电力系统无功分析

无功功率是一种虚功率，但在电力系统中仍然需要它。如果电力系统中的无功功率过多，则电压可能会上升，而在无功功率不足的情况下，电压可能会降低。在本文中，我们将解释无功功率的各个方面，它在电力系统中的作用以及如何将其注入电力系统。

电力系统中电压和无功功率的基础知识：

希望电力系统中的电压在任何地方都应为每单位 (pu) 1（但极不可能维持它）。控制无功功率和电压幅值几乎是同义词；同样，控制有功功率和电压角度几乎是相关的词。考虑图 1。 Bus-1 与无限总线相连，传输线较长。通常，有功功率从高电压角流向低电压角，无功功率从高电压幅度流向低电压幅度。因此，在图 1 中，有功功率和无功功率都将从总线 1 流向总线 2（在少数情况下还取决于其他因素）。

同步发电机无功功率分析：

考虑一个简单的同步发电机 (SG) 等效电路，如图 2 所示。其端电压为1∠0，也可以说SG直接接无穷大母线。

需要注意的是无功功率是虚功率因此它可以由SG供应或吸收。如果 Ef 小于“1”（即 EfVt），则我们将说它在高励磁下运行（即其励磁绕组中的直流电流很高）；在这种情况下，SG可以提供无功功率。

有功功率称为真功率。 SG 始终提供有功功率；所以，你可以理解为什么同步发电机的转子角是正的，而同步电机的转子角是负的。

等式“输入 =输出 + 损失”适用于任何机器。对于SG，方程为“机械输入=电气输出（有功功率）+损耗”。

如前所述，如果 SG 在高励磁下运行，它可能会产生无功功率，即 SG 将向系统提供无功功率。事实上，发生的只是发电机和负载之间的能量交换。（假设负载是感应电机。那么，SG和感应电机之间会有能量交换；或者我们可以说SG正在产生无功功率，而感应电机正在消耗无功功率；但这只是约定，无功功率是虚构的因此无法产生或消耗电力）。

在Power System的书中，为了计算复数，提到了公式S=VI*。如果使用公式 S=V*I，则除了无功功率的符号将反转之外，可以找到相同的结果。因此，电气工程学者最终确定了公式 S=VI* 并丢弃了第二个公式。为什么他们选择了第一个公式而不是第二个公式，试着在这篇文章的基础上分析自己。

从图3可以很容易理解，为什么有功功率叫真功率，无功功率叫虚功率。

SG的示意图如图4所示.这个图也是不言自明的。

在其字段中查找是否直流电压（或直流电流）高于 SG 将提供更多的无功功率。所以，也许你会认为励磁绕组的直流功率被转换成无功功率。这是学生之间的一个很大的误解。请注意，励磁绕组中更多的直流电压意味着更多的直流电流，该功率将消耗为 I² 励磁绕组电阻“R”中的 R 损耗。励磁电路中的直流功率不会转换为无功功率。随着直流电流的增加，SG提供的无功功率增加，这意味着发电机的能量交换随着负载的增加而增加。励磁绕组中直流电流较大时，励磁绕组电感中的磁通较高，有利于SG产生无功功率。

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再次考虑图 1。如果 SG 的激发增加，就会发生两件事

(i) 发电机将提供更多无功功率
(ii)它的端电压（幅度）会增加（就像前面所说的无功控制和电压幅度几乎是相关的词）。

如果电力系统中的无功功率超过电压增加，反之亦然。在此基础上，读者也应该尝试理解费兰蒂效应。 [在费朗蒂效应的情况下，接收端电压高于发送端电压。它发生在无负载（或负载非常少）时。电力系统中的大部分负载是感性负载。因此，在空载条件下，电感效应降低，分流电容（空气中的自然分流电容）占主导地位。电容器产生无功功率因此试图提高电压]

电机类书籍中写到，在PF负载超前（即容性负载）时，变压器可能有负电压调节；读者也应该在本文的帮助下尝试理解这一行。请注意，容性负载试图增加电压。假设你有一个匝数比为 1:1 的变压器，外加电压是 100 V，它的端电压是 102 V，那么变压器的电压调节，就是 -2%。在容性负载的情况下是可能的。新手可能会惊讶变压器的端电压为什么会超过施加电压，他们应该尝试分析一下。

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分流补偿和串联补偿：

电力系统中常用“并联补偿”和“串联补偿”两个术语。 “并联补偿”控制无功功率，“串联补偿”控制有功功率。分流补偿可以是传输线或任何分流 FACTS 设备的分流器中的一个简单电容器。串联补偿可以是与传输线串联的简单电容，也可以是任意系列的 FACTS 器件。

考虑公式（非常有名的公式，这里不做详细解释）。 “X”是传输线的电抗。这个公式是假设传输线的电阻可以忽略不计的情况下推导出来的。如果将一个简单的串联电容器插入传输线（或图 1 中的总线 1 和总线 2 之间），则可以说它是串联补偿。通过控制串联电容的值，我们可以控制“X”，因此可以控制“P”。此外，您可以看到“P”与“δ”有关。（正如前面写的控制‘P’和‘电压角’是密切相关的词）。

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电力系统无功注入方法：

如果输电系统电压小于1 pu，则应向系统注入无功功率。电力系统中注入/吸收无功功率的各种方法如下：

控制 SG 的直流励磁，如本文上文所述，
并联电容器（提供无功功率和提高电压），
并联电感（消耗无功功率和降低电压），以防费朗蒂效应（即当负载非常小且接收端电压可能很高时），使用它。
TCR-FC 或 TCR-TSC（它是一种基于阻抗的 FACTS 设备），
STATCOM（它是一个基于电压源转换器的 FACTS 设备）。 STATCOM 或静态同步补偿器是一种电力电子设备，它使用 IGBT、GTO 等强制换向设备来控制通过电网的无功功率，从而提高电网的稳定性。 STATCOM 是一个分流 FACTS 控制器，即它与线路分流连接。在最初的日子里，它的名字是 STATCON 而不是 STATCOM。它是柔性交流输电系统 (FACTS) 系列器件的成员，具有很大的研究潜力。在电网的一个或多个合适点安装 STATCOM 将提高电压稳定性并在不同网络条件下保持平稳的电压曲线。它执行有源滤波的能力对于改善电能质量也非常有用。
在风电场中，使用感应发电机，它是一种单励电机（即它没有励磁绕组）。因此，感应发电机中的无功功率控制是不可能的；因此，在这种情况下，为了提供无功功率，STATCOM 被广泛使用。 STATCOM 作为并联控制器安装在感应发电机的终端。该主题也具有很大的研究潜力。

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本文中写的“分流补偿”与无功功率控制有关，可以看出上述方法2-6中，都是分流控制器。

如前所述，无功功率是虚功率，因此传输线旨在提供有功功率。这是一个为什么我们将无功功率注入电力系统的问题。答案是，发电机、输电线路、变压器等与感抗相比，其电阻可以忽略不计，因此我们可以说输电系统是一个电感电路。它正在消耗无功功率，因此我们必须提供无功功率来补偿它。

换句话说，我们可以说，为了保持平坦的电压曲线（即在任何地方保持电压 1 pu），在传输系统中，适当的无功功率控制是必要的。避免过多的无功功率传输；无功功率的产生和消耗应尽可能接近；否则会导致电压曲线不合适。

关于作者

博士。 Vipin Jain 于 1992 年获得那格浦尔大学工学学士学位，2007 年获得技术硕士学位，获得博士学位。 2017 年毕业于德里大学。他有长期的教学和工业经验。自 2007 年 12 月起，他在印度密拉特 (UP) 巴拉特理工学院电气工程系任教。迄今为止，他已发表了 20 多篇研究论文。他是印度政府能源效率局认证的能源审计师。