Реактивная мощность что это. Реактивная мощность в электрических сетях: что это такое и почему она важна

Что такое реактивная мощность в электрических сетях. Как реактивная мощность влияет на работу электросети. Почему важно компенсировать реактивную мощность. Какие существуют способы компенсации реактивной мощности. Как реактивная мощность влияет на тарифы на электроэнергию. Какое оборудование используется для компенсации реактивной мощности. Как рассчитывается реактивная мощность в электрических сетях.

Что такое реактивная мощность и почему она важна в электрических сетях

Реактивная мощность — это важный параметр в электрических сетях переменного тока, который влияет на эффективность передачи и распределения электроэнергии. В отличие от активной мощности, которая совершает полезную работу, реактивная мощность не преобразуется в другие виды энергии, а циркулирует между источником и потребителем.

Почему же реактивная мощность так важна? Основные причины:

• Она необходима для создания магнитных полей в электродвигателях, трансформаторах и других индуктивных нагрузках
• Влияет на напряжение в сети — недостаток реактивной мощности приводит к падению напряжения
• Увеличивает потери в линиях электропередачи и трансформаторах
• Снижает пропускную способность сетей

Таким образом, грамотное управление реактивной мощностью позволяет повысить качество и надежность электроснабжения, а также снизить потери в сетях.

Источники реактивной мощности в электрических сетях

Основными источниками реактивной мощности в электрических сетях являются:

• Асинхронные электродвигатели — потребляют до 60-65% всей реактивной мощности
• Силовые трансформаторы — около 20-25%
• Линии электропередачи — 10-15%
• Преобразовательные установки, сварочные аппараты и др. — 5-10%

Как видно, наибольший вклад вносят асинхронные двигатели, широко применяемые в промышленности. Почему они потребляют так много реактивной мощности? Это связано с принципом их работы — для создания вращающегося магнитного поля статора необходима значительная намагничивающая мощность.

Влияние реактивной мощности на работу электрической сети

Циркуляция реактивной мощности в электрической сети приводит к ряду негативных последствий:

1. Увеличение потерь активной мощности и энергии в сетях и трансформаторах
2. Снижение пропускной способности линий электропередачи
3. Ухудшение качества напряжения у потребителей
4. Перегрузка генераторов электростанций по току
5. Необходимость увеличения мощности силового оборудования

Рассмотрим подробнее влияние реактивной мощности на потери в сети. При ее передаче по линиям электропередачи увеличивается ток, что приводит к дополнительному нагреву проводов и росту потерь активной мощности. Эти потери пропорциональны квадрату полного тока:

ΔP = I² * R = (I_a² + I_p²) * R

где I_a и I_p — активная и реактивная составляющие тока.

Способы компенсации реактивной мощности

Для снижения негативного влияния реактивной мощности применяют различные методы ее компенсации:

• Установка конденсаторных батарей
• Использование синхронных компенсаторов
• Применение статических тиристорных компенсаторов
• Установка фильтрокомпенсирующих устройств
• Использование синхронных двигателей в режиме перевозбуждения

Наиболее распространенным и экономичным способом является применение конденсаторных установок. Они позволяют генерировать реактивную мощность непосредственно у потребителя, снижая ее передачу по сетям.

Преимущества конденсаторных установок:

• Низкие потери активной мощности (0.0025-0.005 кВт/квар)
• Отсутствие вращающихся частей
• Простота монтажа и эксплуатации
• Возможность установки в любой точке сети
• Малые эксплуатационные расходы

Коэффициент мощности и его влияние на эффективность электроснабжения

Для оценки соотношения активной и реактивной мощности используется коэффициент мощности cosφ. Он определяется как отношение активной мощности P к полной мощности S:

cosφ = P / S

Чем ближе cosφ к единице, тем эффективнее работает электроустановка. При низком коэффициенте мощности возникают следующие проблемы:

• Увеличение потерь в сетях
• Снижение пропускной способности оборудования
• Ухудшение качества напряжения
• Рост платы за электроэнергию

Как повысить коэффициент мощности? Основные методы:

1. Компенсация реактивной мощности
2. Замена недогруженных асинхронных двигателей
3. Применение синхронных двигателей
4. Ограничение работы оборудования на холостом ходу

Нормативные требования к компенсации реактивной мощности

В России действуют нормативные документы, регламентирующие вопросы компенсации реактивной мощности:

• Приказ Минэнерго РФ от 23.06.2015 №380 «Об утверждении Правил определения значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии»
• Приказ ФСТ России от 31.08.2010 №219-э/6 «Об утверждении методических указаний по расчету повышающих (понижающих) коэффициентов к тарифам на услуги по передаче электрической энергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии»

Согласно этим документам, потребители обязаны поддерживать соотношение активной и реактивной мощности в пределах, установленных сетевой организацией. При нарушении этих требований могут применяться повышающие коэффициенты к тарифу на передачу электроэнергии.

Экономический эффект от компенсации реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности позволяет получить значительный экономический эффект за счет:

• Снижения потерь электроэнергии в сетях
• Уменьшения платы за потребленную электроэнергию
• Увеличения пропускной способности сетей
• Снижения капитальных затрат на развитие сетей

Как рассчитать экономический эффект от компенсации реактивной мощности? Основные этапы:

1. Определение текущего и требуемого значения cosφ
2. Расчет необходимой мощности компенсирующих устройств
3. Оценка снижения потерь электроэнергии
4. Расчет уменьшения платы за электроэнергию
5. Определение срока окупаемости мероприятий

При грамотном подходе срок окупаемости установки компенсирующих устройств обычно составляет 1-2 года.

Современные технологии компенсации реактивной мощности

В последние годы активно развиваются новые технологии компенсации реактивной мощности:

• Активные фильтры гармоник
• Динамические компенсаторы реактивной мощности
• Системы компенсации на основе СТАТКОМ
• Интеллектуальные системы управления компенсацией

Какие преимущества дают эти технологии? Рассмотрим на примере активных фильтров гармоник:

• Эффективная фильтрация высших гармоник тока
• Быстродействующая компенсация реактивной мощности
• Симметрирование нагрузки по фазам
• Адаптация к изменениям характера нагрузки

Применение современных технологий позволяет комплексно решать проблемы качества электроэнергии и повышения энергоэффективности.

Описание параметра «Тип учитываемой электроэнергии (A/R)»

В электрический цепях, содержащих комбинированную нагрузку, полная мощность, потребляемая от сети, складывается из активной мощности, совершающей полезную работу, и реактивной мощности, расходуемой на создание магнитных полей и создающей дополнительную на грузку на силовые линии питания.  Соотношение между полной и активной мощностью, выраженное через косинус угла между их векторами (cosφ), называется коэффициентом мощности.

В электрических сетях, содержащих только активную нагрузку (лампы накаливания, электронагреватели и др.) ток и напряжение изменяются синфазно, и из сети потребляется только полезная активная мощность.

Но в реальной жизни это бывает достаточно редко. Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором).

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети.

Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени, когда напряжение и ток имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершает колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно).

Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (φ) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е. cos(φ)=P/S.

Появление реактивной составляющей в сети можно отобразить на векторных диаграммах следующим образом:

Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом.

Чем ближе значение cos(φ) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности

Для большинства промышленных потребителей наличие в сетях реактивной энергии означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем кроме совершающей полезную работу активной энергии протекает и реактивная энергия, не совершающая полезной работы и направленная только на создание магнитных полей в индуктивной нагрузке.  Протекая по кабелям и обмоткам трансформаторов, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекаемого по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — т.е. активные потери. Из этого следует, что согласно современным правилам расчета за электроэнергию, потребитель вынужден как минимум дважды платить за одни и те же непроизводительные затраты. Один раз — непосредственно за потребленную из сети реактивную энергию (по счетчику реактивной энергии) и второй раз — за нее же, но косвенно, оплачивая активные потери от протекания реактивной энергии, учитываемые счетчиком активной энергии.

            Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитирующим фактором, неблагоприятным для сети в целом. В результате этого: 

• увеличиваются расходы на электроэнергию;
• приходится платить штрафы за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности
• возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
• увеличивается нагрузка на трансформаторы и коммутационную аппаратуру, таким образом, снижается срок их службы
• увеличивается нагрузка на провода, кабели — приходится использовать большего сечения;
• отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).
• увеличивается уровень высших гармоник в сети

Реактивная электроэнергия — оплата

Законодательство в области электроэнергетики предусматривает довольно внушительный набор упоминаний о необходимости оплаты потребителю в адрес сетевой организации реактивной мощности, однако, фактически, такая оплата в настоящее время не осуществляется.

Давайте разберемся почему так происходит.

Известный всем еще со школьной скамьи треугольник мощностей, творчески переработанный в иллюстрации к данной статье, говорит о том, что полная мощность состоит из активной мощности, то есть идущей на полезную работу, а также реактивной мощности, которая, соответственно, на полезную работу не идет.

По сути, реактивная мощность — это потери. Чем больше реактивная мощность, тем больше сетевая организация должна передать энергии, чтобы электроустановки потребителя выполнили полезную работу.

По логике потребитель должен либо компенсировать сетевой организации затраты на передачу «лишней» мощности, либо устанавливать у себя компенсаторы реактивной мощности, которые стоят совсем не дешево.

Законодательство на первый взгляд здесь на стороне сетевой организации.

В правилах оказания услуг по передаче электрической энергии, указано, что:

• При необходимости потребитель обязан установить оборудование, обеспечивающие регулирование реактивной мощности.
• Потребитель обязан поддерживать на границе балансовой принадлежности значения показателей качества электрической энергии, в том числе соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности, определяемые для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств).
• Сетевая организация обязана определять значения соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств. Правила определения установлены соответствующим приказом Минэнерго РФ.
• Если сетевая организация выявляет нарушение потребителем соотношения активной и реактивной мощности, далее:
  • Составляется акт.
  • Потребитель уведомляет о сроке в течение которого он установит компенсаторы реактивной мощности.
  • Если уведомления от потребителя нет, либо в установленные сроки (не более 6 месяцев) компенсаторы не установлены, в отношении потребителя применяется повышающий коэффициент к тарифу на услуги по передаче электроэнергии.

Размер повышающего коэффициента устанавливается в соответствии с методическими указаниями, утверждаемыми федеральным органом исполнительной власти в области государственного регулирования тарифов.

При технологическом присоединении в технических условиях для заявителей сетевая организация указывает требования к устройствам контроля и учета качества электроэнергии, к том числе соотношению активной и реактивной мощности.

В правилах розничных рынков электроэнергии указано, что:

• Обязанность потребителя по обеспечению функционирования компенсации реактивной мощности является существенным условием договора энергоснабжения.
• Потребитель обязан поддерживать на границе балансовой принадлежности значения показателей качества электрической энергии соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств.

Почему же при столь детальной проработке вопроса об обязанностях потребителя по поддержанию соотношения активной и реактивной мощности и оплате сетевой организации услуг по передаче с повышающим коэффициентом при нарушении данного соотношения, в настоящее время потребители фактически не доплачивают за реактивную мощность?

Всё просто.

В настоящее время повышающие коэффициенты установлены только в отношении потребителей, подключенных к сетям единой национальной (общероссийской) электрической сети.

То есть, для потребителей, не имеющих договор оказания услуг по передаче электроэнергии с ПАО «ФСК ЕЭС» зафиксировать нарушение соотношения активной и реактивной мощности можно, а вот наказать за это нельзя.

В результате в распределительных сетях контроль реактивной мощности осуществляется только на этапе технологического присоединения, где сетевая организация может включить установку компенсаторов реактивной мощности в технические условия.

Что такое реактивная мощность и как ее использовать для повышения надежности электросети?

Помните отключение электроэнергии в августе 2003 года? Это было крупнейшее в истории Северной Америки, затронувшее более 50 миллионов человек в восьми штатах США и двух провинциях Канады.

Североамериканский совет по надежности электроснабжения обнаружил, что нехватка реактивной мощности — мощности, необходимой для поддержания электрического тока, — была важным фактором, способствовавшим отключению электроэнергии.

Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, обеспечивают не только электричество, но также могут использоваться для выработки реактивной мощности.

Фотоэлектрические системы поддерживают сеть реактивной мощностью, необходимой для предотвращения отключений электроэнергии.

Для предотвращения отключений электроэнергии в системах возобновляемой энергии также необходимы интеллектуальные инверторы для контроля потока энергии и управления пассивной мощностью электрических сетей. Чтобы удовлетворить эту потребность, исследователи из Университета Питтсбурга разработали интеллектуальные инверторы, которые регулируют реактивную мощность и напряжение электросетей.
 

Что такое реактивная мощность?

Подобно давлению, которое проталкивает воду по трубе, напряжение действует как давление, которое проталкивает электрический ток по линиям электропередач. Для этого напряжение потребляет реактивную мощность.

Без достаточной реактивной мощности перепады напряжения угрожают стабильности сети. Следовательно, реактивная мощность не поддерживает активным питанием наше освещение и электронику. Думайте об этом как о мощности, которую сеть переменного тока использует для поддержания тока, протекающего к этим устройствам.

Итак, как нам увеличить реактивную мощность? Солнечные фотоэлектрические (PV) системы могут стать ответом. В США установлено более 55 гигаватт потенциала солнечной энергии — этого достаточно для питания более 10 миллионов домов.

Подключение фотоэлектрической энергии к электрической сети сопряжено с уникальными проблемами, включая перенапряжение, требующее поглощения реактивной мощности. Выходная мощность фотоэлектрических систем также может снижаться из-за факторов окружающей среды. Эти перепады напряжения создают нагрузку на устаревшее оборудование управления питанием, что приводит к высоким затратам на техническое обслуживание, эксплуатацию и замену.

Чтобы смягчить эти помехи, коммунальные предприятия требуют, чтобы фотоэлектрические системы интегрировали интеллектуальные инверторы для выработки или потребления реактивной мощности.
 

Использование интеллектуальных инверторов для регулирования реактивной мощности

Подобно традиционным инверторам, интеллектуальные инверторы преобразуют постоянный ток (DC) в переменный ток (AC). Ключевым отличием является их способность поглощать и выдавать реактивную мощность. Этот процесс также известен как компенсация реактивной мощности.

Работа инверторов с компенсацией реактивной мощности приводит к выделению тепла, что может привести к сокращению срока службы устройства или его выходу из строя.

Интеграция фотоэлектрических систем с интеллектуальными инверторами вскоре может стать новым стандартом.

Разработка инверторов обычно включает создание множества прототипов и проведение длительных и дорогостоящих экспериментов. Однако с помощью моделирования исследователи из Университета Питтсбурга попытались обойти эти существенные усилия.
 

Моделирование нагрузок реактивной мощности на интеллектуальных инверторах

Используя моделирование многодоменных систем (теперь включенное в Ansys Twin Builder), исследователи Питтсбургского университета разработали электротермические модели для оценки схем интеллектуального инвертора и алгоритмов управления.

Исследователи оптимизируют интеллектуальные фотоэлектрические инверторы, позволяя им справляться со стрессами реактивной мощности.

Когда исследователи моделировали инвертор, электрические характеристики соответствовали ожидаемым. Это сравнение показало, что модели обеспечивают точные прогнозы электрических и тепловых характеристик инвертора.

Затем исследователи провели исследование характеристик, чтобы уменьшить потребность в физическом прототипировании тепловой динамики инвертора, что привело к значительной экономии средств.

Моделирование также позволило исследователям оценить различные конфигурации конструкции. Изучение этих конфигураций дало исследователям возможность оптимизировать критический компромисс инвертора между характеристикой реактивной мощности и сроком службы устройства.

Чтобы узнать больше о том, как исследователи Университета Питтсбурга используют моделирование Ansys для оптимизации конструкций интеллектуальных инверторов, прочитайте: Сохранение срока службы инверторов солнечной энергии.

мощность — Что такое реактивная энергия?

В энергетике переменного тока реактивная энергия представляет собой электрическую энергию, которая накапливается, а не преобразуется в какую-либо другую форму энергии и, таким образом, «используется» или «потребляется». Реактивная мощность — это скорость передачи реактивной энергии от одного компонента накопителя к другому.

На приведенной ниже схеме показана типичная передача электроэнергии от электрической сети к месту использования. Напряжение источника подается пользователю и считается идеальным источником однофазного переменного напряжения. Нагрузку можно представить в виде резистора, включенного параллельно катушке индуктивности. Напряжение источника — это напряжение на обоих компонентах нагрузки.

Ток резистора находится в фазе с напряжением источника. Мгновенная форма сигнала мощности резистора представляет собой произведение тока резистора на напряжение источника. Минимальные точки на этой кривой лежат на оси X. Мощность всегда положительна, что указывает на то, что вся мощность передается от источника к резистору. Площадь под кривой представляет энергию, полученную резистором и рассеянную в виде тепла.

Ток катушки индуктивности отстает от напряжения источника на 90 градусов. Произведение напряжения источника и тока индуктора представляет собой синусоидальную волну, имеющую положительные и отрицательные значения, которые в среднем равны нулю. Поскольку это не представляет собой реальную мощность, это называется «вольт-ампер, реактивный» или «вар». Имеются равные площади выше и ниже кривой, показывающие энергию, полученную от источника и возвращенную в источник. Это реактивная энергия.

В идеальной схеме средняя и чистая передача реактивной энергии равна нулю. Однако есть реальная энергия, которая постоянно движется вперед и назад. В идеальной системе реактивная энергия генерируется, когда нагрузка подключена, передается туда и обратно, пока нагрузка подключена, и возвращается к источнику, когда нагрузка отключена. На самом деле при каждой передаче между нагрузкой и генератором теряется около 7% энергии. Коммунальное предприятие поместит некоторое количество конденсаторов на местные подстанции или даже на опоры ЛЭП. Используя свою тарифную структуру, коммунальные предприятия поощряют крупных пользователей приобретать собственные конденсаторы.

Общий вольт-ампер (ВА) представляет собой сумму мощности (ватт) и реактивного вольт-ампер (ВАр). Это показано как синусоида, которая опускается ниже нулевой оси.

Данные схемы для

Напряжение питания: 240 VRMS, 339,4 Vpeak

Текущий резистор: 200 Руков (282,8 PK)

ТОРКИ ДЛЯ ИНДУКТА: 150 Руков (212.1 PK)

Прокат: 250. 353,8 шт.)

Мощность: 48 кВт (96 шт./шт.)

Реактивная мощность: 36 кВАр (72 шт./шт.)

Полная мощность: 60 кВА (120 пик-пиков)

чистая энергия не передается из-за реактивной составляющей импеданса нагрузки.

Нет чистой энергии, но это только потому, что энергия передается в обоих направлениях.

… реактивная энергия и соответствующие счетчики … какую энергию на самом деле показывают эти счетчики?

Они считывают скорость передачи энергии туда и обратно.

Если это «реактивная энергия», что они имеют в виду?

См. выше.

… Почему так определяют?

ВАР называются ВАР, чтобы отличать энергию, которая передается туда и обратно, от энергии, которая «потребляется». Энергия, которая «потребляется», имеет гораздо более высокую стоимость, чем энергия, которая просто передается туда и обратно, но у VAR все еще есть стоимость.

Учет коммунальных услуг

Единицей измерения, используемой нами для выставления счетов за коммунальные услуги, является киловатт-час. Это площадь под кривой мощности, интегрированная в расчетный цикл. Для производства ископаемого топлива энергия, измеренная счетчиком киловатт-часов, равна энергосодержанию входного топлива плюс потери, понесенные при производстве, передаче и распределении энергии.