What is reactive power?
Когда дело доходит до «реактивной компенсации», сначала нужно понять понятие реактивной мощности.Реактивная мощность относительно легко понять, потому что она может выполнять работу, генерировать тепло и приводить вращение двигателя и т. д. Например, когда переменный ток проходит через чистый резистор, ток может заставить резистор генерировать тепло, что означает, что электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию.Однако реактивную мощность сложнее понять.Он существует только в переменной энергии, и нет проблемы реактивной мощности в постоянной энергии.Например, когда переменный ток проходит через чистую емкость или чистую индуктивную нагрузку, он не работает.Другими словами, чистая емкость или чистая индуктивная нагрузка не потребляет активную мощность, а ток и соответствующее напряжение, протекающее через них, образуют переменную мощность, которая называется реактивной мощностью.Теоретически, реактивная мощность не работает, поэтому она не должна генерировать свет и тепло, а также не может управлять вращением двигателя. Нагрузки, с которыми мы часто сталкиваемся, редко являются чистыми индуктивными или чистыми емкостными, но смешанными нагрузками.Когда ток проходит через них, часть энергии может выполнять работу, в то время как часть не может.Сила, которая не может работать, является реактивной.Чтобы интуитивно показать взаимосвязь между реактивной мощностью и активной мощностью, люди используют понятие коэффициента мощности для описания скорости использования электрической энергии.Чем ближе коэффициент мощности к 1, тем выше доля активной мощности и тем выше коэффициент использования электроэнергии; наоборот, чем ближе коэффициент мощности к 0, тем ниже доля активной мощности и тем ниже коэффициент использования электроэнергии.Для повышения коэффициента использования электроэнергии предлагается концепция «реактивной компенсации».
Understanding the concepts of reactive power, active power, and power factor, as well as the fundamental purpose of reactive compensation to improve electrical energy utilization, we will now delve into a detailed analysis. Why is reactive compensation necessary? What is the principle behind reactive compensation? What are the forms of compensation? And how does its economy fare?
Chapter 02: Why Reactive Compensation is Necessary
Реактивная сила ни в коем случае не является бесполезной силой. В системах питания переменного тока катушки индуктивности и конденсаторы являются незаменимыми нагрузками, такими как железно-магнитные нагрузки двигателей и трансформаторов. Без индуктивного реактивного возбуждения оборудование не может работать должным образом. Например, линия электропередачи с фиксированным расстоянием сама по себе является емкостной нагрузкой, которая действует как конденсатор при доставке энергии. В системах электропитания переменного тока наличие реактивной мощности играет важную роль в передаче и обмене энергии и является незаменимым. Фактически, система не может работать должным образом без обмена реактивной мощностью.
Откуда берется большое количество реактивной мощности? В системе многочисленные реактивные нагрузки, особенно индуктивные реактивные нагрузки, обычно потребуют реактивную мощность от электростанций. Когда генератор работает, он не только высвобождает активную электрическую энергию в систему, но также обеспечивает соответствующую реактивную энергию для индуктивных нагрузок. Генератор должен поддерживать соответствующую реактивную мощность во время работы. Несоблюдение этого может оказать пагубное влияние на систему производства электроэнергии, подчеркивая важность поддержания баланса реактивной мощности в системе.
Когда потребность в реактивной мощности в системе увеличивается, если в системе не установлены устройства искусственной реактивной компенсации, силовая установка должна увеличить свою выходную реактивную мощность за счет фазовой модуляции. Однако из-за ограниченной мощности генератора это обязательно уменьшит его активную выходную мощность, эффективно снижая его общую выходную мощность. Для удовлетворения спроса на электроэнергию необходимо будет увеличить мощность генераторов, линий электропередач и трансформаторов. Это не только увеличит инвестиции в энергоснабжение, но и снизит коэффициент использования оборудования и увеличит потери в линии.
Для уменьшения давления реактивного питания электростанций мы вкладываем соответствующие конденсаторы в точки в системе питания, где индуктивные нагрузки потребляют большое количество энергии для обеспечения реактивной мощности для индуктивных нагрузок.Это значительно снижает давление реактивной энергоснабжения на электростанции.Основываясь на улучшении естественного коэффициента мощности, пользователи должны проектировать и устанавливать устройства компенсации реактивной мощности и своевременно активировать или деактивировать их в соответствии с их нагрузкой и колебаниями напряжения, чтобы предотвратить обратную доставку реактивной мощности.В то же время коэффициент мощности пользователя должен соответствовать соответствующему стандарту, чтобы избежать дополнительных тарифов на электроэнергию от отдела питания.Поэтому, как для отделов электроснабжения, так и для потребителей электроэнергии, автоматическая компенсация реактивной мощности для улучшения коэффициента мощности и предотвращения обратной подачи реактивной мощности имеет большое значение для экономии энергии и повышения качества эксплуатации.
Chapter 03: What is the Principle of Reactive Compensation?
● Analyzed from the Perspective of Energy Absorption and Release
Большинство реактивных нагрузок, упомянутых в системе, обычно являются индуктивными реактивными нагрузками.Когда устройства с емкостными силовыми нагрузками соединены параллельно с индуктивными силовыми нагрузками в той же цепи, емкостная нагрузка высвобождает энергию, когда индуктивная реактивная нагрузка поглощает энергию, и наоборот.Энергия обменивается между емкостными и индуктивными нагрузками.Реактивная мощность, поглощаемая емкостью нагрузки, может быть компенсирована выходной реактивной мощностью от устройства емкости нагрузки, и реактивная мощность локально сбалансируется для уменьшения потерь линии, улучшения несущей способности нагрузки, уменьшения потерь напряжения и снижения давления электропитания электростанции.Это и есть основной принцип реактивной компенсации.
● Analyzed from the Phase (Inductive/Capacitive) Perspective
In a pure inductive load, the current IL lags the voltage by 90°, and its power is referred to as inductive reactive power. Conversely, in a pure capacitive load, the current Ic is ahead of the voltage by 9 0°, and its power is known as capacitive reactive power.
Разность фаз между током в конденсаторе и током в индукторе составляет 180 °, что может компенсировать друг друга. Большинство нагрузок в энергосистеме являются индуктивными, поэтому общий ток I будет отставать от напряжения на угол Φ1. Если параллельно с нагрузкой подключен параллельный конденсатор, то I′ = I IC. Ток конденсатора будет компенсировать часть индуктивного тока, что приведет к уменьшению общего тока от I до I', а фазовый угол уменьшится с Φ1 до Φ2. Это может улучшить коэффициент мощности и локально управлять реактивной мощностью.
04 What are the forms of reactive power compensation?
Broadly speaking, there are many forms of reactive power compensation, including:
Based on the voltage level of the point of common coupling (PCC) where compensation is applied, it can be divided into high-voltage compensation, medium-voltage compensation, and low-voltage compensation.
Based on the position of the compensation point in the power transmission and distribution system, it can be divided into on-site compensation at the equipment side, local partial compensation in the area, and centralized compensation in the substation.
Based on the type of compensation equipment, it can be divided into switching capacitor compensation (FC compensation), mechanical rotating compensation (such as synchronous compensators, synchronous generators, and synchronous motors), static reactive power compensation (static var compensators: thyristor-switched capacitors TSC, thyristor-controlled reactors TCR, magnetically controlled reactors MCR; static synchronous compensators STATCOM; static var generators SVG), and composite reactive power compensation (FC TCR, FC MCR, FC STATCOM).
● Compensation forms based on compensation location
Next, we will briefly introduce the forms of reactive power compensation for low-voltage 0.4KV systems based on different compensation locations.
Компенсация на стороне оборудования на месте Компенсация на стороне оборудования на месте является методом обеспечения компенсации реактивной мощности отдельного электрооборудования.Это предполагает непосредственное подключение конденсаторов к той же электрической цепи, что и отдельное оборудование, и использование одного и того же выключателя для управления, либо одновременно работая или отключая их.Этот метод компенсации имеет наилучший эффект, поскольку конденсаторы находятся рядом с электрическим оборудованием, чтобы уравновесить реактивный ток локально, избегая чрезмерной компенсации в условиях безгрузки и обеспечивая качество электроэнергии.Этот метод компенсации обычно используется для высоковольтных и низковольтных двигателей и другого электрического оборудования.Однако, когда пользовательское оборудование работает не непрерывно, коэффициент использования конденсаторов низкий, и их компенсационные преимущества не могут быть полностью реализованы.
Local partial compensation in the areaLocal partial compensation in the area involves installing capacitors in groups in workshop distribution rooms or substation branch lines. These capacitors can be added or removed based on system load changes. The compensation effect is also good, but the cost is relatively high.
Centralized compensation in the substationCentralized compensation in the substation involves installing all capacitor groups on the primary or secondary busbars in the substation. This compensation method is simple to install, reliable in operation, and can collectively compensate for the reactive power of the low-voltage 0.4KV system. It has a direct effect on improving the power factor at the transformer primary side (usually a 10KV measurement point). This type of compensation method is currently the most widely used and relatively cost-effective solution.
● Compensation forms based on compensation equipment types
There are many types of compensation equipment, and the choice is generally based on the actual operating equipment at the site. Each compensation device has its own advantages and disadvantages. In this article, we will briefly introduce two products that are most widely used in the 0.4KV distribution system on the market: switching capacitor compensation (FC compensation) and static var generator (SVG compensation).
Switching Capacitor Compensation (FC Compensation)
Switching capacitor compensation is the traditional method of parallel capacitor compensation. Its principle is to increase the inductive reactive demand of the capacitive reactive compensation load to enhance the stability of the load voltage and improve the power factor.
Из-за того, что переключение параллельных конденсаторов в более ранние времена достигалось с помощью контактников, которые имеют время отклика на втором уровне, его фатальным недостатком был большой вспышки тока во время переключения.В тяжелых случаях он может достигать в 50 - 100 раз номинального тока компенсационного конденсатора, что приводит к значительному дужному освещению и повреждению конденсаторов и контакторов.Основываясь на фактической эксплуатации местных нагрузок, на рынке постепенно появляются альтернативы контакторам, такие как синхронные выключатели, гибридные выключатели и тиристорные выключатели.Эти альтернативы значительно улучшили переключение при нулевом напряжении и прерывание при нулевом токе, значительно снизив повреждение оборудования, вызванное переключением вспышного тока.
Для достижения интеллектуального управления коммутацией, диверсифицированной системы сбора данных, разнообразных функций защиты, упрощенной установки и технического обслуживания в последние годы был разработан другой тип компенсации коммутационного конденсатора - интеллектуальный конденсатор.По сравнению с традиционной компенсацией емкости, она имеет множество технологических функций, которые традиционные конденсаторы не могут выполнять.Кроме того, с электронизацией нагрузочного оборудования влияние гармоники на распределительную систему нельзя игнорировать, особенно на конденсаторы.Поэтому в ответ на гармонические эффекты компенсация FC также претерпела множество связанных с этим улучшений.Например, внедрена концепция серийной реактивности.Когда следует использовать уровень реактивности серии 6% или 7%?И когда следует использовать 13% или 14% серийной реактивности?Эта часть будет более подробно объяснена в более поздней теме.
Static Var Generator (SVG) Compensation
A static var generator is a new power electronic device used for reactive power compensation. It can quickly and continuously compensate for varying amounts of reactive power and negative sequences. Its application can overcome the slow response speed, inaccurate compensation control, and the tendency to cause parallel resonance and switching oscillation in traditional reactive power compensators such as FC compensators.
Compared to FC compensation, its three major advantages are:
① Linear compensation of reactive power with a compensation step smaller than 1KVar;② Polarity-free compensation, which can output both capacitive and inductive reactive power;③ Fast response time, with a total response time less than 5ms.
Economics of Reactive Power Compensation by Tsai Ing-wen
● Compensate for reactive power to improve power factor.
Согласно уведомлению о «Методе корректировки сборов за электроэнергию на основе коэффициента мощности», не трудно обнаружить, что правила корректировки коэффициента мощности принимают 0,9 в качестве стандартного значения.Увеличивая коэффициент мощности, пользователи могут снизить свои общие сборы за электроэнергию.Кроме того, распределительные пользователи с коэффициентом мощности выше 0,9 также могут получить вознаграждение от энергетической компании за корректировку коэффициента мощности.Благодаря разумной компенсации коэффициент мощности в точке измерения может быть скорректирован в соответствии с национальными стандартами, что может устранить плату за коэффициент мощности и значительно снизить затраты на электроэнергию для потребителей электроэнергии.
The active energy saving of dynamic reactive power compensation devices only reduces the loss in the power supply and distribution from the compensation point to the generator. Therefore, reactive power compensation on the high-voltage grid side cannot reduce the loss on the low-voltage side or improve the utilization rate of low-voltage power transformers. According to the optimal compensation theory, local dynamic reactive power compensation has the most significant energy-saving effect.
Кроме того, многие компенсационные устройства на рынке продвигают такие концепции, как «энергосбережение» и «энергосбережение». Большинство из них начинаются с компенсации реактивной мощности, улучшения коэффициента мощности, снижения штрафов за коэффициент мощности или преобразования штрафов за коэффициент мощности в вознаграждения за коэффициент мощности, в конечном итоге достигая цели экономии денег для пользователей распределения. Поэтому, с точки зрения естественного переноса энергии в природе, компенсация реактивной мощности, строго говоря, не относится к категории «энергосбережения» или «энергосбережения». Тем не менее, это действительно может сэкономить деньги для пользователей дистрибуции.
● Уменьшение потерь в линиях передачи и трансформаторах Разумная компенсация может эффективно снизить ток системы.Если взять естественную мощность системы 0,7 в качестве примера, если коэффициент мощности системы увеличивается до близкого к 1 с помощью компенсационных устройств, ток системы уменьшится примерно на 30%.Это означает, что потеря в линиях и трансформаторах может быть уменьшена до P = I2R = (1 - 30%) 2R = 0,49R, что представляет собой снижение потерь в линиях и трансформаторах на 51%.Естественный коэффициент мощности электроэнергетического предприятия обычно составляет около 0,7.Скорость снижения линейных потерь и потерь меди в трансформаторах при увеличении коэффициента мощности с 0,7 до выше 0,95 показана в таблице ниже.
Reducing line and transformer losses and saving active power are important energy-saving measures. In the petroleum industry, where lines are long and complex, increasing reactive power compensation equipment can reduce operating current, thus reducing line losses and saving active power, with noticeable energy-saving effects.
● Increasing the transmission capacity of the power grid and improving equipment utilization
Compensation devices can effectively reduce system current and apparent power, thus effectively reducing the capacity of all related equipment in power grid construction and lowering investment in power grid construction. For a system with a power factor of around 0.7, effective compensation can reduce system current by 30%, which means increasing the load-carrying capacity of power plants and power transformation and distribution facilities by 30%.
При недостаточной мощности в трансформаторах и линиях может быть использован метод установки устройств компенсации реактивной мощности.Установка устройств компенсации реактивной мощности может уравновешивать реактивную мощность локально, уменьшая ток, протекающий через линии и трансформаторы, замедляя скорость старения проволоки и изоляции трансформаторов, а также продлевая их срок службы.В то же время он может высвободить мощность трансформаторов и линий, увеличивая их несущую способность.Например, при трансформаторе мощностью 100 кВА, работающем в настоящее время при 85%-й нагрузке с COSΦ 0,7, установка оборудования для компенсации реактивной мощности может увеличить нагрузочность трансформатора на 30%.Пользователи могут увеличить свою нагрузку без расширения мощностей, чтобы облегчить дальнейшее расширение производства.
● Improving voltage quality
A large amount of inductive load in the system will cause voltage drop on the power lines, especially at the end of the power lines. Reasonable compensation can effectively alleviate line voltage drop and improve power quality.
The formula for calculating voltage loss in the line is as follows:
In the formula:
P - Active power, kW
U - Rated voltage, kV
R - Total resistance of the line, Ω
Q - Reactive power, kVar
Xl - Inductive reactance of the line, Ω
As the system's inductive reactance is much greater than its impedance, it can be seen from the formula that changes in reactive power can significantly affect voltage variations. When the reactive power Q in the line decreases, voltage loss also decreases.
At the end of the power supply line, the voltage is generally low. Increasing reactive compensation devices can boost the voltage at the line's end to ensure safe and reliable operation of equipment.
On the other hand, with the development of industry, the use of a large number of automatic control equipment and nonlinear loads has resulted in a significant flow of harmonics in the power distribution network, contaminating the grid. One of the main ways to improve power quality is to抑制or significantly reduce the impact of harmonics on the power supply system and electrical equipment through reasonable allocation of compensation filtering equipment.
Finally, with the rise of new power systems, power quality issues are bound to face many power quality related issues, the following issues are worth further understanding, familiarization, and exploration:
1.Analysis of resonance issues, what is resonance?
2.What are the common scenarios where filters are often damaged?
3.What is the difference between local compensation and centralized compensation of filters?
4.How to understand the requirement of reducing harmonics to 5%?
5.Can installing filters really achieve "energy saving"?
6.How does the integration of power electronic devices such as energy storage, photovoltaic, and wind power affect power quality?
7.Is the demand for power quality in microgrid systems important?
8.... (and so on)
