襄阳有限公司小王告诉我们: 各工业企业用电系统功率因数的高低, 直接影响整个电网的供电质量和发电系统的电能利用率。过低的功率因数,不仅使电力系统内的供电设备容量得不到充分利用,增加电力电网中输电线路上的电能损耗,还会使线路的电压损失增大,有时使得负荷端的电压低于允许值, 严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行, 甚至损坏。电力系统功率因数的高低,已经成为电力系统的一项重要经济指标。因此, 要求电力系统的各级都要根据分级就地平衡的原则,采取措施补偿无功功率,提高功率因数。

 

　　为了降低无功功率提高功率因数,一般从2方面采取措施:一是提高自然功率因数;二是采用供应无功功率的设备来补偿用电设备所需的无功功率,以提高其功率因数,称为提高功率因数补偿法。补偿方法通常有3种: ( 1)采用同步电机补偿; ( 2)采用同步调相机; (3)采用移相电容器补偿。由于移相电容器是一种投资省、见效快、维护方便的无功电源,低压电网常常选用移相电容器来提高功率因数。它包括固定电容器( FC)补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。

 

　　1影响功率因数的主要因素

 

　　功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中,除消耗有功功率外, 还需要无功功率。当有功功率P一定时,如减少无功功率Q,则功率因数便能够提高。在极端情况下, 当Q = 0时, 则其功率因数为1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

 

　　1. 1异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

 

　　异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率的增加值2部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率,它和负载率的大小无关。因而,为了改善电力系统和企业的功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

 

　　1. 2供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

 

　　当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快, 据有关资料统计,当供电电压为额定值的110%时,一般工厂的无功将增加35%左右[ 1 ]。当供电电压低于额定值时,无功功率也相应减少,从而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以,应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

 

　　1. 3电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

 

　　当供电电网频率降低时,异步电机和变压器的励磁电流将大为增加,引起系统的无功功率损耗增加,导致功率因数降低。

 

　　2低压电网无功补偿中的技术问题

 

　　2. 1无功补偿的合理配置原则

 

　　从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出,各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率,尤以低压配电网所占比重大。为了大限度地减少无功功率的传输损耗,提高输配电设备的效率,无功补偿设备的配置应按以下原则合理布局:

 

　　(1)总体平衡与局部平衡相结合,以局部为主。

 

　　(2)电力部门补偿与用户补偿相结合。

 

　　在低压配电网络中,用户消耗的无功功率约占50%—60%,其余的无功功率消耗在配电网中[ 2 ] ,因此,为了减少无功功率在网络中的输送,要尽可能地实现就地补偿、就地平衡,所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。

 

　　(3)分散补偿与集中补偿相结合,以分散为主。

 

　　分散补偿,指在配电网络中分散的负荷区,如配电线路,配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿。集中补偿, 是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器,主要是补偿主变压器本身的无功损耗,以及减少变电所以上输电线路的无功电力,从而降低供电网络的无功损耗,但不能降低配电网络的无功损耗。

 

　　继电保护是电网安全稳定运行的优秀道防线，能够在故障发生时快速可靠地识别并有效地隔离故障，对遏制系统运行状况的进一步恶化，保障电能高效稳定的传输和利用都具有重要的意义。近年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，风电等可再生能源越来越受到社会的关注，其大规模应用，必然带来集中接入、远距离传输以及风电场内部集电线路网络化等问题，从而改变电力系统的运行特征。

 

　　大规模风电接入的继电保护问题属于智能电网的兼容性范畴。对接入点而言，规模化的风电场对系统运行的影响，已不能象早期小型风电接入一样被完全忽略掉，这已不仅仅是风电调度的问题，继电保护所面临的故障特征同样也发生了显著的变化。大型风电场内部的机组和机群越来越多地采用35 kV 电压等级以网络的形式汇集电能，传统的配电网保护原理和装置能否满足风电场内部集电线路的要求，也是众多业主和电力系统运行部门必须考虑的问题。

 

　　为了保证大规模风电接入后的电网安全，国内外学者就风电接入的继电保护问题在以下3 个层面展开了研究工作：

 

　　1)风电机组以及风电场的故障特征分析。

 

　　风电机组多采用感应式异步发电机，其转动惯量和时间常数小，并且没有专门的励磁装置，故障特征与同步发电机存在显著的差别。永磁直驱机组虽然为同步发电机，但是通过换流器并网，其故障特征和换流器控制特性密切相关。另外，电力电子设备自身的保护策略和低电压穿越等特殊要求，也附加了额外的控制要求。这些都将增加风电机组电磁暂态过程的复杂性，从而影响继电保护的性能。

 

　　风电机组以及风电场的故障特征分析主要包括暂态和稳态短路电流的计算、波形分析、衰减特性分析以及短路阻抗分析等内容。

 

　　2)风电场集电线路及网络的继电保护问题。

 

　　虽然大型风电场内部集电线路广泛采用 35 kV电压等级，但却与传统配电网辐射状网络结构存在明显的差别。对于任一集电线路，由于两侧母线上均有电源分布，在继电保护研究中，将被等效为双端电源元件，传统辐射状配电网继电保护的配置方式和整定原则将不再适用。

 

　　风电场集电线路及网络保护研究主要包括保护原理、保护配置、整定原则及与电网保护配合关系等内容。

 

　　3)大规模风电接入输电网的继电保护问题。

 

　　在包括中国在内的大多数国家，风电的大规模利用必然伴随着电能的远距离集中传输问题，因此高压电网继电保护的整定和运行管理中，必须考虑风电等随机电源的故障特征。风电的随机性和波动性对并网联络线保护的影响，继电保护的适应性及配置配合关系，性能优良的新原理都需要进一步深入研究。

 

　　规模化风电接入电网的问题是目前国内外相关研究的热点[1]，但是继电保护相关问题却并没有得到足够的重视。笔者认为原因之一在于继电保护是服务于电网安全运行的，现阶段继电保护问题并没有大规模地显现出来。随着调度、运行方式等问题的解决，风电在电网电源结构中所占比例必将逐步提升，继电保护的适应性问题将集中体现出来并需要得到足够的重视。

 

　　本文从风电机组与风电场的故障特征、风电场集电线路与网络的继电保护以及大规模风电接入后高压电网的继电保护3 个方面，对目前国内外的相关研究成果进行了回顾和分析，对未来研究方向进行展望，并提出自己的观点，以期能够对今后的相关继电保护问题研究有所助益。

 

　　各工业企业用电系统功率因数的高低, 直接影响整个电网的供电质量和发电系统的电能利用率。过低的功率因数,不仅使电力系统内的供电设备容量得不到充分利用,增加电力电网中输电线路上的电能损耗,还会使线路的电压损失增大,有时使得负荷端的电压低于允许值, 严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行, 甚至损坏。电力系统功率因数的高低,已经成为电力系统的一项重要经济指标。因此, 要求电力系统的各级都要根据分级就地平衡的原则,采取措施补偿无功功率,提高功率因数。

 

　　为了降低无功功率提高功率因数,一般从2方面采取措施:一是提高自然功率因数;二是采用供应无功功率的设备来补偿用电设备所需的无功功率,以提高其功率因数,称为提高功率因数补偿法。补偿方法通常有3种: ( 1)采用同步电机补偿; ( 2)采用同步调相机; (3)采用移相电容器补偿。由于移相电容器是一种投资省、见效快、维护方便的无功电源,低压电网常常选用移相电容器来提高功率因数。它包括固定电容器( FC)补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。

 

　　1影响功率因数的主要因素

 

　　功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中,除消耗有功功率外, 还需要无功功率。当有功功率P一定时,如减少无功功率Q,则功率因数便能够提高。在极端情况下, 当Q = 0时, 则其功率因数为1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

 

　　1. 1异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

 

　　异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率的增加值2部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率,它和负载率的大小无关。因而,为了改善电力系统和企业的功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

 

　　1. 2供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

 

　　当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快, 据有关资料统计,当供电电压为额定值的110%时,一般工厂的无功将增加35%左右[ 1 ]。当供电电压低于额定值时,无功功率也相应减少,从而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以,应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

 

　　1. 3电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

 

　　当供电电网频率降低时,异步电机和变压器的励磁电流将大为增加,引起系统的无功功率损耗增加,导致功率因数降低。

 

　　2低压电网无功补偿中的技术问题

 

　　2. 1无功补偿的合理配置原则

 

　　从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出,各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率,尤以低压配电网所占比重大。为了大限度地减少无功功率的传输损耗,提高输配电设备的效率,无功补偿设备的配置应按以下原则合理布局:

 

　　(1)总体平衡与局部平衡相结合,以局部为主。

 

　　(2)电力部门补偿与用户补偿相结合。

 

　　在低压配电网络中,用户消耗的无功功率约占50%—60%,其余的无功功率消耗在配电网中[ 2 ] ,因此,为了减少无功功率在网络中的输送,要尽可能地实现就地补偿、就地平衡,所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。

 

　　(3)分散补偿与集中补偿相结合,以分散为主。

 

　　分散补偿,指在配电网络中分散的负荷区,如配电线路,配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿。集中补偿, 是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器,主要是补偿主变压器本身的无功损耗,以及减少变电所以上输电线路的无功电力,从而降低供电网络的无功损耗,但不能降低配电网络的无功损耗。

 

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