Эволюция устройств компенсации реактивной мощности. Традиционные устройства компенсации реактивной мощности. Прогрессивные устройства коррекции коэффициента мощности для сетей низкого и среднего напряжения.
Перетоки реактивной мощности, негативно влияющие на генерацию, транспорт и качество поставляемой электроэнергии, официально признаны проблемой на рубеже XIX – XX веков, а первые практические шаги для компенсации реактивной мощности были сделаны еще в 1914 году путем включения в сеть последовательно с нагрузкой шунтирующих конденсаторов и долгое время статические батареи конденсаторов оставались если и не единственным, то наиболее популярным средством коррекции коэффициента мощности в сетях с индуктивными нагрузками. Со второй половины прошлого века параллельно со статическими релейными (контакторными) установками компенсации реактивной мощности с механическим включением и отключением ступеней батарей шунтирующих силовых конденсаторов начали использовать и другие средства коррекции мощности.
На рубеже нового тысячелетия претерпела изменение сама концепция электрической сети, которая сегодня переведена из категории пассивных устройств транспорта электроэнергии в активную систему, участвующую и влияющую на процесс генерации, передачи и потребления электрической энергии, что определило необходимость разработки технологий, средств и алгоритмов управления сетью, ее элементами, узлами и нагрузками. Так, по сути, сформировалась концепция гибких управляемых систем электропередачи переменного тока FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System), формализованная американским Институтом электроэнергетики EPRI, в которые для контроля и управления генерацией, транспортом и потреблением электроэнергии интегрировались традиционные и новые средства коррекции коэффициента мощности и повышения качества электроэнергии - самокоммутируемые преобразователи напряжения, статические тиристорные компенсаторы (устройства компенсации реактивной мощности с тиристорным переключением TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor), реакторы с тиристорным управлением TCR (Thyristor Controlled Reactor), конденсаторные батареи с тиристорным переключением TSC (Thyristor Switched Capacitor), системы статической компенсации реактивной мощности SVC (Static VAR Compensator) - комбинации компонентов TCR и TSC), синхронные статические компенсаторы STATCOM (Static Synchronous Compensator), управляемые устройства (фазоповоротные и продольной емкостной компенсации, регуляторы потока мощности UPFC (Unified Power Flow Controllers), динамические восстановители напряжения DVR (Dynamic Voltage Restorers), интерлайн-регуляторы потока (IPFC), сверхпроводящие электромагнитные запоминающие устройства (SMES), асинхронизированные машины, электромашинновентильные комплексы и т.д.) и управляющие системы – WAMPAC (wide-area monitoring, protection, and control systems - глобального мониторинга, защиты и управления) и глобального позиционирования (GPS), фазных измерений (PMU) и диспетчерского управления/сбора информации (SCADA), защиты схем управления (SPS) и т.д.
Традиционные устройства компенсации реактивной мощности.
К традиционным устройствам компенсации реактивной мощности сегодня можно отнести:
- механически (вручную) переключаемые типовые релейные (контакторные) установки типа КРМ, УКРМ с фильтрами высших гармоник и без, в основном ориентированные на компенсацию реактивной мощности по централизованной, групповой, индивидуальной или комбинированной схемах на участках сетей и в сетях низкого (или среднего напряжения) с линейными нагрузками.
Довольно ограниченное использование (по типу нагрузки и уровню напряжения) релейных установок с механическим включением/отключением ступеней батарей конденсаторов обусловлено продолжительностью включения/отключения блока (батареи) силовых конденсаторов даже с помощью вакуумных контакторов, что при быстрой динамике потребности нагрузки в реактивной мощности создает существенные риски перенапряжений или провалов напряжения со всеми вытекающими из этого негативными последствиями.
Более продвинутые, но и значительно более дорогие версии релейных установок компенсации реактивной мощности оборудуются импульсно-модуляционными преобразователями (ИМП) и индуктивностью для компенсации мгновенной реактивной мощности.
Релейные (контакторные) установки для коррекции коэффициента мощности с импульсно-модуляционным преобразователем и емкостным (а) и индуктивным (б) накопителями энергии.
Диаграммы напряжений и токов релейной установки коррекции коэффициента мощности компенсатора с ИМП и нагрузкой сложного характера, где:
а) напряжения и токи трёх фаз распределительной сети;
б) напряжение и токи фазы А: линейной нагрузки IAлн, нелинейной нагрузки IAнн и компенсатора IAк.
Прогрессивные устройства коррекции коэффициента мощности для сетей низкого и среднего напряжения.
Базовую линейку устройств коррекции коэффициента мощности для сетей низкого и среднего напряжения формируют:
- установки компенсации реактивной мощности типа TSC с применением управляемых вентилей (тиристоров)
- управляемые тиристорными переключателями, со срабатыванием (переключением между ступенями) от 1/2 до 2 циклов колебаний тока/напряжения (от 0,02 с). Тиристорные установки компенсации реактивной мощности обеспечивают переключение конденсаторных батарей в момент равенства напряжений на конденсаторах и в сети во время, достаточное для коммутации с нелинейной нагрузкой, практически не генерировали высших гармоник и впервые были использованы в 50-х годах прошлого века.
Однако установки компенсации реактивной мощности типа TSC так и оставались дискретными по генерации реактивной мощности из-за ступенчатого переключения батарей, оперативность переключения которых обеспечивалась отдельным дорогим тиристором на каждой ступени. Некоторого снижения материалоемкости и цены установок TSC удалось добиться использованием тиристорно-диодных схем, но это привело к увеличению задержки включения/отключения ступеней, а значит и повышению рисков перенапряжения и провалов напряжения в сети.
Бинарные тиристорно-диодные переключатели (сверху) и диаграммы токов бинарной тиристорно-диодной установки(снизу), где:
а - d – токи по В1 – В4; е – результирующая кривая тока установки.
Справка: Установки компенсации реактивной мощности типа TSC с применением управляемых вентилей (тиристоров) на тиристорно-диодных схемах по факту – компенсирующие устройства прямой компенсации, в которых ступенчатое регулирование осуществляется с помощью включения и отключения батарей конденсаторов (и фильтров высших гармоник) в зависимости от динамики потребности в реактивной мощности энергопотребляющего устройства (нагрузки). Здесь нивелирование переходных процессов при включении/отключении, вызывающих колебания напряжения, достигается включением конденсаторных батарей тиристорными ключами в момент равенства напряжения в сети и на конденсаторах и по величине, и по полярности.
Устройства TSC с применением управляемых вентилей (тиристоров) прямой компенсации: а – схема; б – принцип работы, где 1-5 – ступени компенсации.
- управляемые тиристорами реакторы (TCR) и комбинированные установки компенсации реактивной мощности TSC-TCR с применением управляемых вентилей (тиристоров) на тиристорно-диодных схемах для управления переключением ступеней батарей статических конденсаторов и реакторов. Это устройства компенсации реактивной мощности с динамическим (плавным) регулированием индуктивного элемента (реактора) и нерегулируемой (TCR) или регулируемой (TSC-TCR) части – блока конденсаторных батарей (или фильтров высших гармоник). Индуктивность (реактор) в топологии устройства используется для демпфирования излишков генерируемой конденсаторами реактивной мощности, попадающих в сеть при переключении ступеней конденсаторных батарей. Регулируемые с применением управляемых вентилей конденсаторные батареи (TSC-TCR) в определенной степени решают проблему дискретности по генерации реактивной мощности
Справка: По факту управляемые тиристорами реакторы (TCR) и комбинированные установки TSC-TCR - статические компенсирующие устройства косвенной компенсации с применением управляемых вентилей (тиристоров), где нивелирование перепадов сетевого напряжения достигается за счет потребления генерируемой конденсаторами реактивной мощности управляемым реактором тогда, когда она не востребована нелинейной нагрузкой (и наоборот), причем регулирование и быстродействие устройства должно обеспечивать баланс наброса и сброса реактивной мощности в соответствии с потребностью нагрузки.
Рис. Компенсация реактивной мощности устройством косвенной компенсации TSC-TCR, где: а – схема; б – принцип действия устройства косвенной компенсации реактивной мощности.
Регулирование тока в реакторе, как правило, осуществляется посредством встречно-параллельно включенных тиристоров (время задержки 0.01 с), но ряд зарубежных компаний поставляет устройства с управляемым насыщающимся реактором (время задержки 0.06 с).
- установки синхронной компенсации реактивной мощности - синхронные двигатели разных типов и специальной конструкции, которые при работе на холостом ходу и в режиме перевозбуждения обмотки генерируют реактивную мощность. Для устройств синхронной компенсации характерно меньшее быстродействие в сравнении со статическими устройствами компенсации, отсутствие возможности управления по фазам, а также интеграции с FACTS.
Сравнение возможностей быстродействующих синхронных компенсаторов и статических устройств компенсации реактивной мощности с применением управляемых вентилей.
| Параметры сравнения | Специальный быстродействующий синхронный компенсатор | Статические тиристорные компенсирующие устройства | |
|---|---|---|---|
| прямой компенсации | косвенной компенсации | ||
| Скорость регулирования, с | Более 0,06 | Менее 0,02 | Менее 0,01 |
| Регулирование | Плавное | Ступенчатое | Плавное |
| Строительная часть | Массивные фундаменты | Фундаменты не требуются, большая гибкость монтажа | |
| Обслуживание | Смазка, охлаждение и т. д. | Обслуживания практически не требуется | |
| Отношение Qуст к Qmax, отн. ед. | 0,5–0,7, имеется возможность перегрузки до 2-х кратной | 1,0; перегрузка не допускается | 2,0; регулируемая индуктивная часть 1,0; емкостная нерегулируемая часть 1,0 |
| Работа на несимметричную нагрузку | Показное управление практически невозможно | Осуществляется пофазное управление практически без дополнительных затрат | |
| Потери от номинальной мощности, % | 2,5 – 4,0 | 0,5 – 1,0 | 1,0 – 2,0 |
| Искажение питающего напряжения | Нет | Нет | Управляемый тиристорами реактор является источником высших гармоник |