What is reactive power?
Quando se trata de "compensação reativa ", primeiro precisamos entender o conceito de potência reativa. A energia reativa é relativamente fácil de entender porque pode fazer trabalho, gerar calor e dirigir a rotação do motor, etc. Por exemplo, quando a corrente CA passa por um resistor puro, a corrente pode fazer com que o resistor gere calor, o que significa que a energia elétrica é convertida em energia térmica. No entanto, a energia reativa é mais difícil de entender. Ele só existe em energia AC, e não há problema de energia reativa em energia DC. Por exemplo, quando a corrente CA passa por uma carga de capacitância pura ou indutância pura, ela não funciona. Em outras palavras, a capacitância pura ou a carga de indutância pura não consomem energia ativa, mas a corrente e a tensão correspondente que flui através deles formam energia CA, que é chamada de energia reativa. Teoricamente, a energia reativa não funciona, por isso não deve gerar luz e calor, nem pode conduzir a rotação do motor. As cargas que muitas vezes encontramos raramente são puras indutivas ou puras capacitivas, mas cargas mistas. Quando a corrente passa por eles, alguma energia pode fazer o trabalho enquanto que outros não podem. A força que não pode fazer trabalho é a força reativa. Para mostrar intuitivamente a relação entre a potência reativa e a potência ativa, as pessoas usam o conceito de fator de potência para descrever a taxa de utilização da energia elétrica. Quanto mais próximo o fator de potência é de 1, maior a proporção de potência ativa e maior a taxa de utilização da energia elétrica; inversamente, quanto mais próximo o fator de potência é de 0, menor a proporção de potência ativa e menor a taxa de utilização da energia elétrica. Para melhorar a taxa de utilização da energia elétrica, o conceito de "compensação reativa" é proposto.
Compreendendo os conceitos de potência reativa, potência ativa e fator de potência, bem como o propósito fundamental da compensação reativa para melhorar a utilização de energia elétrica, agora vamos nos aprofundar em uma análise detalhada. Por que a compensação reativa é necessária? Qual é o princípio por trás da compensação reativa? Quais são as formas de compensação? E como se sai a sua economia?
Chapter 02: Why Reactive Compensation is Necessary
A energia reativa não é de forma alguma energia inútil. Em sistemas de alimentação de corrente alternada, os indutores e capacitores são cargas indispensáveis, como as cargas ferro-magnéticas de motores e transformadores. Sem a excitação reativa indutiva, o equipamento não pode operar corretamente. Por exemplo, uma linha de transmissão de energia de distância fixa em si é uma carga capacitiva, que age como um capacitor ao fornecer energia. Nos sistemas de alimentação de energia AC, a existência de energia reativa desempenha um papel significativo na transmissão e troca de energia, e é indispensável. Na verdade, o sistema não pode funcionar corretamente sem troca de energia reativa.
De onde vem grande quantidade de energia reativa? No sistema, numerosas cargas reativas, especialmente cargas reativas indutivas, normalmente extraem energia reativa de usinas elétricas. Quando um gerador está em operação, ele não só libera energia elétrica ativa para o sistema, mas também fornece energia reativa correspondente às cargas indutivas. O gerador deve manter uma saída reativa adequada durante a operação. A falha em fazê - lo pode ter um impacto prejudicial no sistema de geração de energia, destacando a importância de manter o equilíbrio de potência reativa no sistema.
Quando a demanda de energia reativa no sistema aumenta, se não forem instalados dispositivos de compensação reativa artificial no sistema, a usina tem que aumentar sua potência reativa de saída por meio de modulação de fase. No entanto, devido à capacidade limitada do gerador, isso necessariamente reduziria sua potência ativa, reduzindo efetivamente sua capacidade de saída geral. Para atender à demanda de eletricidade, a capacidade dos geradores, linhas elétricas e transformadores precisaria ser aumentada. Isso não só aumentaria o investimento no fornecimento de energia, mas também diminuiria as taxas de utilização de equipamentos e aumentaria as perdas de linha.
Para reduzir a pressão de alimentação reativa das usinas elétricas, investimos capacitores correspondentes em pontos do sistema de alimentação onde as cargas indutivas consomem uma grande quantidade de energia para fornecer energia reativa para as cargas indutivas. Isso reduz significativamente a pressão da fonte de alimentação reativa nas usinas elétricas. Com base na melhoria do fator de potência natural, os usuários devem projetar e instalar dispositivos de compensação reativa e ativá - los ou desativá - los oportunamente de acordo com suas flutuações de carga e tensão para evitar a entrega reversa de energia reativa. Ao mesmo tempo, o fator de potência do usuário deve atender ao padrão correspondente para evitar taxas de eletricidade adicionais do departamento de suprimento de energia. Portanto, tanto para os departamentos de fornecimento de energia como para os usuários de eletricidade, a compensação automática da potência reativa para melhorar o fator de potência e evitar a entrega inversa da potência reativa é de grande importância na economia de energia e na melhoria da qualidade operacional.
Chapter 03: What is the Principle of Reactive Compensation?
● Analyzed from the Perspective of Energy Absorption and Release
A maioria das cargas reativas mencionadas no sistema são geralmente cargas reativas indutivas. Quando dispositivos com cargas de potência capacitiva são conectados em paralelo com cargas de potência indutiva no mesmo circuito, a carga capacitiva libera energia quando a carga reativa indutiva absorve energia e vice-versa. A energia é trocada entre as cargas capacitivas e indutivas. A potência reativa absorvida pela carga capacitiva pode ser compensada pela saída de potência reativa do dispositivo de carga capacitiva, e a potência reativa é localmente equilibrada para reduzir as perdas de linha, melhorar a capacidade de carga, reduzir as perdas de tensão e aliviar a pressão da fonte de alimentação da usina. Este é o princípio básico da compensação reativa.
● 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.
A diferença de fase entre a corrente em um capacitor e a corrente em um indutor é de 180 °, que podem se anular. A maioria das cargas em um sistema de energia são indutivas, de modo que a corrente total I atrasará a tensão por um ângulo Φ 1. Se um capacitor paralelo estiver conectado em paralelo com a carga, então I ′ = I IC. A corrente do capacitor irá compensar uma parte da corrente indutiva, resultando em uma redução da corrente total de I para I ', e o ângulo de fase é reduzido de Φ 1 para Φ 2. Isso pode melhorar o fator de potência e gerenciar a potência reativa localmente.
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.
Com base no tipo de equipamento de compensação, ele pode ser dividido em compensação de capacitor de comutação (compensação FC), compensação rotativa mecânica (como compensadores síncronos, geradores síncronos e motores síncronos), compensação de potência reativa estática (compensadores estáticos: capacitores comutados por tiristor TSC, reatores controlados por tiristor TCR, reatores controlados magneticamente MCR; Compensadores síncronos estáticos STATCOM; geradores de var estáticos SVG) e compensação de potência reativa composta (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.
Compensação do lado do equipamento no local Compensação do lado do equipamento no local é um método de fornecer compensação de potência reativa para equipamentos elétricos individuais. Isso envolve conectar diretamente capacitores ao mesmo circuito elétrico que o equipamento individual e usar o mesmo interruptor para o controle, operando simultaneamente ou desconectando-os. Este método de compensação tem o melhor efeito, pois os capacitores estão próximos do equipamento elétrico para equilibrar a corrente reativa localmente, evitando a sobrecompensação em condições sem carga e garantindo a qualidade da energia. Este método de compensação é comumente usado para motores de alta e baixa tensão e outros equipamentos elétricos. No entanto, quando o equipamento do usuário opera de forma não contínua, a taxa de utilização dos capacitores é baixa e seus benefícios de compensação não podem ser totalmente realizados.
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.
Compensação centralizada na subestação A compensação centralizada na subestação envolve a instalação de todos os grupos de capacitores nos barramentos primários ou secundários da subestação. Este método de compensação é simples de instalar, confiável em operação e pode compensar coletivamente a potência reativa do sistema de baixa tensão 0.4KV. Tem um efeito direto na melhoria do fator de potência no lado primário do transformador (geralmente um ponto de medição 10KV). Este tipo de método de compensação é atualmente a solução mais amplamente utilizada e relativamente rentável.
● Compensation forms based on compensation equipment types
Existem muitos tipos de equipamentos de compensação, e a escolha geralmente é baseada no equipamento operacional real no local. Cada dispositivo tem suas próprias vantagens e desvantagens. Neste artigo, apresentaremos brevemente dois produtos que são mais amplamente utilizados no sistema de distribuição 0.4KV no mercado: compensação de capacitores de comutação (compensação FC) e gerador var estático (compensação SVG).
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.
Devido ao fato de que a comutação de capacitores paralelos em tempos anteriores foi alcançada através de contatores, que têm um tempo de resposta na escala de segundo nível, sua desvantagem fatal foi a grande corrente de entrada durante a comutação. Em casos severos, pode atingir 50 - 100 vezes a corrente nominal do capacitor de compensação, resultando em luz de arco significativa e causando danos aos capacitores e contatores. Com base na operação real das cargas no local, alternativas aos contatores, como interruptores síncronos, interruptores híbridos e interruptores tiristores, surgiram gradualmente no mercado. Essas alternativas melhoraram muito a comutação em tensão zero e a interrupção em corrente zero, reduzindo significativamente os danos causados pelo equipamento por comutação de corrente de entrada.
Para alcançar o controle de comutação inteligente, sistema de aquisição de dados diversificado, diversas funções de proteção e instalação e manutenção simplificadas, outro tipo de compensação de capacitor de comutação foi desenvolvido nos últimos anos - o capacitor inteligente. Em comparação com a compensação de capacitância tradicional, tem múltiplas funções tecnológicas que os capacitores tradicionais não podem alcançar. Além disso, com a electronização dos equipamentos de carga, o impacto dos harmônicos no sistema de distribuição não pode ser ignorado, especialmente nos capacitores. Portanto, em resposta a efeitos harmônicos, a compensação FC também sofreu muitas melhorias relacionadas. Por exemplo, foi introduzido o conceito de taxa de reação em série. Quando deve ser usada uma taxa de reação em série de 6% ou 7%? E quando deve ser usado uma taxa de reatância em série de 13% ou 14%? Esta parte será mais explicada em um tópico posterior.
Static Var Generator (SVG) Compensation
Um gerador var estático é um dispositivo eletrônico do poder novo usado para a compensação reativa do poder. Pode rápida e continuamente compensar quantidades variáveis de potência reativa e sequências negativas. Sua aplicação pode superar a velocidade de resposta lenta, o controle de compensação impreciso e a tendência de causar ressonância paralela e oscilação de comutação em compensadores de potência reativa tradicionais, como os compensadores FC.
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.
De acordo com o aviso sobre o "Método de Ajuste das Taxas de Electricidade Baseado no Fator de Potência", não é difícil descobrir que as regras de ajuste do fator de potência tomam 0,9 como valor padrão. Ao aumentar o fator de potência, os usuários podem reduzir suas tarifas totais de eletricidade. Além disso, os usuários de distribuição com um fator de potência superior a 0,9 também podem receber recompensas da empresa de energia para ajuste do fator de potência. Através de uma compensação razoável, o fator de potência no ponto de medição pode ser ajustado para atender aos padrões nacionais, o que pode eliminar os encargos do fator de potência e reduzir significativamente os custos de eletricidade para os usuários de energia.
A economia de energia ativa dos dispositivos dinâmicos de compensação de energia reativa reduz apenas a perda na alimentação e distribuição do ponto de compensação para o gerador. Portanto, a compensação de energia reativa no lado da rede de alta tensão não pode reduzir a perda no lado de baixa tensão ou melhorar a taxa de utilização de transformadores de potência de baixa tensão. De acordo com a teoria da compensação óptima, a compensação dinâmica local do poder reactivo tem o efeito de poupança de energia o mais significativo.
Além disso, muitos dispositivos de compensação no mercado promovem conceitos como "estalva de energia " e" poupança de energia ". A maioria deles começa com a compensação de potência reativa, melhora o fator de potência, reduz as penalidades do fator de potência ou transforma as penalidades do fator de potência em recompensas do fator de potência, alcançando, em última análise, o objetivo de economizar dinheiro para os usuários de distribuição. Portanto, do ponto de vista da transferência natural de energia na natureza, a compensação de potência reativa estritamente não pertence à categoria de "estalva de energia " ou" poupança de energia ". "No entanto, pode realmente economizar dinheiro para os usuários de distribuição.
● Reduzir as perdas nas linhas de transmissão e transformadores Compensação razoável pode reduzir efetivamente a corrente do sistema. Tomando uma potência natural do sistema de 0,7 como exemplo, se o fator de potência do sistema for aumentado para perto de 1 através de dispositivos de compensação, a corrente do sistema cairá em cerca de 30%. Isso significa que a perda nas linhas e transformadores pode ser reduzida para P = I2R = (1 - 30%) 2R = 0,49R, que é uma redução de 51% nas perdas de linha e transformador. O fator de potência natural de uma empresa de eletricidade é geralmente em torno de 0,7. A taxa de redução da perda de linha e da perda de cobre nos transformadores ao aumentar o fator de potência de 0,7 para acima de 0,95 é mostrada na tabela abaixo.
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
Os dispositivos de compensação podem efetivamente reduzir a energia atual e aparente do sistema, reduzindo efetivamente a capacidade de todos os equipamentos relacionados na construção da rede elétrica e reduzindo o investimento na construção da rede elétrica. Para um sistema com um fator de potência de cerca de 0,7, a compensação efetiva pode reduzir a corrente do sistema em 30%, o que significa aumentar a capacidade de carga das usinas e instalações de transformação e distribuição de energia em 30%.
Se houver capacidade insuficiente em transformadores e linhas, o método de instalação de dispositivos de compensação de potência reativa pode ser usado. A instalação de dispositivos de compensação de potência reativa pode equilibrar a potência reativa localmente, reduzindo a corrente que flui através de linhas e transformadores, abrandando a velocidade de envelhecimento do isolamento do fio e do transformador e estendendo sua vida útil. Ao mesmo tempo, ele pode liberar a capacidade de transformadores e linhas, aumentando sua capacidade de carga. Por exemplo, com um transformador de 100 KVA atualmente operando a 85% de carga com um COSΦ de 0,7, a instalação de equipamentos de compensação de potência reativa pode aumentar a capacidade de carga do transformador em 30%. Os usuários podem aumentar sua carga sem expandir a capacidade para facilitar uma maior expansão da produção.
● 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.
Por outro lado, com o desenvolvimento da indústria, o uso de um grande número de equipamentos de controle automático e cargas não lineares resultou em um fluxo significativo de harmônicos na rede de distribuição de energia, contaminando a rede. Uma das principais maneiras de melhorar a qualidade da energia é Reduzir significativamente o impacto dos harmônicos no sistema de alimentação e equipamentos elétricos através da alocação razoável de equipamentos de filtragem de compensação.
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)
