Реактивная энергия в электросети: основные понятия и способы компенсации — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое реактивная энергия в электрической сети. Как она влияет на работу оборудования. Какие существуют методы компенсации реактивной мощности. Почему важен учет реактивной энергии для предприятий.

Содержание

Что такое реактивная энергия и почему она важна

Реактивная энергия — это особый вид электрической энергии, который не совершает полезной работы, но необходим для создания электромагнитных полей в электрооборудовании. В отличие от активной энергии, которая преобразуется в механическую работу, тепло или свет, реактивная энергия циркулирует между источником и потребителем.

Основные характеристики реактивной энергии:

Возникает только в цепях переменного тока
Не совершает полезной работы
Необходима для работы трансформаторов, электродвигателей и другого оборудования с катушками индуктивности
Увеличивает нагрузку на электросети
Приводит к дополнительным потерям энергии

Активная и реактивная составляющие электроэнергии

Полная электрическая энергия, потребляемая из сети, состоит из двух компонентов:

Активная энергия — совершает полезную работу (нагрев, освещение, механическая работа)
Реактивная энергия — создает электромагнитные поля, но не совершает работы

Соотношение между активной и реактивной энергией характеризуется коэффициентом мощности cos φ. Чем ближе cos φ к единице, тем эффективнее используется электроэнергия.

Источники реактивной мощности в электросети

Основными потребителями реактивной мощности являются:

Асинхронные электродвигатели
Трансформаторы
Электросварочное оборудование
Преобразователи частоты
Газоразрядные лампы

Эти устройства создают индуктивную реактивную мощность. Конденсаторы, наоборот, генерируют емкостную реактивную мощность.

Негативные последствия повышенного потребления реактивной энергии

Избыточная циркуляция реактивной энергии в сети приводит к ряду проблем:

Увеличение потерь электроэнергии в проводах и трансформаторах

Снижение пропускной способности линий электропередачи
Падение напряжения в сети
Перегрузка генераторов электростанций
Ухудшение качества электроэнергии

Все это в конечном итоге приводит к дополнительным затратам как для энергосистемы, так и для потребителей.

Методы компенсации реактивной мощности

Для снижения потребления реактивной энергии из сети применяются различные способы компенсации:

Установка конденсаторных батарей
Использование синхронных компенсаторов
Применение активных фильтро-компенсирующих устройств
Оптимизация режимов работы электрооборудования
Внедрение энергоэффективных электродвигателей

Наиболее распространенным методом является установка конденсаторных батарей, которые генерируют реактивную мощность, компенсируя ее потребление из сети.

Учет реактивной энергии для промышленных потребителей

Для крупных промышленных предприятий организуется отдельный учет потребления реактивной энергии. Это обусловлено следующими причинами:

Необходимость оплаты за потребление реактивной энергии сверх установленных норм
Контроль эффективности мероприятий по компенсации реактивной мощности
Оценка качества электроэнергии на предприятии
Выявление источников повышенного потребления реактивной энергии

Учет ведется с помощью специальных счетчиков реактивной энергии или многофункциональных приборов учета.

Экономические аспекты компенсации реактивной мощности

Внедрение мероприятий по компенсации реактивной мощности позволяет получить значительный экономический эффект:

Снижение платы за потребление реактивной энергии
Уменьшение потерь активной энергии в сетях предприятия

Увеличение пропускной способности трансформаторов и кабельных линий
Улучшение качества напряжения в сети
Продление срока службы электрооборудования

Срок окупаемости установок компенсации реактивной мощности обычно составляет 1-2 года.

Современные тенденции в области компенсации реактивной мощности

Основные направления развития технологий компенсации реактивной мощности:

Применение интеллектуальных систем управления компенсирующими устройствами
Внедрение активных фильтров гармоник
Использование гибридных компенсаторов реактивной мощности
Разработка энергоэффективного оборудования с низким потреблением реактивной энергии
Интеграция устройств компенсации в системы Smart Grid

Эти технологии позволяют повысить эффективность компенсации и улучшить качество электроэнергии в сетях.

Разница между активным и реактивным счетчиком. Счетчик, активной, реактивной мощности

ИНДУКЦИОННЫХ СЧЕТЧИКОВ

Рис. 1. Часть диска индукционного двухпоточного прибора.
Для измерения расхода электроэнергии в цепях переменного тока промышленной частоты применяются счетчики индукционного типа. Принцип действия этих счетчиков основан на взаимодействии магнитных потоков с индуктированными токами в подвижной части прибора. Подвижная часть выполнена в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. Если алюминиевый диск находится между двумя полюсами электромагнитов Л и В, по катушкам которых протекает переменный ток, то магнитные потоки Фд и Фв пронизывают этот диск и индуктируют в нем токи 1А и /в (рис. 1).
Ток 1А, взаимодействуя с магнитным потоком Фв, создает некоторое усилие. Второе усилие получается от взаимодействия тока 1В с магнитным потоком ФА. Образующийся в результате вращающий момент пропорционален величинам этих двух потоков и зависит от угла сдвига между ними.
На рис. 2 показаны устройство и схема включения однофазного индукционного счетчика. Счетчик состоит из двух электромагнитов 5 и 8, алюминиевого диска 1, укрепленного на оси 2, подпятника 3 и подшипника 4, которые служат опорами оси, постоянного тормозного магнита 7 и счетного механизма, связанного с осью зубчатой передачей (на рисунке не показан).

Обмотка электромагнита 5 включена в цепь параллельно, и его сердечник пронизывает магнитный поток Фи, пропорциональный напряжению сети U. Обмотка электромагнита 8 включена последовательно с нагрузкой, и его сердечник пронизывает магнитный поток СР*, пропорциональный току нагрузки I. Оба магнитных по
тока индуктируют в алюминиевом диске вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитными потоками, создают вращающий момент М, пропорциональный произведению этих потоков.
Для того чтобы счетчик измерял расход активной энергии, необходимо выполнить условие пропорциональности вращающего момента активной мощности, т. е.
М = K1IU cos ф = к1Р,
где К1 — коэффициент пропорциональности; ф — угол сдвига между током и напряжением.

Рис. 2. Схема устройства идукционного счетчика.
Пропорциональность вращающего момента току нагрузки и напряжению сети обеспечивается, как было сказано выше. Пропорциональность вращающего момента cos ф обеспечивается созданием определенного угла сдвига между магнитными потоками. Для этой цели магнитный поток параллельного электромагнита расщепляется на два: рабочий и вспомогательный. Рабочий поток пересекает диск и замыкается. через противополюс, расположенный под диском. Вспомогательный поток замыкается через средний и боковые стержни электромагнита, не пересекая диска.
Для дополнительной подгонки угла сдвига служит регулятор 6. Он состоит из нескольких витков медной проволоки, намотанных на магнитопровод электромагнита 8 и замкнутых на петлю из никелиновой проволоки. Петля снабжена винтовым зажимом, перемещением которого и производится регулировка. Под действием вращающего момента диск счетчика придет во вращение. При этом возникает тормозной момент, действующий на диск счетчика.

Этот момент создается взаимодействием потока Фт тормозного магнита с вихревыми токами, индуктированными в диске его полем. Так как поток
тормозного магнита неизменен, то этот момент пропорционален только частоте вращения диска.
Кроме того, два тормозных момента создаются потоками параллельного и последовательного электромагнитов. Для того чтобы результирующий тормозной момент, равный сумме трех указанных, как можно меньше зависел от потока Фг-, тормозной момент постоянного магнита выбирается значительно большим тормозного момента последовательного электромагнита.
При этом можно с достаточной точностью считать, что результирующий тормозной момент пропорционален только частоте вращения диска п, т. е. Мт = к2п, где к2- коэффициент пропорциональности.
При установившейся частоте вращения диска
М=МТ,
а следовательно, к\Р = КчП, откудап, т. е. угловая
скорость диска пропорциональна мощности Р цепи, а частота вращения диска пропорциональна израсходованной энергии. Следовательно, числом оборотов диска счетчика можно измерять израсходованную энергию.

Комплекс деталей, состоящий из магнитопроводов и обмоток параллельной и последовательной цепи, называют вращающим элементом счетчика.
Счетный механизм представляет собой счетчик оборотов. Получивший преимущественное применение для электрических счетчиков роликовый счетный механизм (рис. 3) состоит в основном из зубчатой передачи, нескольких роликов с нанесенными на них цифрами от О до 9 и прикрывающего передачу и ролики алюминиевого щитка с вырезанными в нем окошками для отсчета измеряемой величины. Вращение подвижной части счетчика через систему шестерен передается счетному механизму. Полному обороту первого ролика соответствует поворот следующего за ним (справа налево) ролика только на одну десятую часть оборота. Третий ролик уже сделает одну десятую часть оборота при полном обороте второго и т. д. Чаще всего в роликовых счетных механизмах имеется пять роликов.

В зависимости от числа шестерен и их передаточных чисел единице, зарегистрированной счетным механизмом энергии, будет соответствовать определенная частота вращения подвижной части счетчика.

Частота вращения подвижной части, которая вызывает изменение счетного механизма на единицу измеряемой величины, называется передаточным числом счетчика. Передаточное число обычно указывается на щитке счетчика. Например: 1 квт-ч — 450 об. диска.
Число часов работы счетчика при нормальной нагрузке, необходимое для полной смены всех цифр, называется емкостью счетного механизма.

Рис. 3. Роликовый счетный механизм.
Для учета электроэнергии в трехфазных трехпроводных цепях (без нулевого провода) применяются двухэлементные счетчики. Трехфазный двухэлементный счетчик состоит как бы из двух помещенных в один корпус однофазных счетчиков, вращающие элементы которых воздействуют на одну общую подвижную часть, соединенную со счетным механизмом (рис. 4). При этом вращающие моменты, созданные каждым элементом, складываются. Счетчик включен по схеме двух ваттметров (схема Арона). Результирующий вращающий момент пропорционален активной мощности трехфазной цепи.

Для учета электроэнергии в четырехпроводных цепях (с нулевым проводом) применяются трехэлементные счетчики. Такие счетчики имеют три элемента, воздействующие либо на три диска (например, в счетчике СА4-ТЧ), либо на два диска (например, в счетчике СА4-И672М).

Рис. 5. Схема счетчика реактивной энергии СРЗ-И44.
Счетчики реактивной энергии по принципу действия и конструкции сходны со счетчиками активной энергии.

Рис. 4. Схема устройства трехфазного двухэлементного двухдискового счетчика.
Отличие их состоит в том, что суммарный вращающий момент пропорционален синусу угла между током и напряжением.
На рис. 5 приведена схема счетчика типа СРЗ, предназначенного для учета реактивной энергии в трехпроводной сети. Как видно из схемы, на параллельные обмотки подаются напряжения «чужих» фаз. В цепь параллельных обмоток включены добавочные сопротивления. Угол сдвига между рабочими магнитными потоками параллельной и последовательной цепей составляет 60°. В эксплуатационном отношении счетчики со сдвигом в 60° удобны тем, что схема их включения не. отличается от схемы включения счетчика активной энергии.
В счетчиках реактивной энергии типа СР4-ИТР параллельные обмотки включены так же, как и в счетчике типа СРЗ, но без добавочных сопротивлений (сдвиг 90°).
Каждый из последовательных электромагнитов имеет по две обмотки; основную и дополнительную. Дополнительная обмотка намотана в направлении, противоположном основной (рис. 6). Счетчики этого типа применяются как в трехпроводных, так и в четырехпроводных цепях трехфазного тока.
Существуют также трехэлементные счетчики реактивной энергии (СР4-И676) со сдвигом фаз потоков в 90°.

Рис. 6. Схема счетчика реактивной энергии СР4-ИТР.
Эти счетчики являются наиболее рекомендуемыми для учета реактивной энергии в четырехпроводных цепях.
По способу включения в сеть счетчики разделяют на счетчики прямого включения (прямоточные), которые включаются без измерительных трансформаторов, и счетчики, включаемые через измерительные трансформаторы. Последние в свою очередь можно разделить на включаемые через измерительные трансформаторы с определенными коэффициентами трансформации и универсальные, т. е. включаемые через любые измерительные трансформаторы. Об определении расхода электроэнергии по показаниям счетчиков различных типов будет сказано ниже.
На щитках некоторых счетчиков имеется надпись «со стопором» или «обратный ход застопорен». Диск таких счетчиков может вращаться только в направлении, указанном стрелкой.
Допустимая погрешность счетчика определяет его класс точности. Для расчетного учета электроэнергии класс точности счетчиков прямого включения (без измерительных трансформаторов) должен быть для активной энергии не ниже 2,5, а для реактивной энергии не ниже 3. Для счетчиков, включенных через измерительные трансформаторы, класс точности должен быть для активной энергии не ниже 2,0, а для реактивной энергии-не ниже 3. Для присоединений большой мощности (10 Мет и выше) рекомендуется применять счетчики класса точности 1 и выше.
Укажем на расшифровку букв в обозначении типа счетчика:
С — счетчик; А — активной энергии; Р — реактивной энергии; 3 или 4 — для трехпроводной или четырехпроводной сети; У-универсальный; И — индукционной измерительной системы; П — прямоточный; М — модернизированный.
Пример: СА4У-И672М 5а 380в — счетчик активной энергии для включения в четырехпроводную сеть с линейным напряжением 380 в через любые трансформаторы тока.

Dubovich , ваши рассуждения неверны.
Всю теорию объяснить не могу, т.к. это долго, да и объяснять «на пальцах» сложно. Попробуйте разобраться сами, гугл и википедия вам в помощь.
На конкретные вопросы, если возникнут, я отвечу.
Одно могу сказать, потребление и генерация реактивки — понятия, можно сказать, условные.
И счётчик крутит так, как ему положено.
Если включить в сеть, например, идеальную ёмкость, то ток через неё потечёт, и весьма конкретный, и амперметр его покажет. Только сдвинут он будет на 90 градусов от напряжения. А счётчик активной энергии крутиться не будет.
Понятие т.н. «реактивной мощности» вводится для цепей переменного тока с тем, чтобы оценить сколько мощности «гоняется» почти бесцельно от источника к нагрузке и обратно (при этом в итоге передачи энергии не происходит, на выходе нуль без палочки). Реактивная мощность создается, если нагрузка потребляет ток, сдвинутый по фазе относительно приложенного напряжения, что характерно, например, для нагрузок типа двигатель (ток отстает от напряжения) или конденсатор (ток опережает напряжение).
На самом деле ни потреблять ни генерировать реактивную мощность невозможно — физически это вообще не мощность, а лишь мера бесцельного (с точки зрения передачи энергии) перекачивания энергии туда-сюда с нулевым результатом. Однако поскольку реактивная мощность явление вредное и большинство нагрузок имеет индуктивный характер, то условились индуктивный (отстающий) ток считать как некое «потребление реактивной мощности» — с тем, чтобы говорить о фильтро-компенсирующих устройствах как о неких устройствах, «генерирующих» реактивную мощность.
Реактивная мощность вредна для электросети, т.к.
а). реактивный ток не переносит энергию,
б). реактивный ток, тем не менее, загружает ЛЭП, трансформаторы и защитно-коммутационные аппараты — т.е. если с реактивной мощностью не бороться, то возможна глупая ситуация, когда ЛЭП не передавая вообще никакой энергии будет перегружена и перегрета из-за большого реактивного тока.
Поэтому с реактивной мощностью «борются» (вернее ее компенсируют), помимо прочего, путем установки ФКУ, «генерирующих» реактивную мощность, которую тут же потребляют двигатели и прочие катушки индуктивности. Т.о. в результате работы ФКУ сеть не видит реактивного тока нагрузки.

Для энергетиков предприятий и крупных торговых центров сомнений в существовании реактивной энергии нет. Ежемесячные счета и вполне реальные деньги, которые уходят на оплату реактивной электроэнергии , убеждают в реальности ее существования. Но некоторые электротехники всерьез, с математическими выкладками, доказывают, что данный тип электроэнергии фикция, что разделение электрической энергии на активную и реактивную составляющие искусственно.

Давайте попробуем и мы разобраться в этом вопросе, тем более, что на незнании отличий разных видов электроэнергии спекулируют создатели . Обещая огромные проценты , они сознательно или по незнанию подменяют один вид электрической энергии другим.

Начнем с понятий активной и реактивной электроэнергии. Не вдаваясь в дебри формул электротехники, можно определить активную энергию как ту, которая совершает работу: нагревает пищу на электроплитах, освещает ваше помещение, охлаждает воздух с помощью кондиционера. А реактивная электроэнергия создает необходимые условия для совершения подобной работы. Не будет реактивной энергии, и двигатели не смогут вращаться, холодильник не будет работать. В ваше помещение не поступит напряжение величиной 220 Вольт, так как ни один силовой трансформатор не работает без потребления реактивной электроэнергии.

Если на осциллографе одновременно наблюдать сигналы тока и напряжения, то две эти синусоиды всегда имеют сдвиг относительно друг друга на величину, называемую фазовым углом . Вот этот сдвиг и характеризует вклад реактивной энергии в полную энергию, потребляемую нагрузкой. Измеряя только ток в нагрузке, выделить реактивную часть энергии невозможно.

Учитывая, что реактивная энергия не совершает работы, ее можно вырабатывать на месте потребления. Для этого служат конденсаторы. Дело в том, что катушки и конденсаторы потребляют различные виды реактивной энергии: индуктивную и емкостную соответственно. Они сдвигают кривую тока по отношению к напряжению в противоположные стороны.

В силу этих обстоятельств конденсатор можно считать потребителем емкостной энергии или генератором индуктивной. Для двигателя, потребляющего индуктивную энергию, конденсатор, расположенный рядом, может стать ее источником. Такая обратимость возможна только для реактивных элементов схемы, не совершающих работу. Для активной энергии подобная обратимость не существует: ее генерация связана с затратами топлива. Ведь прежде чем совершить работу, нужно затратить энергию.

В бытовых условиях за реактивную энергию электропередающие организации плату не изымают, и бытовой счетчик считает только активную составляющую электрической энергии. Совершенно другая ситуация на крупных предприятиях: большое количество электродвигателей, сварочных аппаратов и трансформаторов, для работы которых требуется реактивная энергия, создают дополнительную нагрузку на линии электропередач. При этом растет ток и тепловые потери уже активной энергии.

В этих случаях потребление реактивной энергии учитывается счетчиком и отдельно оплачивается. Стоимость реактивной электроэнергии меньше стоимости активной, но при больших объемах ее потребления платежи могут быть очень значительными. Кроме этого, за потребление реактивной энергии сверх оговоренных значений, накладываются штрафы. Поэтому экономически выгодно для подобных предприятий становится выработка подобной энергии на месте ее потребления.

Для этого применяются или отдельные конденсаторы, или автоматические установки компенсации, которые отслеживают объемы потребления и подключают или отключают конденсаторные батареи. Современные системы компенсации позволяют значительно уменьшить потребление реактивной энергии из внешней сети.

Возвращаясь к вопросу в заголовке статьи, можно ответить на него утвердительно. Реактивная энергия существует. Без нее невозможна работа электроустановок, в которых создается магнитное поле. Не совершая видимой работы, она, тем не менее, является необходимым условием для выполнения работ, совершаемой активной электрической энергией.

Многие слышали о реактивной электрической энергии. Учитывая сложность понимания этого термина, сначала необходимо детально разобрать отличия между активной и реактивной энергиями . Приступить необходимо с осознания того факта, что реактивная энергия проявляет себя только в сетях переменного тока. В цепях, где течёт постоянный ток, реактивной энергии не существует. Это обусловлено самой природой её появления.

Переменный ток поступает к потребителю от генерирующих мощностей через ряд понижающих трансформаторов, конструкция которых предусматривает разделение обмоток высокого и низкого напряжения. То есть, в трансформаторе нет прямого физического контакта между обмотками, а ток, тем не менее, течёт. Объяснение этому довольно простое. Электрическая энергия передаётся через воздух, являющийся хорошим диэлектриком, с помощью электромагнитного поля. Его составляющая — переменное магнитное поле, появляющееся в одной из обмоток трансформатора, постоянно пересекает другую обмотку, не имеющей с первой прямого электрического контакта, наводя в её витках электродвижущую силу.

КПД современных трансформаторов очень велик, поэтому потери электроэнергии составляют незначительную величину и вся мощность переменного тока, протекающего в первичной обмотке, переходит в цепь вторичной обмотки. Такая же картина повторяется в конденсаторе. Только за счёт электрического поля. И индуктивность, и емкость порождают реактивную энергию, периодически возвращая источнику переменного тока часть энергии. Запасание и возврат энергии (реактивной её части) мешают течению активной энергии, которая и выполняет всю полезную работу в сетях — она преобразуется в механическую, тепловую и иные виды работы.

Для компенсации противодействия реактивной энергии потребители, у которых много индуктивной нагрузки применяют специально устанавливаемые емкости (конденсаторы). Это позволяет минимизировать негативное влияние появляющейся реактивной энергии. Как уже отмечено, реактивная мощность оказывает существенное влияние на величину потерь электрической энергии в сети. Помимо этого, большой объём реактивной энергии может снизить уровень электромагнитной совместимости оборудования. Из-за этого величину этой негативной энергии необходимо постоянно контролировать и лучший способ для этого – организация её учёта.

Промышленные предприятия (где, в основном, озабочены проблемой реактивной энергии) часто ставят отдельные приборы учёта для реактивной и активной энергии. Счётчики реактивной энергии ведут её учёт в трёхфазных сетях по двум составляющим (индуктивной и емкостной) в вольт-амперах реактивных часов. Как правило, счётчик реактивной энергии — это аналого-цифровое устройство, преобразующее мощность в аналоговый сигнал, который потом превращается в частоту следования электрических импульсов, сложение которых позволяет судить о величине потребляемой энергии. Конструкция счётчика предусматривает пластмассовый корпус, в котором установлены три трансформатора тока и печатная плата с блоком учёта. На внешней стороне прибора размещены светодиоды и (или) жидкокристаллический экран.

Учитывая растущую конкуренцию, промышленные предприятия всё чаще устанавливают универсальные приборы учёта электрической энергии, способные измерять количество активной и реактивной энергии. Кроме того, что приборы совмещают в себе функции двух и более устройств, потребитель снижает затраты на обслуживание системы учёта (вместо двух счётчиков содержится один) и может сэкономить на цене покупки. Эти устройства на базе микропроцессоров способны измерять мгновенные значения напряжений и токов и вычислять реактивную и активную мощности. Прибор фиксирует уровень потребления энергии и отражает информацию на дисплее тремя сменяющимися кадрами (объём активной энергии, индуктивная составляющая реактивной энергии и её ёмкостная составляющая). Новые модели могут учитывать энергию в двух направлениях, предавать полученные данные по инфракрасному цифровому каналу, лучше защищены от воздействия магнитных полей и от хищений энергии. Высокая точность измерений и малое энергопотребление также выгодно отличают их от предшественников.

Проблемы и решения перетоков реактивной мощности в сетях среднего напряжения 6,3-10,5 кВ | Публикации

Текущее состояние сетей низкого среднего напряжения в аспектах перетоков реактивной энергии на частоте 50 Гц и неактивной мощности на нефундаментальных частотах. Конденсаторные установки 6,3 (10,5) и активные фильтро-компенсирующие устройства в решении проблем перетоков неактивной мощности.

Распределительные и потребительские промышленные сети сегмента низкого среднего напряжения 6,3-10,5 кВ (пп. 3.1.12 ГОСТ 32144-2013 и классификация IEEE, ETSI, IEC, VDE) на текущий момент стали буфером между электростанциями с магистральными линиями поставщиков электроэнергии и сетями напряжения менее 1кВ, de facto ответственными за основную долю трансфера неактивной мощности (неактивная мощность по IEEE 1459-2010). Причем, согласно статистике ПАО «ФСК ЕЭС», до 8 % потерь электроэнергии, генерируемой электростанциями, приходится на долю сетей 6,3 (10,5) кВ, и они, преимущественно, обусловлены потерями активной энергии при трансфере неактивной мощности и отнюдь не только ее фундаментальной составляющей на частоте 50 Гц.

В той или иной мере вопросы перетоков реактивной мощности на фундаментальной частоте решили конденсаторные установки 6,3 (10,5) кВ, устанавливаемые по стороне низшего или высшего напряжения соответственно на трансформаторных подстанциях напряжением 110 (35)/10 (6) кВ и 10 (6)/1 (0.4) кВ, а также используемые в силовых сетях промышленных объектов среднего напряжения по способу централизованной, групповой, индивидуальной (чаще комбинированной) компенсации. Вместе с тем, УКРМ 6,3 (10,5) релейного типа, как и их быстродействующие аналоги с управлением контроллерами на тиристорных ключах, далеко не всегда справляются с нестабильными и сложно прогнозируемыми перетоками реактивной энергии на фундаментальной частоте.

Кроме того, ежегодно растет объем наброса доли неактивной мощности на нефундаментальных частотах, где конденсаторные установки 6,3 (10,5) кВ буквально бесполезны и в лучшем случае могут быть защищены от рисков резонанса пассивными фильтрами (дросселями или L-C колебательными контурами).

Т. е. пока проблема компенсации реактивной мощности на частоте 50 Гц и локализации источников возмущений в сетях 6,3 (10,5) кВ остается открытой, хотя уже с 18.01 текущего года (пока формально) начато исполнение приказа Минэнерго РФ от 14.05.2019 No 465, где установлены правила и п. 4 разд. II определены объекты технического освидетельствования напряжения 1 кВ и выше, в число которых включены силовые конденсаторы, а также конденсаторные установки и более прогрессивные статические компенсаторы, по сути, являющиеся активными фильтро-компенсирующими устройствами (АФКУ).

Более жесткие требования предъявляют к абонентским потребительским сетям, регулируемым «Правилами недискриминационного доступа…», в п.14 раздела II которых постановлениями правительства РФ № 937 и № 1622 внесены изменения. Согласно им, в обязанности владельца сети входит не только поддержание в соответствующем состоянии оборудования по компенсации неактивной мощности (п. «в»), но и обеспечение на границе балансовой принадлежности как параметров качества электроэнергии (по ГОСТ 32144-2013 и договору), так и определенного соглашением соотношения активная/реактивная энергия (мощность), потребляемой из распределительной сети.

Возможные пути решения перетоков неактивной мощности по сетям 6,3 — 10,5 кВ с помощью УКРМ 6,3 (10,5) и/или АФКУ

Активные фильтро-компенсирующие устройства, предлагаемые сегодня на отечественном рынке под разными маркетинговыми названиями от активных фильтров гармоник до генераторов реактивной энергии, по факту — конвертеры электроэнергии фундаментальной частоты в токи того же напряжения, но с амплитудой и частотами «по запросу» и в противофазе токам искажений.

Т. е. вне зависимости от частоты тока искажений (50 Гц, гармоник, интергармоник) АФКУ по сигналу интеллектуального контроллера в течение полупериода инвертирует и «выплескивает» в сеть противотоки нужной амплитуды , а также нивелирует искажения, как реактивные (индуктивные или емкостные) на фундаментальной частоте (реактивная мощность), так и на нефундаментальных частотах — мощность гармоник, мощности искажений тока и/или напряжения.

АФКУ могли бы заменить действующие по такому же принципу, но только в направлении нивелирования индуктивных токов на частоте 50 Гц, конденсаторные установки 6,3 (10,5) кВ, однако их применение существенно ограничивает значительная стоимость полупроводниковых схем силовой части и интеллектуального контроллера, где львиную долю формирует цена биполярных транзисторов с изолированным затвором, тем более высокая, чем больше мощность полупроводников и АФКУ в целом. Поэтому оптимальным, с финансовой точки зрения, решением являются варианты совместной интеграции УКРМ 6,3 (10,5) и АФКУ, в котором исключена ветка генерации противотока на фундаментальной частоте.

Дополнительно снизить мощность (и стоимость) АФКУ можно:

делегированием компенсации искажений гармоник низких порядков эффективным пассивным фильтрам, интегрируемым в комплектное АФКУ или подключаемым в виде отдельного блока;
интеграцией АФКУ вблизи источника гармонических искажений — в распределительных сетях 6,3 (10,5) кВ на ТП 10 (6)/1 (0.4) кВ, в промышленных сетях непосредственно возле нелинейной нагрузки среднего напряжения.

Великий баланс: что нужно для поддержания стабильности электросети

Что значит, когда говорят, что электросеть Великобритании нуждается в балансировке? Это не относится к структурной устойчивости пилонов. Скорее, балансировка энергосистемы заключается в обеспечении того, чтобы электроснабжение удовлетворяло спрос каждую секунду.

Со стороны потребителя энергосистема служит одной цели: поставлять электричество в дома и на предприятия, чтобы оно питало нашу жизнь. Но с точки зрения генератора и системного оператора в игре гораздо больше.

Электроэнергия должна транспортироваться по всей стране, уровни выработки должны управляться так, чтобы они были в точности равны используемым уровням, а такие свойства, как напряжение и частота, должны тщательно регулироваться по всей сети, чтобы обеспечить выработку электроэнергии в промышленных масштабах. станции могут использоваться бытовыми приборами, подключенными к настенным розеткам.

Обеспечение бесперебойной работы всего этого зависит от системного оператора — National Grid — который работает с производителями электроэнергии для предоставления «вспомогательных услуг» — набора процессов, которые поддерживают работу энергосистемы стабильной и сбалансированной.

Здесь мы рассмотрим некоторые из наиболее важных вспомогательных услуг, действующих в Великобритании.

Частотная характеристика

Одной из основ стабильности энергосистемы Великобритании является частота. Вся электрическая сеть работает на частоте 50 Гц, которая определяется количеством изменений направления, которое электричество переменного тока (AC) совершает каждую секунду. Однако отклонение всего на 1% от этого начинает повреждать оборудование и инфраструктуру, поэтому крайне важно, чтобы оно оставалось постоянным.

Это делается National Grid, инструктируя гибкие генераторы (такие как тепловые паровые турбины, такие как те, что на электростанции Drax или планируемый нами аккумуляторный завод) либо увеличивать, либо уменьшать выработку, чтобы электроснабжение точно соответствовало спросу. Если это несбалансировано, это влияет на частоту сети и приводит к нестабильности и повреждению оборудования. Генераторы настроены на автоматический ответ на эти запросы, исправляя отклонения частоты за считанные секунды.

Управление реактивной мощностью и напряжением

Электричество, благодаря которому зажигаются лампочки и заряжаются телефоны, называется «активной мощностью». Однако для эффективной, экономичной и безопасной подачи этой активной мощности в систему передачи требуется так называемая «реактивная мощность».

Реактивная мощность генерируется так же, как и активная мощность, и помогает «проталкивать» активную мощность по системе, но, в отличие от активной мощности, она не распространяется очень далеко. Влияние реактивной мощности является локальным, и баланс в любой конкретной области очень важен для поддержания потоков мощности и стабильной системы.

Это означает, что Национальная энергосистема должна работать с генераторами, чтобы либо генерировать больше реактивной мощности, когда ее недостаточно, либо поглощать ее, когда есть избыток, что может произойти, когда линии «легко загружены» (что означает, что они имеют низкий уровень мощности). через них).

Способность

Drax поглощать реактивную мощность также имеет жизненно важное значение для контроля напряжения в сети. Система Великобритании работает при напряжении 400 киловольт (кВ) и 275 кВ (Шотландия также использует 132 кВ), прежде чем оно будет понижено трансформаторами до 230 вольт для домов или 11 кВ для крупных промышленных пользователей. Напряжение должно оставаться в пределах 5% от 400 кВ, прежде чем оно начнет повреждать оборудование.

Производя реактивную мощность, генератор увеличивает напряжение в системе, но, переключаясь на поглощение реактивной мощности, он может помочь снизить напряжение, сохраняя безопасность и эффективность электроэнергии в сети.

Инерция системы

Массивные турбины Дракса, вращающиеся со скоростью 3000 об/мин, могут автоматически подстраиваться, чтобы страна оставалась на нужной частоте, а также обладают тем преимуществом, что добавляют инерции в энергосистему.

Инерция — это естественная склонность объекта продолжать делать то, что он делает в данный момент.

Эта система инерции прядильного предприятия эффективно «аккумулирует» энергию. Это можно использовать в качестве демпфера для всей системы, чтобы замедлить и сгладить внезапные изменения частоты системы в сети — так же, как подвеска автомобиля, это помогает поддерживать стабильность.

Резервная мощность

Люди — существа привычки. Это означает, что вся страна, как правило, загружает посудомоечные машины, включает телевизоры и кипятит чайники примерно в одно и то же время каждый день, что делает прогноз роста и падения спроса на электроэнергию достаточно простым для National Grid.

Однако, если случится что-то непредвиденное – резкое похолодание или выход из строя электростанции – сеть должна быть готова. Для этого National Grid хранит резервную мощность в системе, чтобы быстро включиться и заполнить любые внезапные пробелы в спросе и колебания напряжения и частоты, которые могут быть вызваны.

Вспомогательные услуги в развивающейся системе

Как и в случае с выработкой электроэнергии по всей стране, услуги по балансированию претерпевают серьезные изменения. По мере того, как все больше прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, входят в систему, чтобы обеспечить низкоуглеродную энергию, необходимую Великобритании для обезуглероживания, та же самая система становится более изменчивой и труднее сбалансировать.

Нажмите, чтобы посмотреть/скачать

Более того, вспомогательные услуги, необходимые для стабилизации более нестабильной сети, не могут генерироваться каждым источником генерации. Многие зависят от турбины, вращающейся со скоростью 3000 об/мин, вырабатывающей электроэнергию с постоянной частотой 50 Гц, как в тепловых генераторах, таких как Drax. Прерывистые, также известные как переменные источники энергии, зависят от погоды. Часто они не могут предоставлять те же услуги, что и электростанции, работающие на биомассе и газе.

В то время как предпринимаются попытки предоставить некоторые из этих вспомогательных услуг путем совместного размещения ветряных или солнечных установок с гигантскими батареями, тепловые электростанции, которые могут быстро и надежно сбалансировать систему в масштабе, по-прежнему играют важную роль в обеспечении безопасности и эффективности сети передачи. , экономичный и стабильный.

Эта статья является частью серии статей о менее известных рынках электроэнергии в сфере услуг балансировки, услуг системной поддержки и вспомогательных услуг. Подробнее о черный старт , инерция системы , частотная характеристика , реактивная мощность и резервная мощность . F узнайте, что ждет вас впереди, прочитав Баланс для будущего возобновляемых источников энергии и Поддержание стабильности электросети во время быстрой декарбонизации.

Реактивное решение для роста возобновляемых источников энергии в энергосистеме

Операторам сетей электропередачи поручено добавить в энергосистему больше возобновляемых источников энергии. Использование статических компенсаторов реактивной мощности (SVC) растет как средство контроля колебаний напряжения и повышения качества и эффективности электроэнергии.

Энергосистема продолжает развиваться, особенно по мере того, как операторы системы передачи стремятся интегрировать более прерывистые возобновляемые ресурсы в электроснабжение.

Использование статических компенсаторов реактивной мощности (VAR означает реактивный вольт-ампер), известных как SVC, становится все более популярным средством подавления колебаний напряжения. SVC обеспечивают динамическую поддержку напряжения и помогают поддерживать надежность и эффективность источника питания. Эта технология интегрируется как в существующую, так и в новую инфраструктуру электроснабжения (рис. 1), помогая сократить инвестиции, которые потребуются для создания новых расширений сети.

1. Статические компенсаторы реактивной мощности (SVC) могут быть интегрированы в существующую энергетическую инфраструктуру, например, на этой подстанции. SVC являются ключевым компонентом, облегчающим добавление возобновляемых источников энергии в энергосистему, помогая контролировать колебания напряжения. Предоставлено: Siemens Energy

Значение SVC растет по мере того, как появляется все больше возобновляемых источников энергии и выводятся из эксплуатации более традиционные источники энергии, такие как уголь и природный газ. В возобновляемых ресурсах отсутствует какой-либо механизм автоматической частотной характеристики, например, в больших вращающихся тепловых турбинах-генераторах. SVC имитируют действие вращающихся тепловых турбин и обеспечивают возможность быстрого реагирования, обычно в течение миллисекунд, на переходные процессы реактивной мощности на высоковольтных линиях электропередачи.

Технология включает в себя статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) или статический синхронный конденсатор (СТАТКОН), регулирующее устройство, используемое в сетях передачи электроэнергии переменного тока (AC). Он основан на преобразователе напряжения в силовой электронике и может действовать как источник или приемник реактивной мощности переменного тока в электрическую сеть. При подключении к источнику питания он также может обеспечивать активную мощность переменного тока. SVC являются частью семейства устройств гибкой системы передачи переменного тока (FACTS).

«В современных условиях тепловые электростанции выводятся из эксплуатации и заменяются ветровыми и солнечными», — сказал Фабрис Жюльен, бизнес-лидер Global FACTS по решениям для интеграции сетей в бизнесе решений для сетей GE Renewable Energy. Джуллиен сказал POWER : «Когда это происходит, сеть может стать «слабее»… это означает, что она не так стабильна и подвержена большим колебаниям напряжения в зависимости от изменений как в генерации, так и в нагрузке. В этих сценариях SVC могут помочь стабилизировать напряжение в сети».

Жюльен сказал, что «SVC — это источник реактивной мощности, в котором используются сложные системы управления и тиристорные переключатели для динамического управления выходной реактивной мощностью», которая, как он отметил, измеряется в мегавар, или мвар. «SVC могут либо генерировать, либо поглощать реактивную мощность, что помогает поддерживать уровень напряжения в местной сети, тем самым повышая стабильность и надежность».

Компенсация реактивной мощности

Различные типы технологий, которые обеспечивают компенсацию реактивной мощности, включают как SVC, так и STATCOM, сказали Жюльен и Дмитрий Аничков, главный технический директор Merit Controls и Merit SI, групп, которые обеспечивают системы управления мощностью и сетью. интеграционные решения для установок возобновляемой энергетики. Аничков рассказал POWER , «СТАТКОМ — это устройство силовой электроники, обычно используемое для управления реактивной мощностью, поддерживающее электрические сети с низким коэффициентом мощности или неадекватным регулированием напряжения».

Аничков сказал, что СВК «стал важным техническим средством преодоления узких мест в передаче электроэнергии», и сказал, что, по мнению его компании, «СТАТКОМ имеет лучшие эксплуатационные характеристики, чем СВК».

Аничков сказал: «SVC и STATCOM дороги, потому что они проприетарные и уникальные. Замена дорогих проприетарных SVC и STATCOM однотактной векторной системой управления и готовыми инверторами является жизнеспособной и привлекательной альтернативой. Преимущества современной сети векторного управления в сочетании с инверторами обеспечивают полноценную оптимизацию стека для хранения энергии», что, по его словам, включает следующие преимущества:

■ Смещение энергии по времени использования (TOU).

■ Управление коэффициентом мощности в соответствии с требованиями энергоснабжения, а также улучшение стабильности напряжения и частоты.

■ Бесшовное изолирование и повторное подключение к основной сети с несколькими распределенными энергоресурсами, такими как солнечная энергия и энергия ветра.

«Векторное управление, на наш взгляд, должно применяться шире, принося вышеуказанные и другие преимущества всему спектру возобновляемых генераторов, таких как ветряные, солнечные и их гибриды с аккумуляторным накопителем», — сказал Аничков. «Кроме того, векторное управление следует использовать не только для распределенных энергоресурсов, малой энергетики или технологий хранения, обычно в диапазоне от 1 кВт до 10 000 кВт, но и для крупных генерирующих активов коммунального масштаба».

Приложения SVC

На мировом рынке SVC есть много игроков. Наряду с GE и Merit в их число входят такие известные компании, как Hitachi ABB Power Grids, Siemens Energy, Mitsubishi Electric и S&C Electric. Другие компании на рынке включают AMSC, Ingeteam, Comsys AB и Merus Power.

Практические приложения технологии SVC используются на нескольких объектах по всему миру. VT Transco, передающая компания Вермонта, использует технологию GE; подключенный SVC на 115 кВ от GE обеспечивает от +50 Мвар до –25 Мвар в сеть VT Transco, повышая надежность и характеристики напряжения в этом районе.

Еще один крупный GE SVC находится в Санта-Барбара-д’Оэсте, Бразилия (рис. 2). Он работает на напряжении 440 кВ и обеспечивает компенсацию мощности +/–300 Мвар на этом объекте. Компания Power Grid Co. из Индии использует SVC GE, работающую на системе 500 кВ, –500/0 МВар, на объекте в Курукшетре, Индия.

2. Технология SVC от GE на этом объекте в Санта-Барбара-д’Оэсте, Бразилия, работает при напряжении 440 кВ и обеспечивает компенсацию мощности +/–300 Мвар. Предоставлено: GE Renewable Energy

В июле 2019 года компания GE сотрудничала со Statnett, норвежским оператором системы электропередачи, для модернизации существующей технологии SVC на подстанциях Rød и Verdal. В то время Эспен Бостадлоккен, региональный менеджер подразделения Grid Solutions компании GE Renewable Energy в Норвегии, сказал: «Модернизация подстанций Rød и Verdal станет крупнейшим проектом модернизации SVC, который когда-либо проводила Statnett, и одним из крупнейших в отрасли. Последний контракт Statnett с GE обеспечивает надежное снабжение и повышает надежность и доступность сети электропередачи».

Жюльен сообщил POWER , что, хотя SVC используются уже много лет, «STATCOM — это более новая, но хорошо зарекомендовавшая себя технология, основанная на устройстве силовой электроники, известном как IGBT [биполярный транзистор с изолированным затвором]». Он сказал, что STATCOM и SVC «оба имеют свое место в зависимости от конкретной проблемы клиента, которую пытаются решить.

«SVC — это зрелая технология, основанная на устройствах силовой электроники, известных как тиристоры, — сказал Жюльен. «Модернизация этой зрелой технологии несколько ограничена и обычно находится в самих тиристорах… с улучшенными характеристиками по напряжению и току. Компания GE представила одно крупное усовершенствование SVC, которое получило название Main Reactor SVC от GE. Эта технология уникальна для GE, поскольку мы запатентовали основные элементы конструкции.

«Главный реактор SVC отличается от традиционных SVC тем, что он улучшает характеристики гармоник [блокирует проникновение гармоник в сеть], [и] имеет меньшую площадь основания и улучшенные эксплуатационные характеристики», — сказал Жюльен. «GE имеет шесть действующих SVC главного реактора, включая наш первый проект, который был завершен в 2013 году».

Hitachi ABB Power Grids отметила, что STATCOM работает быстрее, чем SVC, и «непрерывно обеспечивает переменную реактивную мощность в ответ на изменения напряжения, поддерживая стабильность сети». Группа на своем веб-сайте сообщила: «STATCOM работает в соответствии с принципами преобразователя источника напряжения [VSC], сочетая уникальную ШИМ [широтно-импульсную модуляцию] с миллисекундным переключением». В нем говорится, что STATCOM «функционирует с очень ограниченной потребностью в фильтрах гармоник, что способствует небольшой физической площади. При необходимости, переключаемые или стационарные реакторы с воздушным сердечником и конденсаторы могут использоваться с VSC в качестве дополнительных элементов реактивной мощности для достижения любого желаемого диапазона».

Что касается практического применения, Hitachi ABB заявила: «Установка STATCOM в одной или нескольких подходящих точках сети повысит пропускную способность за счет повышения стабильности напряжения и поддержания плавного профиля напряжения в различных условиях сети. Его способность выполнять активную фильтрацию также очень полезна для улучшения качества электроэнергии».

Рынок мощных STATCOM включает в себя SVC Light STATCOM компании Hitachi ABB, а также PCS 6000 STATCOM, где PCS 6000 STATCOM применим для блоков с номиналами до 40 МВар, а SVC Light STATCOM применим для номиналов, превышающих 40 МВар. Группа заявила, что «SVC Light — это концепция VSC, основанная на модульном многоуровневом преобразователе [MMC], специально адаптированном для приложений энергосистемы. Физически SVC Light можно рассматривать как источник напряжения за реактивным сопротивлением. Он генерирует и поглощает реактивную мощность путем электронной обработки сигналов напряжения и тока в VSC, что делает ненужным включение физического конденсатора и ответвлений реактора для генерирования/поглощения реактивной мощности. Он способен подавать в сеть высокую реактивную мощность более или менее беспрепятственно из-за возможного подавления напряжения в сети и с высокой динамической реакцией».

Группа заявила, что технология может помочь «поддержать слабые сети» и «улучшить производительность крупных ветряных электростанций в различных условиях сети, а также сетей, загруженных большим процентом кондиционеров в жарком и влажном климате».

Project Phoenix

Hitachi ABB работает с SP Energy Networks (SPEN) над испытанием нового гибридного синхронного компенсатора (HSC) в Великобритании. Проект Phoenix, как известно, включает в себя мониторинг HSC в течение следующего года на подстанции Neilston в сети передачи SPEN недалеко от Глазго, Шотландия. Другие вовлеченные группы включают National Grid ESO, Университет Стратклайда и Технический университет Дании.

Группы заявили, что компенсаторы обеспечат динамическое управление напряжением, инерцию и уровень короткого замыкания, чтобы помочь справиться с сокращением синхронной генерации от электростанций, работающих на угле и природном газе. Гибрид будет сочетать в себе синхронные конденсаторы и статические компенсаторы.

Компания SPEN заявила, что сочетание вращающегося источника питания со статическим и быстрого отклика со стабильным источником питания позволит двум технологиям дополнять друг друга. Это поможет предоставить такие услуги, как инерция, которые теряются по мере того, как Великобритания переходит от производства электроэнергии на ископаемом топливе к использованию большего количества возобновляемых источников энергии.

Пробная версия Project Phoenix предоставит данные, которые будут собраны и проанализированы с целью проверки гибридной концепции и последующего подтверждения ее коммерческого применения.