CC BY
137
УДК 693.548.58
АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРОСЕТЯХ НА ОСНОВЕ ПОРТАТИВНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
А.В. Карамнов
Рассмотрены основные технические средства компенсации реактивной мощности в электросетях на основе портативных электростанций, таких как конденсаторные батареи, синхронные двигатели, вентильные статические источники реактивной мощности; проведен анализ достоинств и недостатков возможных технических решений.
In this paper we consider a base technology for compensating the reactive power in electricity supply networks based on portable electric power stations (e.g. bank of capacitors, synchronous motors, barier-layer statistical reactive power source). Analysis of advantages and disadvantages for considered engineering solutions is performed.
Локальные сбои в электроснабжении, ставшие неотъемлемым атрибутом современного состояния энергосистем различных регионов России, а также необходимость электрификации разнородных объектов хозяйственной деятельности, не имеющих упорядоченного электроснабжения (торговые павильоны, дачные участки, фермерские хозяйства, гаражи и т.д.), обуславливают потребность в использовании бензиновых или дизельных генераторов в качестве основного или резервного источника электроэнергии.
На сегодняшний день рынок таких устройств представлен достаточно широким ассортиментом изделий отечественных и зарубежных производителей, предназначенным различным группам потенциальных потребителей, которые в своем выборе ориентируются как на величины мощности генерируемой электроэнергии, так и на эргономические характеристики изделий.
При выборе генератора для бытовых целей определяющим фактором является значение рабочей мощности, которую способен вырабатывать этот генератор. От обоснованной оценки этого фактора в конечном итоге зависит устойчивая работа всех потребителей электроэнергии локальной энергосистемы. Зачастую пользователь остается в недоумении, когда генератор с рабочей мощностью 800Вт оказывается не способным обеспечить работу потребителя (например, электронасоса) с мощностью всего 500Вт. В этом случае проблема кроется в реактивном характере нагрузки потребителей, и для ее решения требуется компенсация реактивной составляющей ее мощности.
Известно, что реактивная мощность - это мощность, которую источник переменного тока в течение одной четверти периода отдает во внешнюю цепь, обладающую реактивным сопротивле-
нием, а в течение другой четверти периода получает ее обратно. Данная мощность характеризует энергию, не потребляемую во внешней цепи, а колеблющуюся между внешней цепью и источником, т.е. емкостную и индуктивную энергию, временно накапливаемую, а затем отдаваемую источнику.
Реактивная мощность выражается произведением напряжения на зажимах данной цепи на реактивную составляющую тока в ней. Если реактивная составляющая тока больше активной составляющей, то и реактивная мощность будет больше мощности, фактически потребляемой в цепи. При подключении к электрической сети активно-индуктивной нагрузки ток 1н отстает от напряжения и на угол сдвига ф. Косинус этого угла (со8ф,) называется коэффициентом мощности.
Электроприемники с такой нагрузкой потребляют как активную (Р), так и реактивную (0 мощность. Реактивная мощность выражается уравнением Q = Р tg ф.
Активная энергия, потребляемая электроприемниками, преобразуется в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и газа и т.п. Определенный процент активной энергии расходуется на потери. Реактивная мощность Q не связана с полезной работой электроприемника и расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, линиях.
Известно, что реактивная мощность может иметь индуктивный или емкостный характер. Прохождение в электрических сетях реактивных токов обуславливает добавочные потери активной мощности в линиях, трансформаторах, которые требуют увеличения номинальной мощности ге-
нератора и снижают пропускную способность всей электросети. На основании вышесказанного полная мощность описывается выражением
S = -Jp 2 + Q 2 = P/cos ф; потери активной мощности -РД = (P 2 + Q2)R / Ufn ; коэффициент мощности -
cos ф = Р / S = Р/yjp2 + Q2 ; потери напряжения -
Ди = (PR + QX)/Ujjj , где Р, Q, S - соответственно активная, реактивная и полная мощности; R, X - соответственно активное и реактивное сопротивления элементов электрической сети; U ном - номинальное напряжение сети.
Основными потребителями реактивной мощности индуктивного характера являются асинхронные двигатели (60...65% общего ее потребления), трансформаторы, включая сварочные
(20.25%), вентильные преобразователи, реакторы и прочие элетропотребители, а емкостного характера - устройства, имеющие импульсные блоки питания и синхронные двигатели в режиме перевозбуждения.
Наглядное представление о сущности компенсации реактивной мощности дает рис. 1.
Рис. 1. Компенсации реактивной мощности
На (рис. 1, а) изображена схема электрической цепи. Пусть до компенсации потребитель имел активную мощность Р, ток 1а (отрезок ОВ на рис 1, б) и реактивную мощность от индуктивной нагрузки Ql с соответствующим током ^ (отрезок ВА). Полной мощности «і соответствует вектор /; (отрезок ОА). Коэффициент мощности до компенсации был равен С08 фі. Векторная диаграмма компенсации представлена на (рис. 1, в).
После компенсации, т.е. после подключения параллельно нагрузке компенсирующего устройства (конденсатора С) с мощностью QK (ток 1С ),
суммарная реактивная мощность потребителя будет уже Q1 - QK (ток IL - Ic), снизится угол сдвига фаз с ф1 до ф2 и повысится коэффициент мощности с cos Ф1 до cos Ф2. Полная потребляемая мощность при той же потребляемой активной мощности Р (токе Ia ) снизится с Si (ток Iн) до S2 (ток I2) (отрезок OA' на рис. 1,в). Следовательно, в результате компенсации можно при том же сечении проводов повысить пропускную способность сети при активной мощности.
К техническим средствам компенсации реактивной мощности относятся следующие виды компенсирующих устройств: конденсаторные батареи, синхронные двигатели, вентильные статические источники реактивной мощности.
Широкое применение конденсаторов для компенсации реактивной мощности объясняется их значительными преимуществами по сравнению с другими видами компенсирующих устройств: незначительные удельные потери активной мощности (до 0,005 кВт/квар), отсутствие вращающихся частей, простота монтажа и эксплуатации, относительно невысокая стоимость, малая масса, отсутствие шума во время работы, возможность установки около отдельных групп потребителей и т.д. Недостатками конденсаторных батарей являются наличие остаточного заряда, повышающего опасность при обслуживании, чувствительность к перенапряжениям и толчкам тока, возможность только ступенчатого, а не плавного регулирования мощности. За счет присоединения к сети компенсирующего устройства с мощностью QK потери мощности и напряжения уменьшаются. После компенсации потери мощности выражаются формулой
(Р2 + (Q - QK)2) R
ДР = у---W ы ) +
U2„ Е0
где ДРку - потери мощности в компенсирующем устройстве, Вт.
Потери напряжения после компенсации, В, можно выразить уравнением
Ди = PR + (Q-Qk)X .
U ном
Рассмотрим другой вид компенсирующих устройств - синхронные двигатели.
Известно, что при увеличении тока возбуждения выше номинального значения синхронные двигатели могут вырабатывать реактивную мощность, следовательно, их можно использовать как средство компенсации реактивной мощности. Главным отличием синхронного двигателя от асинхронного является то, что магнитное поле, необходимое для действия синхронного двигателя, создается, в основном, от отдельного источника постоянного тока (возбудителя). Вследствие этого двигатель в нормальном режиме (при cos ф = 1) почти не потребляет из сети реактивной мощности, необходимой для создания главного магнитного потока, а в режиме перевозбуждения может генерировать емкостную мощность в сеть.
Синхронные двигатели, как правило, рассчитаны на опережающий коэффициент мощности cos ф = 0,9 и при активной номинальной нагрузке Рном и напряжении U ном могут вырабатывать номинальную реактивную мощность, которая выражается формулой
QH0M ~ 0,5PHOM .
При недогрузке синхронного двигателя по активной мощности (в = P/Pjj^ <1) возможна перегрузка по реактивной мощности (а = Q/QH0M >1).
Преимуществом синхронного двигателя, используемого для компенсации реактивной мощности, по сравнению с конденсаторами является возможность плавного регулирования генерируемой реактивной мощности.
Недостатком является то, что активные потери на генерирование реактивной мощности для синхронного двигателя больше, чем для конденсаторов, так как зависят от квадрата генерируемой мощности синхронного двигателя.
Дополнительные активные потери в обмотке синхронного двигателя, Вт, вызываемые генерируемой реактивной мощностью в пределах изменения cos ф от 1 до 0,9 при номинальной активной
мощности синхронного двигателя, равной Рном,
можно записать в виде
AP = Q2 r /U2
ном ном ном
где QH0M - номинальная реактивная мощность синхронного двигателя, вар; r - сопротивление одной фазы обмотки синхронного двигателя в нагретом состоянии, Ом; U ном - номинальное напряжение сети, В.
В общем случае, когда P, Q, и U отличаются от номинальных значений, потери активной
мощности, Вт, на генерирование реактивной мощности выражаются формулой
АР = Д -б— + £>2-0—,
бном бном
где 0 - реактивная мощность, генерируемая синхронным двигателем, вар; Д и £2 - постоянные величины, Вт.
Реактивная мощность б, генерируемая синхронным двигателем при активной нагрузке Р < Рном , определяется выражением
б = аР 18 Фном ! Пном , где а - коэффициент перегрузки по реактивной мощности; Р - активная нагрузка синхронного двигателя, Вт; 18 фном и пном - соответственно тангенс угла ф и КПД двигателя, принимаемые по каталогу (паспорту) синхронного двигателя.
Следует отметить, что Д + £2 = АРном . Следовательно, сумма постоянных коэффициентов Д и £ 2 определяет активные потери двигателя, вызванные генерированием реактивной мощности бном при номинальном напряжении (ином) и активной мощности (Рном).
Идея компенсации искажений напряжений и токов в сети, т.е. активная фильтрация, основана на введении в сеть последовательно источника напряжения с управляемым искажением или параллельно источника тока с управляемым искажением, причем вносимые искажения находятся в противофазе с имеющимися искажениями и компенсируют их в результирующей кривой напряжения или тока. Эта идея иллюстрируется на рис. 2, а для активного фильтра напряжения и на рис. 2, б для активного фильтра тока.
Рис. 2. Активная фильтрация: а - активный фильтр напряжения; б - активный фильтр тока
Источник компенсирующего искажения на
пряжения сети (или нагрузки) вводится последовательно обычно через трансформатор Т. Если напряжение сети несинусоидально (на рисунке условно трапеция), а напряжение на нагрузке должно быть синусоидальным, то источник компенсирующего напряжения ик должен повторять в противофазе разность мгновенной кривой напряжения сети и и ее первой гармоники и(1) (рис. 2,а).
Если нелинейная нагрузка потребляет несинусоидальный ток, то компенсатор генерирует ток, равный в противофазе разности мгновенной кривой тока нелинейной нагрузки /н и ее первой гармоники /н (1).
Схемы активных фильтров напряжения и тока обычно выполняют на базе инверторов напряжения с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ).
Рассматривая инвертор напряжения как реверсивный широтно-импульсный
преобразователь (ШИП), работающий в режиме периодического реверса, и учитывая линейность регулировочной характеристики ШИП, можно
воспроизвести на выходе инвертора любую кривую задания тока (напряжения) /к (или ик) путем аппроксимации ее средними значениями по интервалам тактов коммутации при ШИМ. Точность воспроизведения на выходе инвертора тока /к или напряжения ик зависит от точной передачи спектра этих кривых до частоты их верхней гармоники, определяемой в соответствии с теоремой отсчетов Котельникова половиной частоты коммутации при ШИМ. Так, для подавления в результирующем токе сети всех гармоник входного тока трехфазного мостового выпрямителя вплоть, например, до 23-й, относительная величина которой в спектре 1/23, т.е. менее 5%, необходима частота коммутации в интервале не ниже 2 • 23 • 50 = 2300 Гц, что вполне допустимо для силовых транзисторов. Техническая реализация такого воспроизведения на выходе инвертора напряжения сигнала задания на его входе легко обеспечивается при использовании управления инвертором по методу слежения.
Более радикальным способом улучшения качества электроснабжения и устранения обратного влияния нелинейного потребителя на питающую сеть является совместное использование активного фильтра напряжения и тока.
Возможны два варианта их объединения: параллельно-последовательное (рис. 3) и последовательно-параллельное включения (рис. 4). При этом появляется возможность объединить их цепи постоянного напряжения общим конденсатором фильтра С а. Если на такую структуру возложить еще и функцию регулирования величины реактивной мощности и ее знака, то можно будет поддерживать синусоидальное напряжение стабильной величины при колебаниях напряжения в сети.
Дата поступления: 01.11.2005
Рис. 3. Параллельно-последовательное включение активных фильтров напряжения и токов
Рис. 4. Последовательно-параллельное включение активных фильтров напряжения и токов
