襄陽源創電氣有限公司小王告訴我們: 各工業企業用電系統功率因數的高低, 直接影響整個電網的供電質量和發電系統的電能利用率。過低的功率因數,不僅使電力系統內的供電設備容量得不到充分利用,增加電力電網中輸電線路上的電能損耗,還會使線路的電壓損失增大,有時使得負荷端的電壓低于允許值, 嚴重影響異步電動機及其它用電設備的正常運行, 甚至損壞。電力系統功率因數的高低,已經成為電力系統的一項重要經濟指標。因此, 要求電力系統的各級都要根據分級就地平衡的原則,采取措施補償無功功率,提高功率因數。

 

　　為了降低無功功率提高功率因數,一般從2方面采取措施:一是提高自然功率因數;二是采用供應無功功率的設備來補償用電設備所需的無功功率,以提高其功率因數,稱為提高功率因數補償法。補償方法通常有3種: ( 1)采用同步電機補償; ( 2)采用同步調相機; (3)采用移相電容器補償。由于移相電容器是一種投資省、見效快、維護方便的無功電源,低壓電網常常選用移相電容器來提高功率因數。它包括固定電容器( FC)補償和自動投切電容器的動態補償以及兩者混合補償等方式。

 

　　1影響功率因數的主要因素

 

　　功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中,除消耗有功功率外, 還需要無功功率。當有功功率P一定時,如減少無功功率Q,則功率因數便能夠提高。在極端情況下, 當Q = 0時, 則其功率因數為1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。

 

　　1. 1異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備

 

　　異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率的增加值2部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率,它和負載率的大小無關。因而,為了改善電力系統和企業的功率因數,變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態。

 

　　1. 2供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響

 

　　當供電電壓高于額定值的10%時,由于磁路飽和的影響,無功功率將增長得很快, 據有關資料統計,當供電電壓為額定值的110%時,一般工廠的無功將增加35%左右[ 1 ]。當供電電壓低于額定值時,無功功率也相應減少,從而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以,應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

 

　　1. 3電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響

 

　　當供電電網頻率降低時,異步電機和變壓器的勵磁電流將大為增加,引起系統的無功功率損耗增加,導致功率因數降低。

 

　　2低壓電網無功補償中的技術問題

 

　　2. 1無功補償的合理配置原則

 

　　從電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出,各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率,尤以低壓配電網所占比重大。為了大限度地減少無功功率的傳輸損耗,提高輸配電設備的效率,無功補償設備的配置應按以下原則合理布局:

 

　　(1)總體平衡與局部平衡相結合,以局部為主。

 

　　(2)電力部門補償與用戶補償相結合。

 

　　在低壓配電網絡中,用戶消耗的無功功率約占50%—60%,其余的無功功率消耗在配電網中[ 2 ] ,因此,為了減少無功功率在網絡中的輸送,要盡可能地實現就地補償、就地平衡,所以必須由電力部門和用戶共同進行補償。

 

　　(3)分散補償與集中補償相結合,以分散為主。

 

　　分散補償,指在配電網絡中分散的負荷區,如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設備等進行的無功補償。集中補償, 是在變電所集中裝設較大容量的補償電容器,主要是補償主變壓器本身的無功損耗,以及減少變電所以上輸電線路的無功電力,從而降低供電網絡的無功損耗,但不能降低配電網絡的無功損耗。

 

　　繼電保護是電網安全穩定運行的優秀道防線，能夠在故障發生時快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統運行狀況的進一步惡化，保障電能高效穩定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來，隨著能源危機和環境問題的日益突出，風電等可再生能源越來越受到社會的關注，其大規模應用，必然帶來集中接入、遠距離傳輸以及風電場內部集電線路網絡化等問題，從而改變電力系統的運行特征。

 

　　大規模風電接入的繼電保護問題屬于智能電網的兼容性范疇。對接入點而言，規模化的風電場對系統運行的影響，已不能象早期小型風電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風電調度的問題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發生了顯著的變化。大型風電場內部的機組和機群越來越多地采用35 kV 電壓等級以網絡的形式匯集電能，傳統的配電網保護原理和裝置能否滿足風電場內部集電線路的要求，也是眾多業主和電力系統運行部門必須考慮的問題。

 

　　為了保證大規模風電接入后的電網安全，國內外學者就風電接入的繼電保護問題在以下3 個層面展開了研究工作：

 

　　1)風電機組以及風電場的故障特征分析。

 

　　風電機組多采用感應式異步發電機，其轉動慣量和時間常數小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發電機存在顯著的差別。永磁直驅機組雖然為同步發電機，但是通過換流器并網，其故障特征和換流器控制特性密切相關。另外，電力電子設備自身的保護策略和低電壓穿越等特殊要求，也附加了額外的控制要求。這些都將增加風電機組電磁暫態過程的復雜性，從而影響繼電保護的性能。

 

　　風電機組以及風電場的故障特征分析主要包括暫態和穩態短路電流的計算、波形分析、衰減特性分析以及短路阻抗分析等內容。

 

　　2)風電場集電線路及網絡的繼電保護問題。

 

　　雖然大型風電場內部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統配電網輻射狀網絡結構存在明顯的差別。對于任一集電線路，由于兩側母線上均有電源分布，在繼電保護研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統輻射狀配電網繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用。

 

　　風電場集電線路及網絡保護研究主要包括保護原理、保護配置、整定原則及與電網保護配合關系等內容。

 

　　3)大規模風電接入輸電網的繼電保護問題。

 

　　在包括中國在內的大多數國家，風電的大規模利用必然伴隨著電能的遠距離集中傳輸問題，因此高壓電網繼電保護的整定和運行管理中，必須考慮風電等隨機電源的故障特征。風電的隨機性和波動性對并網聯絡線保護的影響，繼電保護的適應性及配置配合關系，性能優良的新原理都需要進一步深入研究。

 

　　規模化風電接入電網的問題是目前國內外相關研究的熱點[1]，但是繼電保護相關問題卻并沒有得到足夠的重視。筆者認為原因之一在于繼電保護是服務于電網安全運行的，現階段繼電保護問題并沒有大規模地顯現出來。隨著調度、運行方式等問題的解決，風電在電網電源結構中所占比例必將逐步提升，繼電保護的適應性問題將集中體現出來并需要得到足夠的重視。

 

　　本文從風電機組與風電場的故障特征、風電場集電線路與網絡的繼電保護以及大規模風電接入后高壓電網的繼電保護3 個方面，對目前國內外的相關研究成果進行了回顧和分析，對未來研究方向進行展望，并提出自己的觀點，以期能夠對今后的相關繼電保護問題研究有所助益。

 

　　各工業企業用電系統功率因數的高低, 直接影響整個電網的供電質量和發電系統的電能利用率。過低的功率因數,不僅使電力系統內的供電設備容量得不到充分利用,增加電力電網中輸電線路上的電能損耗,還會使線路的電壓損失增大,有時使得負荷端的電壓低于允許值, 嚴重影響異步電動機及其它用電設備的正常運行, 甚至損壞。電力系統功率因數的高低,已經成為電力系統的一項重要經濟指標。因此, 要求電力系統的各級都要根據分級就地平衡的原則,采取措施補償無功功率,提高功率因數。

 

　　為了降低無功功率提高功率因數,一般從2方面采取措施:一是提高自然功率因數;二是采用供應無功功率的設備來補償用電設備所需的無功功率,以提高其功率因數,稱為提高功率因數補償法。補償方法通常有3種: ( 1)采用同步電機補償; ( 2)采用同步調相機; (3)采用移相電容器補償。由于移相電容器是一種投資省、見效快、維護方便的無功電源,低壓電網常常選用移相電容器來提高功率因數。它包括固定電容器( FC)補償和自動投切電容器的動態補償以及兩者混合補償等方式。

 

　　1影響功率因數的主要因素

 

　　功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中,除消耗有功功率外, 還需要無功功率。當有功功率P一定時,如減少無功功率Q,則功率因數便能夠提高。在極端情況下, 當Q = 0時, 則其功率因數為1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。

 

　　1. 1異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備

 

　　異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率的增加值2部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率,它和負載率的大小無關。因而,為了改善電力系統和企業的功率因數,變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態。

 

　　1. 2供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響

 

　　當供電電壓高于額定值的10%時,由于磁路飽和的影響,無功功率將增長得很快, 據有關資料統計,當供電電壓為額定值的110%時,一般工廠的無功將增加35%左右[ 1 ]。當供電電壓低于額定值時,無功功率也相應減少,從而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以,應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

 

　　1. 3電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響

 

　　當供電電網頻率降低時,異步電機和變壓器的勵磁電流將大為增加,引起系統的無功功率損耗增加,導致功率因數降低。

 

　　2低壓電網無功補償中的技術問題

 

　　2. 1無功補償的合理配置原則

 

　　從電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出,各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率,尤以低壓配電網所占比重大。為了大限度地減少無功功率的傳輸損耗,提高輸配電設備的效率,無功補償設備的配置應按以下原則合理布局:

 

　　(1)總體平衡與局部平衡相結合,以局部為主。

 

　　(2)電力部門補償與用戶補償相結合。

 

　　在低壓配電網絡中,用戶消耗的無功功率約占50%—60%,其余的無功功率消耗在配電網中[ 2 ] ,因此,為了減少無功功率在網絡中的輸送,要盡可能地實現就地補償、就地平衡,所以必須由電力部門和用戶共同進行補償。

 

　　(3)分散補償與集中補償相結合,以分散為主。

 

　　分散補償,指在配電網絡中分散的負荷區,如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設備等進行的無功補償。集中補償, 是在變電所集中裝設較大容量的補償電容器,主要是補償主變壓器本身的無功損耗,以及減少變電所以上輸電線路的無功電力,從而降低供電網絡的無功損耗,但不能降低配電網絡的無功損耗。

 

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