為了降低無(wú)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(wú)功功率的設(shè)備來(lái)補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無(wú)功功率,以提高其功率因數(shù),稱為提高功率因數(shù)補(bǔ)償法。補(bǔ)償方法通常有3種: ( 1)采用同步電機(jī)補(bǔ)償; ( 2)采用
同步調(diào)相機(jī); (3)采用移相
電容器補(bǔ)償。由于移相電容器是一種投資省、見(jiàn)效快、維護(hù)方便的無(wú)功電源,
低壓電網(wǎng)常常選用移相電容器來(lái)提高功率因數(shù)。它包括固定電容器( FC)補(bǔ)償和自動(dòng)投切電容器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及兩者混合補(bǔ)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?yàn)榻涣饔秒娫O(shè)備在其工作過(guò)程中,除消耗有功功率外, 還需要無(wú)功功率。當(dāng)有功功率P一定時(shí),如減少無(wú)功功率Q,則功率因數(shù)便能夠提高。在極端情況下, 當(dāng)Q = 0時(shí), 則其功率因數(shù)為1。因此提高功率因數(shù)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無(wú)功功率需要量。
異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機(jī)需要較多無(wú)功的主要因素。而異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無(wú)功功率是由其空載時(shí)的無(wú)功功率和一定負(fù)載下無(wú)功功率的增加值2部分所組成。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。變壓器消耗無(wú)功的主要成份是它的空載無(wú)功功率,它和負(fù)載率的大小無(wú)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(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。
1. 2供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響
當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí),由于磁路飽和的影響,無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快, 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí),一般工廠的無(wú)功將增加35%左右[ 1 ]。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí),無(wú)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(huì)影響
電氣設(shè)備的正常工作。所以,應(yīng)當(dāng)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(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)和變壓器的磁化無(wú)功功率造成一定的影響
當(dāng)供電電網(wǎng)頻率降低時(shí),異步電機(jī)和變壓器的勵(lì)磁電流將大為增加,引起系統(tǒng)的無(wú)功功率損耗增加,導(dǎo)致功率因數(shù)降低。
2. 1無(wú)功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲迷瓌t
從電力網(wǎng)無(wú)功功率消耗的基本狀況可以看出,各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無(wú)功功率,尤以低壓配電網(wǎng)所占比重大。為了大限度地減少無(wú)功功率的傳輸損耗,提高輸配電設(shè)備的效率,無(wú)功補(bǔ)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(mén)補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合。
在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中,用戶消耗的無(wú)功功率約占50%—60%,其余的無(wú)功功率消耗在配電網(wǎng)中[ 2 ] ,因此,為了減少無(wú)功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送,要盡可能地實(shí)現(xiàn)
就地補(bǔ)償、就地平衡,所以必須由電力部門(mén)和用戶共同進(jìn)行補(bǔ)償。
(3)分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合,以分散為主。
分散補(bǔ)償,指在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負(fù)荷區(qū),如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設(shè)備等進(jìn)行的無(wú)功補(bǔ)償。集中補(bǔ)償, 是在變電所集中裝設(shè)較大容量的補(bǔ)償電容器,主要是補(bǔ)償主變壓器本身的無(wú)功損耗,以及減少變電所以上輸電線路的無(wú)功電力,從而降低供電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功損耗,但不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功損耗。
繼電保護(hù)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)秀道防線，能夠在故障發(fā)生時(shí)快速可靠地識(shí)別并有效地隔離故障，對(duì)遏制系統(tǒng)運(yùn)行狀況的進(jìn)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(lái)，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，風(fēng)電等可再生能源越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注，其大規(guī)模
應(yīng)用，必然帶來(lái)集中接入、遠(yuǎn)距離傳輸以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡(luò)化等問(wèn)題，從而改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行特征。
大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問(wèn)題屬于
智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對(duì)接入點(diǎn)而言，規(guī)模化的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，已不能象早期小型風(fēng)電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風(fēng)電調(diào)度的問(wèn)題，繼電保護(hù)所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著的變化。大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的機(jī)組和機(jī)群越來(lái)越多地采用35 kV 電壓等級(jí)以網(wǎng)絡(luò)的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)原理和
裝置能否滿足風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運(yùn)行部門(mén)必須考慮的問(wèn)題。
為了保證大規(guī)模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問(wèn)題在以下3 個(gè)層面展開(kāi)了研究工作：
1)風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析。
風(fēng)電機(jī)組多采用感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和時(shí)間常數(shù)小，并且沒(méi)有專門(mén)的勵(lì)磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機(jī)存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機(jī)組雖然為同步發(fā)電機(jī)，但是通過(guò)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(hù)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(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性，從而影響繼電保護(hù)的性能。
風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場(chǎng)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(jì)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(fēng)電場(chǎng)集電線路及網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)問(wèn)題。
雖然大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級(jí)，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(duì)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(hù)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(hù)的配置方式和整定原則將不再適用。
風(fēng)電場(chǎng)集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)研究主要包括保護(hù)原理、保護(hù)配置、整定原則及與電網(wǎng)保護(hù)配合關(guān)系等內(nèi)容。
3)大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問(wèn)題。
在包括中國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家，風(fēng)電的大規(guī)模利用必然伴隨著電能的遠(yuǎn)距離集中傳輸問(wèn)題，因此高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)的整定和運(yùn)行管理中，必須考慮風(fēng)電等隨機(jī)電源的故障特征。風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的影響，繼電保護(hù)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(jìn)一步深入研究。
規(guī)模化風(fēng)電接入電網(wǎng)的問(wèn)題是目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]，但是繼電保護(hù)相關(guān)問(wèn)題卻并沒(méi)有得到足夠的重視。筆者認(rèn)為原因之一在于繼電保護(hù)是服務(wù)于電網(wǎng)安全運(yùn)行的，現(xiàn)階段繼電保護(hù)問(wèn)題并沒(méi)有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來(lái)。隨著調(diào)度、運(yùn)行方式等問(wèn)題的解決，風(fēng)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(hù)的適應(yīng)性問(wèn)題將集中體現(xiàn)出來(lái)并需要得到足夠的重視。
本文從風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的故障特征、風(fēng)電場(chǎng)集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)以及大規(guī)模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護(hù)3 個(gè)方面，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀點(diǎn)，以期能夠?qū)窈蟮南嚓P(guān)繼電保護(hù)問(wèn)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(gè)電網(wǎng)的供電質(zhì)量和發(fā)電系統(tǒng)的電能利用率。過(guò)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(huì)使線路的電壓損失增大,有時(shí)使得負(fù)荷端的電壓低于允許值, 嚴(yán)重影響異步電動(dòng)機(jī)及其它用電設(shè)備的正常運(yùn)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(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此, 要求電力系統(tǒng)的各級(jí)都要根據(jù)分級(jí)就地平衡的原則,采取措施補(bǔ)償無(wú)功功率,提高功率因數(shù)。
為了降低無(wú)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(wú)功功率的設(shè)備來(lái)補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無(wú)功功率,以提高其功率因數(shù),稱為提高功率因數(shù)補(bǔ)償法。補(bǔ)償方法通常有3種: ( 1)采用同步電機(jī)補(bǔ)償; ( 2)采用同步調(diào)相機(jī); (3)采用移相電容器補(bǔ)償。由于移相電容器是一種投資省、見(jiàn)效快、維護(hù)方便的無(wú)功電源,低壓電網(wǎng)常常選用移相電容器來(lái)提高功率因數(shù)。它包括固定電容器( FC)補(bǔ)償和自動(dòng)投切電容器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及兩者混合補(bǔ)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?yàn)榻涣饔秒娫O(shè)備在其工作過(guò)程中,除消耗有功功率外, 還需要無(wú)功功率。當(dāng)有功功率P一定時(shí),如減少無(wú)功功率Q,則功率因數(shù)便能夠提高。在極端情況下, 當(dāng)Q = 0時(shí), 則其功率因數(shù)為1。因此提高功率因數(shù)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無(wú)功功率需要量。
1. 1異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器是耗用無(wú)功功率的主要設(shè)備
異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機(jī)需要較多無(wú)功的主要因素。而異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無(wú)功功率是由其空載時(shí)的無(wú)功功率和一定負(fù)載下無(wú)功功率的增加值2部分所組成。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。變壓器消耗無(wú)功的主要成份是它的空載無(wú)功功率,它和負(fù)載率的大小無(wú)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(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。
1. 2供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響
當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí),由于磁路飽和的影響,無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快, 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí),一般工廠的無(wú)功將增加35%左右[ 1 ]。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí),無(wú)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(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以,應(yīng)當(dāng)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(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)和變壓器的磁化無(wú)功功率造成一定的影響
當(dāng)供電電網(wǎng)頻率降低時(shí),異步電機(jī)和變壓器的勵(lì)磁電流將大為增加,引起系統(tǒng)的無(wú)功功率損耗增加,導(dǎo)致功率因數(shù)降低。
2低壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償中的技術(shù)問(wèn)題
2. 1無(wú)功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲迷瓌t
從電力網(wǎng)無(wú)功功率消耗的基本狀況可以看出,各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無(wú)功功率,尤以低壓配電網(wǎng)所占比重大。為了大限度地減少無(wú)功功率的傳輸損耗,提高輸配電設(shè)備的效率,無(wú)功補(bǔ)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(mén)補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合。
在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中,用戶消耗的無(wú)功功率約占50%—60%,其余的無(wú)功功率消耗在配電網(wǎng)中[ 2 ] ,因此,為了減少無(wú)功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送,要盡可能地實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償、就地平衡,所以必須由電力部門(mén)和用戶共同進(jìn)行補(bǔ)償。
(3)分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合,以分散為主。
分散補(bǔ)償,指在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負(fù)荷區(qū),如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設(shè)備等進(jìn)行的無(wú)功補(bǔ)償。集中補(bǔ)償, 是在變電所集中裝設(shè)較大容量的補(bǔ)償電容器,主要是補(bǔ)償主變壓器本身的無(wú)功損耗,以及減少變電所以上輸電線路的無(wú)功電力,從而降低供電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功損耗,但不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功損耗。
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