Реактивная мощность в электрических сетях: анализ, роль и методы компенсации

Анализ реактивной мощности в энергетической системе

Реактивная мощность — мнимая величина, но необходимая в энергосистеме. Избыток поднимает напряжение, дефицит — снижает. Рассмотрим роль реактивной мощности, её влияние на напряжение и способы внедрения в сеть.

Основы напряжения и реактивной мощности

Желательно поддерживать напряжение 1 п.у. (per unit) везде (на практике сложно). Управление реактивной мощностью и модулем напряжения тесно связаны, как и управление активной мощностью и углом напряжения.

Шина 1 соединена с бесконечной шиной длинной ЛЭП. Активная мощность течет от большего угла напряжения к меньшему, реактивная — от большего модуля к меньшему. На рис. 1 обе мощности текут от шины 1 к шине 2 (в некоторых случаях зависит от других факторов).

Анализ реактивной мощности в синхронном генераторе

Рассмотрим упрощенную схему замены синхронного генератора (СГ) — рис. 2. Напряжение на клеммах 1∠0 (СГ соединен с бесконечной шиной).

Реактивная мощность — мнимая, СГ может её выдавать или поглощать. Если E_f < 1 (E_f < V_t) — низкое возбуждение (малый ток возбуждения), СГ поглощает реактивную мощность. Если E_f > 1 — высокое возбуждение, СГ выдает реактивную мощность.

Активная мощность — настоящая. СГ всегда выдает её; поэтому угол ротора положителен для генератора и отрицателен для двигателя.

Уравнение «Вход = Выход + Потери» верно для любой машины. Для СГ: «Механический вход = Электрический выход (активная мощность) + Потери».

При высоком возбуждении СГ выдает реактивную мощность — это обмен энергией между генератором и нагрузкой (например, асинхронным двигателем). Но реактивная мощность мнимая — её нельзя «генерировать» или «потреблять» в физическом смысле, это условности.

В учебниках формула комплексной мощности S = VI* (сопряженный ток). Если использовать S = V*I, знак реактивной мощности меняется. Ученые зафиксировали S = VI*. Попробуйте понять почему, основываясь на статье.

Рис. 3 показывает, почему активная мощность — настоящая, а реактивная — мнимая.

Рис. 4 — самодостаточен.

В цепи возбуждения высокое DC-напряжение → большой DC-ток → потери I²R в обмотке возбуждения. Никакая DC-мощность не превращается в реактивную. Увеличение тока возбуждения усиливает поток в индуктивности, что помогает СГ выдавать реактивную мощность (усиливает энергообмен с нагрузкой).

Рассмотрим рис. 1 снова. Повышение возбуждения СГ дает два эффекта:

1. Генератор выдает больше реактивной мощности
2. Клеммовое напряжение (модуль) растет (управление Q и |V| тесно связаны)

Избыток реактивной мощности → повышение напряжения, дефицит → снижение. На этом основании понятен эффект Ферранти: на холостом ходу или при малой нагрузке напряжение на принимающей конце выше дающей. Большинство нагрузок индуктивны. На холостом ходу индуктивный эффект слабеет, а емкостный (естественные емкости линий) доминирует. Конденсатор выдает реактивную мощность → повышает напряжение.

В учебниках по электрическим машинам: при опережающем cos φ (емкостная нагрузка) трансформатор может иметь отрицательное регулирование напряжения. Емкостная нагрузка пытается поднять напряжение. При коэф. трансформации 1:1, вход 100 В, выход 102 В → регулирование -2%. Новички удивляются, как выход может быть больше входа — разберитесь самостоятельно.

Шунтная и последовательная компенсация

Два термина: Шунтная компенсация управляет реактивной мощностью, Последовательная — активной.

• Шунтная: конденсатор параллельно линии или шунтные FACTS-устройства
• Последовательная: конденсатор последовательно с линией или последовательные FACTS

Формула (известная, сопротивление линии пренебрегаемо). X — реактивное сопротивление линии. При включении последовательного конденсатора меняем X → управляем P. Также P зависит от δ (управление P и углом напряжения связаны).

Методы внедрения реактивной мощности в сеть

Если напряжение в передающей системе < 1 п.у., нужно вводить реактивную мощность. Способы:

1. Регулировка DC-возбуждения СГ (как описано выше)
2. Шунтные конденсаторы (выдают Q, повышают U)
3. Шунтные дроссели (поглощают Q, снижают U) — при эффекте Ферранти (малая нагрузка, высокое U на конце)
4. TCR-FC или TCR-TSC (импедансные FACTS-устройства)
5. STATCOM (Static Synchronous Compensator) — на основе преобразователя напряжения (VSC) с принудительно коммутируемыми ключами (IGBT, GTO). Управляет потоком Q, повышает стабильность. Шунтный FACTS-контроллер (параллельно линии). Раньше назывался STATCON. Член семьи FACTS, большой исследовательский потенциал. Установка в подходящих точках сети улучшает напряженную стабильность и профиль напряжения. Активная фильтрация улучшает качество энергии.
6. На ветряных фермах используют асинхронные генераторы (однократно возбуждаемые, нет обмотки возбуждения). Регулировка Q невозможна → STATCOM у клемм генератора как шунтовый контроллер. Тема с большим потенциалом.

Все методы 2–6 — шунтовые контроллеры (связано с тем, что шунтная компенсация = управление Q).

Почему вводим реактивную мощность? Генераторы, линии, трансформаторы имеют малое активное сопротивление по сравнению с индуктивным — сеть инерционна, потребляет Q. Нужно компенсировать.

Иначе: для поддержания плоского профиля напряжения (1 п.у. везде) необходимо правильное управление Q. Чтобы избежать излишней передачи Q, генерация и потребление должны быть максимально близки друг к другу — иначе неблагоприятный профиль напряжения.

Об авторе

Д-р Випин Джайн: Бакалавр (1992, Нагпур), M.Tech (2007), PhD (2017, Дели). Долгое преподавательское и промышленное обучение. С 2007 г. преподает в Bharat Institute of Technology, Meerut (UP), Индия. >20 научных публикаций. Сертифицированный энергоаудитор (Bureau of Energy Efficiency, Гов. Индии).