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在电力系统分析中,除了这种电压电流矢量图外,我们还有波形图以及四象限图等思考工具。
(来源:微信公众号“黄师傅说电”)
我们先以最基础的电力负荷为例,不论怎样复杂的负荷,最终都可以抽象成电阻、电感或电容的串并联组合。
而流经电感的电流在方向上滞后电压矢量,流经电容的电流却是超前于电压矢量的。
从波形图上看,以电压波形为基准,绘制电流波形如图所示,二者谁在前谁在后的判断标准就看哪条波形先过横轴零点。
如果是纯电感性的负荷,那么电流滞后电压的角度就正好是90°,而纯电容性的负荷,电流超前电压的角度也正好是90°。而阻感性的负荷,滞后的角度介于0~90°之间;阻容性的负荷,超前的角度也是0~90°。
接着我们就可以把波形图上的时序图转化为电压电流向量的矢量图,以电压矢量的方向为横轴,从原点出发构建绘制横纵两条数轴。电流矢量根据在波形图中超前或者滞后电压矢量的角度同步绘制,波形图中的正弦曲线转化为矢量图中的直线。
我们把电流矢量分别向横轴和竖轴进行投影,也就是做垂线,那么一个电流矢量就被分解成了与横轴和纵轴平衡的两个矢量。这一横一纵两个矢量之和,还是电流矢量。
因为横轴的方向就是电压矢量的方向,而电流矢量在其方向的上投影与其同方向。当电压和电流同向时,代表纯阻性,也可以称为这是电流矢量的有功分量。
而纵轴方向和电压矢量垂直,与纵轴平行的电流纵轴矢量投影代表了纯感性或者纯容性,也可以称为这是电流矢量的无功分量。
电力系统习惯把感性无功叫做吸收无功,把容性无功叫做发出无功,再结合负荷是用电还是倒送电状态就可以划分出PQ四象限图。
在象限图里,横轴是有功轴,向右代表P>0,意为负荷从电网侧受电,这一点也符合电网下的全负荷视角;向左代表P<0,意为负荷向电网反送电。
而纵轴向上代表Q>0,意为负荷呈感性,从电网吸收无功;纵轴向下代表Q<0,意为负荷呈容性,向电网倒送无功;
以电网俯瞰全部负荷,小到一个具体的用电设备,中到一个企业用户,大到一个配电网区域,每时每刻都可以落在四象图中的一个象限。
这一点在四象限电能计量表液晶屏的左上角侧也都有体现。
在没有分布式电源接入时,以某个用户为观察视角,绝大多数都是位于第一象限的运行状态,即有功和无功都从电网获取,因为大多数电力负荷都是呈现阻感性的。
这也是为何成套的配电设备中的无功补偿设备都是电容器组的原因,用并联的电容器对冲感性负荷,在表后实现无功的中和。
也有一些特殊负荷呈现阻容性,那么这个用户的运行区间就位于第四象限。一般计算机负荷呈现容性,所以查看数据中心用户的运行象限就多位于第四象限。
对应这两类用户,如果安装了分布式光伏发电系统,那么余量上网的时候,并不会改变负荷的容感性,但却可以改变用户运行的象限。
也就是说从电网的视角看,整体的用户负荷(含光伏)会运行在第二或第三象限。
我们再看电表的计量,对于有功会计量正向有功和反向有功,而对于无功电量则会按照第I,第II,第III,第IV象限进行计量。
再对应到我们在电费单上常见的正向无功和反向无功,这个正反向多数情况下按照的是有功的正反向,而并非无功的正反向。
也就是说正向无功代表的是第I和第IV象限的无功电量之和,因为这两个象限对应的有功P是大于零的;而反向无功代表的是第II和第III象限的无功电量之和,因为P<0;
所以如果看到某个用户电费账单上反向无功有不小的数值,那么大概率可以判断出这是一个安装了分布式光伏项目的用户。
最后,再解释一个误区,在电表行业标准的附录页中,对于四象限有这样的图例,在第II象限中显示的是容性,在第III象限中显示的是感性,这似乎和我们刚才解释的在第II象限用户负荷呈现感性,在第II象限用户负荷呈现容性似乎是矛盾的。
其实这是视角的问题,标准考量的是用户整体,包含了分布式电源在内,而我习惯的解释仅仅是电力负荷,并不包含分布式电源。
如果一个用户负荷呈现感性,而且安装了分布式电源,在余量上网的状态下,用户整体会运行在第二象限,但这并不是说用户的电力负荷由感性变成容性了。
我们在矢量图上绘制网侧功率的矢量,可以发现矢量相较于电压矢量的反方向,是超前一个90°以内的角度的,所以整体上呈现容性,而在电源的角度看这叫进相运行,意味着整体负荷犹如一台欠励磁发电机组。在第III象限的分析也是同理。
而至于进相和退相到底代表啥,这和电源侧的设备有关,今后涉及到这部分内容我们再细说。
总之,标准上图例显示没错,只不过两种叙事的角度不同,标准是用户整体的角度,而我习惯单从电力负荷的角度,这样好理解一些。
这篇算是一个思考工具的整体介绍,实则底层的逻辑是电力系统的功率平衡,是时时刻刻的有功平衡以及无功平衡。
我们清楚有功、无功和视在功率可构成功率三角形,但功率平衡并非是视在功率的数值之和相等,而是视在功率的矢量和相等。
我们在矢量图上绘制的各元素的电流矢量,其实一定程度上就代表了视在功率矢量,各矢量首尾相接,形成闭环,这就是矢量和相等。
下面这一个小系统,一个进线支路,三个出线支路,根据基尔霍夫电流定律,进线电流与三路出线电流的矢量和为零。
将进线和出线的有功分量、无功分量还有视在分量单独表示,功率平衡并非是视在功率的数值和相等,而是矢量和相等。
矢量分解后,对应到数值和就是有功和无功的相等,这才是电力系统的功率平衡,而这对儿平衡要求也就诞生了两类辅助服务,一类是与有功平衡有关的调频,一类是与无功平衡有关的调压。
对于一个微电网或者虚拟电厂来说,能够用上网电量进行交易的机会尚还有限,重点还是要放在下网电量的优化,就是降低电费方面。
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