Реактивная мощность в электрической сети: значение, компенсация и эффективность

Что такое реактивная мощность в электросетях. Как она влияет на эффективность передачи энергии. Какие способы компенсации реактивной мощности существуют. Почему важно контролировать коэффициент мощности.

Что такое реактивная мощность в электрических сетях

Реактивная мощность — это паразитная составляющая полной мощности в цепях переменного тока, которая не совершает полезной работы, но создает дополнительную нагрузку на сеть. Она возникает из-за наличия в электрической системе реактивных элементов — индуктивностей и емкостей.

Полная мощность (S) в цепях переменного тока состоит из активной (P) и реактивной (Q) составляющих:

S² = P² + Q²

Где:

• S — полная мощность, измеряется в вольт-амперах (ВА)
• P — активная мощность, измеряется в ваттах (Вт)
• Q — реактивная мощность, измеряется в вольт-амперах реактивных (вар)

Влияние реактивной мощности на эффективность передачи энергии

Наличие реактивной составляющей негативно сказывается на работе электрической сети:

• Увеличиваются потери энергии при передаче
• Снижается пропускная способность линий электропередачи
• Возрастает нагрузка на генерирующее и трансформаторное оборудование
• Ухудшаются показатели качества электроэнергии

Поэтому для повышения эффективности передачи энергии необходимо стремиться к снижению доли реактивной мощности в сети.

Коэффициент мощности и его значение

Отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности:

cos φ = P / S

Коэффициент мощности показывает, какая часть полной мощности преобразуется в полезную работу. Чем ближе его значение к единице, тем эффективнее работает электрическая система.

Типичные значения коэффициента мощности для различных потребителей:

• Бытовые приборы — 0.7-0.9
• Асинхронные двигатели — 0.75-0.8
• Трансформаторы — 0.8-0.85
• Индукционные печи — 0.5-0.6

Способы компенсации реактивной мощности

Для снижения доли реактивной мощности применяются следующие методы компенсации:

Использование конденсаторных установок

Конденсаторы генерируют реактивную мощность, противоположную по знаку индуктивной составляющей нагрузки. Это позволяет скомпенсировать реактивную мощность непосредственно у потребителя.

Применение синхронных компенсаторов

Синхронные компенсаторы способны как генерировать, так и потреблять реактивную мощность. Они устанавливаются на подстанциях для регулирования напряжения в сети.

Использование статических тиристорных компенсаторов

Статические компенсаторы на базе силовой электроники позволяют плавно и быстро регулировать генерацию или потребление реактивной мощности.

Настройка режимов работы синхронных двигателей

При определенных режимах возбуждения синхронные двигатели могут выступать в качестве источников реактивной мощности.

Преимущества компенсации реактивной мощности

Внедрение мероприятий по компенсации реактивной мощности позволяет получить следующие выгоды:

• Снижение потерь электроэнергии в сетях на 10-20%
• Увеличение пропускной способности линий электропередачи на 10-30%
• Улучшение качества напряжения у потребителей
• Разгрузка генерирующего и трансформаторного оборудования
• Уменьшение платы за потребляемую реактивную энергию

Расчет и выбор компенсирующих устройств

Для правильного выбора компенсирующих устройств необходимо провести следующие расчеты:

1. Определить фактический и требуемый коэффициент мощности
2. Рассчитать необходимую мощность компенсирующих устройств
3. Выбрать тип и количество компенсирующих установок
4. Определить места установки компенсирующих устройств
5. Рассчитать экономический эффект от внедрения компенсации

При расчетах учитываются суточные и сезонные графики нагрузки, состав потребителей, параметры питающей сети и другие факторы.

Автоматическое регулирование компенсации

Для поддержания оптимального коэффициента мощности при переменных нагрузках применяются автоматические регуляторы реактивной мощности. Они выполняют следующие функции:

• Измерение текущего коэффициента мощности
• Расчет необходимой степени компенсации
• Включение/отключение ступеней конденсаторных батарей
• Защита от перекомпенсации
• Сигнализация о неисправностях

Применение автоматики позволяет оптимизировать режимы компенсации и повысить ее эффективность.

Заключение

Компенсация реактивной мощности — важная задача при проектировании и эксплуатации электрических сетей. Грамотный подход к ее решению позволяет значительно повысить энергоэффективность, снизить потери и улучшить качество электроснабжения потребителей. При этом необходимо комплексно учитывать технические и экономические аспекты внедрения компенсирующих устройств.

4.1. Реактивная мощность в электрической сети

Общетехнические дисциплины / Общая энергетика / 4.1.     Реактивная мощность в электрической сети

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и

синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

Мощность электрооборудования электроэнергетической системы (генераторов, линий электропередач, трансформаторов, электроприемников и т.п.) определяется его полной мощностью. Между полной мощностью (S) при синусоидальной форме напряжения и тока,  активной (Р) и реактивной (Q) мощностями существует квадратичная зависимость:

S² = Р² + Q².

При этом полная, активная и реактивная мощности соответственно равны:

S = UI;

Р = UIcosφ;

Q = UIsinφ,

где U и I — действующие значения синусоидального напряжения и тока; φ — угол между векторами напряжения и тока.

В конденсаторах, кабелях и других видах электрооборудования, которое характеризуется емкостным сопротивлением (Х_C), реактивной мощностью (Q = U²/Х_C), определяемой приложенным напряжением (U), создаются электрические поля.

В индуктивных элементах системы, например в реакторах, трансформаторах, электродвигателях, создаются магнитные поля. В этом случае реактивная мощность (Q = I²Х_L) определяется током (I)и индуктивным сопротивлением элемента (Х_L).

Емкостной ток в идеальном конденсаторе опережает приложенное к нему напряжение на 90эл. град. Тогда мощность этого конденсатора

Q_C = UIsin(–φ) = –UI

имеет отрицательный знак. В этом случае говорят, что конденсатор генерирует реактивную мощность.

Индуктивный ток в идеальном реакторе отстает от приложенного к нему напряжения на 90эл.

град. Мощность реактора

Q_L = UIsinφ

имеет положительный знак. В этом случае говорят, что реактор потребляет реактивную мощность.

Очевидно, что в понятиях «генерирование» и «потребление» реактивной мощности заложена определенная условность, но тем самым подчеркивается, что взаимодействие емкостных и индуктивных элементов в электрической сети имеет компенсирующий эффект:

Q_S=Q_L – Q_C.

Это свойство элементов широко используется на практике для компенсации реактивной мощности, тем самым снижая падение напряжения в сети, потери электроэнергии.

Приведенные величины S, P, Q применяются при расчетах режимов в электроэнергетических системах, проектировании и выборе электрооборудования. Значения этих величин принимаются как независимые от времени, что позволяет существенно упростить расчеты.

Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение которого определяется выражением:

i = I_msin(wt – φ).

Под действием этого тока на элементах цепи устанавливается напряжение:

u_а = U_mcosjsin(wt – φ) — активная составляющая

и

u_р = U_msinjsin(wt – φ ± p/2) — реактивная составляющая.

Здесь U_m и I_m — амплитуды синусоидальных напряжения и тока. При этом мощность, потребляемая активными элементами электрической цепи, определяется как функция времени выражением:

р_а = iu_а = UIcosφ[1 – cos(2wt – φ)],

а реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) реактивными элементами, – выражением:

q_р = iu_р = ± UIsinφsin2(wt – φ).

Линейные диаграммы, отображающие мгновенные значения напряжения и тока в активно-индуктивной цепи, а также соответствующие им мощности приведены на рис. 4.1.

Амплитуды активной и реактивной мощностей, изменяющихся по синусоидальному закону с двойной частотой (2w), соответственно составляют:

Р = UIcosφ;

Q = UIsinφ,

т.е. те самые значения мощностей, которыми пользуются при расчетах режимов и выборе оборудования. При этом мгновенные значения «потребляемой» в индуктивных элементах и «генерируемой» в емкостных элементах реактивной мощности в каждый момент времени имеют противоположный знак, в чем, как было отмечено выше, и проявляется их взаимокомпенсирующее действие.

Реактивная мощность в электрической сети и способы ее компенсации

Передача и распределение электроэнергии Получение энергии. Электроэнергетика Прорывные технологии 

Реактивная мощность,  преимущества ее компенсации.

 

 

Реактивная мощность – это паразитная мощность, приводящая к потерям на нагрев и излучение в электрических сетях. За счет внедрения автоматических конденсаторных и дроссельных установок можно добиться снижения энергопотребления до 40%.

 

Реактивная мощность в электрической сети

Способы компенсации реактивной мощности

Преимущества автоматических установок компенсации реактивной мощности

 

Реактивная мощность в электрической сети:

Понятие электрической мощности описывается скоростью, с которой генерируется, передается либо потребляется электроэнергия за определенный период. С ее ростом увеличивается и работа, совершаемая электроустановкой.

Полная мощность (S) в цепях переменного тока имеет активную (P) и реактивную (Q) составляющую. При первой (полезной) током совершается эффективная работа, вторая (паразитная) – ничего не выполняет, но разогревает провода и излучается в окружающее пространство.

Формула взаимосвязи мощностей может быть представлена в виде треугольника мощностей:

S² = P² + Q²

Где S измеряется в Вольт-амперах (ВА), P – в Ваттах (Вт), а Q – в Вольт амперах реактивных (Вар).

Для работы и синхронизации генераторных установок, вырабатывающих и передающих ток в линию, используются реактивные нагрузки (катушки либо конденсаторы). Но они сдвигают фазу тока на опережение либо отставание от напряжения. То же делают реактивные нагрузки на предприятиях-потребителях электричества. Этот угол между фазами принимают, как косинус фи (cos φ = P/S) и измеряют при помощи фазометра. В результате возникает реактивная составляющая мощности, способствующая появлению электромагнитных полей, поддерживающих функциональность оборудования. Она же способствует и перегрузкам электроподстанций, увеличению сечений передающих линий, снижению сетевого напряжения, так как все сети нагружаются полной мощностью без учета, что ее реактивная составляющая не выполняет полезной работы.

Реактивная мощность может и должна компенсироваться, за счет чего повышается эффективность работы сетей и улучшается качество транспортируемой энергии.

 

Способы компенсации двух видов реактивной мощности:

Индуктивная нагрузка (фазовое опережение тока относительно напряжения) компенсируется конденсаторами или синхронными двигателями.

Емкостная нагрузка (фазовое отставание тока относительно напряжения) компенсируется дросселями или реакторами.

Полностью выровнять фазы между током и напряжением невозможно, но, даже повысив cos φ с обычных 0,5-0,6 до 0,95-0,97, можно добиться экономического эффекта в 45-50%.

 

Преимущества автоматических установок компенсации реактивной мощности:

За счет внедрения автоматических конденсаторных и дроссельных установок на проектируемые и модернизируемые объекты можно добиться следующих результатов:

– снижение уровня энергопотребления до 40%,

– уменьшение нагрузки на силовых трансформаторах, что сказывается на долговечности их эксплуатации,

– уменьшение нагрузки на кабельные и проводные линии, что позволит использовать провода с меньшим сечением,

– убрать лишние наводки и гармоники в питающих электросетях, улучшить качество транспортируемого по ним электричества,

– стоимость компенсирующего оборудования и его монтажа может окупиться в течение полгода – года, а использовать полученные преимущества можно будет несколько десятилетий.

 

Примечание: © Фото https://www. pexels.com, https://pixabay.com

 

 

Коэффициент востребованности 1 503

Реактивная мощность и коэффициент мощности

Важной и часто неправильно понимаемой частью каждой электрической сети переменного тока является реактивная мощность и взаимосвязь между этой мощностью и другими типами мощности, известная как коэффициент мощности . Хорошее понимание того, как работает эта взаимосвязь, поможет реализовать весь потенциал инсталляции.

Электрические характеристики компонентов

Сеть состоит из множества компонентов, которые могут включать: кабели, двигатели, генераторы, силовые электронные устройства, конденсаторы, освещение и т. д. Все эти компоненты включают комбинацию 3 важных электрических характеристик: сопротивление , индуктивность и емкость .

Сопротивление (R) определяется типом материала и площадью его поперечного сечения, используемого для проведения электричества.

Индуктивность создается витками проводника. Высокие уровни индуктивности можно найти в трансформаторах, реакторах и двигателях, поскольку они преимущественно состоят из катушек.

Емкость можно найти там, где проводники проходят близко, но не соприкасаются, например, между изолированными кабелями, расположенными рядом друг с другом, или даже между проводниками, используемыми для создания катушки (обмотки) в трансформаторе.

Как емкость, так и индуктивность можно преобразовать в реактивное сопротивление (X) . Индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление противоположны друг другу и могут отрицать друг друга.

Полное сопротивление (Z) является функцией R и X и может быть выражено как Z ² = R ² + X ² .

Как эти характеристики влияют на поток энергии?

В зависимости от компонентов, присутствующих в сети переменного тока, волны тока и напряжения пересекают 0 одновременно или смещаются друг от друга.

В сети, состоящей только из резистивных компонентов, волны тока и напряжения пересекают 0 одновременно. Как только в сеть вводятся индуктивные компоненты и емкостные компоненты , ситуация начинает меняться.

Катушка индуктивности заставляет ток пересекать 0 после напряжения, что означает, что ток отстает от напряжения. Конденсатор заставляет ток пересекать 0 раньше, чем напряжение, то есть ток опережает напряжение.

Время, в течение которого ток опережает или отстает от напряжения, измеряется в градусах, где полный цикл составляет 360 градусов. Это фазовый угол (фи или Φ) .

Когда фазовый угол равен 0 градусов, мощность можно определить, просто используя P = VI . Эта мощность равна активной мощности (P), измеренной в ваттах (Вт) . Это тип питания, который требуется операторам распределительных сетей (DNO) , поскольку он наиболее удобен.

Когда фазовый угол не равен 0 градусов, существует другой тип мощности — реактивная мощность (Q), измеряемая в реактивных вольт-амперах (ВАр) — которая производится или потребляется в зависимости от того, отстает ли сеть или с опережением . Индуктивная сеть с отставанием потребляет реактивную мощность, тогда как емкостная сеть с опережением производит реактивную мощность.

Полная мощность (S), измеренная в вольт-амперах (ВА) , представляет собой общую мощность в сети и выражается как S ² = P ² + Q ² . Эта взаимосвязь часто демонстрируется и известна как треугольник мощности .

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности (пф) напрямую связан с фазовым углом. Его можно выразить как pf = Cos(Φ) . Этот способ представления фазового угла используется чаще.

Коэффициент мощности, равный 1, известный как единичный коэффициент мощности , соответствует Φ, равному 0 градусов, что означает, что сеть является чисто резистивной. pf 0 соответствует Φ 90 градусов, что означает, что сеть является чисто реактивной, будь то индуктивная или емкостная.

DNO устанавливают окно, в котором должна функционировать их сеть и любое подключенное оборудование или частные сети. Это может быть от 0,9 отставания до единицы и до 0,9 опережения; или от 0,95 до 0,95; или любое значение, указанное в их политиках.

Как коэффициент мощности влияет на сеть?

Низкий коэффициент мощности и, в свою очередь, реактивная мощность могут быть как опасными для оборудования, так и дорогостоящими.

Нагрузка, которая требует 1 МВА при единичном коэффициенте мощности – 1 МВт и 0 МВАр активной мощности и реактивной мощности соответственно – потребует, чтобы источник генерации в сети производил минимум 1 МВт для удовлетворения требований нагрузки.

Но что происходит, когда сеть содержит большое реактивное сопротивление? Например, трансформатор, индуктивный, потребляет реактивную мощность. Можно предположить, что для данного примера трансформатор потребляет 300 кВАр.

Генератор будет стремиться компенсировать потребление реактивной мощности, производя такое же количество, наряду с требуемой мощностью 1 МВт. 1 МВт и 0,3 МВАр соответствует коэффициенту мощности 0,9.58 и полной полной мощностью 1,044 МВА. Выработка 1,044 МВА мощности, а не 1 МВА электроэнергии, будет более дорогостоящей в течение продолжительного времени не только с финансовой точки зрения, но и в случае с синхронным или асинхронным генератором, также и с экологической точки зрения, поскольку требуется больше топлива.

Согласно стратегии Департамента бизнеса, энергетики и промышленности Великобритании , в 2018 году Великобритания использовала около 300 ТВтч электроэнергии (источник). Если бы сеть работала с отстающим коэффициентом мощности 0,95 дополнительно потребовался бы массивный 98,6 TVAr. Текущие эксплуатационные расходы на выработку энергии, необходимые для компенсации этой реактивной мощности, должны быть астрономическими.

{: .feature-block}

Как сделать сеть более эффективной?

Глядя на наш пример, мы можем сделать установку более эффективной, обеспечив коррекцию коэффициента мощности (PFC) с помощью других средств.

Мы уже видели, что генерация способна компенсировать реактивную мощность в сети настолько, насколько позволяет оборудование. Мы также видели, насколько это дорого и требует топлива.

Другим способом компенсации потребления реактивной мощности в этом случае может быть установка конденсаторов, что является пассивным типом компенсации. Эти конденсаторы требуют минимального обслуживания и не требуют эксплуатационных расходов. Установив конденсаторы правильного размера, коэффициент мощности можно улучшить примерно до единицы. Это означало бы, что генератор будет производить мощность, необходимую только для нагрузки, и не будет производить дополнительную мощность для компенсации сетевого оборудования.

В приведенном здесь примере использовались конденсаторы для компенсации индуктивного реактивного сопротивления.

Для компенсации емкостного реактивного сопротивления в сети, которое может потребоваться от местных до обширных кабельных сетей, потребуется индуктивность. Для этой цели часто используются реакторы.

Следует ли повысить эффективность вашей генерирующей установки?

Любая организация, которая намеревается экспортировать зарегистрированную мощность (Pmax) , которую они указали в процессе подачи заявки ENA EREC G99 , должна стремиться к снижению реактивной мощности в своей локальной сети, чтобы минимизировать затраты на производство , и использовать их оборудование в полной мере.

Модуль Power Park Module (PPM) с установленной мощностью 20 МВА требуется для работы в диапазоне коэффициента мощности от 0,95 отстающего до 0,95 опережающего при сохранении зарегистрированной мощности. Следовательно, исходя из формулы треугольника мощности, этот PPM может иметь Pmax 19 МВт.

Если этот PPM мощностью 19 МВт состоит из компонентов, потребляющих или создающих реактивное сопротивление, это также необходимо учитывать. Например, дополнительное потребление реактивной мощности в размере 3 МВАр значительно изменит Pmax объекта и снизит его до 17,73 МВт. сокращение экспорта и, в свою очередь, снижение прибыли примерно на 6,7%.

Путем уменьшения или компенсации этого потребления реактивной мощности в 3 МВАр, Pmax установки может быть увеличена до 19 МВт или ближе к ней и, таким образом, максимизирована прибыль.

Обязательно следует учитывать общую реактивную мощность установки, что, вероятно, повысит эффективность установки и прибыльность.

Инструмент для расчета мощности, коэффициента мощности и фазового угла установки с использованием только 2 переменных можно найти на этом сайте в разделе инструментов. Зарегистрировавшись, результаты этого инструмента можно сохранить для дальнейшего использования.

Услуги реактивной мощности | Национальная сеть ESO

Услуги реактивной мощности — это то, как мы гарантируем, что уровни напряжения в системе остаются в заданном диапазоне, выше или ниже номинальных уровней напряжения. Мы инструктируем производителей или других владельцев активов либо поглощать, либо генерировать реактивную мощность.

Управление уровнями напряжения осуществляется за счет поддержания баланса между элементами системы, которые либо поглощают реактивную мощность (снижение напряжения), либо генерируют реактивную мощность (повышая напряжение).

---

Обновление: 16 мая 2022 г. — Запрос информации
Доступ к дополнительным возможностям по напряжению 2023 — 2026

Национальная сеть ESO сегодня выпускает запрос на информацию (RFI), чтобы рассмотреть возможность доступа к дополнительным реактивным мощностям в Англии и Уэльсе в период с 2023 г. и 2026. 

Мы находимся в очень захватывающем периоде в электроэнергетике, поскольку мы переходим к обезуглероженной системе электроснабжения, и по мере перехода нам нужно по-другому думать о том, как работает сеть. Одной из ключевых технических проблем является управление напряжением. В этом RFI излагается задача, которую мы видим в краткосрочной и среднесрочной перспективе, и содержится просьба к существующим и новым поставщикам, способным предоставлять дополнительные услуги по электроснабжению, выступить с заявлением и выразить заинтересованность в участии в потенциальном контракте на электроснабжение.

В рамках RFI мы определяем технические потребности в нескольких зонах по всей Англии и Уэльсу и объясняем, какая информация нам нужна для проведения оценки и определения следующего этапа, которым, если это уместно, будет проведение коммерческого тендера.

Если вы являетесь новым или существующим поставщиком услуг по электроснабжению и считаете, что можете предложить новые или расширенные услуги, ответьте до 17:00 13/06/22 .

RFI — Реактивная мощность 2023–2026

Pro-Forma RFI Reactive Power Capability 2023–2026

---

Мы используем услуги, указанные ниже, для управления уровнями напряжения:

Служба обязательной реактивной мощности (ОРЭС)

Обеспечение переменной отдачи реактивной мощности. При любом заданном выходе генераторы могут быть запрошены для производства или поглощения реактивной мощности, чтобы помочь управлять напряжениями системы.

Расширенная служба реактивной мощности (ERPS)

Предоставление поддержки напряжения, превышающее минимальные технические требования обязательной службы реактивной мощности (ORPS).

Reactive Reform – Market Design

В настоящее время мы изучаем потенциальные решения по реформированию услуг реактивной мощности, которые помогут решить проблемы, с которыми мы сталкиваемся при управлении напряжением в системе.

Реактивная мощность описывает движение фоновой энергии в системе переменного тока (AC), возникающее в результате создания электрических и магнитных полей. Говорят, что устройства, накапливающие энергию за счет магнитного поля, создаваемого потоком тока, поглощают реактивную мощность; говорят, что те, которые накапливают энергию через электрические поля, генерируют реактивную мощность.

Потоки реактивной мощности в системе влияют на уровни напряжения. В отличие от системной частоты, которая постоянна по всей сети, напряжения в точках системы формируют «профиль напряжения», однозначно связанный с преобладающим потреблением и потреблением активной и реактивной мощности. Мы должны управлять уровнями напряжения на местном уровне, чтобы удовлетворить меняющиеся потребности системы.