Co to jest technologia kompensacji mocy reaktywnej jej strategie optymalizacyjne i znaczenie

1 Przegląd technologii kompensacji mocy biernej
1.1 Rola technologii kompensacji mocy biernej

Technologia kompensacji mocy biernej jest jedną z szeroko stosowanych technik w systemach energetycznych i sieciach elektrycznych. Głównym celem jej zastosowania jest poprawa współczynnika mocy, zmniejszenie strat liniowych, zwiększenie jakości energii oraz podniesienie zdolności przesyłowej i stabilności sieci. Dzięki temu urządzenie elektroenergetyczne działa w bardziej stabilnym i niezawodnym środowisku, co jednocześnie zwiększa zdolność sieci do przesyłania mocy czynnej.

1.2 Ograniczenia technologii kompensacji mocy biernej

Mimo szerokiego zastosowania, technologia kompensacji mocy biernej nie jest odpowiednia dla wszystkich scenariuszy. Na przykład, w systemach z często zmieniającymi się obciążeniami, prędkość przełączania urządzeń kompensacyjnych może nie nadążać za szybkimi zmianami obciążeń. To może prowadzić do niewystarczającej reakcji, co powoduje niestabilne wahania napięcia w sieci.

W niektórych przypadkach urządzenia kompensacji mocy biernej mogą generować harmoniczne prądy i napięcia, które mogą negatywnie wpływać na cały system energetyczny i połączone urządzenia. Dlatego kwestie harmoniczne muszą być w pełni uwzględnione podczas projektowania i wdrażania schematów kompensacji, a należy zastosować odpowiednie środki tłumienia.

2 Strategie optymalizacji kompensacji mocy biernej

Propozycja technologii kompensacji mocy biernej opartej na kondensatorach mocy przedstawiona w tym artykule jest realizowana w ramach kompleksowego systemu kompensacji. System składa się głównie z trzech elementów: głównego kontrolera S751e-JP, modułu sterującego S751e-VAR (jednostka wykonawcza przełączania kondensatorów) oraz banku kondensatorów mocy. Główny kontroler S751e-JP i moduł sterujący S751e-VAR działają w relacji master-slave.

W normalnym trybie pracy, moduł sterujący S751e-VAR otrzymuje instrukcje od głównego kontrolera S751e-JP i odpowiednio steruje wewnętrznymi przełącznikami, aby przełączać zaprogramowane grupy kondensatorów mocy. Główny kontroler S751e-JP odpowiada za zbieranie i analizowanie rzeczywistych danych operacyjnych z systemu energetycznego. Wykorzystując wbudowane oprogramowanie i algorytmy, oblicza wymaganą ilość kompensacji mocy biernej, a następnie konwertuje te informacje na sygnały zrozumiałe dla modułu sterującego S751e-VAR. Po otrzymaniu polecenia, moduł sterujący wykonuje operacje przełączania zgodnie z predefiniowaną logiką, umożliwiając precyzyjną kompensację mocy biernej w systemie energetycznym.

2.1 Projektowanie i konfiguracja urządzeń kompensacji mocy biernej
2.1.1 Pojemność kompensacji kondensatorów mocy

Do oszacowania pojemności kompensacji kondensatorów mocy często stosuje się uproszczone metody obliczeniowe. Jednak te metody mają pewne ograniczenia w praktyce. Dlatego ten artykuł proponuje bardziej szczegółowy i dokładny algorytm do określenia potrzebnej kompensacji. Najpierw ustala się początkowy współczynnik mocy (cosφ) systemu w stanie bez kompensacji.

$P$ i $Q$ to wartości mocy czynnej i biernej, odpowiednio, gdy sieć działa przy pełnym obciążeniu;
$\α$ to roczny średni współczynnik obciążenia czynnego systemu energetycznego (lub sieci), zwykle mieszczący się w zakresie 0,70-0,75;
$\β$ to roczny średni współczynnik obciążenia biernego systemu energetycznego (lub sieci), zwykle przyjmowany jako 0,76.

Jeśli system energetyczny jest już w normalnym trybie pracy, można wykorzystać historyczne dane zużycia energii do obliczeń. W takim przypadku:

gdzie:
W_m to miesięczne średnie zużycie energii czynnej w systemie energetycznym;
W_rm to miesięczne średnie zużycie energii biernej w systemie energetycznym.

Na podstawie wspomnianego celowego współczynnika mocy, rzeczywista pojemność kompensacji kondensatorów mocy może być określona za pomocą następującego wzoru:

2.1.2 Metody połączeń banków kondensatorów mocy

Podczas normalnej pracy systemu energetycznego, banki kondensatorów mocy zazwyczaj stosują dwie podstawowe metody połączeń: delta (Δ) i Y (gwiazda). Dodatkowo, w zależności od lokalizacji urządzeń przełączających w obwodzie, mogą być klasyfikowane jako konfiguracje przełączania wewnętrzne lub zewnętrzne.

Połączenie delta umożliwia szybką, jednoczesną trójfazową kompensację, skutecznie redukując czas nierównomierności linii i zwiększając efektywność kompensacji. Jest jednak ogólnie stosowane tylko w systemach z względnie zrównoważonymi obciążeniami trójfazowymi i nie jest w stanie osiągnąć precyzyjnej kompensacji sieci.

Połączenie Y pozwala na niezależną i dokładną kompensację każdego z faz banku kondensatorów. Może jednak prowadzić do niedoboru lub nadmiaru napięcia w jednej fazy i zazwyczaj wiąże się z wyższymi kosztami implementacji.

Dlatego ten artykuł proponuje hybrydowe podejście, które łączy zalety obu metod połączeń, dostosowując liczbę i pojemność grup kondensatorów do rzeczywistych warunków obciążenia.

2.1.3 Konfiguracja grupowania kondensatorów mocy

Konfiguracja grupowania kondensatorów mocy ogólnie obejmuje schematy równych i nierównych pojemności.

W grupowaniu o równej pojemności, całkowity bank kondensatorów jest podzielony na grupy o identycznej pojemności, a liczba grup jest określana na podstawie całkowitej wymaganej pojemności. Ta metoda oferuje prostą montaż i prostą logikę sterowania przełączaniem. Jednak ze względu na mniejszą liczbę grup i większą pojedynczą pojemność, prowadzi do grubej dyskretności kroków kompensacji, co utrudnia precyzyjną kompensację. Częste przełączanie może również przyspieszyć zużycie sprzętu i zwiększyć koszty konserwacji.

W grupowaniu o nierównej pojemności, pojemności kondensatorów są rozłożone według określonego współczynnika (np. 1∶2∶4∶8). Ta metoda zapewnia wyższą dokładność i elastyczność kompensacji, umożliwiając precyzyjne regulowanie mocy biernej. Jednak wiąże się z złożonym projektem systemu i logiką sterowania, co ogranicza jego skalowalność. Ponadto, kondensatory o mniejszej pojemności mogą doświadczać zbyt częstych operacji przełączania, co wpływa na długoterminową niezawodność.

Po kompleksowej ocenie, ten artykuł przyjmuje metodę grupowania o równej pojemności. Jednak pojemność typowej grupy kompensacyjnej jest nieco większa niż pojemność grupy kompensacji jednofazowej. Taka konfiguracja lepiej obsługuje cykliczne operacje przełączania, zwiększa zarówno dokładność kompensacji, jak i szybkość reakcji, a także redukuje złożoność sterowania. Skracając cykl kompensacji, zwiększa ogólną efektywność.

2.2 Optymalizacja strategii kompensacji mocy biernej

Dobrze zaprojektowana strategia kompensacji mocy biernej zapewnia skuteczną kompensację w różnych warunkach pracy. W normalnym trybie pracy systemu, rzeczywisty stan systemu kompensacji może być podzielony na strefy – takie jak strefa włączania, stabilna strefa i strefa wyłączania – na podstawie parametrów, takich jak moc czynna i bierna.

Optymalizacja strategii kompensacji jest kluczowym aspektem projektowania systemu, bezpośrednio wpływającym na efektywność kompensacji. Tradycyjne strategie sterowania jednoparametryczne skupiają się tylko na jednej zmiennej, co sprawia, że są niewystarczające do radzenia sobie z złożonymi lub dynamicznymi warunkami. Często prowadzi to do nadmiernego kompensowania lub zbyt częstego przełączania, co zwiększa koszty operacyjne i konserwacji.

Dlatego ten artykuł wykorzystuje wieloparametryczną strategię sterowania. Jeden parametr służy jako główne kryterium decyzyjne, podczas gdy kilka innych pełni rolę czynników pomocniczych. System jednocześnie ocenia wiele parametrów, wykonuje kompleksowe obliczenia, aby określić wymagania dotyczące przełączania, i wykonuje działania przełączania, zwiększając dokładność i stabilność sterowania.

2.3 Eksploatacja i konserwacja urządzeń kompensacyjnych

Aby zwiększyć stabilność i odporność urządzeń kompensacyjnych na zakłócenia, powinien być zaimplementowany wbudowany system ochrony oprogramowania. Zapewnia on, że urządzenie może działać normalnie lub bezpiecznie się wyłączyć w różnych nietypowych warunkach, zwiększając niezawodność i bezpieczeństwo eksploatacji.

Dodatkowo, profesjonalni technicy powinni regularnie przeprowadzać instalację, komisję i kontrole, aby zidentyfikować potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa w urządzeniach i dokonać odpowiednich wzmocnień.

Systemy kompensacji mocy biernej są zazwyczaj wyposażone w funkcje ochronne, takie jak ochrona przeciwko przepięciom, przeciążeniom i napięciom zanikającym. Aby zapewnić, że te ochrony prawidłowo reagują na awarie, konieczne jest regularne testowanie ich funkcjonowania. Ponadto, powinna być zaimplementowana ochrona przeciwko przeciążeniom i temperaturze, aby szybko wykrywać anomalie i zapobiegać eskalacji awarii.