為了降低無功功率提高功率因數(shù),一般從2方面采取措施:一是提高自然功率因數(shù);二是采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備來補償用電設(shè)備所需的無功功率,以提高其功率因數(shù),稱為提高功率因數(shù)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(diào)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(wǎng)常常選用移相電容器來提高功率因數(shù)。它包括固定電容器( FC)補償和自動投切電容器的
動態(tài)補償以及兩者混合補償?shù)确绞健?/div>
1影響功率因數(shù)的主要因素
功率因數(shù)的產(chǎn)生主要是因為交流用電設(shè)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(shù)便能夠提高。在極端情況下, 當Q = 0時, 則其功率因數(shù)為1。因此提高功率因數(shù)問題的實質(zhì)就是減少用電設(shè)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(shè)備
異步電動機的定子與轉(zhuǎn)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(shù)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(guān)。因而,為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù),變壓器不應(yīng)空載運行或長期處于低負載運行狀態(tài)。
1. 2供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)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(jù)有關(guān)資料統(tǒng)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(yīng)減少,從而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響
電氣設(shè)備的正常工作。所以,應(yīng)當采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。
1. 3電網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)的無功功率損耗增加,導致功率因數(shù)降低。
2. 1無功補償?shù)暮侠砼渲迷瓌t
從電力網(wǎng)無功功率消耗的基本狀況可以看出,各級網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無功功率,尤以低壓
配電網(wǎng)所占比重最大。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗,提高輸配電設(shè)備的效率,
無功補償設(shè)備的配置應(yīng)按以下原則合理布局:
(1)總體平衡與局部平衡相結(jié)合,以局部為主。
(2)電力部門補償與用戶補償相結(jié)合。
在低壓配電網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)中[ 2 ] ,因此,為了減少無功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送,要盡可能地實現(xiàn)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(jié)合,以分散為主。
分散補償,指在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負荷區(qū),如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設(shè)備等進行的無功補償。集中補償, 是在變電所集中裝設(shè)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(wǎng)絡(luò)的無功損耗,但不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。
繼電保護是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一道防線，能夠在
故障發(fā)生時快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統(tǒng)運行狀況的進一步惡化，保障電能高效穩(wěn)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(huán)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(guān)注，其大規(guī)模應(yīng)用，必然帶來集中接入、遠距離傳輸以及風電場內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡(luò)化等問題，從而改變電力系統(tǒng)的運行特征。
大規(guī)模風電接入的繼電保護問題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對接入點而言，規(guī)?；娘L電場對系統(tǒng)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(diào)度的問題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著的變化。大型風電場內(nèi)部的機組和機群越來越多地采用35 kV 電壓等級以網(wǎng)絡(luò)的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護原理和裝置能否滿足風電場內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運行部門必須考慮的問題。
為了保證大規(guī)模風電接入后的電網(wǎng)安全，國內(nèi)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(yīng)式異步發(fā)電機，其轉(zhuǎn)動慣量和時間常數(shù)小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機組雖然為同步發(fā)電機，但是通過換流器并網(wǎng)，其故障特征和換流器控制特性密切相關(guān)。另外，電力電子設(shè)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(tài)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(tài)和穩(wěn)態(tài)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(nèi)容。
2)風電場集電線路及網(wǎng)絡(luò)的繼電保護問題。
雖然大型風電場內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在明顯的差別。對于任一集電線路，由于兩側(cè)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(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)保護研究主要包括保護原理、保護配置、整定原則及與電網(wǎng)保護配合關(guān)系等內(nèi)容。
3)大規(guī)模風電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問題。
在包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家，風電的大規(guī)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(wǎng)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(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護的影響，繼電保護的適應(yīng)性及配置配合關(guān)系，性能優(yōu)良的新原理都需要進一步深入研究。
規(guī)?；L電接入電網(wǎng)的問題是目前國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點[1]，但是繼電保護相關(guān)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(wù)于電網(wǎng)安全運行的，現(xiàn)階段繼電保護問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來。隨著調(diào)度、運行方式等問題的解決，風電在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中所占比例必將逐步提升，繼電保護的適應(yīng)性問題將集中體現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的繼電保護以及大規(guī)模風電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護3 個方面，對目前國內(nèi)外的相關(guān)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?qū)窈蟮南嚓P(guān)繼電保護問題研究有所助益。
各工業(yè)企業(yè)用電系統(tǒng)功率因數(shù)的高低, 直接影響整個電網(wǎng)的供電質(zhì)量和發(fā)電系統(tǒng)的電能利用率。過低的功率因數(shù),不僅使電力系統(tǒng)內(nèi)的供電設(shè)備容量得不到充分利用,增加電力電網(wǎng)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(shè)備的正常運行, 甚至損壞。電力系統(tǒng)功率因數(shù)的高低,已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的一項重要經(jīng)濟指標。因此, 要求電力系統(tǒng)的各級都要根據(jù)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(shù)。
為了降低無功功率提高功率因數(shù),一般從2方面采取措施:一是提高自然功率因數(shù);二是采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備來補償用電設(shè)備所需的無功功率,以提高其功率因數(shù),稱為提高功率因數(shù)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(diào)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(wǎng)常常選用移相電容器來提高功率因數(shù)。它包括固定電容器( FC)補償和自動投切電容器的動態(tài)補償以及兩者混合補償?shù)确绞健?/div>
1影響功率因數(shù)的主要因素
功率因數(shù)的產(chǎn)生主要是因為交流用電設(shè)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(shù)便能夠提高。在極端情況下, 當Q = 0時, 則其功率因數(shù)為1。因此提高功率因數(shù)問題的實質(zhì)就是減少用電設(shè)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(shè)備
異步電動機的定子與轉(zhuǎn)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(shù)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(guān)。因而,為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù),變壓器不應(yīng)空載運行或長期處于低負載運行狀態(tài)。
1. 2供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)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(jù)有關(guān)資料統(tǒng)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(yīng)減少,從而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設(shè)備的正常工作。所以,應(yīng)當采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。
1. 3電網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)的無功功率損耗增加,導致功率因數(shù)降低。
2低壓電網(wǎng)無功補償中的技術(shù)問題
2. 1無功補償?shù)暮侠砼渲迷瓌t
從電力網(wǎng)無功功率消耗的基本狀況可以看出,各級網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無功功率,尤以低壓配電網(wǎng)所占比重最大。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗,提高輸配電設(shè)備的效率,無功補償設(shè)備的配置應(yīng)按以下原則合理布局:
(1)總體平衡與局部平衡相結(jié)合,以局部為主。
(2)電力部門補償與用戶補償相結(jié)合。
在低壓配電網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)中[ 2 ] ,因此,為了減少無功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送,要盡可能地實現(xiàn)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(jié)合,以分散為主。
分散補償,指在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負荷區(qū),如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設(shè)備等進行的無功補償。集中補償, 是在變電所集中裝設(shè)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(wǎng)絡(luò)的無功損耗,但不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。
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