Что такое реактивная энергия или реактивная мощность?

Когда речь идет об электрических приборах, чаще всего интересуются их электрической мощностью. При этом считается, что чем больше эта мощность, обычно указываемая в документации, приложенной к электроизделию, тем большую полезную работу можно получить от этого изделия.

Электроприборы представляют собой нагрузку, которая для переменного тока имеет разную величину. Так все нагревательные приборы: лампы накаливания, ТЭНы в утюгах, электрических плитах, электрочайниках, стиральных машинах, электрообогревателях и т. п., это активные нагрузки. Все виды трансформаторов, стабилизаторов, электродвигателей – в стиральных машинах, кондиционерах, вентиляторах, отопительных приборах, электроинструменте, насосах для полива и для отопления, газонокосилках, измельчителях веток (шредерах ) и мн. др. – это нагрузки активно-индуктивные. Люминесцентные лампы и светильники, энергосберегающие компактные лампы (КЛЛ) и пр. – это активно-емкостные нагрузки.

Реактивной называется энергия возникающая при прохождении переменного электрического тока через катушку индуктивности (образуется магнитное поле) или через конденсатор (образуется электрическое поле). Она может увеличиваться или уменьшаться. При увеличении она потребляет мощность из сети, при уменьшении – отдает обратно в сеть.

В домашней электрической сети действует переменное напряжение, величина которого 220 В, а частота 50 Гц. По форме это синусоида, которая 100 раз в секунду переходит через «0». В этот момент происходит смена направления движения тока. При подключении этого напряжения к нагрузке, которая имеет только активную составляющую, ток в цепи по фазе (по моменту действия) полностью совпадает с напряжением. Т. е. при нарастании тока идет нарастание напряжения, при спаде напряжения спадает и ток, при переходе напряжения через «0» ток в это же мгновение тоже переходит через «0». Если нагрузка имеет индуктивную составляющую, то ток начинает отставать от напряжения.

Напряжение растет, перейдя через «0», а ток еще может даже не дошел до «0», напряжение уже начало уменьшаться после максимума, а ток опаздывает, т. к. он еще увеличивается. И чем больше индуктивность обмотки двигателя или трансформатора, тем больше это расхождение по фазе. При активной составляющей нагрузки близкой или равной «0» (когда трансформатор включен в сеть, а нагрузки на нем нет) ток запаздывает почти на 90°, т. е. на четверть периода.

В случае емкостной нагрузки процесс тот же, но только ток опережает напряжение.

Происходят эти процессы потому, что в первом случае ток, протекающий по катушке индуктивности (обмотке двигателя или трансформатора) создает каждым витком катушки магнитное поле. А т. к. ток изменяется – нарастает или спадает, то суммарное поле тоже увеличивается или уменьшается. Изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции (закону Майкла Фарадея) наводит в соседних витках той же катушки или соседней с ней, например вторичной катушке трансформатора э.

д.с. самоиндукции такой же по величине, но обратной по знаку. Эта э.д.с., вызывает в своей нагрузке, которой является уже питающая сеть такой же изменяющийся ток, но обратного направления. Этот новый ток опять по тому же закону М. Фарадея образует обратное по направлению изменяющееся магнитное поле и процесс повторяется. Пока по обмотке течет переменный ток, в ней будет создаваться переменное магнитное поле. И чем больше индуктивность, тем больше поле. При выключении тока поле исчезнуть мгновенно не может, поэтому оно на контактах выключателя может образовать электрический дуговой разряд. Если его нет, то поле разряжается через маленькое активное сопротивление катушки. Т. е. когда ток увеличивается, катушка запасает энергию, а когда начинает уменьшаться – катушка отдает ее обратно в сеть. Нагрузка не включена, тока на выходе нет, а напряжение есть, и трансформатор гоняет энергию в обмотку и из обмотки. Эти токи на активном сопротивлении проводов вызывают тепловые потери. Они по величине невелики, но они есть. Похожие процессы происходят и при емкостном характере нагрузки. Отличие лишь в том, что поле не магнитное, а электрическое.

Таким образом, работы нет, а потери присутствуют.

Те же процессы происходят и при включении нагрузки. Но на фоне больших рабочих токов, протекающих при этом, реактивные токи мало заметны.

Уменьшить эти токи можно подключением к индуктивным цепям конденсаторов, а к емкостным, соответственно, индуктивностей. Это называется компенсированием реактивных составляющих.

Оценить реактивную составляющую можно по Км – коэффициенту мощности или по cos φ. При этом cos φ = Р/S, где:

• Р – активная мощность, обеспечивающая рабочие характеристики;
• S – полная мощность, потребляемая устройством.

При cos φ = 1 – вся мощность устройства активная, при меньших значениях – появляется реактивная составляющая. Мощность потребляемая растет, а работа остается та же.

Например, если на дрели и вентиляторе написано, что его мощность 600 Вт, а cos φ = 0,75, то их реальная мощность, потребляемая из сети будет равна 800 Вт, а работу они сделают на 600 Вт.

Правильная компенсация реактивной мощности дает возможность уменьшить мощность, передаваемую по кабельным и проводным сетям предприятия. Это позволяет снизить расход до 10-20 %, а в тех случаях, когда cos φ = 0,5 и даже менее его, результат может быть до 1/3.Предприятия с большим количеством мощных недогруженных электродвигателей должны компенсировать их реактивную мощность.

Небольшие организации, офисы, торговые предприятия могут иметь большую реактивную составляющую за счет люминесцентных источников освещения, двигателей вентиляции приточной и вытяжной, кондиционеров, приводов теплоснабжения и водоснабжения и другой нелинейной нагрузки. К такой нагрузке могут относиться тиристорные и симисторные регуляторы систем освещения, импульсные блоки питания и мн. др. Все эти виды потребителей электроэнергии используют в своей работе импульсный режим, при этом этот режим часто сопровождается крутыми передними и задними фронтами импульсов (нарастанием и спаданием тока и напряжения).

Специалисты эти фронты называют передним и задним. И чем меньше длительность переднего и заднего фронтов, тем больше в питающую сеть переменного тока проникает гармоник (напряжений удвоенной, утроенной и т. д. частоты) основного напряжения, тем меньше cos φ.

Поэтому передовые производители современных компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) заботятся об энергетической эффективности не только самой лампы, но и всей электрической сети, используемой для их питания. Для этого они, незначительно усложнив схему их питания, получают коэффициент мощности, равный 0,92 – 0,97. В то же время простые КЛЛ имеют его значительно меньшей величины, а обычные традиционные люминесцентные «трубки» с электромагнитным пуско-регулирующим аппаратом имеют коэффициент мощности вообще равный 0,5.

Поэтому, выбирая для своей квартиры или офиса малогабаритные энергосберегающие высокоэффективные источники света в виде КЛЛ, обязательно интересуйтесь таким их параметром, как коэффициент мощности. И если он не указан в параметрах продаваемой лампы, то лучше отказаться от такой покупки.

Предлагаем приобрести качественные энергосберегающие лампы:

B60 10W PA10 E27 4000

Наименование: Лампа светодиодная стандартная B60 PA-10 10W E27 4000K алюмопл. корп. 18-0007

Тип лампы: Стандартная
Артикул: 18-0007
Мощность (W): 10
Тип цоколя: E27
Cветовой поток (lm): 806
Световая эффективность (lum/W): 81
Ширина B (мм): 60
Высота A (мм): 110
Температура (К): 4000
Тип света: нейтральный свет
Напряжение (V): 175-250
Ресурс , часов: 25000
Срок службы, лет: 17
Индекс цветопередачи (Ra): 80
Аналог лампы накаливания (W): 75Вт
Частота электросети (Hz): 50
Температурный режим (град): -20С +40°C
Количество в ящике, шт: 50
Содержание ртути (мг): 0
Класс энергосбережения: A
Штрих код упаковки: 4895127204464
Тип колбы: Стандартная
Цвет стекла: Опаловый
Угол рассеивания град: 220
Производитель: ELM

Гарантия: 2 года

(Код: 18-0007Ind)

58. 49 грн

Тип лампы: Стандартная
Мощность (W): 10
Температура (K): 4000
Тип цоколя: E27

Купить

A60 10W PA LS-32 E27 3000 PERFECT

Наименование: Лампа светодиодная стандартная LS-32 10W E27 3000K алюмопл. корп. A-LS-1399
Тип лампы: Стандартная
Артикул: A-LS-1399
Мощность (W): 10
Тип цоколя: E27
Cветовой поток (lm): 900
Световая эффективность (lum/W): 90

Ширина B (мм): 60
Высота A (мм): 120
Температура (К): 3000
Тип света: теплый свет
Напряжение (V): 175-250
Ресурс , часов: 25000
Срок службы, лет: 17
Индекс цветопередачи (Ra): 80
Аналог лампы накаливания (W): 75Вт
Частота электросети (Hz): 50
Температурный режим (град): -20С +40°C
Количество в ящике, шт: 50
Содержание ртути (мг): 0
Класс энергосбережения: A
Штрих код упаковки: 4895127211073
Тип колбы: Стандартная
Цвет стекла: Опаловый
Угол рассеивания град: 200
Производитель: ELECTRUM
Гарантия: 3 года

(Код: A-LS-1399)

107. 03 грн

Тип лампы: Стандартная
Мощность (W): 10
Температура (K): 3000
Тип цоколя: E27

Купить

A60 10W PA LS-V10 E27 4000

Наименование: Лампа светодиодная стандартная LS-V10 10W E27 4000K алюмопл. корп. A-LS-1520
Артикул: A-LS-1520
Мощность: 10
Световой поток: 900
Тип лампы: Стандартная
Напряжение (V): 220
Цветовая температура К: 4000
Тип цоколя: E27
Группа: Лампы
Подгруппа: Лампы светодиодные (LED)
Модель: ls-V10
Тип колбы: Стандартная
Цвет стекла: Опаловый
Тип светодиода: SMD
Угол рассеивания, (C): 270
Ресурс часов: 25000
A mm: 110
B mm: 60
Штрих код упаковки: 4895127217815
Количество в упаковке шт.: 50
Производитель: Electrum

(Код: A-LS-1520)

82.49 грн

Наименование: Лампа светодиодная стандартная LS-V10 10W E27 4000K алюмопл. корп. A-LS-1520
Артикул: A-LS-1520
Мощность: 10
Тип цоколя: E27

Купить

B60 10W PA10L E27 3000 3 шт.

Наименование: Комплект ламп светодиодных стандартных B60 PA10L 10W E27 3000K алюмопл. корп. 3шт. 18-0120
Артикул: 18-0120
Мощность: 10
Световой поток: 750
Тип лампы: Стандартная
Напряжение (V): 220
Цветовая температура К: 3000
Тип цоколя: E27
Группа: Лампы
Подгруппа: Лампы светодиодные (LED)
Модель: PA10L
Тип колбы: Стандартная
Цвет стекла: Опаловый
Тип светодиода: SMD
Угол рассеивания, (C): 250
Ресурс часов: 20000
A mm: 109
B mm: 60
Штрих код упаковки: 4895127203382
Количество в упаковке шт.: 40/120
Производитель: ELM

(Код: 18-0120)

215.98 грн

Наименование: Комплект ламп светодиодных стандартных B60 PA10L 10W E27 3000K алюмопл. корп. 3шт. 18-0120
Артикул: 18-0120
Мощность: 10
Тип цоколя: E27

Купить

Для чего необходима компенсация реактивной мощности? Устройство компенсации реактивной мощности

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), не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей и создает дополнительную нагрузку на силовые линии питания. Поэтому очень важен компенсатор реактивной мощности.

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (ф) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е.: cos(ф) = P/S. Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом. Чем ближе значение cos(ф) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

Пример: при cos(ф) = 1 для передачи 500 KW в сети переменного тока 400 V необходим ток значением 722 А. Для передачи той же активной мощности при коэффициенте cos(ф) = 0,6 значение тока повышается до 1203 А.

Соответственно все оборудование питания сети, передачи и распределения энергии должны быть рассчитаны на большие нагрузки. Кроме того, в результате больших нагрузок срок эксплуатации этого оборудования может соответственно снизиться. Дальнейшим фактором повышения затрат является возникающая из-за повышенного значения общего тока теплоотдача в кабелях и других распределительных устройствах, в трансформаторах и генераторах. Возьмем, к примеру, в нашем выше приведенном случае при cos(ф) = 1 мощность потерь равную 10 KW. При cos(ф) = 0,6 она повышается на 180% и составляет уже 28 KW. Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитным фактором, неблагоприятным для сети в целом.

В результате этого:

• возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
• снижается пропускная способность распределительной сети;
• отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).

 

Все сказанное выше является основной причиной того, что предприятия электроснабжения требуют от потребителей снижения доли реактивной мощности в сети. Решением данной проблемы является компенсация реактивной мощности – важное и необходимое условие экономичного и надежного функционирования системы электроснабжения предприятия. Эту функцию выполняют устройства компенсации реактивной мощности КРМ-0,4 (УКМ-58) — конденсаторные установки, основными элементами которых являются конденсаторы.

Правильная компенсация позволяет:

• снизить общие расходы на электроэнергию;
• уменьшить нагрузку элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продлевая их срок службы;
• снизить тепловые потери тока и расходы на электроэнергию;
• снизить влияние высших гармоник;
• подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
• добиться большей надежности и экономичности распределительных сетей.

Кроме того, в существующих сетях

• исключить генерацию реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки;
• снизить расходы на ремонт и обновление парка электрооборудования;
• увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что позволит подключить дополнительные нагрузки без увеличения стоимости сетей;
• обеспечить получение информации о параметрах и состоянии сети.

А во вновь создаваемых сетях — уменьшить мощность подстанций и сечения кабельных линий, что снизит их стоимость.

 

Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы, то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках; увеличивается падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности – вот ключ к решению вопроса энергосбережения.

Основные потребители реактивной мощности:

• асинхронные электродвигатели, которые потребляют 40% всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами;
• электрические печи 8%;
• преобразователи 10%;
• трансформаторы всех ступеней трансформации 35%;
• линии электропередач 7%.

 

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а косинус фи уменьшается при малой нагрузке. Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40.

Мало нагруженные трансформаторы также имеют низкий коэффициент мощности (косинус фи). Поэтому, применять компенсацию реактивной мощности, то результирующий косинус фи энергетической системы будет низок и ток нагрузки электрической, без компенсации реактивной мощности, будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от косинус фи на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.

Кроме этого, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок).

Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:

• разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;
• снизить расходы на оплату электроэнергии
• при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник;
• подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
• сделать распределительные сети более надежными и экономичными.

 

продольная и поперечная компенсация реактивной мощности

Понимание основ реактивной мощности

Реактивная мощность малопонятна для не инженеров и важна при проектировании систем электроснабжения, особенно на уровне распределения. Хотя для понимания реактивной мощности требуется знание интегрального исчисления, основные интуитивные представления можно понять без тщательного математического изучения. По мере того, как системы распределения становятся более сложными с распределенными энергоресурсами и автоматизацией спроса, участникам отрасли необходимо общее понимание последствий «воображаемой мощности» для эффективности и стабильности системы.

Реактивная мощность – это электричество, которое одновременно бесполезно и необходимо

Электрическая мощность (P, в ваттах) состоит из напряжения (В, в вольтах) и тока (I, в амперах). Формула P = V × I. Хорошей аналогией для описания взаимосвязи между напряжением и током является вода, текущая по реке. Ток — это скорость воды, а напряжение — наклон реки. Когда становится круче, эта река ведет себя странно. Скорость течения остается прежней, однако вода становится более плотной, и в результате течение становится тяжелее. Способность потока толкать вас вниз по реке — скорость течения, умноженная на плотность воды (напряжение) — это сила реки.

кажущаяся мощность реки — если ее просто измерить — включает как поступательное движение, так и нисходящее давление на русло реки. В то время как поступательное движение полезно для выполнения работы (скажем, для запуска небольшой гидротурбины), давление на русло реки служит только для поддержания течения. Это разница между реальной мощностью (P, в ваттах) и реактивной мощностью (VAr, в мнимых ваттах). Отношение реактивной мощности к полной мощности (активная мощность ² + реактивная мощность ² ) ^1/2 называется коэффициентом мощности . Рассмотрим пример лошади, тянущей вагон.

Пример коэффициента мощности: использование лошади и дрезины

Источник: Consolidated Edison

Как показано на рисунке выше, представьте себе лошадь, которая тянет вагон с края пути. Хотя лошадь привязана по диагонали, вагон может двигаться только по рельсам. Сила натяжения веревки — это кажущаяся мощность; только часть этой мощности равна «рабочая» (реальная) мощность, тянущая вагон вперед. Из-за угла тяги лошади часть затрачиваемой энергии тратится впустую в виде «нерабочей» (реактивной) мощности. По мере того, как этот угол становится больше, соотношение между реальной мощностью и реактивной мощностью снижается до тех пор, пока лошадь не начнет отрываться от рельсов, вообще не двигая вагон. Это соотношение часто рассчитывается как коэффициент мощности: деление активной мощности на полную мощность (активная + реактивная).

Огромные отключения электроэнергии произошли в результате сбоев реактивной мощности

Реактивная мощность важна для потока энергии, поскольку она помогает регулировать напряжение. Возвращаясь к аналогии с рекой, без русла реки, на которое можно было бы опираться для движения вперед, не могло бы быть течения воды. Увеличение реактивной мощности можно описать как увеличение крутизны русла реки при одновременном «выдавливании» воды вперед. Это «сжатие» увеличивает плотность воды и позволяет ей двигаться дальше. Точно так же реактивная мощность имеет решающее значение в линиях электропередачи для повышения напряжения вверх по течению и «сжатия» потока вниз по течению.

Производство реактивной мощности, иногда называемой мнимой мощностью , требует мощности электростанции, но не дает прямой экономической выгоды — представьте себе лошадь, тянущую вагон по диагонали. Для интегрированных коммунальных предприятий-монополистов работа электростанций по производству реактивной мощности компенсируется через тарифную базу. Для торговых генераторов реактивная мощность отнимает мощность станции, которая вместо этого могла бы производить реальную энергию. Таким образом, реактивная мощность должна компенсироваться в качестве вспомогательной услуги.

14 июля 2003 г. на северо-востоке США и в Канаде произошло историческое отключение электроэнергии, которое затронуло около 55 миллионов человек в восьми штатах и ​​одной провинции. Среди причин этого огромного отказа системы в качестве важного фактора была названа острая нехватка реактивной мощности. В часы, предшествовавшие отключению электроэнергии, спрос на реактивную мощность был особенно высоким из-за больших объемов передачи на большие расстояния через Огайо в Канаду. В то же время предложение реактивной мощности было опасно низким отчасти из-за отсутствия стимула для производства реактивной мощности. Сбои реактивной мощности также способствовали отключениям электроэнергии на Западе (1996) и во Франции (1978).

Реактивная мощность возникает в результате задержки между током и напряжением

В цепи постоянного тока (DC) мощность имеет постоянную интенсивность и может течь только в одном направлении. С другой стороны, ток и напряжение в цепях переменного тока (AC) быстро колеблются, и кажется, что мощность течет во всех направлениях. Скорость флуктуаций называется частотой  , а задержка между двумя «частотами» – их фазовый угол . Фазовый угол важен как в одном месте, так и между двумя точками. Например, задержка частоты напряжения между начальной и конечной точками провода дает потоков мощности . Важным фактором в цепях переменного тока является задержка между колебаниями напряжения и тока в любой точке. Когда ток и напряжение в одной точке находятся в идеальном соотношении в фазе друг с другом, таким образом, имея точно такое же время, вся мощность, полученная от потока, равна реальная мощность . По мере того как задержка между током и напряжением увеличивается, увеличивается и количество реактивной мощности — лошадь все дальше тянет от вагона. Реактивная мощность присутствует всякий раз, когда ток «отстает» или «опережает» напряжение.

Фазы тока, напряжения и мощности в системе переменного тока

Источник: MIT Electric Grid of the Future Report

Препятствия для потоков мощности на линии электропередач называются импедансами . Эти импедансы могут быть сопротивлением или реактивным сопротивлением. Сопротивление — это трение электронов с атомами внутри электрических проводников, которое в равной степени влияет как на ток, так и на напряжение, преобразуя небольшое количество энергии в отработанное тепло. Реактивное сопротивление может относиться либо к электрическим полям, либо к магнитным полям. Электрические поля , влияющие на напряжение, создаются, когда две электрически заряженные металлические пластины помещаются близко друг к другу, не касаясь друг друга. Эти конденсаторы создают напряжение без протекания тока, тем самым эффективно накапливая и задерживая колебания напряжения относительно тока. Магнитные поля , с другой стороны, вызывают отклонение тока от напряжения. Сами электрические линии постоянно накапливают и извлекают переменный ток в магнитном поле, которое закручивается по спирали вокруг провода. Катушки индуктивности — это специально разработанные катушки проволоки, предназначенные для накопления тока в магнитных полях. Некоторые бытовые приборы, такие как электродвигатели и холодильники, обладают индуктивными свойствами.

Когда ток отстает от напряжения, возникает положительная реактивная мощность в цепи. Наиболее важной причиной положительной реактивной мощности является реактивное сопротивление самих линий электропередач. На протяжении всей линии часть тока совершает «объезд» в спиралевидном магнитном поле вокруг линии. Трансформаторы, основанные на катушках индуктивности, также вводят в линии положительную реактивную мощность. На краю сети индуктивные приборы, такие как электродвигатели и холодильники, также вносят положительную реактивную мощность.

Поскольку более высокая реактивная мощность соответствует более высокому напряжению, слишком большая положительная реактивная мощность в одной части сети может вызвать резкое падение напряжения. Чтобы компенсировать реактивное сопротивление линий электропередач, трансформаторов и индуктивных приборов, необходимо обеспечить достаточную подачу отрицательной реактивной мощности. Эта услуга может быть оказана электростанциями, хотя и за счет реального производства электроэнергии и ограничена пропускной способностью. В качестве альтернативы отрицательная реактивная мощность может быть использована ниже по потоку для улучшения потока мощности. Например, конденсаторы, размещенные рядом с трансформаторами и индуктивными нагрузками, можно использовать для уменьшения падений напряжения там, где это наиболее необходимо. Некоторые электрические устройства, такие как интеллектуальные инверторы, также могут локально стабилизировать реактивную мощность.

Регулирование реактивной мощности в системе распределения электроэнергии

Хотя реактивная мощность необходима для стабильности напряжения при передаче, слишком большая положительная реактивная мощность в системе распределения влияет на энергоэффективность. Возвращаясь к примеру с лошадью и дрезиной, увеличение угла тяги снижает реальную мощность, прикладываемую к дрезине. В 2011 году Consolidated Edison в Нью-Йорке ввела плату за реактивную мощность, чтобы наказать крупных потребителей электроэнергии с неэффективным индукционным оборудованием. Коммунальное предприятие рекомендует крупным потребителям устанавливать конденсаторы рядом с индуктивными нагрузками, зацикливать работу индуктивного оборудования и модернизировать свои предприятия более эффективным оборудованием, чтобы поддерживать их коэффициент мощности выше 9.5%.

Реактивная мощность — задержка между напряжением и током в данной точке — зависит от ограничений передачи. В результате часто приходится производить реактивную мощность вблизи того места, где она необходима. Кроме того, некоторым приборам, таким как электродвигатели, для правильной работы магнитов требуется отрицательная реактивная мощность. Таким образом, локальная подача реактивной мощности намного эффективнее, чем ее производство издалека. Именно здесь распределенные энергетические ресурсы могут принести значительные преимущества в регулировании реактивной мощности.

Согласно SDG&E, интеллектуальные инверторы могут эффективно регулировать реактивную мощность с небольшими дополнительными затратами. В январе 2014 года Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии выпустила технический отчет, в котором рекомендуются стандарты для возможностей интеллектуальных инверторов. PJM также выступила с решительным заявлением в поддержку интеллектуальных инверторов для регулирования реактивной мощности. Согласно документам рабочей группы IEEE 1547, «результаты […] моделирования показывают, что реальный и реактивный встречный поток не является серьезной проблемой и что нет необходимости вносить какие-либо существенные изменения в работу фидера».0109 при высоком уровне проникновения [интеллектуальных] инверторов ». В апреле 2014 года FERC опубликовала отчет персонала, в котором изложены методологии компенсации реактивной мощности в качестве вспомогательной услуги. С добавлением новых возможностей «умной сети», таких как автоматизация, прогнозная аналитика и местная координация, реактивная мощность может стать единственной лошадью, которую мы можем приручить.

Что такое реактивная мощность и как ее можно 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 системам 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 из Университета Питтсбурга 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 характеристиками реактивной мощности и сроком службы устройства.

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