O que é Tecnologia de Compensação de Potência Reativa suas Estratégias de Otimização e Significado

1 Visão Geral da Tecnologia de Compensação de Potência Reativa
1.1 Papel da Tecnologia de Compensação de Potência Reativa

A tecnologia de compensação de potência reativa é uma das técnicas amplamente utilizadas em sistemas de energia e redes elétricas. Ela é principalmente empregada para melhorar o fator de potência, reduzir perdas de linha, melhorar a qualidade da energia e aumentar a capacidade e estabilidade de transmissão da rede. Isso garante que os equipamentos de energia operem em um ambiente mais estável e confiável, além de aumentar a capacidade da rede de transmitir potência ativa.

1.2 Limitações da Tecnologia de Compensação de Potência Reativa

Embora amplamente aplicada, a tecnologia de compensação de potência reativa não é adequada para todos os cenários de aplicação. Por exemplo, em sistemas com cargas que variam frequentemente, a velocidade de comutação dos dispositivos de compensação pode não acompanhar as mudanças rápidas de carga. Isso pode resultar em uma resposta inadequada, levando a flutuações instáveis de tensão na rede.

Em certos casos, os equipamentos de compensação de potência reativa podem gerar correntes e tensões harmônicas, que podem afetar adversamente o sistema de energia e os equipamentos conectados. Portanto, questões harmônicas devem ser plenamente consideradas durante o projeto e implementação de esquemas de compensação, e medidas de supressão apropriadas devem ser adotadas.

2 Estratégias de Otimização para Compensação de Potência Reativa

A tecnologia de compensação de potência reativa baseada em capacitores proposta neste artigo é implementada em um sistema de compensação completo. O sistema consiste principalmente em três componentes: o controlador principal S751e-JP, a placa de controle S751e-VAR (unidade de execução de comutação de capacitores) e o banco de capacitores de potência. Entre esses, o controlador principal S751e-JP e a placa de controle S751e-VAR operam em uma relação mestre-escravo.

Durante a operação normal, a placa de controle S751e-VAR recebe instruções do controlador principal S751e-JP e controla os interruptores compostos internos conforme necessário para comutar os capacitores de potência agrupados previamente. O controlador principal S751e-JP é responsável por coletar e analisar dados operacionais em tempo real do sistema de energia. Usando software e algoritmos embutidos, ele calcula a quantidade necessária de compensação de potência reativa e, em seguida, converte essa informação em sinais compatíveis com a placa de controle S751e-VAR. Ao receber o comando, a placa de controle executa as operações de comutação de acordo com a lógica pré-definida, permitindo uma compensação precisa de potência reativa para o sistema de energia.

2.1 Projeto e Configuração de Equipamentos de Compensação de Potência Reativa
2.1.1 Capacidade de Compensação de Capacitores de Potência

Um método simplificado de cálculo é comumente usado para estimar a capacidade de compensação de capacitores de potência. No entanto, este método tem certas limitações em aplicações práticas. Portanto, este artigo adota um algoritmo mais detalhado e preciso para determinar a compensação necessária. Primeiro, estabelece-se o fator de potência inicial (cosφ) do sistema em condições não compensadas.

$P$ e $Q$ são os valores de potência ativa e reativa, respectivamente, quando a rede está operando em carga total;
$\α$ é o fator de carga ativa médio anual do sistema de energia (ou rede), geralmente variando de 0,70 a 0,75;
$\β$ é o fator de carga reativa médio anual do sistema de energia (ou rede), geralmente tomado como 0,76.

Se o sistema de energia já estiver em operação normal, os dados históricos de consumo de energia podem ser usados para o cálculo. Neste caso:

onde:
W_m é o consumo médio mensal de energia ativa do sistema de energia;
W_rm é o consumo médio mensal de energia reativa do sistema de energia.

Com base no fator de potência-alvo mencionado acima, a capacidade real de compensação do capacitor de potência pode ser determinada usando a seguinte fórmula:

2.1.2 Métodos de Conexão de Bancos de Capacitores de Potência

Durante a operação normal do sistema de energia, os bancos de capacitores de potência geralmente empregam dois métodos básicos de conexão: conexão delta (Δ) e conexão Y (estrela). Além disso, dependendo da localização dos dispositivos de comutação no circuito, eles também podem ser classificados como configurações de comutação interna ou externa.

A conexão delta permite uma compensação rápida e simultânea de três fases, reduzindo eficazmente a duração do desequilíbrio de linha e melhorando a eficiência da compensação. No entanto, é geralmente adequada apenas para sistemas com cargas trifásicas relativamente equilibradas e não pode alcançar uma compensação precisa da rede.

A conexão Y permite uma compensação independente e precisa para cada fase do banco de capacitores. No entanto, pode levar a sub-tensão ou super-tensão em uma fase e geralmente envolve custos de implementação mais altos.

Portanto, este artigo propõe uma abordagem híbrida que combina as vantagens de ambos os métodos de conexão, ajustando o número e a capacidade dos grupos de capacitores de acordo com as condições de carga reais.

2.1.3 Configuração de Agrupamento de Capacitores de Potência

A configuração de agrupamento de capacitores de potência geralmente inclui esquemas de capacidades iguais e diferentes.

No agrupamento de capacidades iguais, o banco de capacitores total é dividido em grupos de capacidades idênticas, com o número de grupos determinado com base na capacidade total necessária. Este método oferece montagem simples e lógica de controle de comutação direta. No entanto, devido a menos grupos e maiores capacidades individuais, resulta em etapas de compensação grosseiras, tornando difícil a compensação precisa. A comutação frequente também pode acelerar o desgaste do equipamento e aumentar os custos de manutenção.

No agrupamento de capacidades diferentes, as capacidades dos capacitores são distribuídas de acordo com uma proporção predefinida (por exemplo, 1∶2∶4∶8). Esta abordagem oferece maior precisão e flexibilidade de compensação, permitindo um ajuste fino da regulação de potência reativa. No entanto, envolve um design e lógica de controle do sistema mais complexos, limitando sua escalabilidade. Além disso, capacitores de menor capacidade podem sofrer operações excessivas de comutação, afetando a confiabilidade a longo prazo.

Após uma avaliação abrangente, este artigo adota o método de agrupamento de capacidades iguais. No entanto, a capacidade do grupo de compensação comum é ligeiramente maior do que a do grupo de compensação por fase. Esta configuração suporta melhor as operações cíclicas de comutação, melhora a precisão e a velocidade de resposta da compensação e reduz a complexidade do controle. Também encurta o ciclo de compensação e aumenta a eficiência geral.

2.2 Otimização da Estratégia de Compensação de Potência Reativa

Uma estratégia de compensação de potência reativa bem projetada garante uma compensação eficaz em várias condições de operação. Durante a operação normal do sistema, o estado em tempo real do sistema de compensação pode ser dividido em zonas—como a zona de comutação, zona estável e zona de descomutação—com base em parâmetros como potência ativa e reativa.

A otimização da estratégia de compensação é um aspecto crítico do projeto do sistema, influenciando diretamente o desempenho da compensação. As estratégias de controle de parâmetro único tradicionais focam apenas em uma variável, tornando-as inadequadas para lidar com condições complexas ou dinâmicas. Isso muitas vezes leva a sobrecarga ou comutação excessiva, aumentando os custos operacionais e de manutenção.

Portanto, este artigo emprega uma estratégia de controle composto de múltiplos parâmetros. Um parâmetro é usado como critério de decisão principal, enquanto vários outros servem como fatores auxiliares. O sistema avalia vários parâmetros simultaneamente, realiza cálculos abrangentes para determinar as necessidades de comutação e executa as ações de comutação conforme necessário, melhorando a precisão e a estabilidade do controle.

2.3 Operação e Manutenção de Equipamentos de Compensação

Para melhorar a estabilidade e a resistência à interferência dos equipamentos de compensação, deve ser implementado um sistema de proteção por software embutido. Isso garante que o dispositivo possa operar normalmente ou se desconectar com segurança em várias condições anormais, melhorando a confiabilidade e a segurança operacional.

Além disso, técnicos profissionais devem realizar regularmente a comissão de instalação e inspeções para identificar possíveis riscos de segurança nos equipamentos e realizar reforços oportunos.

Os sistemas de compensação de potência reativa geralmente são equipados com funções de proteção, como proteção contra sobrecorrente, sobretensão e subtensão. Para garantir que essas proteções respondam corretamente a falhas, é necessário testar regularmente seu desempenho operacional. Além disso, a proteção contra sobrecorrente e temperatura deve ser implementada para detectar anomalias prontamente e evitar a escalada de falhas.