Меню

Статические устройства компенсации реактивной мощности

Эволюция технологий и устройств компенсации реактивной мощности

Если абстрагироваться от дат публикаций ряда важных ранних теоретических исследований в области снижения негативного влияния перетоков реактивной мощности на качество генерируемой/транспортируемой электрической энергии, то текущий год знаменует столетие реального практического использования устройств компенсации реактивной мощности в энергопередающих сетях разного уровня напряжения.

Впервые вне исследовательских лабораторий для компенсации реактивной мощности в 1914 году были использованы шунтирующие конденсаторы (H. Frankand S. Ivner, «Thyristor-ControlledShuntCompensationinPowerNetworks», ASEA Journal, 1981), подключаемые в сеть последовательно с нагрузкой, а к началу текущего тысячелетия эволюционировали не только устройства и технологии для коррекции коэффициента мощности, но и сама концепция — сегодня электрическая сеть уже рассматривается не, как пассивное сооружение для транспорта электроэнергии, а как активное устройство, участвующее в управлении режимами генерации, транспорта и потребления электрической энергии.

Переход к управляемым (гибким) системам электропередачи переменного тока (FACTS — Flexible AlternativeCurrentTransmissionSystem – термин формализован Институтом электроэнергетики EPRI в США) обусловил разработку и внедрение в энергосистемы новых типов устройств коррекции коэффициента мощности и стабилизации сетевого напряжения —управляемых шунтирующих реакторов, статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности, синхронных статических компенсаторов реактивной мощности типа СТАТКОМ (StaticSynchronousCompensator — STATCOM), синхронных статических продольных компенсаторов реактивной мощности на базе преобразователей напряжения, управляемых тиристорами устройств продольной емкостной компенсации, управляемых фазоповоротных устройств, вставок постоянного тока на базе преобразователей напряжения, объединенных регуляторов потока мощности, асинхронизированных машин, электромашинновентильных комплексов и т.д., а также управляющих систем — глобального мониторинга, защиты и управления (wide-areamonitoring, protection, andcontrolsystems — WAMPAC), глобального позиционирования (GPS), фазных измерений (PMU), диспетчерского управления и сбора информации (SCADA), защиты схем управления (SPS) и пр.

Вместе с тем, во всяком случае в сетях низкого и среднего напряжения РФ по-прежнему достаточно эффективно используются традиционные устройства компенсации реактивной мощности, имеющие свои достоинства и недостатки в сравнении с устройствами, агрегатами, комплексами и системами FACTS.

Типовые топологии схем компенсации реактивной мощности

Вне зависимости от типа устройств компенсации реактивной мощности традиционными на текущий момент стали две топологии схем их присоединения к сетям электропередачи с переменного тока с линейными и нелинейными нагрузками:

  • параллельная (или поперечная) компенсация реактивной мощности, при которой генерируемая параллельно подключенным в сеть устройством компенсации реактивной мощности не зависит от напряжения в точке присоединения.

Рис. Параллельная (поперечная) компенсация реактивной мощности электродвигателя (индуктивной нагрузки): а — схема без компенсации, б — схема с компенсацией

К достоинствам схем параллельной (поперечной) компенсации реактивной мощности относят:

  • независимость генерируемой реактивной мощности от напряжения в точке присоединения;
  • возможность плавного регулирования потока реактивной мощности для компенсации;
  • эффективная стабилизация сетевого напряжения.

Недостатком параллельной (поперечной) компенсации является ограниченная возможность демпфирования быстрых изменений (колебаний) активной составляющей мощности;

  • последовательная (продольная) компенсация реактивной мощности, при которой генерирующее (или потребляющее при коррекции перенапряжения) реактивную энергию устройство подключено в сеть последовательно и балансирует реактанс передающей линии.

Рис. Параллельная (продольная) компенсация реактивной мощности электродвигателя: а —схема без компенсации, б — схема с компенсацией. Рис. Типовая схема устройства последовательной (продольной) компенсации реактивной мощности с защитой от перенапряжения

Достоинствами схем последовательной (продольной) компенсации реактивной мощности считают: возможность оптимизации потоков реактивной энергии по разным фазам напряжения;

значительную степень компенсации; простоту интеграции в сеть компенсирующих устройств. Недостатки последовательной (продольной) компенсации реактивной мощности — отсутствие возможности регулирования сетевого напряжения, сложность управления устройствами при переменных нагрузках, большие риски перенапряжения во время резких изменений нагрузки из-за задержки срабатывания устройства.

Традиционные устройства компенсации реактивной мощности

Статические или механически переключаемые устройства компенсации реактивной мощности.

Это типовые релейные (контакторные) установки КРМ, УКРМ и т.д. с механическим (ручным) включением/отключением ступеней батарей силовых конденсаторов. Включение или отключение каждой ступени даже с современными вакуумными контакторами занимает время, часто критическое при динамических, быстро изменяющихся нагрузках, что определяет значительные риски, как перенапряжений, так и провалов сетевого напряжения. Условная «плавность» регулирования величины генерируемой реактивной энергии зависит от числа ступеней в установке и мощности каждой ступени, а потому в сети с динамической нагрузкой всегда напряжение нестабильно и может превышать или быть ниже оптимального разности в объемах генерируемой и потребляемой реактивной мощности.

Дополнительным недостатком релейных (контакторных) установок компенсации реактивной мощности с механическим переключением является практически полная неспособность к компенсации мощности искажений, возникающей в цепях с нелинейными нагрузками из-за искажений синусоиды основной частоты тока синусоидами гармоник тока более высокого порядка и показывающей несоответствие синусоидальности кривых тока/напряжения. Причем фильтры гармоник в статических/механически переключаемых устройствах компенсации реактивной мощности остаются малоэффективными из-за нестабильности сети по теку и напряжению, а прогрессивные импульсно-модуляционные преобразователи (ИМП), ориентированные на компенсацию мощности искажений, пока имеют ограниченное применение, как из-за большой стоимости, так и несовершенства алгоритмов адаптации в конкретных сетях с конкретной нелинейностью нагрузки.

Читайте также:  Мощность портативных колонок sony

Рис. Типовая топология компенсатора с импульсно-модуляционным (ИМП) преобразователем с: а) емкостным и б) индуктивным накопителями энергии

Рис. Диаграммы напряжений и токов компенсатора с импульсно-модуляционным (ИМП) преобразователем с нагрузкой сложного характера, где: а) напряжения и токи трёх фаз распределительной сети; б) напряжение фазы А — UA и токи фазы А — линейной нагрузки IAлн, нелинейной нагрузки IAнн, компенсатора IAк.

Установки синхронной компенсации реактивной мощности

Установки синхронной компенсации реактивной мощности используются в энергосетях развитых стран мира уже более 50 лет, однако из-за больших потерь в сравнении с статическими устройствами компенсации реактивной мощности и стоимости (в том числе систем защиты от токов короткого замыкания) установки синхронной компенсации реактивной мощности постепенно заменяются более прогрессивными устройствами. Кроме того, установки синхронной компенсации реактивной мощности, а по факту — синхронные двигатели специальной конструкции, работающие на холостом ходу и в режиме перевозбуждения обмотки генерирующие реактивную мощность — являются средствами пассивной компенсации и не могут быть адаптированы в системах FACTS.

Переключаемые тиристорные установки компенсации реактивной мощности типа TSC. Это статические конденсаторные установки с различным числом ступеней, управляемые тиристорными переключателями, обеспечивающими быстрое подключение/отключение ступеней в момент равенства напряжений на конденсаторных блоках и в сети. Впервые статические установки компенсации реактивной мощности типа TSC были использованы ASEA в 1971 году, имели среднюю задержку переключения от половины до цикла колебаний по току/напряжению, по факту не генерировали гармоник и отличались простотой конструктивных решений.

Рис. Переключаемая тиристорами конденсаторная установка компенсации реактивной мощности. Вместе с тем, устройства типа TSC остались ступенчатыми, а значит дискретными по потокам генерируемой мощности, а каждая батарея конденсаторов оборудовалась своим тиристорным переключателем, что делало установку материалоемкой и финансово затратной.

Отчасти недостатки финансовой доступности установок типа TSC были устранены применением тиристорно-диодных схем, к тому же выгодно отличающихся почти полным отсутствием импульсных токов при переключении, однако имеющих запаздывание включения/отключения ступени не менее одного цикла в сравнении половиной цикла у установок TSC.

Рис. Бинарные тиристорно-диодные переключатели статических установок компенсации реактивной мощности.

Рис. Диаграммы токов бинарной тиристорно-диодной установки компенсации реактивной мощности, где: а — d — токи по В1 — В4; е — результирующая кривая тока установки. Управляемые тиристорами реакторы.

Управляемые тиристорами реакторы (тип TCR), как правило, имеют батареи статических конденсаторов, фильтры гармоник низшего порядка и управляемую тиристорами индуктивность (собственно реактор), интегрируемую в каждую фазу питающей сети. Управляемая тиристорами индуктивность используется для демпфирования избытка реактивной мощности, генерируемой конденсаторами, что исключает риски перенапряжения. В то же время тиристорное управление, как конденсаторными блоками, так и индуктивностью позволяет формировать достаточно плавную компенсацию реактивной мощности, хотя для получения реально плавной на практике компенсации используют:

  • дорогие управляемые тиристорные генераторы, построенные по трех-, шести и более импульсной топологии.

Рис. Трех импульсные (слева) управляемые тиристорами реакторы с пассивными фильтрами низкоуровневых гармоник и двенадцати импульсные (справа) управляемые тиристорами реакторы типа TCR с трансформатором для смещения фаз, позволяющего устранить гармоники 5 и 7 порядка без использования пассивных фильтров.

  • комбинированные установки компенсации реактивной мощности TSC-TCR с управлением тиристорным переключением ступеней батарей статических конденсаторов и реакторов.

Рис. Типовая топология комбинированной установки компенсации реактивной мощности TSC-TCR.

  • тиристорно-управляемые установки последовательной (продольной) компенсации TCSC (ThyristorControlledSeriesCompensator).

Рис. Типовая топология тиристорно-управляемой установки последовательной (продольной) компенсации TCSC.

Самокоммутируемые преобразователи для компенсации реактивной мощности

Самокоммутируемые преобразователи для компенсации реактивной мощности – прогрессивные полупроводниковые устройства, способные к генерированию или поглощению реактивной мощности, и включающие статические синхронные компенсаторы, объединенные энергетические регуляторы потока (unifiedpowerflowcontrollers — UPFC) и динамические восстановители напряжения (dynamicvoltagerestorers — DVR).

Рис. Моделируемый ток и формы волны напряжения само коммутируемого преобразователядля компенсации реактивной мощности, где a — топология установки, b — моделируемый ток иформа волны напряжения (VMOD> VCOMP ); с — моделируемый ток и форма волны напряжения (V MOD COMP ).

Читайте также:  Как найти активную мощность через реактивную мощность

Здесь, когда V MOD больше чем напряжение V COMP, установка генерирует реактивную мощность, а когда V MOD меньше, чем V COMP, устройство поглощает реактивную мощность. По сути, работа само коммутируемого преобразователя для компенсации реактивной мощности подобна синхронной машине — ток компенсации может опережать или отставать от напряжения в зависимости от относительных амплитуд V COMP и V MOD. В то же время конденсаторное напряжение V D, сохраняется стабильным, а специальная петля регулирования с обратной связью управляет углом сдвига фаз между V COMP и V MOD.

Одной из ключевых проблемкоммутируемых преобразователей в системах высокого напряжения, является ограниченная емкость полупроводников управляющих схем (IGBT и IGCT) — defacto полупроводники могут работать только с несколькими тысячами ампер при напряжении 6-10 кВ, и этот недостаток устраняется с помощью более сложных топологий в многоуровневых преобразователях.

Источник



Статический тиристорный компенсатор реактивной мощности

На многих промышленных предприятиях для улучшения гармонического состава сети устанавливаются фильтро-компенсирующие устройства ФКУ. Они не только улучшают гармонический состав сети, но и компенсируют реактивную энергию, улучшая тем самым коэффициент мощности сети cosφ.

На предприятиях с резко-переменной нагрузкой при отключении какого-либо из потребителей могут возникать проблемы с тем, что cosφ может становиться больше единицы. Для того чтобы не отдавать реактивную мощность обратно в сеть необходимо отключить фильтр от цепи, как делается при секционном регулировании в конденсаторных установках. Но если отключить фильтр от цепи, он перестанет сглаживать гармоники, то есть теряется смысл его установки. Разбивать ФКУ на секции и вводить посекционно — дорого, требует огромных площадей и большого числа коммутационной аппаратуры. Для решения этой задачи был создан статический компенсатор реактивной мощности или декомпенсатор.

Он состоит из тиристорного регулятора напряжения (ТРН) и реактора, подключенного через вентильный ключ к цепи. Мощности реактора и ФКУ равны. При изменении cosφ>1 тиристорный регулятор увеличивает ток реактора, чем увеличивает реактивную составляющую потребляемую этими реакторами, тем самым выравнивая баланс мощности в заданном диапазоне. На рис.1 приведена схема этого устройства

Главным достоинством статического компенсатора является быстрое и плавное изменение реактивной составляющей цепи. При его применении можно регулировать cosφ в заданных пределах в автоматическом режиме.

Статический тиристорный компенсатор со шкафом управления не может быть расположен на улице, они всегда располагаются в помещении. ФКУ может быть расположено как в помещении, так и снаружи. Фильтры и реакторы могут соединяться шинами или кабелями в зависимости от токов и напряжений установок. На рис.2 показан пример размещения оборудования

Как видно из рис.2 в помещении находится система управления статическим компенсатором и вентильный ключ. Через шины он соединяется с реакторами и фильтрами высших гармоник, которые находятся на улице.

Система охлаждения тиристорного регулятора, как правило воздушная. Она дешевле жидкостной, легче в эксплуатации, не требует дополнительных узлов электроники, механики, вращающихся компонентов. Также, воздух, проходящий через вентиляционные шахты, преобразователя охлаждает не только силовые модули, но и R-C цепи (служащие для защиты тиристоров от перенапряжений) и другие элементы. Если токи слишком большие, а размеры аппаратуры ограничены, применяют жидкостное охлаждение.

Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности автоматизированы. Управление осуществляется как в автоматическом режиме, так и в ручном с панели оператора. Данные о работе устройства могут записываться в память статического тиристорного компенсатора и таким образом вести учет компенсируемой энергии за промежуток времени, а также хранится данные о всех неисправностях, методах их устранения. Это очень удобно для анализа потребляемой энергии, статистических данных по электроснабжению, а также проводить качественный анализ сети в различных режимах работы.

Вывод: статический тиристорный компенсатор очень удобен для предприятий с наличием высших гармоник и резко-переменной нагрузкой. Он позволяет плавно регулировать реактивную энергию в цепи, а также фильтровать высшие гармоники, улучшая тем самым качество сети.

Источник

Компенсация реактивной мощности в квартире, быту и на производстве

Слишком высокая или как еще её называют, реактивная энергия и мощность, способствуют значительному ухудшению работы электрических сетей и систем. Мы предлагаем рассмотреть в нашей статье как производится автоматическая компенсация реактивной мощности (крм) и перекомпенсация в сетях на предприятиях, в квартире и в быту.

Зачем нужна компенсация реактивной мощности

Чем больше требуется энергии — тем выше становится уровень потребления топлива. И это не всегда оправдано. Компенсация мощности, т.е, её правильный расчет, поможет сэкономить в промышленных распределительных электросетях на производстве до 50 % затрачиваемого топлива, а в некоторых случаях и больше.

Читайте также:  Мощность по vin bmw

Нужно понимать, что тем больше ресурсов затрачено на производство, тем выше будет цена конечного продукта. При возможности снизить стоимость изготовления товара, производитель либо предприниматель, сможет снизить его цену, чем привлечь потенциальных клиентов и потребителей.

Как наглядный пример – пара диаграмм ниже. Эти векторы визуально передают полный эффект от работы установки.

Кроме этого, мы также избавляемся от потерь в электросетях, от чего эффект следующий:

  • напряжение ровное, без перепадов;
  • увеличивается долговечность проводов (abb – авв, аку) и индукционной обмотки в жилых помещениях и на заводе;
  • значительная экономия на работе домашних трансформаторов и выпрямителей тока;
  • проведенная компенсация мощности и реактивной энергии значительно продлит время работы мощных устройств (асинхронный двигатель трехфазный и однофазный).
  • значительное снижение электрических затрат.

Теория и практика

Чаще всего реактивная энергия и мощность потребляется при использовании трехфазного асинхронного двигателя, здесь и нужна компенсация сильнее всего. Согласно последним данным: 40 % — потребляют двигатели (от 10 кв), 30 – трансформаторы, 10 – преобразователи и выпрямители, 8% — расход освещения

Для того чтобы этот показатель уменьшить, используются конденсаторные устройства или установки. Но существует огромное количество подтипов этих электроприборов. Какие бывают конденсаторные установки и как они работают?

Видео: Что такое компенсация реактивной мощности и для чего она нужна?

Для того чтобы производилась компенсация энергии и реактивной мощности конденсаторными батареями и синхронными двигателями, понадобится установка энергосбережения. Чаще всего используют подобные устройства с реле, хотя вместо него может быть установлен контактор либо тиристор. Дома используются релейные приборы дуговой компенсации. Но если проводится компенсация реактивной энергии и мощности на заводах, у трансформаторов (там, где несимметричная нагрузка), то намного целесообразнее применять тиристорные устройства.

В отдельных случаях возможно использование комбинированных устройств, это приборы, которые одновременно работают и через линейный преобразователь, и через реле.

Чем поможет использование установок:

  • подстанция снизит скачки напряжения;
  • электрические сети станут более безопасными для работы электрических приборов, исчезнут проблемы компенсации электричеста и мощности у холодильных установок и сварочных аппаратов;
  • кроме этого, они очень просты в установке и эксплуатации.

Как установить конденсаторные устройства

Предварительно понадобится схема работы электросети, и документы от ПУЭ, по которым и проводится решение о компенсации энергии и реактивной мощности ДСП. Далее необходим экономический расчет:

  • сумма потребления энергии всеми приборами (это печи, цод, автоматические машины, холодильные установки и прочее);
  • сумма поступления тока в сеть;
  • вычисление потерь в цепях до поступления энергии к приборам, и после этого поступления;
  • частотный анализ.

Далее нужно сгенерировать часть мощности сразу на месте её поступления в сеть при помощи генератора. Это называется централизованная компенсация. Она может проводится также при помощи установки cos, electric, schneider, tg.

Но существует также индивидуальная однофазная компенсация реактивной энергии и мощности (либо поперечная), её цена намного ниже. В этом случае производится установка упорядоченных регулирующих устройств (конденсаторов), непосредственно у каждого потребителя питания. Это оптимальный выход, если регулируется трехфазный двигатель или электропривод. Но у этого типа компенсации есть существенный недостаток – она не регулируется, и поэтому называется еще и нерегулируемой или нелинейной.

Статические компенсаторы или тиристоры работают при помощи взаимоиндукции. В этом случае переключение производят при помощи двух или более тиристоров. Самый простой и безопасный метод, но его существенным недостатком является то, что гармоники генерируются вручную, что значительно усложняет процесс монтажа.

Продольная компенсация

Продольная компенсация производится методом варистора или разрядника.

Сам процесс происходит из-за наличия резонанса, который образуется из-за направления индуктивных зарядов друг другу на встречу. Данная технология и теория компенсации мощности применяется для реактивных и тяговых двигателей, сталеплавильной или станочной техники Гармоники, к примеру, и именуется еще искусственная.

Техническая сторона компенсации

Существует огромное количество производителей и типов установок конденсаторных установок:

  • тиристорные;
  • регуляторы на ферросплавном материале (Чехия);
  • резисторные (производятся в Петербурге);
  • низковольтные;
  • реакторы детюнинг (Германия);
  • модульные – самые новые и дорогостоящие на данный момент приборы;
  • контакторы (Украина).

Их стоимость разнится в зависимости от организации, для боле точной и исчерпывающей информации посетите форум, где обсуждается компенсаций реактивной мощности.

Источник

Adblock
detector