Мощность является важным фактором для оценки эффективности работы электрооборудования в сети энергосистемы. Использование её предельных значений может привести к перегрузкам сети, аварийным ситуациям и выходу оборудования из строя. Для того чтобы обезопасить себя от этих негативных последствий, необходимо понимать, что такое активная реактивная и полная мощность.
Определение мощности
Мощность, которая фактически потребляется или используется в цепи переменного тока, называется активной, в кВт или МВт. Мощность, которая постоянно меняет направление и движется, как по направлению в цепи, так и реагирует сама на себя, называется реактивной, в киловольт (kVAR) или MVAR.
Очевидно, что мощность потребляется только при сопротивлении. Чистый индуктор и чистый конденсатор её не потребляют.
В чистом резистивном контуре ток находится в фазе с приложенным напряжением, тогда как в чистом индуктивном и ёмкостном контуре ток смещён на 90 градусов: если индуктивная нагрузка подключена в сеть, он теряет напряжение на 90 градусов. При подключении ёмкостной нагрузки происходит смещение тока на 90 градусов в обратную сторону.
В первом случае создаётся активная мощность, а во втором — реактивная.
Силовой треугольник
Полная мощность — это векторная сумма активной и реактивной мощности. Элементы полной мощности:
- Активная, P.
- Реактивная, Q.
- Полная, S.
Реактивная мощность не работает, она представлена как мнимая ось векторной диаграммы. Активная мощность работает и является реальной стороной треугольника. Из этого принципа разложения мощностей понятно, в чём измеряется активная мощность. Единицей для всех видов мощности является ватт (W), но это обозначение обычно закрепляется за активной составляющей. Полная мощность условно выражается в ВА .
Единица для Q составляющей выражается как var, что соответствует реактивному вольт-амперу. Она не передаёт никакой чистой энергии нагрузке, тем не менее она выполняет важную функцию в электрических сетях. Математическая связь между ними может быть представлена векторами или выражена с использованием комплексных чисел, S = P + j Q (где j — мнимая единица).
Расчёт энергии и мощности
Средняя мощность P в ваттах (W) равна энергии, потребляемой E в джоулях (J), делённой на период t в секундах (секундах): P (W) = E (J) / Δ t (s).
Когда ток и напряжение находятся на 180 градусов по фазе, PF отрицательный, нагрузка подаёт электроэнергию в источник (примером может служить дом с солнечными батареями на крыше, которые подают питание в энергосистему). Пример:
- P составляет 700 Вт, а фазовый угол составляет 45, 6;
- PF равен cos (45, 6) = 0, 700. Тогда S = 700 Вт / cos (45, 6) = 1000 В⋅А.
Отношение активной к полной мощности называется коэффициентом мощности (PF). Для двух систем, передающих такое же количество активной нагрузки, система с более низким PF будет иметь большие оборотные токи из-за электроэнергии, которая возвращается обратно. Эти большие токи создают большие потери и снижают общую эффективность передачи. Схема с более низким PF будет иметь большую полную нагрузку и более высокие потери для одинакового количества активной нагрузки. PF = 1, 0, когда есть фазный ток. Он равен нулю, когда ток приводит или отстаёт от напряжения на 90 градусов.
Например, PF =0,68 и означает, что только 68 процентов от общего объёма поставленного тока фактически выполняют работу, остальные 32 процента являются реактивными. Производители коммунальных услуг не берут с потребителей плату за её реактивные потери. Однако если в источнике нагрузки клиента есть неэффективность, которая приводит к тому, что PF падает ниже определённого уровня, коммунальные услуги могут взимать плату с клиентов, чтобы покрыть увеличение использования топлива на электростанциях и ухудшение линейных показателей сети.
Характеристики полной S
Формула полной мощности зависит от активной и реактивной мощности и представлена как энергетический треугольник (Теорема Пифагора). S = (Q 2 + P 2) 1 / 2, где:
- S = полная (измерение в киловольт-ампер, кВА);
- Q = реактивная (реактивность на киловольтах, kVAR);
- P = активная (киловатт, кВт).
Она измеряется во вольт-амперах (В⋅А) и зависит от напряжения, умноженного на весь поступающий ток. Это векторная сумма P и Q составляющих, которая подсказывает, как найти полную мощность. Однофазная сеть: V (V) = I (A) x R (Ω).
P (W) = V (V) x I (A) = V 2 (V) / R (Ω) = I 2 (A) x R (Ω).
Трёхфазная сеть:
Напряжение V в вольтах (V) эквивалентно току I в амперах (A), умноженному на импеданс Z в омах (Ω):
V (V) = I (A) x Z (Ω) = (| I | x | Z |) ∠ ( θ I + θ Z ).
S (VA) = V (V) x I (A) = (| V | x | I |) ∠ ( θ V — θ I ).
Активная P
Это мощность, которая используется для работы, её активная часть, измеряемая во Вт и является силой, потребляемой электрическим сопротивлением системы. P (W) = V (V) x I (A) x cos φ
Реактивная Q
Она не используется для работы в сети. Q измеряется в вольт-амперах (VAR). Увеличение этих показателей приводит к уменьшению коэффициента мощности (PF). Q (VAR) = V (V) x I (A) x sin φ.
Коэффициент эффективности сетей
PF определяется размерами P и S, его вычисляют по теореме Пифагора. Рассматривается косинус угла между напряжением и током (несинусоидальный угол), фазовая диаграмма напряжения или тока от энергетического треугольника. Коэффициент PF равен абсолютному значению косинуса комплексного энергетического фазового угла (φ): PF = | cosφ | Эффективность энергосистемы зависит от коэффициента PF и для повышения эффективности использования в энергосистеме необходимо его увеличивать.
Ёмкостные и индуктивные нагрузки
Сохранённая энергия в электрическом и магнитном полях в условиях нагрузки, например, от двигателя или конденсатора, вызывает смещение между напряжением и током. Поскольку ток протекает через конденсатор, накапливание заряда вызывает возникновение противоположного напряжения на нём. Это напряжение увеличивается до некоторого максимума, продиктованного структурой конденсатора. В сети с переменным током на конденсаторе постоянно меняется напряжение. Конденсаторы называются источником реактивных потерь и, таким образом, вызывают ведущий PF.
Индукционные машины являются одними из наиболее распространённых типов нагрузок в электроэнергетической системе. Эти машины используют индукторы или большие катушки проволоки для хранения энергии в виде магнитного поля. Когда напряжение сначала проходит через катушку, индуктор сильно сопротивляется этому изменению тока и магнитного поля, что создает задержку времени с максимальным значением. Это приводит к тому, что ток отстаёт от напряжения по фазе.
Индукторы поглощают Q и, следовательно, вызывают запаздывающий PF. Индукционные генераторы могут подавать или поглощать Q и обеспечивать меру управления системными операторами по потоку Q и по напряжению. Поскольку эти устройства оказывают противоположное воздействие на фазовый угол между напряжением и током, их можно использовать для отмены эффектов друг друга. Обычно это принимает форму конденсаторных банков, используемых для противодействия запаздывающим PF, вызванным асинхронными двигателями.
Погашения реактивного влияния в электросетях
Активная реактивная и полная мощность определяет PF главный фактор для оценки эффективности использования электроэнергии в сети энергосистемы. Если PF высокий, то, можно сказать, что более эффективно электроэнергия используется в энергосистеме. Поскольку PF плох или уменьшается, эффективность использования электроэнергии в энергосистеме снижается. Низкий PF или снижение его обусловлены различными причинами. Для повышения PF существуют специальные способы коррекции.
Использование конденсаторов является наилучшим и эффективным способом повышения эффективности сети. Метод, известный как реактивная компенсация, используется для уменьшения кажущегося потока мощности на нагрузку за счёт уменьшения реактивных потерь. Например, для компенсации индуктивной нагрузки шунтирующий конденсатор устанавливается вблизи самой нагрузки. Это позволяет потреблять конденсатором всю Q и не передавать их по линиям передачи.
Эта практика экономит энергию, потому что она уменьшает количество энергии, которое требуется, для выполнения того же объёма работы. Кроме того, она позволяет использовать более эффективные конструкции линий электропередачи с использованием меньших проводников или меньшего количества проводников с разъёмами и оптимизировать конструкцию трансмиссионных вышек.
Чтобы поддерживать напряжение в оптимальном диапазоне и предотвращать явления нестабильности, в оптимальных местах по всей сети энергосистемы устанавливаются различные устройства для фазовой регулировки, а также используются различные методы реактивного управления.
Предложенная система делит традиционный метод на управление напряжением и Q:
- управление напряжением для регулировки напряжения вторичной шины подстанций;
- регулирование Q для регулирования напряжения первичной шины.
В этой системе на подстанциях установлены два типа устройств для взаимодействия контроля напряжения и контроля Q.
Управление напряжением и реактивной мощностью
Это два аспекта одного воздействия, которые поддерживают надёжность и облегчают коммерческие транзакции в сетях передачи. На силовой системе переменного тока (AC) напряжение контролируется путём управления производством и поглощением Q. Существует три причины, по которым необходим такой вид управления:
- Оборудование энергосистемы предназначено для работы в диапазоне напряжений, обычно в пределах ± 5% от номинального напряжения. При низком напряжении оборудование работает плохо, лампочки обеспечивают меньшую освещённость, асинхронные двигатели могут перегреваться и быть повреждёнными, а некоторые электронные устройства не будут работать вообще. Высокие напряжения могут повредить оборудование и сократить срок его службы.
- Q потребляет ресурсы передачи и генерации. Чтобы максимизировать реальную мощность, которая может быть передана через перегруженный интерфейс передачи, потоки Q должны быть минимизированы. Аналогичным образом производство Q может ограничить реальную мощность генератора.
- Движущая реактивность в передающей сети несёт реальные потери мощности. Для восполнения этих потерь должны компенсироваться мощность и энергия.
Система передачи является нелинейным потребителем Q в зависимости от загрузки системы. При очень низкой нагрузке система генерирует Q, которая должна поглощаться, а при большой нагрузке система потребляет большое количество Q, которую необходимо заменить. Требования к Q системы также зависят от конфигурации генерации и передачи. Следовательно, системные реактивные требования меняются во времени по мере изменения уровней нагрузки и моделей нагрузки и генерации.
Работа системы имеет три цели управления Q и напряжениями:
- Она должна поддерживать достаточное напряжение во всей системе передачи и распределения как для текущих, так и для непредвиденных условий.
- Обеспечить минимизацию перегрузки реальных потоков энергии.
- Стремиться минимизировать реальные потери мощности.
Объёмная энергетическая система состоит из множества единиц оборудования, любая из которых может быть неисправна. Таким образом, система предназначена для того, чтобы выдерживать выход из строя отдельного оборудования, продолжая работать в интересах потребителей. Вот почему электрическая система требует реальных резервов мощности для реагирования на непредвиденные обстоятельства и поддержания резервов Q.
