Компенсиране на реактивна енергия
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2009
Понятие за реактивна енергия и съвременни проблеми, свързани с измерването й
Реактивната енергия е понятие, въведено в зората на енергетиката. След като генераторите на синусоидално напрежение окончателно се налагат над постояннотоковите, се явява проблемът с определяне на параметрите на електрическата енергия, която те генерират. Тъй като всички величини са синусоидални, те непрекъснато изменят стойностите си във времето. За дефиниране на напрежение и ток са въведени ефективните стойности, които привеждат променливотоковата система до еквивалентна по топлинно действие на постояннотокова система. При анализа на мощността и енергията обаче, се е появил проблем. В постояннотоковите вериги, мощността е произведение на тока и напрежението. При синусоидален източник на напрежение и чисто активен товар (най-често представен от нагревател), мощността е произведение на ефективните стойности на тока и напрежението, т.е. аналогията с постояннотоковите вериги е пълна. Трансформаторите, както и променливотоковите двигатели обаче, представляват активно-индуктивен товар. При тях аналогията с постояннотоковите вериги се нарушава. Произведението на ефективните стойности на тока и напрежението вече води до много неточна оценка на активната мощност, определена като извършената полезна работа за единица време. Установено е, че е необходимо да се отчете ъгълът на дефазиране между тока и напрежението, и произведението от техните ефективни стойности да се коригира с косинус от този ъгъл.
Класическите реактивна и активна енергия
Появява се разлика между мощността в изчистената откъм физически смисъл постояннотокова система и системата със синусоидални ток и напрежение. От чисто изчислителни и геометрични съображения е дефиниран известният триъгълник на мощностите, който ги представя като вектори. Съответно, векторът, отговарящ на мощността в еквивалентната постояннотокова система, е наречен пълна мощност. Той се получава като сбор от два перпендикулярни (по-късно е въведено по-общото понятие ортогонални) вектора, единият представляващ истинската или активната мощност, а другият е наречен реактивна мощност. Терминът „реактивна” има смисъл на „неактивна”, а понятието мощност (и съответно енергия) е въведено заради сходните математически изрази, дефиниращи активните и реактивни мощност и енергия.
Понятието реактивна енергия днес
Тази дефиниция, синтезирана в началото на изследванията по проблема, и до днес е актуална. Днес, обаче, нелинейните товари стават все по-разпространение и все по-мощни. Линейните товари, независимо дали са активни, индуктивни или капацитивни, запазват синусоидалността на тока и напрежението, а влияят само на тяхното дефазиране. При нелинейните товари протича несинусоидален ток, който може да доведе до изкривяване, т.е. отклонение от синусоидалност и на захранващото напрежение. В този случай се казва, че са се появили хармонични съставки на тока и напрежението. Именно, при наличие на силно изразени хармоници, в концепцията за реактивната енергия се появяват проблеми, свързани както с физическия смисъл на това понятие, както и с неговото математическо определение. Затова и в началото на 21 век, дискусията за това какво представлява реактивната енергия и как би следвало да се определи избухна с нова сила. Обособиха се три основни области, предизвикващи дискусии:
l физически смисъл на понятията реактивна и допълнителна мощност при несинусоидални режими,
l математическо дефиниране на тези понятия,
l реално измерване на дефинираните понятия.
Дискусиите за физическия смисъл продължават, но те имат предимно академично, а не практическо значение. Големите световни организации, работещи в областта на електротехниката и стандартизацията, като IEEE и IЕС, постигнаха съгласие, дефинирайки математически изрази за определяне на реактивната и допълнителната мощности. Те се определят като сума от съответните мощности, изчислени за всеки хармоник поотделно:
P = SUhIhcos(jh), Q = UhIhsin(jh).
Във формулите P и Q са активната и реактивната мощност, h е индекс, показващ поредния номер на съответния хармоник, Uh, Ih и jh са ефективната стойност на напрежението, тока и фазовата разлика между тях за съответния хармоник. Следването на дефиницията при проектирането на реални измервателни средства не е невъзможно, но е твърде скъпо. Това е причината сред производителите на измервателни прибори (варметри и електромери) да не съществува единен подход.
Използват се три основни практически метода за определяне на реактивната енергия при несинусоидални режими.
Метод на триъгълника на мощностите
Ефективните стойности на тока и напрежението могат да се определят относително лесно дори при несинусоидални режими. За целта се използват формулите:
U = Ц[1/N(S(uk)2)], I = Ц[1/N(S(ik)2)], където uк и iк са моментните стойности на тока и напрежението, а N е броят дискретни отчета на тези моментни стойности за един период на напрежението (става въпрос за т.нар. фундаментална честота, наричана още първи хармоник). Активната мощност е равна на средната стойност от моментните мощности: P = 1/N(Suk ik).
Пълната мощност представлява произведение на вече изчислените ефективни стойности: S=U.I. Реактивната мощност се получава от триъгълника на мощностите, като: Q = Ц(S2–P2).
Методът е елементарен и се приема като изключително добър при цифрова обработка на синусоидални сигнали. При несинусоидални обаче, се явява грешка, която в някои случаи не е пренебрежимо малка.
Метод на времезакъснението
При този метод към кривата на тока се добавя фазова разлика, или времезакъснение, отговарящо на 90 електрически градуса, които представляват 1/4 период:
Q = 1/T тu(t)i(t+T/4)dt.
Във формулата Т е периодът на фундаменталната честота (първи хармоник), а u(t) и i(t) са моментни стойности. Алгоритъмът би могъл да се реализира в цифровите системи, като дискретните отчети на тока не се вземат едновременно с тези на напрежението, а със закъснение от четвърт период (фиг. 1).
Метод с използване на нискочестотен филтър
Идеята, залегнала в метода на времезакъснението, би могла да се реализира и с използване на еднополюсен нискочестотен филтър, поставен върху един от входовете (фиг. 2). Ако честотата на срязване на филтъра е много по-ниска от честотата на основния хармоник се наблюдава дефазиране на 90 електрически градуса, което е характерно за всички честоти. Като страничен ефект филтърът ще отслаби хармоничните на тока с 20 dB/декада.
Точност на методите
Вторият и третият от описаните методи са чувствителни по отношение промените в честотата на основния хармоник на захранващото напрежение. При метода с използване на нискочестотен филтър е възможно да се направи динамична компенсация на отслабването на сигнала според изменението на честотата. Именно, на базата на този метод работят специализираните чипове на водещи компании.
Грешката, допускана при прилагане на трите метода за измерване на реактивната енергия, в различни несинусоидални режими, може да се види в таблица 1.
Измерването на реактивна енергия по различни методи води до грешки от порядъка на 1 - 5%. Ако с тези електромери се измерва върната в мрежата реактивна енергия (т.е. капацитивна енергия), очевидно е, че става дума за недопустимо висока неточност. В България, ДКЕВР е публикувала „Правила за измерване на количеството електрическа енергия”, в които обаче отсъства каквато и да е техническа информация, която да може да се използва поне като ориентир при проектиране, изпитване и сертифициране на измерватели на мощност и енергия. Отсъствието на такава информация увеличава неяснотата в и без това недобре регламентираните правила в електроенергетиката. Проблемът е съществен както за производителите, така и за потребителите. Това важи както активна, така и за реактивна енергия.
Защо се компенсира реактивната енергия?
Когато се говори за техническите проблеми, свързани с компенсирането на реактивна енергия, възниква важният въпрос защо се налага да се прави това. Отговорът е елементарен. Ако не се компенсира, реактивната енергия се заплаща. Разбира се, съществуват редица технически доводи, оправдаващи въвеждането на тарифи за заплащане на електрическата енергия, които да насърчават потребителите да компенсират потребената от тях реактивна енергия.
В България начинът на заплащане на реактивната енергия е определен с "Наредба за регулиране на цените на електрическата енергия", обнародвана в ДВ бр. 17 от 2 март 2004 г. и изменена, и допълнена в ДВ бр.62 от 31 юли 2007 г. Наредбата е свободно достъпна в сайта на ДКЕВР.
Според член 7 на наредбата, ползвателите на електрическа мощност, по-голяма от 100 kW, трябва да заплащат реактивната енергия, ако техният фактор на мощността (cosj) е по-лош от 0,9. Измерва се както активната, така и реактивната енергия. Заплаща се не цялото потребено количество реактивна енергия, а само част от него. За целта се използва израза: Wзаплащане = Wконсумирана – 0,49Еконсумирана. В него Wконсумирана и Еконсумирана са потребените реактивна и активна енергии, измерени съответно в kVAr и kW, а коефициентът 0.49 отговаря на фактор на мощността 0,9 (тангенс от ъгъла j, за който cosj=0.9). Цената на реактивната енергия е равна на 10% от средната цена на активната енергия за предходната година.
Върнатата в мрежата реактивна енергия (или генерираната капацитивна) се заплаша по цена, равна на средната цена на активната енергия от предходната година. Потребителите, произвеждащи електроенергия от възобновяеми енергийни източници или по комбиниран начин, уреждат въпросите, свързани със заплащане на реактивната енергия с индивидуални споразумения.
Общопромишлени съоръжения генериращи/консумиращи реактивна мощност.
Синхронни машини. Чрез регулиране на възбудителния ток на синхронните генератори или двигатели се изменя консумираната от тях реактивна енергия. Посредством регулиране на възбуждането може да се променя характерът на реактивната енергия - индуктивна или капацитивна (обикновено не в еднакви пропорции). Целесъобразно е инсталираните синхронни машини да се използват за компенсиране на част от реактивните товари.
Асинхронни машини. Генерират индуктивна енергия, като техният фактор на мощността е толкова по-лош, колкото по-малко е натоварването им.
Въздушни и кабелни линии. Тези елементи имат както капацитет, така и индуктивност, затова в зависимост от условията на експлоатация те могат да консумират или да генерират реактивна енергия. Тя се определя с израза: Q = 3(wCU2 – wLI2), където C и L са капацитетът и индуктивността на линиите, U и I са фазно напрежение и ток по линията, а w e ъгловата честота. Може да се каже, че ненатоварените кабели за средно напрежение генерират реактивна енергия, а натоварените консумират реактивна енергия. Това се отнася и за дълги въздушни линии за напрежение, по-високо от 20 кV. Капацитетът, а често и индуктивността на кабелите за ниско напрежение, са пренебрежими в повечето случаи.
Трансформатори. Реактивната мощност, консумирана от трансформаторите, има две компоненти – постоянна, определена от тока на празен ход, и променлива, пропорционална на натоварването на трансформатора. Изчисляват се по зависимостта: Q = Ц3UI0 + uk (S/Sн)2, където I0 е токът на празен ход, uk е напрежението на късо съединение в относителни единици, S е пълната мощност, Sн е номиналната пълна мощност на трансформатора.
В таблица 2 са показани типични стойности на фактора на мощността за различни съоръжения.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 8/2024
