电力系统无功及电压稳定性的研究与分析(2)

第二章 电力系统的无功

在电网对用户输电的过程中，电网要提供给负载的电功率有两种：有功功率和无功功率。有功功率（p）是指保持设备运转所需要的电功率，也就是将电能转化为其它形式的能量（机械能、光能、热能等）的电功率；而无功功率（Q）是指电气设备中电感、电容等原件工作时建立磁场所需要的电功率。

2.1 无功功率的基本概念

无功功率比较抽象，它主要用于电气设备内电场与磁场的能量转换，在电气设备中建立和维护磁场的功率。它不表现对外做功，由电能转化为磁能，又由磁能转换为电能，周而复始，并无能量损耗。特别指出，无功功率并不是无用功，只是它不直接

转化为机械能、热能等为外界提供能量，作用却十分重要。

电机运行需要旋转磁场，就是靠无功功率来建立和维持的，有了旋转的磁场，才能使转子转动，从而带动机械的运行。变压器也需要无功功率，才能使一次线圈产生磁场，二次线圈感应出电压，凡是有电磁线圈的电气设备运行都需要建立磁场，然而建立及维护磁场消耗的能量都来自无功功率，没有无功功率，这些设备都不能正常运行。

2.2 正弦电路的无功功率

在电压电流都为正弦波形，负荷为线性时，电压和电流的瞬时值表达式可写成：

（2—1）

（2—2） 式中U、I和φ分别是电压有效值、电流有效值和电流滞后电压的相角。

如将电流i分解成与电压同相的有功分量和与电压相角差90°的无功分量，则可写成

（2—3）

瞬时功率p为

=

瞬时功率可以分为两个部分：①

或输出时功率中不可逆的分量；② （2—4） （2—5） （2—6）

是非正弦周期量，是输入是正弦量，是瞬时功率中的可逆分量，它在一个周期内正负交替变化两次，表明了周期性的交换能量

无功功率Q为

（2—7）

时，认为该端口吸

它是式（2—6）中可逆变分量的幅值（最大值）

。当

收无功功率；当

,时，认为该端口发出无功功率。对单一元件亦适用，既有(吸收)，（发出）。、为电流、电压的无功分量。无功功率反应了内部与外部往返交换能量的情况，但是它并不像有功功率那样表示单位时间所做的功。常用无功功率的单位为乏（var）,千乏（kvar），兆乏（Mvar）

2.3 非正弦电路的无功功率

在电网中，如果电压和电流都具有非正弦波形，将电压和电流分别分解为傅里叶级数，即

（2—8）

（2—9） u(t)和i(t)具有相同的基波频率。由于负荷可能是非线性的，所以电压和电流不一定具有相同阶次的谐波分量。

在电压和电流都为非正弦波的情况下，谐波的出现不仅会影响电压和电流的有效值，也将影响到功率的数值。

根据有功功率等于瞬时功率在一个周期内的平均值的定义，并且考虑到三角函数的正交性可以得出

式中为第n次谐波电流滞后电压的相角。 （2—10） 需要说明的是仅有同频率的的电压和电流才构成有功功率，而不同频率的电压电流则不构成有功功率。

仿照上述有功功率的计算公式，可以给出频域的无功功率定义为

（2—11） 在正弦波的情况下，习惯上规定感性负荷的无功功率为正，容性负荷的无功功率为负，利用无功功率的符号来研究无功补偿问题不会引起任何矛盾。但在非正弦波的情况下，在同一个谐波源内可能会出现某次谐波是感性无功，而另一次谐波则是容性无功。在利用无功功率的符号规定时，在这种情况下将导致不同谐波的无功相互补偿，换句话说，在非正弦波的情况下，无功功率已经没有能量交换的最大量度等物理意义。另一方面，习惯上规定用户吸收的有功功率为正、发出的有功功率为负

2.4 功率因数

感性负载的电压与电流的相量间存在一个相位差，通常用相位角的余弦cosφ来表示，cosφ称为功率因数

P————有功功率

S————视在功率

功率因数的大小，反映了电网系统中电源输出的视在功率的有效利用程度，为了提高电网系统中电能输送质量，希望功率因数越大越好。 （2—12）

2.5 功率因数过低对电力系统的影响

1. 无功增加，会使系统电压降低

无功负荷增加时，输电线路的电压损失增加。由于线路存在阻抗，当电流流过线路时就要产生电压损失。其数值可用以下式子近似计算：

P————线路输送有功功率 （2—13）

Q————线路输送无功功率

R————线路电阻

X————线路电抗

U————线路首段电压

2. 无功负荷增加，功率因数降低，会使线路、变压器等设备功率损耗增大线路功率损耗

（2—14） 成反比，功率因数越低，由上式可得，当传输的有功功率不变时，线损与

线损越大。

3. 系统无功负荷增加，功率因数降低，将限制变压器、发电机等设备的有功输出

（2—15）

第3章 电力系统的电压稳定性研究

近年来，随着经济的快速发展,用电量急剧增加,给电力系统的安全运行带来了新的问题，一些大型电网相继发生大面积电压崩溃事故，用电量的增长速度超过了电网建设的速度,网架建设的薄弱也给电压稳定带来很大的安全隐患。同时,电力市场竞争机制使各种电源竞价上网, 给庞大的极限运行的网络带来很多不确定的因素,使电压稳定性问题成为影响电网安全的一大因素。迫切要求对电压稳定性问题进行深入研究。

3.1. 电压稳定性的定义

到现在为止，学术界对电压稳定性还没有公认的严格定义。《电力系统安全稳定导则》中将电压稳定定义为：当电力系统受到或小或大的扰动后，电压能保持或者恢复到容许的范围内，而不发生电压崩溃的能力。

1990年IEEE电压稳定小组的报告认为：如果电力系统能够维持电压以确保负荷增大时，负荷消耗的功率随着增大，就称系统是电压稳定的；反之就称系统是电压不稳定的。

1993年CIGRE （国际大电网会议）提出：电压稳定是整个电力系统稳定性的一个子集，如果系统受到一定的扰动后，邻近节点的负荷电压达到扰动后平衡状态的值，并且该受扰状态处于扰动后的稳定平衡点的吸引域内，那么就认为系统是电压稳定的；与此相反，如果扰动后平衡状态下负荷邻近的节点电压低于可接受的极限值，那么就称系统电压崩溃。

所谓电压崩溃，就是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降的过程（电压也可能是由于“角度不稳定”而崩溃的）。当出现扰动、负荷增大或系统变更使电压急剧下降或向下漂移，并且运行人员和自动系统的控制已无法终止这种电压衰落时，系统就会进入电压不稳定状态，这种电压的衰落可能只需要几秒钟，也可能长达10-20min，甚至更长，如果电压不停地衰落下去，静态的角度不稳定或电压崩溃就会发生。

3.2. 电压稳定的分类

我国在 2001 年出版的电力系统安全稳定导则中，参照了CIGRE 在1993 年的定义，并结合最新的研究成果，将电压失稳按表现分为静态小扰动失稳、暂态大扰动失稳、大扰动动态失稳、长过程失稳。IEEE/CIGRE 联合工作组结合最新的研究成果，并考虑到电力工业界的实际需求，于2003 年重新对电力系统稳定等问题进行了定义，文中指出，电压稳定是指系统经受扰动后所有节点保持稳定的电压的能力，同时电压稳定可以按照扰动大小和 …… 此处隐藏：2245字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……