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其中,V为系统额定电压,X为电系统的电抗。由此可见,最大输送的有功功率与系统额定电压的平方成正比,与输电系统电抗成反比。
近似的电压降落率(以额定电压作为基准)公式为:
其中,Q为输送的无功功率。由此可见,在输送的无功功率一定的情况下,电压降落率与输电系统电抗成正比,与系统额定电压的平方成反比。
所以,为了提高输送的有功功率,减少电压降落,既可以提高系统的额定电压,也可以减小输电系统电抗,而电抗又与频率成正比()。所以,降低输电频率可以提高输送的有功功率,减少电压降落。
从另一个角度解释分频输电原理:正弦激励下的传输线模型的电压沿传输线按照正弦波形分布,而电力传输接近光速,为3*108m/s,当频率为50Hz时,波长约为6000km,而当频率为50/3Hz时,波长约为18000km。这样,对于对1500km的传输线而言,在50Hz下,是处在1/4波长位置;在50/3Hz下,是处在1/12波长处位置,电气距离减小到原来的1/3。这是分频输电能提高输送能力的根本原因。
在同等电压等级下,频率下降后,线路等效电抗降低,降低线损从而提高输送量。这是分频输电提出的根本和前提。那么分频输电即成为了升压降流(特高压)输电,直流输电后的第三种选择方案。一般认为,直流输电目前不利于多端输出,所以一般情况下特高压和低频输电更具有可比性。拿500kV输电线路为例,若降低频率至1/3,则容量提升三倍;而靠升压降流的话达到相同效果电压等级需升到1500kV,应该是很难了,这个受到杆塔、绝缘、避雷及相关装备制造的制约,现在的特高压1000kV的输电已经是非常吃力,且技术的成熟性与可靠性倍受质疑了。
由于频率较低,所以分频输电的优势表现在与频率比较低的发电机直连的情况下(若接火电,则需要在发电机后接变频器,与直流输电造价无异)。所以其应用尤其适用于水电或风电。
从工程角度来说,很有价值,所受到的限制在于倍频器的装备制造。目前,从发展的现状看,单台风机上的兆瓦级的变频器已经是一个瓶颈,若做成输电功率等级的,难度就会更大了,电力电子方面要受制于基础的材料发展情况。
分频输电的发展方向在风电分频输电和电磁型变频器上。风机转速较慢,若可以实现低频的恒速恒频,可以省掉变速箱,还可以节省永磁的使用量,不单大大提高了可靠性,而且节省了成本,这个在当今的工程中是急需解决的问题。另外,可以在大功率电磁型倍频器上下功夫。
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