Авторы: Dixon J. W., Moran L. A.
Автор перевода: Кузина А. В.
Источник: https://www.accessscience.com
Компенсация реактивной мощности – это управление реактивной мощностью для повышения производительности сети переменного тока. В общем, проблема компенсации реактивной мощности связана с поддержкой нагрузки и напряжения. В дополнении целей, повышение значения коэффициента мощности системы для сбалансирования реальной мощности от сети переменного тока, усиление регулирования напряжения, а также устранение гармонических составляющих крупных колебаний нелинейных промышленных нагрузок. Поддержание напряжения, как правило, требуется для уменьшения колебания напряжения в линии электропередачи передачи. Компенсация реактивной мощности повышает стабильность системы переменного тока за счет увеличения максимальной активной мощности, которая может быть передана.
Продольная и поперечная компенсации реактивной мощности используются для изменения естественных электрических характеристик систем переменного тока. Последовательная компенсация изменяет параметры передачи или системы распределения, в то время как поперечная компенсация изменяет эквивалентное сопротивление нагрузки. В обоих случаях, реактивной мощностью, которая течет через систему, можно эффективно управлять, повышая производительность системы в целом.
Принципы и теоретические основы поперечной компенсации реактивной мощности будут объяснены ниже. Базовая система переменного тока состоит из источника питания VS, сопротивления линии с сопротивлением R + jX, и типично индуктивной нагрузкой VL. В системе без компенсации, ток источника IS и ток нагрузки IL одинаковы, потому что нагрузка, как правило, индуктивная, и ток отстает от напряжения нагрузки VL. Сдвиг характеризуется углом φ. В результате, источник питания должен генерировать полный ток нагрузки, поддержание высокого уровня тока источника от генератора и через линии электропередачи означает увеличение потерь мощности и снижение возможности передачи электроэнергии. Ток нагрузки IL можно разделить на две составляющие: IP, которая находится в фазе с VL и создает реальную мощность (активная мощность), и IQ, который отстает от напряжения VL на 90° и создает реактивную мощность. Тогда источник VS может генерировать только реальный составляющую IP , а IQ может быть создан около нагрузки устройством компенсации реактивной мощности.
Если реактивная мощность (мнимая мощность) генерируется около нагрузки, то ток от источника уменьшается или сводится к минимуму, что снижает потери мощности и улучшает регулирование напряжения на нагрузке. Поперечную компенсацию можно осуществить тремя способами: с помощью конденсатора, источника тока или источника напряжения. В результате, система регулирования напряжения улучшается, и величина тока, требуемая от источника, уменьшается.
Компенсация реактивной мощности может быть также другого типа. Типичные системы поперечной компенсации используют конденсаторы для уменьшения эквивалентной реактивности составляющей питающей сети при номинальной частоте. Таким образом, последовательно включенный конденсатор C генерирует реактивную мощность, которая уравновешивает часть реактивного сопротивления линии. Это происходит вследствие резонанса напряжений в конденсаторе и индуктивности, направленных встречно (под углом 180°). Разрядник и варистор используются, чтобы избежать разрушения конденсатора С от перенапряжений.
Традиционно для компенсации реактивной мощности используются фиксированные или механически переключаемые конденсаторы или катушки индуктивности, или синхронные компенсаторы. Тем не менее, в последние несколько десятилетий появились два новых семейства генераторов реактивной мощности с использованием силовой электроники: статические тиристорные компенсаторы и самостоятельно коммутируемые статические преобразователи.
Как и в случае синхронных компенсаторов, в целях обеспечения точного контроля над всей реактивной мощностью, регулирование компенсатора было выполнено на тиристорах, преимущество которых заключается в быстром времени отклика и снижении затрат. Компенсаторы состоят из стандартных генераторов реактивной мощности (реакторов и конденсаторов), которые управляются с помощью тиристоров для обеспечения быстрого переключения реактивной мощности. Эти компенсаторы могут быть сгруппированы в две основные категории: тиристорно-коммутируемые конденсаторы (ТКК) и тиристорно-управляемые реакторы (ТУР).
В ТКК ступенчато-регулируемые конденсаторы индивидуально переключаются помощью двунаправленных тиристорных переключателей. Каждое однофазное отделение состоит из двух основных частей, конденсаторов и пары тиристорных коммутаторов. Конденсатор может быть включен с минимальной выдержкой, если тиристор включен в тот момент, когда напряжение на конденсаторе и напряжение сети имеют одинаковые значения. Несмотря на привлекательную теоретическую простоту тиристорно-переключаемых конденсаторов, их популярности препятствует ряд практических недостатков: компенсация реактивной мощности не является непрерывной, и каждый из конденсаторов требует отдельного переключателя-тиристора. Поэтому строительство экономически нецелесообразно.
ТУР использует двунаправленный переключатель, реализованый с помощью пары противоположно связанных тиристоров, в серии с L индуктивностью и шунтирующим конденсатором C. Поскольку используется фазовый угол для управления, получается непрерывный спектр потребления реактивной мощности. При увеличении угла тиристорного пропускания от 90° до 180° – ток реактора уменьшается. Это эквивалентно увеличению индуктивности, т.е. снижению реактивной мощности, потребляемой реактором. Основным недостатком этой конфигурации является генерация гармоник, которые заставляют реализовывать более сложной топологии (с пассивными фильтрами, с помощью дельта-соединения или двенадцати-импульсный конфигурации).
Тиристоры используются также для продольной компенсации. Тиристорно-управляемый продольный компенсатор (ТУПР) представляет собой технологию, которая устраняет определенные проблемы в динамических системах передачи электроэнергии. ТУПР являются отличным инструментом демпфирования при соединении больших электрических систем. Кроме того, они уменьшают проблемы подсинхронного резонанса – явление, которое включает в себя взаимодействие между крупными энергоблоками ТЭС и компенсацией систем передачи.
С развитием силовых полупроводниковых приборов (биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT) внимание было сосредоточено на коммутации компенсаторов реактивной мощности. Возможно несколько подходов, включающие источник тока и напряжения. Инвертор источника тока использует реактор с регулируемым постоянным током, а источник напряжения использует конденсатор с регулируемым напряжением постоянного тока. В самостоятельно коммутируемых компенсаторах реактивной мощности также применяется преобразователь напряжения.
Основными преимуществами собственной коммутацией компенсаторов реактивной мощности является значительное сокращение размера, стоимости и гармонических искажений. Самокоммутируемые компенсаторы для стабилизации систем передачи электроэнергии улучшают регулирование напряжения, обеспечивают правильный коэффициент мощности, а также правильный дисбаланс нагрузки. Кроме того, они могут быть использованы для реализации продольной и последовательной компенсации. Рисунок 6 показывает возможности поперечных компенсаторов реактивной мощности, реализованных с помощью самостоятельной коммутации на преобразователе напряжения. Управление реактивной мощностью осуществляется путем изменения амплитуды выходного напряжения Vmod, которое изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При Vmod больше напряжения на компенсаторе Vcomp, компенсатор генерирует реактивную мощность, а при Vmod меньше, чем Vcomp, компенсатор реактивной мощности потребляет энергию. Его принцип работы схож с синхронной машиной. Ток компенсатора может быть опережающим или отстающим, в зависимости от относительной амплитуды Vcomp и Vmod. Напряжение на конденсаторе VD, подключенного к цепи постоянного тока преобразователя, остается постоянным и равным эталонной величине V, реализуемое контуром управления обратной связью.