Що таке технологія компенсації реактивної потужності її стратегії оптимізації та значущість

1 Огляд технології компенсації реактивної потужності
1.1 Роль технології компенсації реактивної потужності

Технологія компенсації реактивної потужності є однією з широко використовуваних технік у системах електропостачання та електричних мережах. Вона в основному застосовується для покращення коефіцієнта ступеня використання, зменшення втрат на лініях, підвищення якості електроенергії, а також збільшення пропускної спроможності та стабільності мережі. Це забезпечує більш стабільні та надійні умови роботи електрообладнання, одночасно підвищуючи можливості передачі активної потужності.

1.2 Обмеження технології компенсації реактивної потужності

Хоча ця технологія широко застосовується, вона не підходить для всіх сценаріїв застосування. Наприклад, в системах із часто змінюваними навантаженнями, швидкість комутації компенсаційних пристроїв може не встигати за швидкими змінами навантаження. Це може призвести до недостатньої відповіді, що в свою чергу призводить до нестабільних коливань напруги в мережі.

У деяких випадках обладнання для компенсації реактивної потужності може генерувати гармонічні струми та гармонічні напруги, що може негативно впливати на загальну систему живлення та підключене обладнання. Тому питання гармонік повинні бути повністю враховані при проектуванні та реалізації схем компенсації, і повинні бути прийняті відповідні заходи їх придушення.

2 Стратегії оптимізації компенсації реактивної потужності

В цій роботі запропонована технологія компенсації реактивної потужності на основі конденсаторів реалізована в рамках повної системи компенсації. Система складається з трьох основних компонентів: головного контролера S751e-JP, плати керування S751e-VAR (блока виконання комутації конденсаторів) та банку конденсаторів. Серед них головний контролер S751e-JP та плата керування S751e-VAR працюють в режимі «головний-співробітник».

При нормальній роботі плата керування S751e-VAR отримує команди від головного контролера S751e-JP та відповідно керує внутрішніми комбінованими перемикачами для комутації попередньо групованих конденсаторів. Головний контролер S751e-JP відповідає за збирання та аналіз даних реального часу про роботу системи живлення. Використовуючи вбудоване програмне забезпечення та алгоритми, він розраховує необхідну кількість компенсації реактивної потужності, а потім перетворює цю інформацію на сигнали, сумісні з платою керування S751e-VAR. Після отримання команди плата керування виконує операції комутації відповідно до предварительно заданої логіки, забезпечуючи точну компенсацію реактивної потужності системи живлення.

2.1 Проектування та налаштування обладнання для компенсації реактивної потужності
2.1.1 Компенсаційна ємність конденсаторів

Зазвичай для оцінки компенсаційної ємності конденсаторів використовується спрощений метод розрахунку. Проте цей метод має певні обмеження в практичних застосуваннях. Тому в цій роботі використовується більш детальний та точний алгоритм для визначення необхідної компенсації. Спочатку встановлюється початковий коефіцієнт ступеня використання (cosφ) системи без компенсації.

$P$ та $Q$ — це значення активної та реактивної потужності, відповідно, коли мережа працює на повне навантаження;
$\α$ — це середній за рік коефіцієнт активного навантаження системи живлення (або мережі), який зазвичай становить від 0,70 до 0,75;
$\β$ — це середній за рік коефіцієнт реактивного навантаження системи живлення (або мережі), який зазвичай приймається рівним 0,76.

Якщо система живлення вже працює в нормальному режимі, для розрахунків можна використовувати історичні дані про споживання електроенергії. У цьому випадку:

де:
W_m — це середнє місячне споживання активної енергії системою живлення;
W_rm — це середнє місячне споживання реактивної енергії системою живлення.

На основі вказаного цільового коефіцієнта ступеня використання, фактична компенсаційна ємність конденсатора може бути визначена за допомогою наступної формули:

2.1.2 Методи підключення банків конденсаторів

При нормальній роботі системи живлення, банки конденсаторів зазвичай використовують два основні методи підключення: трикутне (Δ) підключення та Y-підключення (зв’язок з нульовою точкою). Крім того, в залежності від розташування комутаційних пристроїв у схемі, вони можуть також класифікуватися як внутрішні або зовнішні конфігурації комутації.

Трикутне підключення дозволяє швидку, одночасну компенсацію трьох фаз, ефективно зменшуючи тривалість нерівномірності ліній та підвищуючи ефективність компенсації. Однак, воно зазвичай підходить лише для систем із досить рівномірними трьома фазовими навантаженнями і не може забезпечити точну компенсацію мережі.

Y-підключення дозволяє незалежну та точну компенсацію кожного фазового блоку конденсаторів. Проте, воно може призводити до заниження або завищення напруги в одній фазі та, як правило, вимагає більших витрат на реалізацію.

Тому в цій роботі запропоновано гібридний підхід, який поєднує переваги обох методів підключення, регулюючи кількість та ємність груп конденсаторів відповідно до фактичних умов навантаження.

2.1.3 Конфігурація групування конденсаторів

Конфігурація групування конденсаторів зазвичай включає рівноїмовірні та нерівноїмовірні схеми.

У рівноїмовірному групуванні загальний банк конденсаторів розподіляється на групи з однаковою ємністю, а кількість груп визначається на основі загальної необхідної ємності. Цей метод забезпечує просту сборку та просту логіку управління комутацією. Проте через меншу кількість груп і більшу ємність окремих конденсаторів, він призводить до грубих кроків компенсації, що робить точну компенсацію важкою. Часті комутації також можуть прискорити виснаження обладнання та збільшити витрати на обслуговування.

У нерівноїмовірному групуванні ємності конденсаторів розподіляються відповідно до певного співвідношення (наприклад, 1∶2∶4∶8). Цей підхід забезпечує більш точну компенсацію та гнучкість, дозволяючи точне регулювання реактивної потужності. Проте він вимагає складного проектування системи та логіки управління, що обмежує його масштабованість. Додатково, менші конденсатори можуть виявити надмірні операції комутації, що впливає на довготривалу надійність.

Після комплексної оцінки, в цій роботі використовується метод рівноїмовірного групування. Однак, ємність типової компенсаційної групи трохи більша, ніж ємність групи розділення фаз. Ця конфігурація краще підтримує циклічні операції комутації, підвищує точність компенсації та швидкість відгуку, а також зменшує складність управління. Вона також скорочує цикл компенсації та підвищує загальну ефективність.

2.2 Оптимізація стратегії компенсації реактивної потужності

Добре розроблена стратегія компенсації реактивної потужності забезпечує ефективну компенсацію в різних умовах роботи. Під час нормальної роботи системи, стан системи компенсації в реальному часі може бути розбитий на зони, такі як зона комутації, стабільна зона та зона відключень, залежно від параметрів, таких як активна та реактивна потужність.

Оптимізація стратегії компенсації є ключовим аспектом проектування системи, який безпосередньо впливає на ефективність компенсації. Традиційні стратегії керування одним параметром зосереджуються лише на одній змінній, що робить їх недостатньо ефективними для обробки складних або динамічних умов. Це часто призводить до перекомпенсації або надмірної комутації, що збільшує витрати на експлуатацію та обслуговування.

Тому в цій роботі використовується стратегія керування з кількома параметрами. Один параметр використовується як основний критерій прийняття рішень, тоді як кілька інших служать допоміжними факторами. Система одночасно оцінює кілька параметрів, виконує комплексні розрахунки для визначення потреб у комутації та виконує відповідні операції комутації, що підвищує точність та стабільність керування.

2.3 Експлуатація та обслуговування обладнання для компенсації

Для підвищення стабільності та стійкості до перешкод обладнання для компенсації, повинна бути реалізована вбудована програмна система захисту. Це забезпечує, що пристрій може працювати нормально або безпечно відключитися в різних аномальних умовах, що підвищує надійність та безпеку експлуатації.

Додатково, професійні техніки повинні регулярно проводити встановлення, налагодження та перевірки, щоб виявити потенційні аварійні ситуації в обладнанні та своєчасно виконати необхідні підсилення.

Системи компенсації реактивної потужності зазвичай оснащені функціями захисту, такими як захист від перепиту, перенапруги та пониження напруги. Для забезпечення правильного відгуку цих захистів на аварії, необхідно регулярно перевіряти їхню роботу. Додатково, повинен бути реалізовано захист від перепиту та температурний захист для своєчасного виявлення аномалій та запобігання розширенню аварій.