Как обозначается реактивная мощность: Что такое активная и реактивная электроэнергия?

Содержание

Что такое активная и реактивная электроэнергия?

Расчет электрической энергии, используемой бытовым или промышленным электротехническим прибором, производится обычно с учетом полной мощности электрического тока, проходящего через измеряемую электрическую цепь.
При этом выделяются два показателя, отражающие затраты полной мощности при обслуживании потребителя. Эти показатели называются активная и реактивная энергия. Полная мощность представляет собой сумму этих двух показателей. 

Полная мощность.
По сложившейся практике потребители оплачивают не полезную мощность, которая непосредственно используется в хозяйстве, а полную, которую отпускает предприятие-поставщик. Различают эти показатели по единицам измерения – полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), а полезная – в киловаттах. Активная и реактивная электроэнергия используется всеми запитанными от сети электроприборами.
Активная электроэнергия. 
Активная составляющая полной мощности совершает полезную работу и преобразовывается в те виды энергии, которые нужны потребителю. У части бытовых и промышленных электроприборов в расчетах активная и полная мощность совпадают. Среди таких устройств – электроплиты, лампы накаливания, электропечи, обогреватели, утюги и гладильные прессы и прочее. Если в паспорте указана активная мощность 1 кВт, то полная мощность такого прибора будет составлять 1 кВА.
Понятие реактивной электроэнергии. 
Этот вид электроэнергии присущ цепям, в составе которых имеются реактивные элементы. Реактивная электроэнергия — это часть полной поступаемой мощности, которая не расходуется на полезную работу. В электроцепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока реактивная составляющая возникает только в том случае, когда присутствует индуктивная или емкостная нагрузка. В таком случае наблюдается несоответствие фазы тока с фазой напряжения. Данный сдвиг фаз между напряжением и током обозначается символом «φ». При индуктивной нагрузке в цепи наблюдается отставание фазы, при емкостной – ее опережение. Поэтому потребителю приходит только часть полной мощности, а основные потери происходят из-за бесполезного нагревания устройств и приборов в процессе эксплуатации. Потери мощности происходят из-за наличия в электрических устройствах индуктивных катушек и конденсаторов. Из-за них в цепи в течение некоторого времени происходит накопление электроэнергии. После этого запасенная энергия поступает обратно в цепь. К приборам, в составе потребляемой мощности которых имеется реактивная составляющая электроэнергии, относятся переносные электроинструменты, электродвигатели и различная бытовая техника. Эта величина рассчитывается с учетом особого коэффициента мощности, который обозначается как cos φ.
Расчет реактивной электроэнергии. 
Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент. Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7. Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом.
Значение коэффициента при учете потерь. 
Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше будут потери активной электроэнергии – а значит конечному потребителю потребляемая электрическая энергия обойдется немного дешевле. Для того чтобы повысить значение этого коэффициента, в электротехнике используются различные приемы компенсации нецелевых потерь электроэнергии. Компенсирующие устройства представляют собой генераторы опережающего тока, сглаживающие угол сдвига фаз между током и напряжением. Для этой же цели иногда используются батареи конденсаторов. Они подключаются параллельно к рабочей цепи и используются как синхронные компенсаторы.
Расчет стоимости электроэнергии для частных клиентов. 
Для индивидуального пользования активная и реактивная электроэнергия в счетах не разделяется – в масштабах потребления доля реактивной энергии невелика. Поэтому частные клиенты при потреблении мощности до 63 А оплачивают один счет, в котором вся потребляемая электроэнергия считается активной. Дополнительные потери в цепи на реактивную электроэнергию отдельно не выделяются и не оплачиваются. Учет реактивной электроэнергии для предприятий Другое дело – предприятия и организации. В производственных помещениях и промышленных цехах установлено огромное число электрооборудования, и в общей поступаемой электроэнергии имеется значительная часть энергии реактивной, которая необходима для работы блоков питания и электродвигателей. Активная и реактивная электроэнергия, поставляемая предприятиям и организациям, нуждается в четком разделении и ином способе оплаты за нее. Основанием для регуляции отношений предприятия-поставщика электроэнергии и конечных потребителей в этом случае выступает типовой договор. Согласно правилам, установленным в этом документе, организации, потребляющие электроэнергию свыше 63 А, нуждаются в особом устройстве, предоставляющем показания реактивной энергии для учета и оплаты. Сетевое предприятие устанавливает счетчик реактивной электроэнергии и начисляет оплату согласно его показаниям.
Коэффициент реактивной энергии. 
Как говорилось ранее, активная и реактивная электроэнергия в счетах на оплату выделяются отдельными строками. Если соотношение объемов реактивной и потребленной электроэнергии не превышает установленной нормы, то плата за реактивную энергию не начисляется. Коэффициент соотношения бывает прописан по-разному, его среднее значение составляет 0,15. При превышении данного порогового значения предприятию-потребителю рекомендуют установить компенсаторные устройства.
Реактивная энергия в многоквартирных домах. 
Типичным потребителем электроэнергии является многоквартирный дом с главным предохранителем, потребляющий электроэнергию свыше 63 А. Если в таком доме имеются исключительно жилые помещения, плата за реактивную электроэнергию не взимается. Таким образом, жильцы многоквартирного дома видят в начислениях оплату только за полную электроэнергию, поставленную в дом предприятием-поставщиком. Та же норма касается жилищных кооперативов.
Частные случаи учета реактивной мощности. 
Бывают случаи, когда в многоэтажном здании имеются и коммерческие организации, и квартиры. Поставка электроэнергии в такие дома регулируется отдельными Актами. Например, разделением могут служить размеры полезной площади. Если в многоквартирном доме коммерческие организации занимают менее половины полезной площади, то оплата за реактивную энергию не начисляется. Если пороговый процент был превышен, то возникают обязательства оплаты за реактивную электроэнергию. В ряде случаев жилые дома не освобождаются от оплаты за реактивную энергию. Например, если в доме установлены пункты подключения лифтов для квартир, начисление за использование реактивной электроэнергии происходит отдельно, лишь для этого оборудования. Владельцы квартир по-прежнему оплачивают лишь активную электроэнергию.

Назад к списку

Электрическая мощность. Треугольник мощностей. — Теоретические основы электротехники — Каталог статей


Электрическая мощность. Треугольник мощностей.


 Сегодня мы поговорим об электрической мощности, о том, что это такое, о её видах и о том, чем они отличаются.Начнем с определения. Электрическая мощность – величина, характеризующая скорость передачи (преобразования) электроэнергии. Соответственно, если мощность это скорость преобразования электроэнергии, то по аналогии с расчетом обычной скорости (например автомобиля), для её расчета необходимо в знаменатель поставить время, а в числитель электроэнергию. Пример — электрочайник включили, чтобы вскипятить воду, за 6 минут счетчик «накрутил» 0,2 кВт*ч, найдем мощность чайника:
Р =
W / t (Р – активная мощность, W – электроэнергия, t – время), Р = 0,2 / (6/60) = 2 кВт. Если то же количество электроэнергии фен «потребил» за время 9 мин, то по той же формуле Р2 = W2 / t = 0,2 / (9/60) = 1,33 кВт. Обратите внимание, чайник потребил одинаковое количество электроэнергии, но за меньшее время, именно поэтому он мощнее, то есть он обладает большей мощностью.

То? о чем мы говорили в предыдущем абзаце, отражает физический смысл понятия «электрическая мощность». Теперь поговорим о мощности в энергетическом ракурсе. В зависимости от вида мощности измеряться она может в ВА (Вольт-Амперах) – полная мощность, Вт (ваттах) – активная мощность  или вар (Вольт-Ампер реактивный) – реактивная мощность. Кстати, несмотря на присутствие имен собственных в единице вар, в международной системе единиц (СИ) принято решение обозначать единицы реактивной мощности с маленькой буквы– вар. Итак, полная мощность, судя по названию, выражает всю мощность переданную или преобразованную электроустановкой. Она обозначается буквой

S и измеряется в Вольт-Амперах (ВА). Полная мощность однофазной цепи S = U*I, ВА, 3-хфазной цепи S = √3*U*I, где U – линейное напряжение, I – фазный ток (данная формула применима для симметричной нагрузки, при нессиметричной нагрузке необходимо суммировать мощность каждой фазы). Активная мощность является частью полной и характеризует электрическую энергию, преобразуемую в любой другой вид энергии. Например, вентилятор преобразовывает электрическую энергию в механическую, а печка в тепловую и т.п. Активная мощность обозначается Р и измеряется в Вт. Формула активной мощности Р = S*cos φ, для однофазной цепи Р = U*I*
cos φ, для 3-хфазной Р = √3*U*I*cos φ, где U – линейное напряжение, I – фазный ток. Угол φ – так называемый угол сдвига фаз (между током и напряжением цепи) или коэффициент мощности, он может изменяться в пределах от 0 до 1. В случае, когда cos φ = 1, активную мощность можно выразить как Р = I2*R (вспоминаем правило Джоуля-Ленца), в этом случае Р = I2*R = S. Есть ещё реактивная мощность, характеризующая циклические режимы в электротехнических устройствах, или можно сказать, что реактивная мощность учитывает нагрузки, создаваемые в электроустановках колебаниями энергии в цепях переменного тока. Довольно непонятно, не правда ли? Попробуйте выучить любое из понравившихся Вам определений, чтобы блеснуть им в каком-нибудь умном разговоре. На этом его польза и закончится. Итак, реактивная мощность – обозначается Q, измеряется в вар. Она численно равна
Q
= S*sinφ (1-нофазные цепи) и Q = √3*U*I* sin φ.

Для понимания связи всех видов электрической мощности удобно воспользоваться графическим их изображением (рис. 1). Это так называемый, треугольник мощностей. Как мы видим S = √(Р2 + Q2).

Приведем пример: Полная мощность цепи S = 100 кВА, cos φ = 0,9. Найти активную и реактивную мощность. Решение: если косинус φ равен 0,9 , то синус равен sin φ = 1-0.92 (основное тригонометрическое тождество) = 0,436. Тогда Р = 100*0,9, а Q = 100*0,436. Находим Р = 90 кВт, а Q = 43.6 квар.

Пример2: 3-хфазный асинхронный двигатель (номинальное напряжение 380 В) имеет номинальную электрическую мощность 15 кВт, cos φ = 0,85. КПД принять 100 %. Рассчитать номинальный ток двигателя для последующего выбора кабельной линии. Решение I = P/(√3*U* cos φ) = 15/(1,73*0,38*0,85) = 26,8 А.



Вадим Д.
г.Волгодонск
Ростовская обл.

%28%d0%b5%d0%b4%d0%b8%d0%bd%d0%b8%d1%86%d0%b0%20%d1%80%d0%b5%d0%b0%d0%ba%d1%82%d0%b8%d0%b2%d0%bd%d0%be%d0%b9%20%d0%bc%d0%be%d1%89%d0%bd%d0%be%d1%81%d1%82%d0%b8%29 — с русского на все языки

Все языкиАнглийскийРусскийКитайскийНемецкийФранцузскийИспанскийИтальянскийЛатинскийФинскийГреческийИвритАрабскийСуахилиНорвежскийПортугальскийВенгерскийТурецкийИндонезийскийШведскийПольскийЭстонскийЛатышскийДатскийНидерландскийАрмянскийУкраинскийЯпонскийСанскритТайскийИрландскийТатарскийСловацкийСловенскийТувинскийУрдуИдишМакедонскийКаталанскийБашкирскийЧешскийГрузинскийКорейскийХорватскийРумынский, МолдавскийЯкутскийКиргизскийТибетскийБелорусскийБолгарскийИсландскийАлбанскийНауатльКомиВаллийскийКазахскийУзбекскийСербскийВьетнамскийАзербайджанскийБаскскийХиндиМаориКечуаАканАймараГаитянскийМонгольскийПалиМайяЛитовскийШорскийКрымскотатарскийЭсперантоИнгушскийСеверносаамскийВерхнелужицкийЧеченскийГэльскийШумерскийОсетинскийЧеркесскийАдыгейскийПерсидскийАйнский языкКхмерскийДревнерусский языкЦерковнославянский (Старославянский)МикенскийКвеньяЮпийскийАфрикаансПапьяментоПенджабскийТагальскийМокшанскийКриВарайскийКурдскийЭльзасскийФарерскийАбхазскийАрагонскийАрумынскийАстурийскийЭрзянскийКомиМарийскийЧувашскийСефардскийУдмурдскийВепсскийАлтайскийДолганскийКарачаевскийКумыкскийНогайскийОсманскийТофаларскийТуркменскийУйгурскийУрумскийБурятскийОрокскийЭвенкийскийМаньчжурскийГуараниТаджикскийИнупиакМалайскийТвиЛингалаБагобоЙорубаСилезскийЛюксембургскийЧерокиШайенскогоКлингонский

 

Все языкиАнглийскийНемецкийНорвежскийКитайскийИвритФранцузскийУкраинскийИтальянскийПортугальскийВенгерскийТурецкийПольскийДатскийЛатинскийИспанскийСловенскийГреческийЛатышскийФинскийПерсидскийНидерландскийШведскийЯпонскийЭстонскийТаджикскийАрабскийКазахскийТатарскийЧеченскийКарачаевскийСловацкийБелорусскийЧешскийАрмянскийАзербайджанскийУзбекскийШорскийРусскийЭсперантоКрымскотатарскийСуахилиЛитовскийТайскийОсетинскийАдыгейскийЯкутскийАйнский языкЦерковнославянский (Старославянский)ИсландскийИндонезийскийАварскийМонгольскийИдишИнгушскийЭрзянскийКорейскийИжорскийМарийскийМокшанскийУдмурдскийВодскийВепсскийАлтайскийЧувашскийКумыкскийТуркменскийУйгурскийУрумскийЭвенкийскийБашкирскийБаскский

Цепь с идеальной индуктивностью. Реактивная мощность в цепи с индуктивностью

Цепь с идеальной индуктивностью. Реактивная мощность в цепи с индуктивностью

Идеальной называют индуктивность такой катушки, активным сопротивлением которой можно пренебречь, т. е. и .

Если в цепи идеальной катушки индуктивностью L (рис. 9.2 а) проходит синусоидальный ток ,то этот ток создает в катушке синусоидальный магнитный поток , который индуктирует в катушке ЭДС самоиндукции, равную

По второму закону Кирхгофа для мгновенных значений можно написать

Напряжение, приложенное к цепи с идеальной индуктивностью:

Таким образом, напряжение, приложенное к цепи с идеальной индуктивностью, как и ток в этой цели, изменяется по синусоидальному закону, но опережает ток по фазе на угол (рис. 9.2 б, в).

Закон Ома для этой цепи можно записать иначе: где

Мгновенная мощность для цепи синусоидального тока с идеальной катушкой равна произведению мгновенных значений напряжения и тока

где

Следовательно,

Полученное уравнение умножают и делят на 2:

Таким образом, мощность в цепи синусоидального тока с идеальной катушкой индуктивности изменяется по синусоидальному закону с двойной частотой.

На диаграмме (рис. 9.2 в) видно, что мгновенная мощность в рассматриваемой цепи изменяется по синусоидальному закону с двойной частотой. Такая колеблющая мощность (энергия), в отличии от активной, т.е. потребляемой, называется реактивной.

Обозначается реактивная мощность буквой и измеряется в варах, т. е. (вольт-ампер реактивный).

Величина реактивной мощности в рассматриваемой цепи определяется выражением

Эта страница взята со страницы лекций по предмету теоретические основы электротехники (ТОЭ):

Предмет теоретические основы электротехники

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Активная, реактивная и полная (кажущаяся) мощности. Понятия активной, полной и реактивной мощностей

Реактивная мощность – часть электрической энергии, возращенная нагрузкой источнику. Явление возникновения ситуации считается вредным.

Возникновение реактивная мощность

Допустим, цепь содержит источник питания постоянного тока и идеальную индуктивность. Включение цепи порождает переходный процесс. Напряжение стремится достичь номинального значения, росту активно мешает собственное потокосцепление индуктивности. Каждый виток провода согнут круговой траекторией. Образуемое магнитное поле будет пересекать соседствующий сегмент. Если витки расположены один за другим, характер взаимодействия усилится. Рассмотренное называется собственным потокосцеплением.

Характер процесса таков: наводимая ЭДС препятствует изменениям поля. Ток пытается стремительно вырасти, потокосцепление тянет обратно. Вместо ступеньки видим сглаженный выступ. Энергия магнитного поля потрачена, чтобы воспрепятствовать процессу создавшему. Случай возникновения реактивной мощности. Фазой отличается от полезной, вредит. Идеально: направление вектора перпендикулярно активной составляющей. Подразумевается, сопротивление провода нулевое (фантастический расклад).

При выключении цепи процесс повторится обратным порядком. Ток стремится мгновенно упасть до нуля, в магнитном поле запасена энергия. Пропади индуктивность, переход пройдет внезапно, потокосцепление придает процессу иную окраску:

  1. Уменьшение тока вызывает снижение напряженности магнитного поля.
  2. Произведенный эффект наводит противо-ЭДС витков.
  3. В результате после отключения источника питания ток продолжает существовать, понемногу затухая.

Графики напряжения, тока, мощности

Реактивная мощность некое звено инерции, постоянно запаздывающее, мешающее. Первый вопрос: зачем тогда нужны индуктивности? О, у них хватает полезных качеств. Польза заставляет мириться с реактивной мощностью. Распространенным положительным эффектом назовем работу электрических двигателей. Передача энергии идет через магнитный поток. Меж витками одной катушки, как было показано выше. Взаимодействию подвержены постоянный магнит, дроссель, все, способное захватить вектором индукции.

Случаи нельзя назвать в смысле описательном всеобъемлющими. Иногда применяется поток сцепления в виде, показанном для примера. Принцип используют пускорегулирующие аппараты газоразрядных ламп. Дроссель снабжен несметным количеством витков: отключение напряжения вызывает не плавное снижение тока, но выброс большой амплитуды противоположной полярности. Индуктивность велика: отклик поистине потрясающий. Превышает исходные 230 вольт на порядок. Достаточно, чтобы возникла искра, лампочка зажглась.

Реактивная мощность и конденсаторы

Реактивная мощность запасается энергией магнитного поля индуктивностями. А конденсатор? Выступает источником возникновения реактивной составляющей. Дополним обзор теорией сложения векторов. Поймет рядовой читатель. В физике электрических сетей часто используются колебательные процессы. Всем известные 220 вольт (теперь принятые 230) в розетке частотой 50 Гц. Синусоида, амплитуда которой равна 315 вольт. Анализируя цепи, удобно представить вращающимся по часовой стрелке вектором.

Анализ цепей графическим методом

Упрощается расчет, можно пояснить инженерное представление реактивной мощности. Угол фазы тока считают равным нулю, откладывается вправо по оси абсцисс (см. рис.). Реактивная энергия индуктивности совпадает фазой с напряжением UL, опережает на 90 градусов ток. Идеальный случай. Практикам приходится учитывать сопротивление обмотки. Реактивной на индуктивности будет часть мощности (см. рис.). Угол меж проекциями важен. Величина называется коэффициентом мощности. Что означает на практике? Перед ответом на вопрос рассмотрим понятие треугольника сопротивлений.

Треугольник сопротивлений и коэффициент мощности

Чтобы проще вести анализ электрических цепей, физики предлагают использовать треугольник сопротивлений. Активная часть откладывается, как ток, – вправо оси абсцисс. Договорились, индуктивность направлять вверх, емкость – вниз. Вычисляя полное сопротивление цепи, значения вычитаем. Исключено комбинированный случай. Доступно два варианта: реактивное сопротивление положительное, либо отрицательное.

Получая емкостное/индуктивное сопротивление, параметры элементов цепи домножают коэффициентом, обозначаемым греческой буквой «омега». Круговая частота – произведение частоты сети на удвоенное число Пи (3.14). Еще одно замечание по поводу нахождения реактивных сопротивлений укажем. Если индуктивность просто домножается указанным коэффициентом, для емкостей берутся величины обратные произведению. Понятно из рисунка, где приведены указанные соотношения, помогающие вычислять напряжения. После домножения берем алгебраическую сумму индуктивного, емкостного сопротивлений. Первые рассматриваются положительными величинами, вторые – отрицательными.

Формулы реактивных составляющих

Две составляющие сопротивления – активная и мнимая – являются проекциями вектора полного сопротивления на оси абсцисс и ординат. Углы сохраняются при переносе абстракций на мощности. Активная откладывается по оси абсцисс, реактивная — вдоль сои ординат. Емкости и индуктивности являются основополагающей причиной возникновения в сети негативных эффектов. Было показано выше: без реактивных элементов становится невозможным построение электротехнических устройств.

Коэффициентом мощности принято называть косинус угла меж полным вектором сопротивления и горизонтальной осью. Столь важное значение параметру приписывают, поскольку полезная часть энергии источника является долей полных трат. Доля высчитывается умножением полной мощности на коэффициент. Если векторы напряжения и тока совпадают, косинус угла равен единице. Мощность теряется нагрузкой, улетучиваясь теплом.

Сказанному верить! Средняя мощность периода при подключении к источнику чисто реактивного сопротивления равна нулю. Половину времени индуктивность принимает энергию, вторую отдает. Обмотка двигателя обозначается на схемах прибавлением источника ЭДС, описывающего передачу энергии валу.

Практическое истолкование коэффициента мощности

Многие замечают неувязку в случае практического рассмотрения реактивной мощности. Для снижения коэффициента рекомендуют параллельно обмоткам двигателя включать конденсаторы большого размера. Индуктивное сопротивление уравновешивает емкостное, ток вновь совпадает с напряжением фазой. Сложно понять вот по какой причине:

  1. Допустим, к источнику переменного напряжения подключили первичную обмотку трансформатора.
  2. В идеале активное сопротивление равно нулю. Мощность должна быть реактивной. Но это плохо: угол между напряжением и током стремятся сделать нулевым!

Но! Колебательный процесс безучастен работе двигателей, трансформаторов. Теория реактивной мощности предполагает: колебания совершает вся энергия. До последней капли. В трансформаторе, двигателе из поля происходит активная «утечка» энергии на совершение работы, наведение тока вторичной обмотки. Энергия циркулировать между источником и потребителем не может.

Реальная цепь процесс согласования отдельных участков затрудняет. Для перестраховки поставщики требуют установить параллельно обмотке двигателя конденсаторы, чтобы энергия циркулировала в локальном сегменте, не выходила наружу, нагревая соединительные провода. Важно избежать перекомпенсации. Если емкость конденсаторов будет слишком велика, батарея станет причиной увеличения коэффициента мощности.

Что касается сдвига фаз, возникает на вторичной обмотке трансформатора подстанции. Роль играет не это. Двигатель работает, часть энергии не преобразована в полезную работу, отражается назад. В результате возникает коэффициент мощности. Участвующая составляющая индуктивности – технологический, конструкционный дефект. Часть, не приносящая пользы. Скомпенсируем, добавляя конденсаторные блоки.

Проверка правильности согласования ведется по факту отсутствия сдвига фаз между напряжением и током работающего электродвигателя. Лишняя энергия циркулирует меж избыточной индуктивностью обмоток, установленным конденсаторным блоком. Достигнута цель мероприятия – избежать нагрева проводников питающей устройство сети.

Что предлагают под видом экономии электроэнергии

В сети предлагают купить устройства экономии электроэнергии. Компенсаторы реактивной мощности. Важно не перегнуть палку. Допустим, компенсатор будет уместно смотреться рядом с включенным компрессором холодильника, коллекторным двигателем пылесоса, обременять квартиру мерами при работающих лампочках накала – предприятие сомнительное. До установки потрудитесь узнать сдвиг фаз меж напряжением и током, согласно информации, правильно рассчитайте объем блока конденсаторов. Иначе попытки сэкономить таким образом потерпят неудачу, разве случайно удастся навести палец в небо, попасть в точку.

Вторым аспектом компенсации реактивной мощности является учет. Делается для крупных предприятий, где стоят мощные двигатели, создающие большие углы сдвига фаз. Внедряют специальные счетчики учета реактивной мощности, оплачиваемой согласно тарифу. Для расчетов коэффициента оплаты применяется оценка тепловых потерь проводов, ухудшение режима эксплуатации кабельной сети, некоторые другие факторы.

Перспективы дальнейшего изучения реактивной энергии, как явления

Реактивная мощность выступает явлением отражения энергии. Идеальные цепи явления лишены. Реактивная мощность проявляется выделенным теплом на активном сопротивлении кабельных линий, искажает синусоидальную форму сигнала. Отдельная тема разговора. При отклонениях от нормы двигатели работают не столь гладко, трансформаторам – помеха.

При этом выделяются два показателя, отражающие затраты полной мощности при обслуживании потребителя. Эти показатели называются активная и реактивная энергия. Полная мощность представляет собой сумму этих двух показателей. О том, что такое активная и реактивная электроэнергия и как проверить сумму начисленных оплат, попытаемся рассказать в этой статье.

Полная мощность

По сложившейся практике потребители оплачивают не полезную мощность, которая непосредственно используется в хозяйстве, а полную, которую отпускает предприятие-поставщик. Различают эти показатели по единицам измерения — полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), а полезная — в киловаттах. Активная и реактивная электроэнергия используется всеми запитанными от сети электроприборами.

Активная электроэнергия

Активная составляющая полной мощности совершает полезную работу и преобразовывается в те виды энергии, которые нужны потребителю. У части бытовых и промышленных электроприборов в расчетах активная и полная мощность совпадают. Среди таких устройств — электроплиты, лампы накаливания, электропечи, обогреватели, утюги и и прочее.

Если в паспорте указана активная мощность 1 кВт, то полная мощность такого прибора будет составлять 1 кВА.

Понятие реактивной электроэнергии

Этот вид электроэнергии присущ цепям, в составе которых имеются реактивные элементы. Реактивная электроэнергия — это часть полной поступаемой мощности, которая не расходуется на полезную работу.

В электроцепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях реактивная составляющая возникает только в том случае, когда присутствует индуктивная или емкостная нагрузка. В таком случае наблюдается несоответствие фазы тока с фазой напряжения. Данный сдвиг фаз между напряжением и током обозначается символом «φ».

При индуктивной нагрузке в цепи наблюдается отставание фазы, при емкостной — ее опережение. Поэтому потребителю приходит только часть полной мощности, а основные потери происходят из-за бесполезного нагревания устройств и приборов в процессе эксплуатации.

Потери мощности происходят из-за наличия в электрических устройствах индуктивных катушек и конденсаторов. Из-за них в цепи в течение некоторого времени происходит накопление электроэнергии. После этого запасенная энергия поступает обратно в цепь. К приборам, в составе которых имеется реактивная составляющая электроэнергии, относятся переносные электроинструменты, электродвигатели и различная бытовая техника. Эта величина рассчитывается с учетом особого коэффициента мощности, который обозначается как cos φ.

Расчет реактивной электроэнергии

Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент.

Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7.

Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом. Баланс активной и реактивной мощности в цепи может быть наглядно представлен в виде этого забавного рисунка:

Значение коэффициента при учете потерь

Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше будут потери активной электроэнергии — а значит конечному потребителю потребляемая электрическая энергия обойдется немного дешевле. Для того чтобы повысить значение этого коэффициента, в электротехнике используются различные приемы компенсации нецелевых потерь электроэнергии. Компенсирующие устройства представляют собой генераторы опережающего тока, сглаживающие угол сдвига фаз между током и напряжением. Для этой же цели иногда используются батареи конденсаторов. Они подключаются параллельно к рабочей цепи и используются как синхронные компенсаторы.

Расчет стоимости электроэнергии для частных клиентов

Для индивидуального пользования активная и реактивная электроэнергия в счетах не разделяется — в масштабах потребления доля реактивной энергии невелика. Поэтому частные клиенты при потреблении мощности до 63 А оплачивают один счет, в котором вся потребляемая электроэнергия считается активной. Дополнительные потери в цепи на реактивную электроэнергию отдельно не выделяются и не оплачиваются.

Учет реактивной электроэнергии для предприятий

Другое дело — предприятия и организации. В производственных помещениях и промышленных цехах установлено огромное число электрооборудования, и в общей поступаемой электроэнергии имеется значительная часть энергии реактивной, которая необходима для работы блоков питания и электродвигателей. Активная и реактивная электроэнергия, поставляемая предприятиям и организациям, нуждается в четком разделении и ином способе оплаты за нее. Основанием для регуляции отношений предприятия-поставщика электроэнергии и конечных потребителей в этом случае выступает типовой договор. Согласно правилам, установленным в этом документе, организации, потребляющие электроэнергию свыше 63 А, нуждаются в особом устройстве, предоставляющем показания реактивной энергии для учета и оплаты.
Сетевое предприятие устанавливает счетчик реактивной электроэнергии и начисляет оплату согласно его показаниям.

Коэффициент реактивной энергии

Как говорилось ранее, активная и реактивная электроэнергия в счетах на оплату выделяются отдельными строками. Если соотношение объемов реактивной и потребленной электроэнергии не превышает установленной нормы, то плата за реактивную энергию не начисляется. Коэффициент соотношения бывает прописан по-разному, его среднее значение составляет 0,15. При превышении данного порогового значения предприятию-потребителю рекомендуют установить компенсаторные устройства.

Реактивная энергия в многоквартирных домах

Типичным потребителем электроэнергии является многоквартирный дом с главным предохранителем, потребляющий электроэнергию свыше 63 А. Если в таком доме имеются исключительно жилые помещения, плата за реактивную электроэнергию не взимается. Таким образом, жильцы многоквартирного дома видят в начислениях оплату только за полную электроэнергию, поставленную в дом предприятием-поставщиком. Та же норма касается жилищных кооперативов.

Частные случаи учета реактивной мощности

Бывают случаи, когда в многоэтажном здании имеются и коммерческие организации, и квартиры. Поставка электроэнергии в такие дома регулируется отдельными Актами. Например, разделением могут служить размеры полезной площади. Если в многоквартирном доме коммерческие организации занимают менее половины полезной площади, то оплата за реактивную энергию не начисляется. Если пороговый процент был превышен, то возникают обязательства оплаты за реактивную электроэнергию.

В ряде случаев жилые дома не освобождаются от оплаты за реактивную энергию. Например, если в доме установлены пункты подключения лифтов для квартир, начисление за использование реактивной электроэнергии происходит отдельно, лишь для этого оборудования. Владельцы квартир по-прежнему оплачивают лишь активную электроэнергию.

Понимание сущности активной и реактивной энергии дает возможность грамотно рассчитать экономический эффект от установки различных компенсационных устройств, снижающих потери от реактивной нагрузки. Согласно статистике, такие устройства позволяют поднимать значение cos φ от 0.6 до 0.97. Тем самым автоматические компенсаторные устройства помогают сэкономить до трети предоставляемой потребителю электроэнергии. Значительное уменьшение тепловых потерь увеличивает срок эксплуатации приборов и механизмов на производственных участках и снижает себестоимость готовой продукции.

Мощностные характеристики установки или сети являются основными для большинства известных электрических приборов. Активная мощность (проходящая, потребляема) характеризует часть полной мощности, которая передается за определенный период частоты переменного тока.

Определение

Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах.

Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами. Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:

Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества.


Обозначение реактивной составляющей:

Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую.

Расчет

Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

S = U * I * cos φ.

Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.


Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

Q L = U L I = I 2 x L

Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I .

Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

Сопротивление индуктивности: x L = ωL = 2πfL,

Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства.

При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

cos φ = r/z = P/S

Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

Компенсация

Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0:

Q = QL – QC = ULI – UCI

Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым.

При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит :

  • Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;
  • У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;
  • На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.
  • В некоторых случаях специалисты используют не полноценные ИБП, а специальные компенсирующие конденсаторы. Они подходят для бытового использования, доступны и продаются в каждом электротехническом магазине. Для расчета планируемой и полученной экономии можно использовать все вышеперечисленные формулы.

    Мгновенная мощность p произвольного участка цепи, напряжение и ток которого изменяются по законуu =U m sin(t ), i = I m sin(t– ), имеет вид

    p = ui= U m sin(t )I m sin(t– ) = U m I m /2 =

    = U i cos — UI cos(2t — ) = (UI cos – UI cos cos2t ) – UI sin sin2t . (1)

    Активная мощность цепи переменного тока P определяется как среднее значение мгновенной мощностиp (t ) за период:

    так как среднее за период значение гармонической функции равно 0.

    Из этого следует, что средняя за период мощность зависит от угла сдвига фаз между напряжением и током и не равна нулю, если участок цепи имеет активное сопротивление. Последнее объясняет ее название активная мощность . Подчеркнем еще раз, что в активном сопротивлении происходит необратимое преобразование электрической энергии в другие виды энергии, например в тепловую. Активная мощность может быть определена как средняя за период скорость поступления энергии в участок цепи. Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).

    Реактивная мощность

    При расчетах электрических цепей находит широкое применение так называемая реактивная мощность. Она характеризует процессы обмена энергией между реактивными элементами цепи и источниками энергии и численно равна амплитуде переменной составляющей мгновенной мощности цепи. В соответствии с этим реактивная мощность может быть определена из (1) как

    Q = UI sin.

    В зависимости от знака угла реактивная мощность может быть положительной или отрицательной. Единицу реактивной мощности, чтобы отличить ее от единицы активной, называют не ватт, а вольт-ампер реактивныйвар. Реактивные мощности индуктивного и емкостного элементов равны амплитудам их мгновенных мощностейp L иp C . С учетом сопротивленийэтих элементов реактивные мощности катушки индуктивности и конденсатора равныQ L =UI =x L I 2 иQ C =UI = x C I 2 , соответственно.

    Результирующая реактивная мощность разветвленной электрической цепи находится как алгебраическая сумма реактивных мощностей элементов цепи с учетом их характера (индуктивный или емкостный): Q =Q L –Q С. ЗдесьQ L есть суммарная реактивная мощность всех индуктивных элементов цепи, аQ С представляет собой суммарную реактивную мощность всех емкостных элементов цепи.

    Полная мощность

    Кроме активной и реактивной мощностей цепь синусоидального тока характеризуется полной мощностью, обозначаемой буквой S . Под полной мощностью участка понимают максимально возможную активную мощность при заданных напряженииU и токеI . Очевидно, что максимальная активная мощность получается при cos= 1, т. е. при отсутствии сдвига фаз между напряжением и током:

    S = UI.

    Необходимость во введении этой мощности объясняется тем, что при конструировании электрических устройств, аппаратов, сетей и т. п. их рассчитывают на определенное номинальное напряжение U ном и определенный номинальный токI ном и их произведениеU ном I ном = S ном дает максимально возможную мощность данного устройства (полная мощность S ном указывается в паспорте большинства электрических устройств переменного тока.). Для отличия полной мощности от других мощностей ее единицу измерения называют вольт-ампер и сокращенно обозначают ВА. Полная мощность численно равна амплитуде переменной составляющей мгновенной мощности.

    Из приведенных соотношений можно найти связь между различными мощностями:

    P = S cos, Q = S sin, S = UI =

    и выразить угол сдвига фаз через активную и реактивную мощности:

    .

    Рассмотрим простой прием, который позволяет найти активную и реактивную мощности участка цепи по комплексным напряжению и току. Он заключается в том, что нужно взять произведение комплексного напряжения и тока, комплексно сопряженного току рассматриваемого участка цепи. Операция комплексного сопряжения состоит в смене знака на противоположный перед мнимой частью комплексного числа либо в смене знака фазы комплексного числа, если число представлено в экспоненциальной форме записи. В результате получим величину, которая называетсяполной комплексной мощностью и обозначается. Если
    , то для полной комплексной мощности получаем:

    Отсюда видно, что активная и реактивная мощности представляют собой вещественную и мнимую части полной комплексной мощности, соответственно. Для облегчения запоминания всех формул, связанных с мощностями, на рис. 7, б (с. 38) построен треугольник мощностей.

    Мощностные характеристики установки или сети являются основными для большинства известных электрических приборов. Активная мощность (проходящая, потребляема) характеризует часть полной мощности, которая передается за определенный период частоты переменного тока.

    Определение

    Активная и реактивная мощность может быть только у переменного тока, т. к. характеристики сети (силы тока и напряжения) у постоянного всегда равны. Единица измерений активной мощности Ватт, в то время, как реактивной – реактивный вольтампер и килоВАР (кВАР). Стоит отметить, что как полная, так и активная характеристики могут измеряться в кВт и кВА, это зависит от параметров конкретного устройства и сети. В промышленных цепях чаще всего измеряется в килоВаттах.

    Электротехника используется активную составляющую в качестве измерения передачи энергии отдельными электрическими приборами. Рассмотрим, сколько мощности потребляют некоторые из них:

    Исходя из всего, сказанного выше, активная мощность – это положительная характеристика конкретной электрической цепи, которая является одним из основных параметров для выбора электрических приборов и контроля расхода электричества.


    Обозначение реактивной составляющей:

    Это номинальная величина, которая характеризует нагрузки в электрических устройствах при помощи колебаний ЭМП и потери при работе прибора. Иными словами, передаваемая энергия переходит на определенный реактивный преобразователь (это конденсатор, диодный мост и т. д.) и проявляется только в том случае, если система включает в себя эту составляющую.

    Расчет

    Для выяснения показателя активной мощности, необходимо знать полную мощность, для её вычисления используется следующая формула:

    S = U \ I, где U – это напряжение сети, а I – это сила тока сети.

    Этот же расчет выполняется при вычислении уровня передачи энергии катушки при симметричном подключении. Схема имеет следующий вид:

    Расчет активной мощности учитывает угол сдвига фаз или коэффициент (cos φ), тогда:

    S = U * I * cos φ.

    Очень важным фактором является то, что эта электрическая величина может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от того, какие характеристики имеет cos φ. Если у синусоидального тока угол сдвига фаз находится в пределах от 0 до 90 градусов, то активная мощность положительная, если от 0 до -90 – то отрицательная. Правило действительно только для синхронного (синусоидального) тока (применяемого для работы асинхронного двигателя, станочного оборудования).

    Также одной из характерных особенностей этой характеристики является то, что в трехфазной цепи (к примеру, трансформатора или генератора), на выходе активный показатель полностью вырабатывается.


    Максимальная и активная обозначается P, реактивная мощность – Q.

    Из-за того, что реактивная обуславливается движением и энергией магнитного поля, её формула (с учетом угла сдвига фаз) имеет следующий вид:

    Q L = U L I = I 2 x L

    Для несинусоидального тока очень сложно подобрать стандартные параметры сети. Для определения нужных характеристик с целью вычисления активной и реактивной мощности используются различные измерительные устройства. Это вольтметр, амперметр и прочие. Исходя от уровня нагрузки, подбирается нужная формула.

    Из-за того, что реактивная и активная характеристики связаны с полной мощностью, их соотношение (баланс) имеет следующий вид:

    S = √P 2 + Q 2 , и все это равняется U*I .

    Но если ток проходит непосредственно по реактивному сопротивлению. То потерь в сети не возникает. Это обуславливает индуктивная индуктивная составляющая – С и сопротивление – L. Эти показатели рассчитываются по формулам:

    Сопротивление индуктивности: x L = ωL = 2πfL,

    Сопротивление емкости: хc = 1/(ωC) = 1/(2πfC).

    Для определения соотношения активной и реактивной мощности используется специальный коэффициент. Это очень важный параметр, по которому можно определить, какая часть энергии используется не по назначению или «теряется» при работе устройства.

    При наличии в сети активной реактивной составляющей обязательно должен рассчитываться коэффициент мощности. Эта величина не имеет единиц измерения, она характеризует конкретного потребителя тока, если электрическая система содержит реактивные элементы. С помощью этого показателя становится понятным, в каком направлении и как сдвигается энергия относительно напряжения сети. Для этого понадобится диаграмма треугольников напряжений:

    К примеру, при наличии конденсатора формула коэффициента имеет следующий вид:

    cos φ = r/z = P/S

    Для получения максимально точных результатов рекомендуется не округлять полученные данные.

    Компенсация

    Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0:

    Q = QL – QC = ULI – UCI

    Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым.

    При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит :

  • Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;
  • У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;
  • На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.
  • В некоторых случаях специалисты используют не полноценные ИБП, а специальные компенсирующие конденсаторы. Они подходят для бытового использования, доступны и продаются в каждом электротехническом магазине. Для расчета планируемой и полученной экономии можно использовать все вышеперечисленные формулы.

    Истинная, реактивная и кажущаяся мощность — фактор силы

    Истинная, реактивная и очевидная сила

    Глава 11 — Коэффициент мощности

    Реактивная сила

    Мы знаем, что реактивные нагрузки, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, рассеивают нулевую мощность, но факт, что они снижают напряжение и ток притока, дает обманчивое впечатление, что они фактически рассеивают энергию. Эта «фантомная мощность» называется реактивной мощностью, и она измеряется в блоке под названием Volt-Amps-Reactive (VAR), а не в ваттах. Математическим символом реактивной мощности является (к сожалению) прописная буква Q.

    Истинная мощность

    Фактическое количество энергии, используемой или рассеиваемой в цепи, называется истинной мощностью, и оно измеряется в ваттах (как обычно, обозначается заглавной буквой P).

    Полная мощность

    Комбинация реактивной мощности и истинной мощности называется кажущейся мощностью, и она является продуктом напряжения и тока схемы без учета фазового угла. Видимая мощность измеряется в единице вольт-ампер (VA) и символизируется заглавной буквой S.

    Расчет для реактивной, истинной или очевидной мощности

    Как правило, истинная мощность является функцией диссипативных элементов схемы, обычно сопротивлений (R). Реактивная мощность является функцией реактивного сопротивления схемы (X). Видимая мощность является функцией полного сопротивления схемы (Z). Поскольку мы имеем дело со скалярными величинами для расчета мощности, любые комплексные начальные величины, такие как напряжение, ток и импеданс, должны быть представлены их полярными величинами, а не действительными или мнимыми прямоугольными компонентами. Например, если я рассчитываю истинную мощность от тока и сопротивления, я должен использовать полярную величину для тока, а не просто «реальную» или «мнимую» часть тока. Если я рассчитываю кажущуюся мощность от напряжения и импеданса, обе эти ранее сложные величины должны быть уменьшены до их полярных величин для скалярной арифметики.

    Существует несколько энергетических уравнений, связывающих три типа мощности с сопротивлением, реактивностью и полным сопротивлением (все с использованием скалярных величин):

    Обратите внимание, что для расчета истинной и реактивной мощности есть два уравнения. Для расчета кажущейся мощности доступны три уравнения, P = IE полезен только для этой цели. Изучите следующие схемы и посмотрите, как эти три типа питания взаимосвязаны: чисто резистивная нагрузка в рисунке ниже, чисто реактивная нагрузка в рисунке ниже, и резистивная / реактивная нагрузка в рисунке ниже.

    Только резистивная нагрузка
    Истинная мощность, реактивная мощность и кажущаяся мощность для чисто резистивной нагрузки.
    Только реактивная нагрузка
    Истинная мощность, реактивная мощность и кажущаяся мощность для чисто реактивной нагрузки.
    Резистивная / реактивная нагрузка
    Истинная мощность, реактивная мощность и кажущаяся мощность для резистивной / реактивной нагрузки.

    Силовой треугольник

    Эти три типа власти — истинные, реактивные и кажущиеся — связаны друг с другом в тригонометрической форме. Мы называем это степенным треугольником : (рис. Ниже).

    Силовой треугольник, связывающий силу видимости с истинной мощностью и реактивной мощностью.

    Используя законы тригонометрии, мы можем решить длину любой стороны (количество любого типа энергии), учитывая длины двух других сторон или длину одной стороны и угол.

    • ОБЗОР:
    • • Мощность, рассеиваемая нагрузкой, называется истинной мощностью . Истинная мощность символизируется буквой P и измеряется в блоке Watts (W).
    • • Мощность, просто поглощенная и возвращенная в нагрузке из-за ее реактивных свойств, называется реактивной мощностью . Реактивная мощность символизируется буквой Q и измеряется в блоке Volt-Amps-Reactive (VAR).
    • • Общая мощность в цепи переменного тока, как рассеиваемая, так и поглощенная / возвращенная, упоминается как кажущаяся мощность . Видимая мощность символизируется буквой S и измеряется в единице вольт-ампер (VA).
    • • Эти три типа энергии тригонометрически связаны друг с другом. В правом треугольнике P = смежная длина, Q = противоположная длина и S = ​​длина гипотенузы. Противоположный угол равен фазовому углу импеданса цепи (Z).

    Что такое реактивная мощность? — Определение из Техопедии

    Что означает реактивная мощность?

    В системах электросетей реактивная мощность — это мощность, которая течет обратно от пункта назначения к сети в сценарии переменного тока.

    В системе постоянного тока напряжение и нагрузка статичны, и, проще говоря, направление энергии «одностороннее», но в переменном токе есть разные фазы, связанные с элементами системы, такими как конденсаторы. и индукторы.

    Реактивная мощность заставляет энергию возвращаться в сеть во время пассивных фаз.

    Реактивная мощность также известна как фантомное питание.

    Techopedia объясняет реактивную мощность

    Другой способ объяснить это состоит в том, что реактивная мощность — это результирующая мощность в ваттах цепи переменного тока, когда форма волны тока не совпадает по фазе с формой волны напряжения, обычно на 90 градусов, если нагрузка является чисто реактивной, и является результатом емкостных или индуктивных нагрузок.

    Фактическая работа выполняется только тогда, когда ток находится в фазе с напряжением, например, в резистивных нагрузках. Примером может служить лампа накаливания; в реактивной нагрузке энергия течет к нагрузке половину времени, тогда как в другой половине мощность течет от нее, что создает иллюзию, что нагрузка не рассеивает и не потребляет мощность.

    Три вида мощности

    Реактивная мощность — это один из трех типов мощности, присутствующих в нагруженных цепях.

    Истинная мощность

    Фактическая мощность в ваттах, рассеиваемая схемой

    Реактивная мощность

    Рассеиваемая мощность от индуктивных и емкостных нагрузок, измеренная в вольт-амперах, реактивная (VAR)

    Полная мощность

    Комбинация измерения реактивной и истинной мощности в вольт-амперах (ВА)

    Реактивная мощность также называется «фантомной мощностью», потому что неясно, куда она идет.Общеизвестно, что реактивные нагрузки, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, на самом деле не рассеивают мощность в том смысле, что она не используется для их питания, но измерение напряжения и тока вокруг них указывает на то, что они падают напряжение и потребляют ток.

    Мощность, рассеиваемая при этом падении напряжения и потребляемом токе, находится в форме тепла или ненужной энергии и не выполняется как фактическая работа; поэтому инженеры искали способы уменьшить это. Из-за этого фантомного питания проводники и генераторы должны иметь соответствующие номиналы и размеры, чтобы выдерживать общий ток, включая отходы, а не только ток, который выполняет фактическую работу.

    Маятник часов

    Некоторые эксперты в области энергетики говорят о реактивной мощности как части движения конденсатора, которое напоминает движение маятника часов от зенита до надира. По этой аналогии, когда маятник качается вверх, переменный ток подает активную мощность на устройство назначения. По мере того, как маятник движется вниз, реактивная мощность возвращается в сеть для поглощения.

    В таких определениях эксперты сказали бы, что реактивная энергия — это энергия, циркулирующая взад и вперед между источником и нагрузкой, а именно, что реактивная мощность «исчезает» обратно к источнику.В некотором смысле это связано с задержкой между током и напряжением. Помимо конденсаторов, статические компенсаторы VAr и синхронные конденсаторы могут использоваться для управления реактивной мощностью в системе.

    Ключевым моментом является размещение оборудования реактивного тока рядом с силовыми нагрузками. Это уменьшает количество реактивного тока, который система доставки должна переносить на определенное расстояние.

    Реактивная мощность в сети

    Чтобы справиться с реалиями переменного тока и изменения путей передачи энергии, проектировщики обязательно принимают меры по контролю напряжения.Эксперты в области энергетики отмечают, что даже 5% -ное изменение напряжения в данной системе может вызвать отключение электроэнергии и другие проблемы.

    С этой целью многие элементы электрической системы, такие как трансформаторы, могут переключаться с подачи на поглощение реактивной мощности по фазам. Но те, кто близок к отрасли, подчеркивают, что это станет еще более важным, когда мы переведем части американской электросети на возобновляемые источники энергии.

    Реактивная мощность и возобновляемые источники

    Реактивная мощность также очень важна в контексте меняющихся энергосистем.

    По многим важным причинам возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, заменяют традиционные источники энергии, такие как уголь и природный газ. Но это может иметь разветвления для электросети в целом.

    «Всплеск возобновляемых источников энергии в сети без достаточной вращающейся массы может вызвать серьезные проблемы: отключение электроэнергии в определенных областях, чтобы привести спрос в соответствие с предложением; и отключение крупных электростанций от сети, чтобы предотвратить их перегрузку », — пишет Арчи Робб из Renewable Energy World, описывая принцип« инерции сети »и то, как это применимо к управлению реактивной мощностью в системе, которая переходит на возобновляемые источники энергии. строить.

    Поскольку возобновляемые источники энергии поставляют энергию в сеть по-разному, возникнет потребность в микроуправлении активной и реактивной мощностью соответственно.

    Реактивная мощность — обзор

    4.3 Регулирование реактивной мощности биогазовой системы

    Реактивная мощность может быть указана как количество «неиспользованной» мощности, вырабатываемой реактивными компонентами, такими как катушки индуктивности или конденсаторы в цепях переменного тока. . Для повышения производительности системы питания переменного тока необходимо эффективно управлять реактивной мощностью; это называется компенсацией реактивной мощности.Проблема компенсации реактивной мощности имеет два аспекта: компенсация нагрузки и поддержка напряжения. Компенсация нагрузки включает улучшение коэффициента мощности, балансировку реальной мощности, потребляемой от источника питания, улучшение регулирования напряжения и т. Д. Больших колеблющихся нагрузок. Поддержка напряжения заключается в снижении колебаний напряжения на заданном конце линии передачи. Можно использовать два типа компенсации: последовательная и шунтирующая. Они изменили параметры системы, чтобы обеспечить улучшенную компенсацию вольт-амперной реактивной мощности (VAR).Они вполне подходят для работы по поглощению или генерации реактивной мощности с более быстрым откликом и относятся к гибким системам передачи переменного тока (FACTS). Это позволит увеличить передачу полной мощности по линии передачи и значительно улучшить стабильность за счет регулировки параметров, которые управляют энергосистемой, то есть тока, напряжения, фазового угла, частоты и импеданса. Чтобы управлять потоком мощности в системе, необходимо контролировать реактивную мощность в линии передачи.Существует множество различных устройств FACT, которые используются для компенсации реактивной мощности в линии передачи. К различным методам FACT относятся статический компенсатор реактивной мощности (SVC), статический синхронный последовательный компенсатор (SSSC), статический синхронный компенсатор (STATCOM) и унифицированный контроллер потока мощности (UPFC) и т. Д .; напряжения на шинах, фазовые углы и полное сопротивление линий в энергосистеме можно регулировать быстро и гибко. Следовательно, устройства FACT могут развивать способность передачи мощности, облегчать управление потоком мощности, снижать стоимость генерации и улучшать стабильность и безопасность системы.SSSC — это устройство FACT, которое последовательно подключено к энергосистеме. Он работает как управляемый последовательный индуктор и последовательный конденсатор. Одной из основных особенностей SSSC является то, что его вводимое напряжение управляется отдельно и ни в коем случае не связано с интенсивностью линии. Это позволяет SSSC подходить как для более низких, так и для более высоких нагрузок. UPFC ассоциируется с устройствами FACT, которые имеют поразительные особенности. Он имеет возможность управлять всеми параметрами, которые влияют на поток энергии в линии передачи.Он считается наиболее совершенным методом управления потоком энергии. Он состоит из последовательного преобразователя и шунтирующего преобразователя, соединенного конденсатором звена постоянного тока, которые в совокупности могут выполнять функцию управления потоком активной / реактивной мощности в линии передачи. Напряжение шины UPFC и реактивная мощность шунта регулируются шунтирующим преобразователем. В то время как реальная и активная мощность линии передачи регулируется последовательным преобразователем путем подачи последовательного напряжения изменяемой величины и фазового угла. Параллельная часть, которая представляет собой СТАТКОМ, вводит синусоидальный ток переменной величины.SVC является частью устройства FACT, которое регулирует напряжение, гармоники и коэффициент мощности, а также стабилизирует систему. SVC — это автомат для согласования импеданса, который используется при проектировании, чтобы приблизить коэффициент мощности системы к единице. Есть две основные ситуации, в которых используются SVC: при подключении к энергосистеме для регулирования напряжения передачи и при подключении рядом с крупными промышленными нагрузками для улучшения качества электроэнергии. SVC использует реактор с тиристорным управлением (TCR) для понижения напряжения и потребления реактивной мощности из системы в случае емкостной (опережающей).В индуктивном случае (запаздывание) автоматически включается конденсаторная батарея и выдает более высокое напряжение. Результат постоянно меняется, опережает или запаздывает при подключении TCR вместе с батареей конденсаторов. СТАТКОМ — это модифицируемое устройство, которое используется в сети передачи переменного тока. Он работает как источник или приемник реактивной мощности переменного тока. СТАТКОМ также называют статическим синхронным конденсатором. В его основе лежит преобразователь источника напряжения. Существует новый подход, в котором используются твердотельные синхронные источники напряжения для фактического временного управления передачей мощности в системах передачи и динамической компенсации.Создание синхронного источника напряжения стало возможным благодаря многоимпульсному инвертору с запирающими тиристорами. При этом он генерирует реактивную мощность, которая необходима для компенсации сети, а также взаимодействует с подходящим устройством хранения энергии для расчета реальной торговли мощностью с системой переменного тока. Это создает широко распространенное управление потоком мощности для последовательной компенсации, компенсации шунта и управления фазовым углом. Чтобы повысить безопасность системы, устройства FACT используются для управления устройством потока мощности, что дает возможность управлять напряжением и потоками мощности.С прошлых лет STATCOM играет важную роль в регулировании напряжения в системах передачи переменного тока. В линиях электропередачи трехфазного переменного тока часто возникает анализ проблемы перерегулирования напряжения, и обсуждалось ее решение путем продвижения разработки системы регулирования напряжения с использованием устройства FACT STATCOM.

    Алгоритм управления реактивной мощностью : Оптимальное распределение реактивной мощности — это нелинейная и смешанно-целочисленная задача оптимизации, которая включает как дискретные, так и непрерывные управляющие переменные.Чтобы найти ситуацию с управляющими переменными, такими как напряжения генератора, положение ответвлений трансформатора с переключением ответвлений и количество устройств компенсации реактивной мощности, запланированный алгоритм используется для оптимизации определенной цели. Потери при передаче мощности, профиль напряжения и стабильность напряжения оптимизируются дискретно. Это означает, что «чистые» пассивные фильтры не обеспечивают адекватных характеристик с точки зрения фильтрации гармоник. При запуске активных фильтров ток источника становится почти синусоидальным, и активный фильтр улучшает фильтрующие характеристики пассивного фильтра (De La Roza et al., 2002). В обоих случаях результат доказывает, что производительность шунтирующего фильтра активной мощности с гибридно-нечетким контроллером лучше, чем с обычным контроллером P-I. Переходный отклик сети энергосистемы был значительно улучшен, а динамический отклик стал быстрее за счет использования гибридного нечеткого контроллера. В настоящее время для компенсации реактивной мощности используется конденсаторно-тиристорный реактор постоянной емкости (FCTCR), управляемый нейронной сетью. Алгоритм, который используется для инструктирования нейронных сетей, — это обратное распространение.При отстающем коэффициенте мощности TCR обеспечивает постоянно контролируемую реактивную мощность. Батарея фиксированных конденсаторов соединена шунтом с TCR для расширения динамического регулируемого диапазона до опережающего коэффициента мощности. Подбирая подходящее количество индуктивной / емкостной, можно скомпенсировать реактивную мощность. Быстрая и динамическая балансировка системы возможна за счет наличия схемы управления, которая использует компьютерную нейронную сеть, а не традиционное дискретное переключение нагрузки. FCTCR на основе нейронной сети может быстро реагировать на реактивную мощность системы.В длинной линии передачи реактивная мощность играет важную роль в стабильности напряжения и способности передачи мощности в энергосистеме. Для управления реактивной мощностью в длинной ЛЭП обычно используются компенсаторы с параллельным подключением. В условиях малой нагрузки TCR используется для управления реактивной мощностью. Реактивной мощностью в линиях передачи можно управлять, управляя углом включения тиристоров. В систему TCR вводит гармонический ток. Гармоники в токе могут быть доведены до определенного предела, управляя подачей реактивной мощности.Контроллер нечеткой логики реализован для получения наилучшего возможного управления реактивной мощностью компенсатора для поддержания напряжения и гармоник в токе в заданных пределах. Алгоритм, который оптимизирует угол включения в каждом нечетком подмножестве, оценивается для построения правил в Fuzzy Logic Controller. Уникальность алгоритма заключается в том, что он использует простую формулу ошибки для контроля ранга возможных углов зажигания в каждом нечетком подмножестве. Пропорционально-интегрально-производные (ПИД-регуляторы) — это самый простой и наиболее широко используемый метод управления, но основная проблема возникает из-за настройки параметров ПИД-регулятора для соответствия требуемым характеристикам для широкого диапазона рабочих условий.Для различных условий нагрузки самонастраивающийся ПИД-регулятор искусственной нейронной сети (ИНС) сравнивается с контроллером ИНС. Замечено, что ПИД-регулятор на основе ИНС работает быстрее, с меньшими выбросами пиков и временем установления, чем контроллеры ИНС.

    Понятие о коэффициенте мощности и его влиянии на счета за электроэнергию | by Emmanuel Odunlade

    Помимо безопасности и надежности, при проектировании и внедрении электрических систем следует стремиться к ряду других целей, включая эффективность.Одним из показателей эффективности электрической системы является эффективность, с которой система преобразует получаемую энергию в полезную работу. На эту эффективность указывает компонент электрических систем, известный как коэффициент мощности. Коэффициент мощности указывает, сколько мощности фактически используется для выполнения полезной работы нагрузкой и сколько энергии она «тратит впустую». Как ни банально звучит его название, это один из основных факторов, вызывающих высокие счета за электроэнергию, сбои в подаче электроэнергии, а иногда и дисбаланс в электрических сетях.

    Чтобы правильно описать коэффициент мощности и его практическое значение, важно освежить свою память о различных типах электрических нагрузок и существующих компонентах Power.

    Из основных классов электричества электрические нагрузки в основном бывают двух типов;

    1. Резистивные нагрузки
    2. Реактивные нагрузки

    Резистивные нагрузки, как следует из названия, представляют собой нагрузки, состоящие из чисто резистивных элементов . Для этого типа нагрузок (с учетом идеальных условий) вся подаваемая на них мощность рассеивается для полезной работы из-за того, что ток обычно находится в фазе с напряжением .Хорошим примером резистивных нагрузок являются лампы накаливания и батареи.

    Соотношение между током и напряжением для резистивной нагрузки

    Для этого типа нагрузок связан компонент мощности, известный как активная / активная / рабочая мощность. Мы рассмотрим это чуть подробнее.

    С другой стороны, реактивные нагрузки немного сложнее. Хотя они вызывают падение напряжения и потребляют ток от источника, как резистивные нагрузки, они не рассеивают полезную мощность (работа не выполнялась).

    Реактивные нагрузки могут быть емкостными или индуктивными. В индуктивных нагрузках потребляемая мощность используется для создания магнитного потока без выполнения какой-либо прямой работы, в то время как для емкостных нагрузок мощность используется для зарядки конденсатора, а не для непосредственной работы. Мощность, рассеиваемая таким образом в реактивных нагрузках, обозначается как Реактивная мощность . Реактивные нагрузки характеризуются опережением по току (емкостные нагрузки) или отставанием (индуктивные нагрузки) от напряжения , поэтому обычно существует разность фаз между током и напряжением.

    Взаимосвязь между напряжением и током для индуктивной нагрузки

    Вариации в этих двух типах нагрузки привели к существованию трех силовых компонентов в электрических системах , а именно:

    1. Фактическая мощность
    2. Реактивная мощность
    3. Полная мощность

    Чтобы выбрать их один за другим;

    Фактическая мощность

    Это мощность, связанная с резистивными нагрузками. Это компонент мощности, рассеиваемый при выполнении реальной работы в электрических системах.От обогрева до освещения и т. Д. Она выражается в Вт (Вт), (вместе с ее множителями, кило, мега и т. Д.) И символически обозначается буквой P.

    Реактивная мощность

    Это — мощность, связанная с реактивной нагрузкой. В результате задержки между напряжением и током в реактивных нагрузках (емкостных или индуктивных) рассеиваемая энергия не производит никакой работы. Она называется реактивной мощностью, и ее единица измерения — вольт-ампер, реактивная (ВАР) .

    Полная мощность

    Типичные электрические системы включают в себя как резистивные, так и индуктивные нагрузки, подумайте о ваших лампочках и нагревателях для резистивных нагрузок, а оборудование с двигателями, компрессорами и т. Д. — как об индуктивных нагрузках. Таким образом, в электрической системе общая мощность представляет собой комбинацию компонентов фактической и реактивной мощности , эта общая мощность называется полной мощностью.
    определяется как сумма фактической мощности и реактивной мощности. Его единица измерения — вольт-ампер (ВА) и математически представлена ​​уравнением;

      Полная мощность = Фактическая мощность + Реактивная мощность  

    Эта комбинация, приводящая к полной мощности, и приводит к коэффициенту мощности .

    В идеальных ситуациях фактическая мощность, рассеиваемая в электрической системе, обычно превышает реактивную мощность. На изображении ниже показана векторная диаграмма , нарисованная с использованием трех компонентов Power.

    Векторная диаграмма

    Преобразуя векторную диаграмму, мы получаем треугольник ниже; нет, как треугольник власти.

    Треугольник мощности

    Получив косинус угла тета, мы можем расшифровать эффективность системы в использовании мощности, которую она получает для работы.Этот КПД, оцениваемый как отношение фактической мощности к полной мощности, называется коэффициентом мощности со значениями от 0 до 1. Из треугольника мощности в соответствии с правилом косинуса (Соседний по гипотенузе) коэффициент мощности может также оцениваться как отношение фактической мощности к полной мощности. математически;

      П.Ф. = Фактическая мощность / Полная мощность или P.F. = Cosϴ  

    Если сопоставить это уравнение с уравнением для определения полной мощности, легко увидеть, что увеличение реактивной мощности (наличие большого количества реактивных нагрузок) приводит к увеличению полной мощности и большему значению. для угла тета, что в конечном итоге приводит к низкому коэффициенту мощности, когда получается его косинус (cos).С другой стороны, снижение реактивных нагрузок (реактивной мощности) приводит к увеличению коэффициента мощности, что указывает на высокий КПД в системах с меньшими реактивными нагрузками.

    При очень низких значениях коэффициента мощности большое количество энергии от сети тратится впустую, поскольку часть ее не будет использоваться для значимой работы из-за наличия большего количества реактивных нагрузок, на что указывает низкий коэффициент мощности. Это создает нагрузку на систему электропитания, поскольку как реальная мощность, необходимая для нагрузки, так и реактивная мощность, используемая для удовлетворения реактивных нагрузок, будут отбираться из системы для удовлетворения требований нагрузки.

    Это напряжение и «потери» обычно приводят к огромным счетам за электроэнергию для потребителей (особенно промышленных потребителей), поскольку коммунальные компании рассчитывают потребление в терминах полной мощности, как таковые, они в конечном итоге платят за электроэнергию, которая не использовалась для достижения каких-либо «значимых» » Работа.

    Даже в ситуациях, когда электроэнергию обеспечивают генераторы компании, деньги тратятся зря на генераторы большего размера, кабели большего диаметра и т. Д., Необходимые для обеспечения электроэнергией, тогда как значительная их часть просто тратится впустую.

    Чтобы лучше понять это, рассмотрим иллюстрацию ниже ;

    Завод, работающий на нагрузке 70 кВт, может успешно питаться от генератора / трансформатора и кабелей, рассчитанных на 70 кВА (с использованием p.f. = фактическая мощность / кажущаяся мощность), если коэффициент мощности равен 1 (резистивная нагрузка с нулевым реактивным сопротивлением). Может быть, добавим еще кВА для толерантности, но мы оставим все как есть для этой статьи. Однако, если нагрузка изменится на нагрузку с той же номинальной мощностью 70 кВт, но с коэффициентом мощности, скажем, 0.6, потребуется более мощный генератор или трансформатор мощностью 116,67 кВА (700,6), поскольку генератор / трансформатор должен будет обеспечивать дополнительную мощность для реактивной нагрузки.

    Помимо этого резкого повышения требований к мощности, необходимо также увеличить размер используемых кабелей / проводов, что приведет к значительному увеличению стоимости оборудования и увеличению потерь мощности в результате сопротивления вдоль проводников.

    Наказание за это выходит за рамки высоких счетов за электроэнергию в некоторых странах, поскольку компании с низким коэффициентом мощности обычно штрафуются на огромные суммы, чтобы стимулировать исправление ошибок.

    Учитывая все сказанное, вы согласитесь со мной, что с экономической точки зрения более целесообразно исправить низкий коэффициент мощности, чем продолжать оплачивать огромные счета за электроэнергию, особенно для крупных предприятий. Корректировка общего коэффициента мощности может помочь промышленности и производственным предприятиям сэкономить более 40% на счетах за электроэнергию, топливо для генераторов и даже сократить выбросы.

    Помимо снижения затрат для потребителей, использование эффективной системы способствует общей надежности и эффективности энергосистемы, поскольку коммунальные предприятия могут снизить потери в линиях и стоимость обслуживания, а также столкнуться с сокращением количества трансформаторов и аналогичной вспомогательной инфраструктуры, необходимой для их работы.Как правило, эффективная система увеличивает потенциал систем производства, передачи и распределения электроэнергии, и ее отсутствие может быть одним из факторов, способствующих эпилептическому энергоснабжению / отключению электроэнергии в некоторых развивающихся странах.

    Первым шагом к корректировке коэффициента мощности, безусловно, является определение коэффициента мощности для вашей нагрузки. Это можно сделать с помощью:

    1. Расчет реактивной мощности с использованием данных реактивного сопротивления нагрузки

    2. Определение реальной мощности, рассеиваемой нагрузкой, и ее комбинирования с полной мощностью для получения коэффициента мощности.

    3. Применение измерителя коэффициента мощности.

    Измеритель коэффициента мощности

    Зная коэффициент мощности, вы можете приступить к его корректировке, отрегулировав его как можно ближе к 1.

    Рекомендуемый коэффициент мощности энергоснабжающими компаниями обычно составляет от 0,8 до 1, и это может быть достигнуто только если вы работаете с почти чисто резистивной нагрузкой или индуктивное реактивное сопротивление (нагрузка) в системе равно реактивному сопротивлению емкости, поскольку они оба компенсируют друг друга.

    В связи с тем, что использование индуктивных нагрузок является более частой причиной низкого коэффициента мощности, особенно в промышленных условиях (из-за использования тяжелых двигателей и т. Д.), Одним из простейших методов корректировки коэффициента мощности является индуктивного реактивного сопротивления за счет использования конденсаторных батарей коррекции, которые вносят в систему емкостное реактивное сопротивление.

    Конденсаторы коррекции коэффициента мощности действуют как генератор реактивного тока, уравновешивая / компенсируя потери мощности индуктивными нагрузками. Однако при установке этих конденсаторов в установки необходимо тщательно продумать конструкцию, чтобы обеспечить бесперебойную работу с таким оборудованием, как приводы с регулируемой скоростью, и эффективный баланс с затратами.

    В зависимости от объекта и распределения нагрузки, конструкция может включать конденсаторы фиксированной емкости, установленные в точках индуктивной нагрузки, или батареи конденсаторов автоматической коррекции, установленные на шинах распределительных панелей для централизованной коррекции, которая обычно более рентабельна в больших системы.

    Использование конденсаторов коррекции коэффициента мощности в установках имеет свои недостатки, особенно когда не используются подходящие конденсаторы или система неправильно спроектирована. Использование конденсаторов может вызвать кратковременный период «перенапряжения» при включении, что может повлиять на правильное функционирование оборудования, такого как приводы с регулируемой скоростью, в результате чего они периодически отключаются или перегорают предохранители на некоторых конденсаторах. . Однако ее можно решить, попытавшись внести изменения в последовательность управления переключением в случае скоростных приводов или исключив гармонические токи в случае плавких предохранителей.

    Каким бы желательным ни было достижение оптимального коэффициента мощности, равного 1 (единичный коэффициент мощности), его практически невозможно достичь из-за того, что ни одна система не является действительно идеальной. Это верно в том смысле, что никакая нагрузка не является чисто резистивной, емкостной или индуктивной. Каждая нагрузка состоит из некоторых реактивных или резистивных элементов, независимо от того, насколько они малы, типичный диапазон реализуемого коэффициента мощности обычно составляет до 0,9 / 0,95.

    Коэффициент мощности является важным фактором, определяющим, насколько хорошо вы используете энергию и сколько вы платите в счетах за электроэнергию (особенно для промышленности).В более широком смысле, это основной вклад в эксплуатационные расходы и может быть тем фактором снижения прибыли, на который вы не обращали внимания. Повышение коэффициента мощности вашей электрической системы может помочь снизить счета за электроэнергию и обеспечить максимальную мощность.

    Спасибо за чтение.
    Копия этой статьи также опубликована в Circuit Digest вместе с несколькими другими моими статьями. Прочтите здесь.

    Электроника | Бесплатный полнотекстовый | Стратегия управления активной / реактивной мощностью для систем возобновляемой генерации

    Вклад авторов

    Концептуализация, I.A., R.P. и R.B.-G .; методология, И.А .; программное обеспечение, И.А. и C.P .; проверка, I.A., R.P. и R.B.-G .; формальный анализ, И.А. и J.R .; следствие, И.А. и R.P .; ресурсы, R.P. and W.J .; курирование данных, I.A .; письмо — подготовка оригинального проекта, J.R. and W.J .; написание — обзор и редактирование, J.R., R.P., W.J. and C.P .; визуализация, Р.Б.-Г .; надзор, Р.П .; администрация проекта, Р.П .; финансирование привлечения, Р.П. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

    Рисунок 1. Предлагаемая топология.

    Рисунок 1. Предлагаемая топология.

    Рисунок 2. Текущий контур управления.

    Рисунок 2. Текущий контур управления.

    Рисунок 3. Контур управления напряжением.

    Рисунок 3. Контур управления напряжением.

    Рисунок 4. Контур регулирования частоты.

    Рисунок 4. Контур регулирования частоты.

    Рисунок 5. Статистические кривые P – V ( слева, ) и Q – f ( справа, ).

    Рисунок 5. Статистические кривые P – V ( слева, ) и Q – f ( справа, ).

    Рисунок 6. Обзор системы управления.

    Рисунок 6. Обзор системы управления.

    Рисунок 7. Система моделирования фотоэлектрической генерации.

    Рисунок 7. Система моделирования фотоэлектрической генерации.

    Рисунок 8. Блок-схема алгоритма P&O MPPT.

    Рисунок 8. Блок-схема алгоритма P&O MPPT.

    Рисунок 9. Переменные PV массива 1: ( a ) освещенность, ( b ) температура, ( c ) активная мощность и ( d ) реактивная мощность.

    Рисунок 9. Переменные PV массива 1: ( a ) энергетическая освещенность, ( b ) температура, ( c ) активная мощность и ( d ) реактивная мощность.

    Рисунок 10. Переменные PV Array 2: ( a ) освещенность, ( b ) температура, ( c ) активная мощность и ( d ) реактивная мощность.

    Рис. 10. Переменные PV Array 2: ( a ) освещенность, ( b ) температура, ( c ) активная мощность и ( d ) реактивная мощность.

    Рисунок 11. Мощность, подаваемая отдельными фотоэлектрическими генерирующими установками: ( a ) активная мощность и ( b ) реактивная мощность.

    Рисунок 11. Мощность, подаваемая отдельными фотоэлектрическими генерирующими установками: ( a ) активная мощность и ( b ) реактивная мощность.

    Рисунок 12. ( a ) токи инвертора по оси d и ( b ) по оси q.

    Рис. 12. ( a ) токи инвертора по оси d и ( b ) по оси q.

    Рисунок 13. Моделируемая система ветрогенерации.

    Рисунок 13. Моделируемая система ветрогенерации.

    Рисунок 14. ( a ) активная мощность и ( b ) токи по оси d, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) Напряжение по оси d (напряжение PCC).

    Рисунок 14. ( a ) активная мощность и ( b ) токи по оси d, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) Напряжение по оси d (напряжение PCC).

    Рисунок 15. ( a ) Реактивная мощность и ( b ) токи по оси q, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) частота сети.

    Рисунок 15. ( a ) Реактивная мощность и ( b ) токи по оси q, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) частота сети.

    Рисунок 16. Переменные на стороне постоянного тока: ( a ) мощность, ( b ) напряжение и ( c ) ток.

    Рисунок 16. Переменные на стороне постоянного тока: ( a ) мощность, ( b ) напряжение и ( c ) ток.

    Рисунок 17. ( a ) активная мощность и ( b ) токи по оси d, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) Напряжение по оси d (напряжение PCC).

    Рисунок 17. ( a ) активная мощность и ( b ) токи по оси d, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) Напряжение по оси d (напряжение PCC).

    Рисунок 18. ( a ) Реактивная мощность и ( b ) токи по оси q, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) частота сети.

    Рисунок 18. ( a ) Реактивная мощность и ( b ) токи по оси q, подаваемые отдельными инверторами; ( c ) частота сети.

    Рисунок 19. Переменные на стороне постоянного тока: ( a ) мощность, ( b ) напряжение и ( c ) ток.

    Рисунок 19. Переменные на стороне постоянного тока: ( a ) мощность, ( b ) напряжение и ( c ) ток.

    Рисунок 20. Схема Боде токового контура управления.

    Рисунок 20. Схема Боде токового контура управления.

    Рисунок 21. Схема Боде контура регулирования напряжения.

    Рисунок 21. Схема Боде контура регулирования напряжения.

    Рисунок 22. Схема Боде контура регулирования частоты.

    Рисунок 22. Схема Боде контура регулирования частоты.

    Таблица 1. Параметры моделирования.

    Таблица 1. Параметры моделирования.

    Напряжение звена постоянного тока 9055 фильтров 11–13
    Описание Значение
    Номинальный силовой трансформатор T1 200 МВА
    Номинальный силовой трансформатор T2 300 МВА
    9055 9055 9055 9055 Номинальная мощность4 трансформатора Сопротивление трансформатора 0,002 о.е.
    Реактивное сопротивление утечки 0.05 pu
    Линейное напряжение PCC 30 кВ
    Частота PCC 50 Гц
    Частота переключения 2 кГц
    Инвертор
    Напряжение PCC 30 кВ
    Частота PCC 50 Гц
    Питание конденсаторной батареи 400 МВА
    Мощность фильтров 5–7 5049 Мощность фильтров 5–7 50 МВА
    Выходной трансформатор номинальной мощности 1000 МВА
    Коэффициент трансформации 30/150 кВ
    Сопротивление 0.001 pu
    Реактивное сопротивление утечки 0,018 pu
    HVDC 400 кВ

    Таблица 2. Параметры контроллера.

    Таблица 2. Параметры контроллера.

    Пропорциональное усиление 9044 9044 9044 Кривая P – V 9069 – f7 Кривая
    Контроллер тока
    Пропорциональное усиление (kpi) 400
    Интегральное усиление (kii) 87,800
    42.57
    Интегральное усиление (kiv) 910,15
    Регулятор частоты
    Пропорциональное усиление (kpf) 0,513
    Наклон (mi, P) −0,02 кВ / МВт
    Уравнение кривой P – V Vrefi = 15−0,02Pmax + ΔVi
    Уклон (м i, Q ) −0.03 рад / с / МВАР
    Уравнение кривой Q – f ωrefi = 317,3–0,03Qi

    Таблица 3. Параметры фотоэлектрического модуля.

    Таблица 3. Параметры фотоэлектрического модуля.

    Ток короткого замыкания09 A
    Описание Значение
    Максимальная мощность Pmax 414,8 Вт
    Напряжение холостого хода Voc 85,3 В
    sc3
    Максимальное напряжение питания Vmp 72,9 В
    Максимальный ток питания Imp 5,69 A

    Таблица 4. Сводная информация о средней поставляемой мощности.

    Таблица 4. Сводная информация о средней поставляемой мощности.

    Мощность [МВт]
    Фотоэлектрическая система Ветровая система
    Инвертор 1 150 120
    9055 9055 9055 9055 2 9055 2 9055 9055 2 Инвертор 3 490 370
    Всего 820 690

    Зачем снижать реактивную мощность? Больше мощности — меньше меди

    Какие типы реактивной мощности бывают?

    Индуктивная реактивная мощность

    Двигатели, трансформаторы и устройства управления являются индуктивными нагрузками.При индуктивных нагрузках требуется питание для намагничивающих катушек. Эта мощность называется индуктивной реактивной мощностью. Мы называем векторную сумму активной мощности (P) и индуктивной реактивной мощности (Q1) полной мощностью (S1). В этом примере полная мощность носит индуктивный характер.

    Емкостная реактивная мощность

    Конденсаторы в электронном оборудовании и длинные кабели представляют собой емкостные нагрузки. При емкостных нагрузках для зарядки этой емкости требуется мощность. Эта мощность называется емкостной реактивной мощностью.Векторная сумма фактической мощности (P) и емкостной реактивной мощности (Q1) называется полной мощностью (S1). В этом примере полная мощность носит емкостной характер. Посмотрите, какие системы компенсации снижают индуктивную и емкостную реактивную мощность.

    Степень, в которой энергия используется для индуктивной и емкостной реактивной мощности, указывается с помощью cos-phi. В международном масштабе это называется коэффициентом смещения мощности (dPF). Это соотношение между фактической и полной мощностью основной составляющей (составляющей 50 Гц).

    Гармоническая реактивная мощность

    В современных установках все больше и больше нелинейных нагрузок. Примерами этого являются, например, выпрямители (блоки питания ноутбуков, серверы) и инверторы в современных ИБП и преобразователях частоты. Характерной чертой нелинейной нагрузки является то, что используемый ток больше не является синусоидальным. Мы также называем искажение тока, возникающее в результате этого гармонического искажения.

    Дополнительная мощность, возникающая в результате гармонических искажений, — это то, что мы называем гармонической реактивной мощностью (Qh).Эта реактивная мощность не является ни индуктивной, ни емкостной. Вот почему мы наносим гармоническую реактивную мощность на третью ось, так называемую ось z. Векторная сумма реальной мощности (P) и гармонической слепой мощности (Qh) — опять же — называется полной мощностью (S).

    Комбинация видов реактивной мощности

    Практика показывает сочетание разных видов реактивной мощности. В приведенном ниже примере возникает гармоническая реактивная мощность, а преобладает индуктивная реактивная мощность.

    Запомните:

    Коэффициент смещения мощности (dPF или cos-phi) — это отношение фактической мощности в (кВт) к полной мощности основной составляющей 50 Гц.Если гармоники отсутствуют, общий коэффициент мощности (PF) равен коэффициенту мощности смещения (dPF).

    Коэффициент мощности (PF) — это соотношение между фактической и полной мощностью при любых обстоятельствах.

    Понимание коэффициента мощности и гармоник

    В то время, когда бережливое производство стало мантрой промышленности, минимизация затрат на электроэнергию приобрела все большее значение. Однако дело не только в контроле потребления, но и в том, как коммунальное предприятие выставляет счет за это потребление.Здесь фактор мощности играет ключевую роль. Коэффициент мощности — это отношение реальной мощности к полной мощности в электрической системе. Чем ниже коэффициент мощности, тем выше потребляемый ток. Более высокий ток требует более толстых проводов и более надежной инфраструктуры, чтобы свести к минимуму рассеивание мощности. Поскольку это увеличивает стоимость коммунальных услуг, объекты с низким коэффициентом мощности оплачиваются по более высокому тарифу. К счастью, существуют методы корректировки коэффициента мощности и гармоник. В этом руководстве мы более подробно рассмотрим эти концепции применительно к серводвигателям и приводам.

    Коэффициент мощности обеспечивает меру эффективности электрической системы. Истинный коэффициент мощности состоит из двух составляющих: коэффициент вытесняющей мощности и общий коэффициент гармонических искажений. Его часто упрощают до простого коэффициента мощности смещения, но это справедливо только для определенного класса линейных нагрузок. Сервоприводы и частотно-регулируемые приводы являются нелинейными нагрузками, поэтому упрощение больше не применяется.

    Давайте сначала рассмотрим коэффициент смещения мощности, начиная с некоторых определений:

    • Реальная мощность ( P ) в ваттах (Вт) — это мощность, рассеиваемая нагрузкой.Это мощность, используемая для создания крутящего момента в двигателе.
    • Реактивная мощность ( Q ) в вольт-амперных реактивных единицах (ВАР) — это мощность, накопленная и разряженная индуктивными и емкостными компонентами системы. Это мощность, которая генерирует магнитный поток, заставляющий двигатель вращаться.
    • Полная мощность ( S ) в вольт-амперах (ВА) представляет собой векторную сумму активной и реактивной мощности.

    Используя эти термины, мы можем определить коэффициент мощности смещения PF D как:

    , где δ 1 — фазовый угол напряжения, θ 1 — фазовый угол тока; мы называем φ углом коэффициента мощности. 1 Коэффициент мощности — это безразмерное число в диапазоне от -1 до 1. Низкий коэффициент мощности означает, что реактивная нагрузка потребляет большую часть общего тока; отрицательный коэффициент мощности указывает на то, что нагрузка вырабатывает ток.

    Мы можем показать отношения между реальной, полной и реактивной мощностью в векторном пространстве в так называемом треугольнике мощности (см. Рисунок 1):

    Для чисто резистивной нагрузки напряжение и ток совпадают по фазе.Угол коэффициента мощности равен нулю, а коэффициент мощности равен единице. Для чисто индуктивных или емкостных нагрузок активная мощность уменьшается до нуля, а коэффициент мощности также падает до нуля. В случае реальной индуктивной нагрузки, такой как двигатель, напряжение опережает ток, увеличивая угол коэффициента мощности, чтобы получить коэффициент мощности смещения меньше единицы.

    Низкий коэффициент мощности смещения указывает на то, что система неэффективно потребляет электроэнергию. Используя уравнение 1, мы можем выразить реальную мощность как:

    Уменьшение PF D Увеличение P .Конечно, P = IV , и для фиксированного напряжения ток должен возрасти, чтобы компенсировать низкий коэффициент мощности смещения. Повышенный ток приводит к большим резистивным потерям, что вынуждает коммунальное предприятие устанавливать провода большого размера и трансформаторы, чтобы выдавать такое же количество энергии. Это приводит к увеличению скорости, о которой мы говорили выше.

    Для линейных, чисто синусоидальных нагрузок, таких как двигатели с фиксированной скоростью вращения насосов и вентиляторов, коррекция коэффициента мощности смещения довольно проста.Емкостное реактивное сопротивление может нейтрализовать индуктивное реактивное сопротивление. Хотя фаза напряжения опережает фазу тока для индуктивных нагрузок, ток опережает напряжение для емкостных нагрузок. В результате мы можем улучшить коэффициент мощности, просто добавив конденсаторы. К сожалению, серводвигатели не являются линейными нагрузками, поэтому нам нужно найти другое решение.

    Фактический коэффициент мощности
    В сервоприводах и частотно-регулируемых приводах (VFD) используются выпрямители с диодным мостом. Диоды работают только в той части цикла, когда входное напряжение выше, чем напряжение шины постоянного тока, что вносит гармоники, искажающие сигнал мощности.На контроллере все будет нормально, с коэффициентом смещения около 0,95. Однако цифры не отражают всей картины. Если вы измеряете общий ток, умноженный на напряжение в системе, и вычисляете истинный коэффициент мощности ( PF T ), он будет низким.

    Как мы упоминали выше, истинный коэффициент мощности состоит не только из коэффициента мощности смещения. Фактически он выражается как произведение коэффициента мощности смещения и коэффициента мощности искажения:

    PF T = PF D x DPF

    Коэффициент мощности искажения вводится гармониками.Более пристальный взгляд на сигнал покажет, что текущая форма волны больше не является синусоидальной волной с частотой 60 Гц. Гармоники вносят высокочастотную составляющую, которая преобразует их в двугорбый узор (см. Рисунок 2). 2

    Коэффициент мощности искажения определяется как:

    , где THD — полное гармоническое искажение тока (полное определение приведено в ссылке 1).

    Сервосистема обычно генерирует гармоники пятого и седьмого порядка с высокими значениями, а также вклады от высокочастотных составляющих.(Мы игнорируем член третьего порядка в этом случае, потому что для трехфазной системы гармоника третьего порядка на частоте 180 Гц компенсируется, когда она проходит через выпрямитель.)

    Каждый раз, когда сервоось движется, она генерирует гармоники и усугубляет проблему. К сожалению, поскольку нагрузка является нелинейной, ее нельзя скорректировать линейной нагрузкой в ​​виде конденсатора коррекции коэффициента мощности. Надо искать другие решения. Связывание дисков с общей шиной постоянного тока может несколько смягчить проблему.Если ускоряющие оси получают ток от осей, замедляющих движение, они не получают ток от основной линии.

    Другой подход к работе с гармониками — это добавление индуктивности, например, сетевого дросселя или дросселя постоянного тока. Давайте посмотрим на привод с рисунка 2, который теперь питается от энергосистемы с гораздо более низким импедансом. Воздействие на конденсаторы шины постоянного тока скачков тока может вызвать сильный нагрев, что приведет к изменению ожидаемого срока службы с нескольких лет на несколько дней (см. Рисунок 3).

    Если мы добавим 3% линейный реактор, производительность изменится (см. Рисунок 4).Добавление импеданса катушки индуктивности снижает импеданс входной системы питания, поэтому всплески и ниже, и шире, как в системе, приведенной в номинальное значение, показанное на рисунке 2. Сетевой реактор также защищает входные диоды от скачков напряжения в линии.

    Сетевой реактор — не единственный подход. Вместо этого можно использовать эквивалентный дроссель постоянного тока, чтобы получить немного лучшую форму волны. В отличие от сетевого дросселя переменного тока, дроссель постоянного тока не достигает нуля в точках разворота, что приводит к сглаживанию профиля горба (см. Рисунок 5).Однако он не обеспечивает такой большой защиты входных диодов.

    Когда дело доходит до работы сервосистемы, сам по себе коэффициент мощности смещения не является полезной оценкой производительности. Важно анализировать и устранять влияние гармоник на систему, иначе вы можете регулярно сталкиваться с непредвиденными неисправностями или некачественной работой. В идеале каждый привод должен иметь либо входной линейный дроссель, либо дроссель постоянного тока, но это обычно не стандартное оборудование.Его должен будет спроектировать производитель панелей.

    Конечно, как и во всем в технике, нет единого верного решения. Для достижения наилучших результатов проанализируйте производительность вашей системы и начните диалог со своим поставщиком, чтобы убедиться, что вы достигнете ожидаемой производительности и надежности.

    Благодарности
    Спасибо Джеймсу Круку, старшему инженеру Schneider Electric, за полезные беседы.

    Список литературы

    1. Вт.Грэди и Р. Гиллески, «Гармоники и их отношение к коэффициенту мощности», Proc. конференции EPRI по вопросам качества электроэнергии и возможностям (PQA’93), Сан-Диего, Калифорния (1993).
    2. «Влияние имеющегося тока короткого замыкания на приводы переменного тока», технический бюллетень Schneider Electric (2008).

    Оптимальная компенсация реактивной мощности в системах распределения электроэнергии с распределенными ресурсами. Обзор

    Реферат

    В данной статье разработан исчерпывающий библиографический пересмотр математических методов, используемых для оптимального выбора и расположения элементов компенсации реактивной мощности , проанализированы результаты, полученные разными авторами для разных целевых функций, и поставлена ​​научная проблема. в конфликте, который электрические переменные показывают при индивидуальном анализе, определяется; тем самым демонстрируя необходимость многокритериального анализа данной проблемы с учетом топологий распределительных сетей с распределенной генерацией и накоплением энергии.Это исследование демонстрирует, что компенсация реактивной мощности в распределительных сетях с распределенными ресурсами представляет собой проблему, которую необходимо анализировать по множеству критериев, которые учитывают необходимость оптимизации нескольких целевых функций; Таким образом, достигается глобальное решение, которое предполагает оптимальное расположение и определение размеров элементов компенсации реактивной мощности, которые способствуют совместному улучшению профилей напряжения, минимизации потерь мощности, уменьшению гармоник, увеличению пропускной способности линии, стабильности напряжения и повышению коэффициента мощности, все это с минимальными инвестиционными затратами.Также предлагается теоретическая эвристика для решения описанной проблемы, основанная на методе многокритериальной оптимизации.

    Ключевые слова: Энергетика, Электротехника

    1. Введение

    Основная цель электрических распределительных сетей — транспортировать электроэнергию к конечным пользователям с требуемыми стандартами эффективности, качества и надежности, что требует минимизации потерь энергии и улучшения транспорта процессы [1]. Компенсация реактивной мощности является одним из общепризнанных методов, поскольку она способствует сокращению потерь энергии наряду с другими преимуществами; Такие как коррекция коэффициента мощности, увеличение транспортной и эксплуатационной емкости линий и устройств сети, стабильность напряжения и улучшение профиля напряжения, все они имеют различные эксплуатационные ограничения [2, 3, 4, 5].Надлежащий комплексный контроль потоков реактивной мощности и профиля напряжения в распределительных сетях стал очень серьезной проблемой комплексного решения из-за характеристик распределительных сетей. В этой статье будет разработан современный уровень техники, основанный на большом библиографическом обзоре, чтобы продемонстрировать, что подавляющее большинство авторов, проводивших исследования для решения проблем компенсации реактивной мощности, предложили решения для единственной целевой функции, либо для минимизации потери мощности, чтобы улучшить коэффициент мощности, высвободить емкость в линиях и оборудовании, улучшить профили напряжения, гарантировать стабильность напряжения, уменьшить гармоники, среди прочего [6, 7, 8, 9, 10].Для этого были применены и описаны многие эвристические и метаэвристические методы, которые в основном основаны на исследовательских поисках для поиска такого типа решения, которое заключается в расположении и определении размеров компенсирующих элементов в распределительной сетке. Целью данного исследования является демонстрация необходимости глобального и эффективного реагирования на управление электрическими переменными, на которые влияют потоки реактивной мощности, требуемые нагрузками в электрических распределительных системах преимущественно индуктивного характера.Также будет подчеркнута важность сосредоточения этого анализа на распределительных сетях с распределенными ресурсами, поскольку в ближайшем будущем распределительные сети должны стать самоподдерживающимися сетями с возобновляемой генерацией экологически чистых и негорючих источников. Этот тип топологий микросетей, которые можно изолировать, требует особого анализа компенсации реактивной мощности из-за двунаправленных потоков мощности, которые существуют в этих сетях.

    Основная цель этой работы — определить вариацию, которая может иметь компенсационное решение, связанное с оптимальным расположением и определением размеров компенсирующих элементов в распределительной сети с распределенными ресурсами, когда это не анализируется многокритериальным способом.Будет проанализировано, как разные авторы предлагают разные решения в расположении и определении размеров элементов компенсации реактивной мощности для разных целевых функций; эта проблема утверждает, что оптимальное решение для одной целевой функции может конфликтовать с решениями для других целевых функций. Кроме того, анализ реальных микросетей с распределенными ресурсами включает сложность проблемы из-за собственной компенсации генераторов, которые в случае солнечных фотоэлектрических генераторов в большинстве случаев компенсируют только активную мощность, что значительно ухудшает коэффициент мощности сети [11, 12].

    Вклад этого исследования связан с выявлением проблемы в решениях, предложенных многими авторами для компенсации реактивной мощности с единственной целевой функцией, и с демонстрацией конфликта, который существует между переменными при индивидуальном анализе, что обосновывает необходимость анализа. это явление многокритериальным способом и предложить оптимальное решение для набора переменных, на которые влияет расположение компенсирующих элементов в распределительных сетях с распределенными ресурсами, что охватывает более реальный сценарий исследования в текущих сетях.Также подробно описывается широкое теоретическое и концептуальное описание и предлагается метод решения о компенсации, основанный на нескольких критериях. показано графическое представление предлагаемой научной задачи в топологии сетки с распределенными ресурсами.

    Графическое представление научной проблемы компенсации реактивной мощности в распределительных сетях.

    Работа организована следующим образом: Раздел 2 (Основной текст) объясняет основные характеристики переменных, анализируемых в исследовании, и их влияние на распределительную сетку, обсуждает анализ библиографического обзора и определяет научную проблему.Раздел 2 также показывает математическую модель, предложенную для теоретического решения проблемы, и описывает будущую работу. Наконец, выводы можно найти в разделе 3.

    2. Основной текст

    2.1. Анализ основных переменных, влияющих на проблему компенсации реактивной мощности в распределительных сетях

    Электрораспределительные сети среднего напряжения отвечают за транспортировку энергии от подстанций субпередачи к распределительным трансформаторам. Эти схемы обладают особыми характеристиками и должны соответствовать ряду технических требований, чтобы поддерживать процессы в эффективных параметрах и обеспечивать высокое качество обслуживания [13, 14, 15, 16, 17].Глобальный анализ эффективности и качества транспортировки электроэнергии в распределительных сетях — это сложный процесс, который зависит от множества критериев, поскольку эти системы представляют разные типы топологий сети, разные конструкции и характеристики конфигурации, множественные соединения, нагрузки разного характера, линии без транспозиций, множество точек соединения или стыков в сосуществовании с флорой и фауной.

    2.2. Потери мощности и энергии в распределительных сетях

    Потери мощности и энергии в распределительных сетях в основном связаны с преобразованием электрической энергии в тепло в результате циркуляции токов по электрическим проводникам, явление, описываемое как эффект Джоуля [18 ].

    Активные потери мощности определяются по формуле:

    Где: n — количество узлов в системе, I i — текущее значение на узле i и R i — сопротивление в узле i [18]. Распределительные цепи, несмотря на типичный характер их нагрузок, являются преимущественно индуктивными из-за их коротких расстояний и средних уровней напряжения, преобладающих в конструкции антенн [14].Следовательно, нагрузки, связанные с каждым из распределительных трансформаторов, требуют потребления реактивной мощности, чтобы иметь возможность генерировать индуктивные потоки без создания полезной работы с потреблением энергии этого типа. Эта реактивная мощность в трехфазных системах для данного узла определяется выражением:

    Qi = 3 * Vi * Ii * sinØi.

    (2)

    Где В i e I i — напряжение и ток в узле i , Ø i — угол между напряжением и током на узле и .

    В некомпенсированных распределительных системах потоки реактивной мощности потребляются в сети, а реактивные составляющие токов, которые требуют этих индуктивных нагрузок, обычно циркулируют по распределительной цепи, вызывая высокие потери из-за ранее описанного эффекта Джоуля. По этой причине компенсация реактивной мощности при условии правильного выбора и расположения компенсирующих устройств имеет большое значение для минимизации потерь мощности и энергии. Расположение компенсирующих устройств позволяет передавать потоки реактивной мощности в сеть, тем самым предотвращая их передачу по сети с нежелательными значениями в циркулирующих токах [1].

    2.3. Корректировка и улучшение коэффициента мощности

    Коэффициент мощности в основном определяется как отношение между активной мощностью в (Вт) и полной мощностью, приведенной в (ВА) [19]. Коэффициент мощности можно рассчитать в трехфазной или однофазной системе как:

    PF = cosØi = PiSi = PiVi ∗ Ii,

    (3)

    Где: PF и cos Ø i — признанные базовые символы для обозначения коэффициента мощности [20], P i — активная мощность или активная мощность в узле i , S i — полная мощность в узле i и V i e I i — напряжения и токи в узле i .

    Коррекция коэффициента мощности до желаемых значений, близких к 1 (идеальный случай) — это улучшение, которое стремятся реализовать все распределительные компании, а также промышленные пользователи, которые не соответствуют минимальным требованиям по эффективному использованию электроэнергии и следовательно, они наказываются [21].

    Распределительные сети среднего напряжения (СН) передают энергию к распределительным трансформаторам, которые в большинстве случаев питают преимущественно индуктивные нагрузки; это приводит к значительному ухудшению коэффициента мощности, поэтому необходимо применять меры компенсации реактивной мощности в этих сетях, чтобы снизить потребление реактивной мощности за счет минимизации разницы между активной и полной мощностью для улучшения коэффициента мощности.Повышение коэффициента мощности подразумевает снижение затрат на энергию, высвобождение электрической мощности распределительной системы и улучшение уровней напряжения [22, 23].

    2.4. Улучшение профилей напряжения

    Обеспечение надежности и стабильности распределительных сетей среднего напряжения является одной из самых больших проблем для энергораспределительных компаний, поскольку энергия должна достигать конечных потребителей со стандартами качества, которые требуют постоянного улучшения для поддержания уровней стабильных напряжений в пределах параметров. регулируется стандартами, установленными в каждой стране для различных уровней напряжения [24].Улучшение профилей напряжения в распределительных сетях с целью повышения стабильности и надежности было достигнуто за счет включения распределенной генерации, изменения TAP трансформатора, регуляторов напряжения, конденсаторных батарей или статических компенсаторов реактивной мощности, SVC по его аббревиатуре на английском языке, среди прочего [15, 24, 25].

    Статические компенсаторы реактивной мощности могут поддерживать запрограммированный стабильный уровень напряжения. Если напряжение в подключенном узле высокое, компенсатор работает в индуктивной зоне и потребляет реактивную мощность нагрузки, это может произойти в предрассветные часы, когда потребность нагрузки снижается, и если, наоборот, напряжение в узле низкое (время пикового потребления) [26], компенсатор работает в емкостной зоне и высвобождает реактивную мощность, работая как генератор, и, таким образом, поддерживает стабильность системы распределения.Тот же самый эффект может быть достигнут с использованием регуляторов напряжения или с изменением производных TAP трансформаторов, которые могут регулировать процесс преобразования в различных отношениях преобразования напряжения, либо для уменьшения, либо для увеличения уровней подаваемого напряжения, гарантируя стабильность система [27].

    2,5. Подавление гармоник

    Среди устройств компенсатора реактивной мощности статической мощности, основанных на силовой электронике, выделяются SVC (описанные ранее), которые содержат ступени емкости параллельно с реактивными сопротивлениями, оба программируемые системой автоматического управления, которая определяет, должен ли SVC вести себя как реактивный генератор и повышать напряжение системы, или вести себя как нагрузка и поглощать реактивную энергию из сети, стабилизируя уровни напряжения до заданных параметров [28, 29, 30].Эти устройства вносят значительную гармоническую составляющую, которую необходимо учитывать при общем анализе проблемы компенсации реактивной мощности, поскольку это переменная, которая конфликтует с целью оптимизации потоков реактивной мощности. Необходимо обеспечить, чтобы пределы суммарных гармонических искажений тока и напряжения не превышали значений, установленных нормами качества энергии [28, 31, 32].

    Общий коэффициент гармонических искажений (THD) можно рассчитать, как показано ниже [28, 31, 32].

    THD% = 100 ∗ ∑i = 1H (Vi, h) 2Vi, 1,

    (4)

    Где:

    • V i , h — соответствующая составляющая напряжения гармонике h в узле и .

    • В i , 1 Основная составляющая напряжения (1-я гармоника) в узле i .

    • H — это максимальный порядок гармоник, который необходимо учитывать при расчетах.

    2.6. Анализ затрат на устройства компенсации реактивной мощности

    Все улучшения, связанные с компенсацией реактивной мощности в распределительных сетях, связаны с инвестициями и затратами на техническое обслуживание, которые необходимо анализировать вместе с выгодами от концепций снижения потерь энергии, обеспечиваемых компенсирующими устройствами; в дополнение к преимуществам качества и надежности, которые также являются качественными целями, которые достигаются при использовании этих устройств.

    2.7.Распределительные сети с распределенной генерацией

    Распределенная генерация (DG) — это технология, которая обеспечивает добавленную стоимость активной мощности для питания электрических систем. Размещение этого типа технологий обычно осуществляется как можно ближе к конечным пользователям или важным нагрузкам, требующим более высокой степени надежности и большей стабильности подаваемого напряжения. Среди различных типов источников распределенной генерации возобновляемой энергии, наиболее часто используемыми в распределительных сетях являются ветровые и фотоэлектрические, хотя во многих случаях можно указать другие типы источников [2].Эти типы источников ОГ необходимо тщательно оценивать, чтобы определить, в зависимости от топологии и местоположения, наилучшие возможные вместе с другими важными факторами, такими как установленная мощность и их расположение в сети. Последнее имеет жизненно важное значение, поскольку неподходящее расположение может способствовать нежелательной подаче потоков активной и реактивной мощности, которые могут увеличить потери энергии в системе и вызвать перенапряжения в двух рядом с РГ, в дополнение к высоким затратам без достижения предложенных целей. [33, 34, 35].DG предлагает большие преимущества в эффективности, стабильности и надежности распределительных систем, особенно в радиальных сетях, которые перемещаются на большие расстояния, в которых небольшое увеличение допустимой нагрузки может дестабилизировать систему с высокими помехами и падениями напряжения. Компенсация с помощью ДГ с оптимальным расположением в этих конечных узлах может устранить эту перегрузку линии, а также восстановить требуемые значения напряжения [25, 36]. Это также помогает предположить увеличение существующей нагрузки в возможных будущих сценариях, даже при расширении распределительной сети, поддерживая стабильные уровни напряжения, потерь и пропускной способности сети.[4]. Благодаря этому мы можем установить ДГ в качестве компенсационного элемента в распределительных системах [17, 27, 28, 29, 30].

    2,8. Накопление энергии в распределительных сетях

    Одной из самых новых и желаемых целей перехода от традиционных электрических систем к интеллектуальным сетям является внедрение накопителей энергии. Накопление энергии в распределительных сетях способствует значительному повышению эффективности, качества и надежности этих систем, предлагая высокие преимущества против колебаний и позволяя с большей гибкостью управлять частотой и напряжением в распределительных системах [41, 42, 43].Прямое подключение к сети аккумуляторов энергии является проблемой, которая получает признание в качестве источника распределенной генерации вместе со всеми сложными элементами управления и связи для надлежащего использования этой технологии [44]. В радиальных распределительных сетях с ДГ на конечных узлах часто бывает очень дорого доставлять энергию от системы к источнику питания, поскольку транспортировка этой энергии вызывает значительные потери в джоулях. Следовательно, в этих конкретных случаях очень эффективным вариантом является размещение накопителя энергии рядом с ДГ для хранения и повторного использования генерируемой энергии во время нестабильности системы [45].Точно так же существуют системы микросетей с гибридным накопителем энергии, использующие, помимо батарей батарей, конденсаторы, которые позволяют производить загрузку и разгрузку в зависимости от работы сети на активной и реактивной мощности [46].

    2.9. Библиографический обзор

    Для анализа обработки переменных, участвующих в задаче оптимизации потоков реактивной мощности, сделан полный библиографический обзор с учетом многих виртуальных библиотек, в том числе IEEE Xplore, ScienceDirect, Scopus и других.Этот библиографический обзор направлен на сравнение методов интеллектуальной оптимизации, применяемых разными авторами для решения проблем компенсации, и с этим результатом для установления сравнения между различными многокритериальными предложениями в соответствии с рассматриваемыми сценариями распределительной сети и количеством переменных, влияющих на каждую из них. предлагаемые математические модели. Библиографический обзор содержит самые свежие и новые статьи по тематике, которые упоминаются в следующих источниках:

    Проанализированных научных статей: [6, 7, 10, 23, 27, 29, 30, 37, 38, 39, 40, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98].

    показывает подход авторов к решению проблемы компенсации реактивной мощности в распределительных сетях на основе оптимизации потоков реактивной мощности. Видно, что наиболее важной переменной является потеря мощности.

    Графическое представление тематических вариантов компенсации реактивной мощности в распределительных сетях.

    показывает трактовку авторами различных целевых функций в проблемном подходе.Принимая во внимание библиографический обзор, мы смогли установить эти данные, показывающие процент исследования, выполненного каждой из целевых функций, задействованных в компенсации реактивной мощности. Можно видеть, что в случае предложенных целей наиболее важным параметром в этой задаче было «Регулирование или улучшение профилей напряжения».

    Графическое представление постановок задач компенсации реактивной мощности в распределительных сетях.

    Случай 1: Оптимальный выбор и расположение конденсаторной батареи для минимизации потерь мощности.

    показывает большинство математических приемов, предложенных авторами для решения проблемы компенсации реактивов в распределительных сетях, и процентный анализ использования каждого из этих методов в рассмотренных статьях. Затем можно сделать вывод, что эвристические методы наиболее часто используются для решения этого типа задач высокой сложности, хотя в большинстве статей авторы предлагают эвристические методы, которые опираются на другие математические методы.

    Графическое представление математических методов, используемых авторами для компенсации реактивной мощности в распределительных сетях.

    С результатами, полученными в этом библиографическом обзоре, мы смогли определить проблему математической модели, которая предполагает совместный анализ всех переменных, участвующих в проблеме оптимизации потоков реактивной мощности. Мы также можем сказать, что большинство предложенных моделей рассматривают сценарии распределения без распределенных ресурсов, что далеко от реальности энергосистем в целом, которые в настоящее время погружены во многие проекты микросетей с включением распределенных ресурсов.

    Тенденция новых математических предложений авторов в публикациях от 2016 года заключалась в расширении области исследования в предполагаемых переменных и сценариях, рассматриваемых для поиска оптимального местоположения и определения размеров компенсирующих устройств реактивных элементов в распределительных сетях с распределенные ресурсы. Это демонстрирует важность и интерес к предмету; однако в библиографическом обзоре мы не смогли найти предложения, которое рассматривает оптимизацию потоков реактивной мощности в распределительных сетях с распределенными ресурсами и учитывает все переменные, которые могут быть изменены с помощью потоков реактивной мощности.

    Из множества статей мы выбрали 16 статей, которые больше подходят для проблемы, выявленной в этом исследовании. Этот библиографический обзор показан в, указывая статьи с большим приближением к реальной проблеме и которые обновляются при обсуждении этой проблемы.

    Таблица 1

    5 9130 5 9130 9130 Профиль стабильности и напряжения 2 X ] X 930 930 930 X
    Проанализированные статьи
    Обработка целевых функций
    DSTATCOM Тип компенсации
    Минимальные потери бумаги Год публикации Год публикации Улучшение КП. Снижение гармоник Конденсаторные батареи SVC Накопитель энергии Распределенная генерация
    1 [52] 2016 X X 9055 X 9055 X X
    2 [67] 2018 X X X 9055 9304 9304 3 [66] 2018 X X X X
    4 X X X
    5 [75] 2017 X X X X X 4 X 4 2016 X X X X X
    7 [93] 9055 930 X X
    8 [50] 2016 X X X 9055 9304 9304 930 4 X
    9 [53] 2016 X X X 9 0554 X X
    10 [49] 2016 X X X 9044 9044 [48] 2016 X X X X
    X X X
    13 [39] 2015 X 9055 9055 X 9055 X
    14 [30] 2015 X X X X
    15 [37] 2015 X X
    16 [100] 2014 X X может быть отмечено X 49 X 9055 52], где получен более полный анализ.Однако он не анализирует все переменные или компенсацию с помощью компенсирующих устройств; компенсация взимается из распределенных ресурсов. Из выбранных статей видно, что только одна из проанализированных статей учитывает подавление гармоник, но важно уточнить, что во многих других статьях эта переменная рассматривается как целевая функция при компенсации реактивной мощности, в основном через компенсацию. устройства на основе силовой электроники, которые вносят в сеть большое количество гармонических составляющих, которые необходимо учитывать для такого типа глобального анализа [62, 99].

    2.10. Идентификация проблемы

    В разделе 2 мы проанализировали различные переменные и топологии распределительных сетей, которые могут быть затронуты и которые могут влиять на принятие решений по оптимальному выбору и размещению компенсирующих элементов в распределительной сети с целью компенсации многокритериально потоки реактивной мощности. В этом разделе мы проанализируем некоторые результаты, полученные разными авторами, а также сравним значения остальных переменных, когда решение представлено для одной целевой функции.

    Для решения проблемы оптимального выбора, размещения и определения размеров устройств компенсации реактивной мощности в распределительных сетях было описано и разработано множество математических моделей, основанных на эвристиках и метаэвристиках, которые функционируют как алгоритмы поиска путем сканирования узлов. и линии исследуемой системы. Это могут быть реальные случаи или типичные системы распределения IEEE. Среди наиболее реализуемых алгоритмов для решения этого типа проблем мы можем упомянуть имитацию отжига, поиск табу, генетический алгоритм, оптимизацию колоний муравьев, оптимизацию роя частиц, смешанное целочисленное нелинейное программирование и многие другие.Для случая анализа, который идентифицирует проблему конфликта переменных, будет реализован алгоритм Simulated Annealing, который представляет собой метаэвристику вероятностей, которая ищет оптимальное комбинаторное решение из оценки глобального оптимального решения целевой функции в конкретная область поиска. Это начинается с группы произвольных цепей, которые имеют конфигурацию мощности с установкой реактивных элементов совокупности, генерируемых от начальной температуры. По этой причине этот подход может генерировать серию различных способов поиска, пытаясь найти лучшие решения, которые в конечном итоге приходят к глобальному оптимуму, если он существует.[101].

    В этой главе будет проанализирован пример типичной схемы IEEE на 30 бар, где будет реализован алгоритм имитации отжига (SA), чтобы найти оптимальное расположение и размеры конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности с корпусом. 1, цель которого — минимизировать общие потери мощности в исследуемой цепи. Затем алгоритм (SA) будет реализован в той же системе IEEE с 30 полосами, со случаем 2, который будет направлен на улучшение профилей напряжения, оптимально приближая их к 1 на единицу.Наконец, результаты будут проанализированы в каждом случае, чтобы найти предел конфликта, который каждая переменная пострадала с местоположением и полученным размером. Оба случая будут проанализированы в сценарии с максимальным ограничением расположения двух батарей конденсаторов и максимальной мощностью 15 МВАр. Это ограничение направлено на то, чтобы ограничить переменную стоимости и заставить алгоритм в обоих случаях стремиться компенсировать систему до этого максимального значения в обоих случаях в равной степени.

    Случай 1. Будет проанализировано поведение профилей напряжения в типичной цепи IEEE с 30 барами, что было скомпенсировано расположением двух конденсаторных батарей с целевой функцией минимальных потерь мощности.Система IEEE с 30 шинами состоит из 6 генераторов в узлах [1 2 5 8 11 13], 4 трансформаторов в узлах [11 12 15 36], 20 нагрузок и всего 41 линии.

    Случай 2: Будет проанализировано поведение потерь мощности в типичной цепи IEEE с 30 барами, что было компенсировано расположением двух конденсаторных батарей с целью улучшения профилей напряжения в той же цепи, описанной в случае 1.

    При сравнении результатов каждого случая, показанного на рис. и, соответственно, можно показать, что для каждой целевой функции алгоритм выбрал разные емкости конденсаторных батарей, расположенных в разных узлах для одной и той же схемы, что демонстрирует ранее высказанную теорию.Мы также можем оценить, что в этом случае при оптимальном выборе и расположении конденсаторных батарей, выбранных алгоритмом, потери мощности были уменьшены до желаемого минимального значения. Однако профили напряжения не корректировались, даже в узлах 29 и 30 система показывает ухудшение качества напряжения по сравнению с базовым случаем, даже с расположением компенсации в узле 30, что указывает на проблемы со стабильностью напряжения, когда связь между изменением реактивной мощности и изменением напряжения становится отрицательной.Аналогичным образом в (Случай 2) видно, что потери мощности не могут быть уменьшены до минимального значения, которое достигается в случае 2. Однако профили напряжения были скорректированы в большинстве узлов с размещением двух конденсаторных батарей, 13 МВАр в узле 10 и 15 MVAR в узле 7, расположение и размеры отличаются от найденных в случае 1 с помощью того же алгоритма, с использованием той же схемы анализа и с теми же ограничениями.

    Случай 2: Оптимальный выбор и расположение конденсаторных батарей для улучшения профилей напряжения.

    Это небольшое сравнение показало, что поиск оптимального решения проблемы компенсации реактивной мощности с единственной целевой функцией не дает обнадеживающих результатов для остальных переменных, на которые могут повлиять проблемы; по этой причине мы можем заявить, что очень важно решить эту проблему с учетом всех критериев, которые определяют переменные, на которые могут влиять потоки реактивной мощности.

    Если эта же проблема анализируется в сети с распределенными ресурсами или, по крайней мере, компенсируется дополнительно с помощью распределенной солнечной фотоэлектрической генерации, на систему может повлиять низкий коэффициент мощности, поскольку эта переменная конфликтует только с компенсацией активной мощности, так как Показано в .

    Графическое представление ухудшения коэффициента мощности только с компенсацией активной мощности.

    Предполагая, что угол коэффициента мощности: Ø = tan − 1QP, и P F = c o s Ø, с увеличением только компенсации активной мощности, в то время как реактивная мощность, отдаваемая сетка остается почти постоянной. Компания, торгующая электроэнергией, увидит увеличение угла коэффициента мощности, что приведет к снижению коэффициента мощности (PF).Это связано с тем, что распределительная сеть при половинном напряжении не имеет другого типа емкостной компенсации, поскольку распределительные сети имеют короткие расстояния для передачи энергии, уровни напряжения ниже 34,5 кВ и самый большой компонент проводников — это неизолированные провода. Уточняется, что для этого анализа реактивная мощность остается почти постоянной, поскольку наблюдается небольшое уменьшение потерь реактивной мощности, хотя нагрузки остаются потребляющими такую ​​же реактивную мощность. Эти потери активной мощности связаны с уменьшением тока, циркулирующего по линиям, с уменьшением активной мощности, поставляемой сетью, мы можем видеть это в уравнении.(5), где показано, что с уменьшением активной мощности потери реактивной мощности снижаются, но эта величина настолько мала по сравнению с изменением активной мощности, что это уменьшение реактивной мощности, отдаваемой сетью, может быть считается незначительным для этого теоретического анализа, однако точный расчет подробно описан ниже, показывая то, что мы заявили ранее.

    Где Δ Q — потери реактивной мощности в линиях, P — активная мощность, отдаваемая сетью, Q — реактивная мощность, отдаваемая сетью, В, — линейное напряжение и X — индуктивное реактивное сопротивление распределительной линии.

    Затем можно рассчитать результирующий коэффициент мощности, как показано в (6).

    PF = cos (tan − 1 (Q − ΔQP))

    (6)

    показывает изменение коэффициента мощности для различных компенсаций активной мощности, также учитывая уменьшение потерь реактивной мощности для каждого уменьшения активной мощности. тот же сценарий системы распределения IEEE на 30 бар, с общим потреблением активной и реактивной мощности нагрузки 283,4 МВт y 126,2 МВАр [10].

    Влияние коэффициента мощности на уменьшение активной мощности, отдаваемой сетью.

    2.11. Математическая формулировка

    Компенсация реактивной мощности анализировалась в основном как задача оптимизации, ограниченная единственной целью, которая могла бы обеспечить единое оптимальное решение с приоритетным подходом, основанным на адекватном выборе емкости и расположения конденсаторных батарей. Для этого исследования целевая функция определяется как линейная комбинация нескольких факторов, таких как инвестиционные затраты, повышение коэффициента мощности и сокращение потерь энергии в распределительной сети, с учетом эксплуатационных ограничений, таких как надежность и стабильность в профилях напряжения.

    В качестве модели оптимизации предлагается многокритериальный метод, относящийся к анализу набора из n переменных решения в системе распределения с набором целевых функций k для оптимизации и набором ограничений s [102]. Целевые функции и ограничения являются функциями переменных решения. Это может быть выражено как:

    F ( x ) = [ F 1 ( x ), F 2 ( x ),…, F k ( x ) )]

    (7)

    e ( x ) = [ e 1 ( x ), e 2 ( x ),…, e s ( x )] ≥ 0

    (8)

    Где x = [ x 1, x 2,…, x n ] ε X

    (9)

    y = [ y 1, y 2,…, y k ] ε Y

    (10)

    x известен как вектор решения, а y будет целевым вектором. X обозначает возможное пространство для принятия решения, а объективное пространство обозначается как Y . В этом случае оптимизация может означать минимизацию или максимизацию переменных в соответствии с желаемыми целями. Набор ограничений e ( x ) ≥ 0 определяет набор допустимых решений для X и набор допустимых целевых векторов Y. Из этого можно сделать вывод, что набор решений дает целевой вектор y , где все x должны удовлетворять набору ограничений e ( x ) ≥ 0.Проблема оптимизации состоит в том, чтобы найти x , у которого будет «лучший» F ( x ).

    Для реализации этого метода необходимо точно определить критерии принятия решений и их шкалы количественных показателей для построения приемлемого набора, согласованного с альтернативами с их оценками для каждого критерия. Все критерии должны быть одного типа, качественные или количественные. Наконец, создается матрица решений для выбора оптимального решения.

    наглядно показывает модель оптимизации для нескольких целевых функций, где видно, что лучшие индивидуальные решения — это те, которые близки к оптимальной общей линии тренда.

    Графическое представление модели оптимизации для нескольких целевых функций.

    В общем, нет лучшего решения, кроме набора решений, где ни одно из них не может считаться лучше других, если цель состоит в том, чтобы все цели рассматривались одновременно [102, 103] Это потому, что могут возникнуть конфликты между различными целями, которые образуют проблему оптимизации, поскольку критерии, используемые для наблюдения и определения одновременных альтернативных решений, являются несколькими и разных типов.

    Большинство авторов, которые обращались к теме оптимизации потоков реактивной мощности, сосредоточили свой анализ на задачах оптимизации с единственной целевой функцией, однако на современном уровне техники было показано, что это очень много. более сложная проблема, в которой необходимо проанализировать частоту всех переменных и рассмотреть текущие реальные сценарии с активными точками генерации. В этой математической задаче, как и в большинстве задач оптимизации с несколькими целевыми функциями, есть некоторые переменные, которые в зависимости от своих целей могут конфликтовать с поиском оптимального решения.

    Для математической формулировки каждой из приведенных ниже целевых функций будут приняты во внимание некоторые общие ограничения:

    • 1-

      Стоимость компенсирующих устройств будет одинаковой во всех узлах системы анализа.

    • 2-

      Нагрузка будет смоделирована как постоянная мощность с анализом наихудшего сценария, при котором потребность максимальна.

    FO1: Стоимость устройств компенсации реактивной мощности [103,104] .

    Где:

    • C — стоимость кВАр, установленного в компенсирующем устройстве. Это значение учитывает стоимость устройства, затраты на установку и обслуживание.

    • Q i — значение компенсации в кВАр в узле i .

    • n — количество узлов в системе.

    FO1 подчиняется следующим ограничениям [103]:

    • 1-

      C = {asi0≤Qi≤Qmbsi − Qm≤Qi≤0

      (12)

      где Q m — это абсолютное значение в кВАр максимально возможной компенсации в узле, а ( a , b ) — стоимость на кВАр компенсирующего устройства.Общее уравнение стоимости для индуктивной и емкостной компенсации.

    • 2-

      F O 1 < м á x { F O 1}, где F O 1 — инвестиционные затраты, необходимые для оптимизация и м á x { F O 1} — это общие инвестиционные затраты на полную компенсацию системы (тривиальное решение проблемы).

    FO1 — это функция, которую нужно минимизировать.

    FO2: Минимизация потерь активной мощности.

    FO2 = ∑i = 1n (Pgi) −∑i = 1n (Pci) ≥0,

    (13)

    Где P g i — активная мощность, генерируемая в узле i в кВт и P c i — активная мощность в кВт, требуемая каждой нагрузкой на подключенном узле i , равная F O 2 полные активные потери в система в кВт.

    FO3: Повышение коэффициента мощности (PF).

    • FO3 = Ø = tan − 1∑i = 1nQci∑i = 1nPci

      (14)

    Где:

    • Ø — угол коэффициента мощности системы.

    • P c i — активная мощность в кВт, требуемая каждой нагрузкой в ​​узле i .

    • Q c i — реактивная мощность в кВАр, требуемая для каждой нагрузки в узле i .

    • F O 3 — функция, которую нужно минимизировать.

    FO4, FO5: Целевые функции, связанные с улучшением профилей напряжения.

    FO4: Среднее отклонение напряжения в системе.

    FO4 = ∑i = 1n | Vdi − Vi | n≥0

    (15)

    Где:

    • n — количество узлов в системе

    • V i — это напряжение на баре i в P.U. (на единицу)

    • V d i — желаемое напряжение на bar i в P.U.

    • F O 4 — функция, которую необходимо минимизировать.

    FO5: Максимальное значение отклонения напряжения.

    Эта функция представляет максимальное отклонение напряжения, которое может существовать в анализируемой системе.

    FO5 = max1≤i≤n (| Vdi − Vi |) ≥0

    (16)

    Где:

    • n — количество узлов в системе

    • V i — напряжение на бар i в P.U. (на единицу)

    • V d i — желаемое напряжение на bar i в P.U.

    • F O 5 — функция, которую нужно минимизировать.

    FO6: Общий индекс гармонических искажений (THD) [28, 32] .

    FO6 = THDi% = 100 ∗ ∑i = 1H (Vi, h) 2Vi, 1,

    (17)

    Где:

    • V i , h Это составляющая напряжения, соответствующая гармонике h в узле i .

    • В i , 1 — основная составляющая напряжения (1-я гармоника) в узле i .

    • H — это максимальный порядок гармоник, который необходимо учитывать при расчетах.

    • F O 6 — функция, которую необходимо минимизировать.

    Предложенные целевые функции были адаптированы таким образом, что все они применимы к задаче оптимизации как функция, которая должна быть минимизирована, чтобы иметь возможность формировать целевые векторы, которые должны быть минимизированы для решения предлагаемой задачи оптимизации, будучи каждый подходящий вектор выглядит следующим образом:

    M i n i m i z e F = [ F O 1, F O 2, F O 3, F O 4, F O 5, F O 6]

    (18)

    Где F O 1 , F O 2, F O 3, F O 4, F O 5, F O 6 — каждая из целевых функций, которые были определены ранее .

    Чтобы получить результат в зависимости от размера и расположения компенсирующего устройства, необходимо установить матрицу решений, как показано в уравнении. (19), в котором будет м рядов, которые будут описывать количество приемлемых альтернатив, которые соответствуют критериям различий, исключительности и исчерпываемости, и которые определяют разные размеры и расположение компенсирующих устройств в разных узлах системы. система. Шесть столбцов этой матрицы решений показывают количественные критерии, которые определяются переменными, анализируемыми как целевые функции.Согласно установленным критериям решения, оптимальный вариант выбирается, сначала отбрасывая все решения, которые уступают любому другому решению.

    (19)

    Решение этой задачи оптимизации состоит в том, чтобы найти лучший вектор X из набора подходящих вариантов, определяемых критериями решения, установленными целевыми векторами. Для анализируемой проблемы будет найден альтернативный вариант размещения и определения размеров устройств компенсации реактивной мощности.

    Важно учитывать, что выбор мощности компенсирующего устройства должен рассматриваться в анализе как дискретная переменная, определяемая вектором с номинальными мощностями, доступными для распределительных сетей [67, 93].

    2.12. Дальнейшая работа

    В части II этого исследования будет проанализирован конкретный случай с реализацией предложенной математической модели, где ожидаемые теоретические результаты будут подтверждены. Кроме того, метрики и индивидуальные расчеты каждой из переменных будут проанализированы вместе с моделированием исследуемой схемы с указанием местоположения и размеров компенсирующих устройств, полученных с помощью эвристики.

    В качестве будущей работы также предлагается предложить эвристический метод, способный найти оптимальное решение для одновременной компенсации активной и реактивной мощности, удовлетворяющее критериям эффективности и качества мощности. Это может быть достигнуто за счет одновременного определения размеров и оптимального расположения распределенных фотоэлектрических солнечных генераторов и элементов компенсации реактивной мощности.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *