计及补偿后线路和变压器绕组损耗还会减少，发电机能在额定功率230.9231.5因数附近运行。33 补偿后的功率平衡计算补偿后负荷功率为 23(012.5)LDSjMVA武汉理工大学电力系统分析课程
20、设计说明书11各节点流过的功耗大小如下：224301.5.(.0431.76)0.4.3230.159Sj jjMVA4“.2.2.BQjjjMVA227(6.83)0.69.7110LSjj2“13.4152366.49BjjjjMVA12207.6(.8)1.5.09LSjjMVA11 .53.096.427.61.32.69.BQjjjj1226.9.(.12.)0.4.50TSjVAj输电系统要求发电机的输出功率为106.9.6.6.12.08GTSjjj62.9453.jMVA此时发电机的功率因数为 226.945cos0.876314 计算结果分析根据计算结果，在变压器 T-2 和
21、 T-3 侧设置 10Mvar 补偿容量。补偿前负荷功率因数为，补偿后可提高到 。按照这种补偿方案进行230cos.8.5230.9231.5实际补偿后进行校验，可以得到发电机此时的功率因数 。计算结果表明，所cos0.876选补偿量是适宜的。以上的方案是在平均补偿的条件下进行无功平衡的，如果改变补偿方式进行非平均武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书12补偿，即两个负载的补偿量不一样时，通过计算可以知道系统的功率因数基本上还是维持在 0.85 左右，不会有太大的波动。由此可以得到如果在对系统要求不是很高时，可以用小的无功补偿量来代替大的无功补偿量。这样可以在满足要求时，花费最少，使设计达到最
22、经济的效果。小结体会这段时间刚好是考完试了，并且之前有过几次课程设计的经验。所以在时间的规划跟设计报告的书写格式上面感觉要轻车熟路一些了。虽然最近还有很多实验跟其他课设的压力，但这样刚好锻炼了我对时间的规划跟科目分配与安排。本设计主要在于分析计算电力系统的无功功率平衡问题，让我对电力系统无功平衡有了更加深入的学习和了解，掌握了各种无功补偿措施以及补偿装置的特点和使用场合。并且在实际情况中，我们怎么检测计算无功功率。无功功率不平衡的时候，我们又应该怎么去解决，从而调节无功功率致使平衡。我们可以通过采用合适的无功补偿措施，对电力系统进行分地区、分电压等级地进行无功平衡，能够有效地改善电压质量，使用
23、户处的电压接近额定值，同时能够提供功率因数，降低电网损耗，大大提高系统的运行效率。无功功率平衡的分析计算在电力系统分析中，是十分基础也是十分重要的，因为电力系统中无功功率是否平衡，直接影响电压的质量。当系统中的无功功率大于（或不能满足）无功负荷的需要时，就得调整无功功率的输出，采用调压措施，调整负荷侧电压，以改善电压的偏移。所以通过这次课程设计，我们学会了对于一个给定的电力系统，根据已有的题设条件以及系统接线图，去计算各个元件的参数或者标幺值，建立电力系统模型，画出等值电路图，然后分部计算分析。课程设计就要结束了，这里非常感谢老师平时严谨负责的教学态度，这一学期的学习让我们掌握了许多知识，也对
24、自己有了更高的要求。也感谢我的同学们给了我一些帮助，跟我一起讨论分析问题。武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书13参考文献1何仰赞、温增银.电力系统分析.武汉：华中科技大学出版社，2002.32熊信银、张步涵.电气工程基础.武汉：华中科技大学出版社，2005.93刘宗岐、郭家骥.电力系统分析学习指导.北京：中国电力出版社，2005本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别专业、班级课程设计题目：电力系统无功平衡计算与分析课程设计答辩或质疑记录：武汉理工大学电力系统分析课程设计说明书14成绩评定依据：设计原理（20 分）计算步骤与网络图（30 分）结果及分析（20 分）说明书内容和规范程度（10 分）答 辩（10 分）考 勤（10 分）总 分（100 分）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日
