¿Qué es la potencia reactiva?
Cuando se trata de "compensación reactiva ", primero debemos entender el concepto de potencia reactiva. La potencia reactiva es relativamente fácil de entender porque puede hacer trabajo, generar calor y conducir la rotación del motor, etc. Por ejemplo, cuando la corriente de CA pasa a través de una resistencia pura, la corriente puede hacer que la resistencia genere calor, lo que significa que la energía eléctrica se convierte en energía térmica. Sin embargo, la energía reactiva es más difícil de entender. Solo existe en la potencia de CA, y no hay problema de potencia reactiva en la potencia de CC. Por ejemplo, cuando la corriente alterna pasa a través de la carga de capacitancia pura o inductancia pura, no funciona. En otras palabras, la capacitancia pura o la carga de inductancia pura no consumen energía activa, sino que la corriente y el voltaje correspondiente que fluye a través de ellos forman energía de CA, que se llama energía reactiva. Teóricamente hablando, la potencia reactiva no funciona, por lo que no debe generar luz y calor, ni puede conducir la rotación del motor.Las cargas que a menudo encontramos rara vez son puras inductivas o puras capacitivas, sino cargas mixtas. Cuando la corriente pasa a través de ellos, una parte de la energía puede hacer el trabajo, mientras que otros no. La potencia que no puede hacer trabajo es la potencia reactiva. Para mostrar intuitivamente la relación entre la potencia reactiva y la potencia activa, la gente usa el concepto de factor de potencia para describir la tasa de utilización de la energía eléctrica. Cuanto más cercano sea el factor de potencia a 1, mayor será la proporción de potencia activa y mayor será la tasa de utilización de la energía eléctrica; inversamente, cuanto más cercano sea el factor de potencia a 0, menor será la proporción de potencia activa y menor será la tasa de utilización de la energía eléctrica. Para mejorar la tasa de utilización de la energía eléctrica, se propone el concepto de "compensación reactiva".
Comprendiendo los conceptos de potencia reactiva, potencia activa y factor de potencia, así como el propósito fundamental de la compensación reactiva para mejorar la utilización de la energía eléctrica, ahora profundizaremos en un análisis detallado.¿Por qué es necesaria la compensación reactiva?¿Cuál es el principio detrás de la compensación reactiva?¿Cuáles son las formas de compensación?¿Y cómo va su economía?
Capítulo 2: Por qué es necesaria la compensación reactiva
La energía reactiva no es de ninguna manera una energía inútil. En los sistemas de alimentación de CA, los inductores y condensadores son cargas indispensables, como las cargas de hierro magnético de motores y transformadores. Sin la excitación reactiva inductiva, el equipo no puede funcionar correctamente. Por ejemplo, una línea de transmisión de energía de distancia fija en sí es una carga capacitiva, que actúa como un condensador cuando entrega energía. En los sistemas de suministro de energía de CA, la existencia de potencia reactiva juega un papel importante en la transmisión e intercambio de energía, y es indispensable. De hecho, el sistema no puede funcionar correctamente sin el intercambio de potencia reactiva.
¿De dónde proviene una gran cantidad de potencia reactiva? En el sistema, numerosas cargas reactivas, especialmente cargas reactivas inductivas, suelen extraer energía reactiva de las centrales eléctricas. Cuando un generador está en funcionamiento, no solo libera energía eléctrica activa al sistema, sino que también proporciona la energía reactiva correspondiente a las cargas inductivas. El generador debe mantener una salida reactiva adecuada durante el funcionamiento. No hacerlo podría tener un impacto perjudicial en el sistema de generación de energía, resaltando la importancia de mantener el equilibrio de potencia reactiva en el sistema.
Cuando la demanda de potencia reactiva en el sistema aumenta, si no se instalan dispositivos de compensación reactiva artificial en el sistema, la central eléctrica tiene que aumentar su potencia reactiva de salida a través de la modulación de fase. Sin embargo, debido a la capacidad limitada del generador, esto necesariamente reduciría su potencia activa de salida, reduciendo efectivamente su capacidad de salida general. Para satisfacer la demanda de electricidad, la capacidad de los generadores, las líneas eléctricas y los transformadores tendría que ser aumentado. Esto no solo aumentaría la inversión en el suministro de energía, sino que también reduciría las tasas de utilización del equipo y aumentaría las pérdidas de línea.
Para reducir la presión de la fuente de alimentación reactiva de las centrales eléctricas, invertimos los condensadores correspondientes en los puntos del sistema de suministro de energía donde las cargas inductivas consumen una gran cantidad de energía para proporcionar energía reactiva a las cargas inductivas. Esto reduce significativamente la presión de suministro de energía reactiva en las centrales eléctricas. Sobre la base de la mejora del factor de potencia natural, los usuarios deben diseñar e instalar dispositivos de compensación reactiva y activarlos o desactivarlos oportunamente de acuerdo con sus fluctuaciones de carga y voltaje para evitar la entrega inversa de potencia reactiva. Al mismo tiempo, el factor de potencia del usuario debe cumplir con el estándar correspondiente para evitar tarifas de electricidad adicionales del departamento de suministro de energía. Por lo tanto, tanto para los departamentos de suministro de energía como para los usuarios de electricidad, la compensación automática de la potencia reactiva para mejorar el factor de potencia y evitar la entrega inversa de la potencia reactiva es de gran importancia en el ahorro de energía y la mejora de la calidad operativa.
Capítulo 03: ¿Qué es el principio de la compensación reactiva?
● Analizado desde la perspectiva de la absorción y liberación de energía
La mayor parte de las cargas reactivas mencionadas en el sistema son generalmente cargas reactivas inductivas. Cuando los dispositivos con cargas de potencia capacitivas están conectados en paralelo con cargas de potencia inductivas en el mismo circuito, la carga capacitiva libera energía cuando la carga reactiva inductiva absorbe energía, y viceversa. La energía se intercambia entre las cargas capacitivas y inductivas. La potencia reactiva absorbida por la carga capacitiva puede ser compensada por la salida de potencia reactiva del dispositivo de carga capacitiva, y la potencia reactiva se equilibra localmente para reducir las pérdidas de línea, mejorar la capacidad de carga, reducir las pérdidas de voltaje y aliviar la presión de suministro de energía de la central eléctrica. Este es el principio básico de la compensación reactiva.
● Analizado desde la perspectiva de la fase (inductiva / capacitiva)
En una carga inductiva pura, la corriente IL se retrasa el voltaje en 90 °, y su potencia se conoce como potencia reactiva inductiva. Por el contrario, en una carga capacitiva pura, la corriente Ic está por delante del voltaje en 90 °, y su potencia se conoce como potencia reactiva capacitiva.
La diferencia de fase entre la corriente en un condensador y la corriente en un inductor es de 180 °, que pueden cancelarse entre sí. La mayoría de las cargas en un sistema de alimentación son inductivas, por lo que la corriente total I se retrasará el voltaje por un ángulo Φ 1. Si un condensador paralelo está conectado en paralelo con la carga, entonces I ′ = I IC. La corriente del condensador compensará una porción de la corriente inductiva, lo que resulta en una reducción de la corriente total de I a I ', y el ángulo de fase se reduce de Φ 1 a Φ 2. Esto puede mejorar el factor de potencia y administrar la potencia reactiva localmente.
04 ¿Cuáles son las formas de compensación de potencia reactiva?
En términos generales, hay muchas formas de compensación de potencia reactiva, incluyendo:
En función del nivel de voltaje del punto de acoplamiento común (PCC) donde se aplica la compensación, se puede dividir en compensación de alto voltaje, compensación de medio voltaje y compensación de bajo voltaje.
En función de la posición del punto de compensación en el sistema de transmisión y distribución de energía, se puede dividir en compensación in situ en el lado del equipo, compensación parcial local en el área y compensación centralizada en la subestación.
Según el tipo de equipo de compensación, se puede dividir en compensación de condensadores de conmutación.(compensación FC), compensación de rotación mecánica (como compensadores síncronos, generadores síncronos y motores síncronos), compensación de potencia reactiva estática.(compensadores de var estáticos: condensadores conmutados por tiristor TSC, reactores controlados por tiristor TCR, reactores controlados magnéticamente MCR; compensadores síncronos estáticos STATCOM; generadores de var estáticos SVG), y la compensación de potencia reactiva compuesta (FC TCR, FC MCR, FC STATCOM).
● Formularios de compensación basados en la ubicación de compensación
A continuación, presentaremos brevemente las formas de compensación de potencia reactiva para sistemas de baja tensión de 0.4KV basados en diferentes ubicaciones de compensación.
La compensación del lado del equipo en el sitio es un método de proporcionar compensación de potencia reactiva a equipos eléctricos individuales. Esto implica conectar directamente los condensadores al mismo circuito eléctrico que el equipo individual y usar el mismo interruptor para el control, ya sea operando simultáneamente o desconectándolos. Este método de compensación tiene el mejor efecto, ya que los condensadores están cerca del equipo eléctrico para equilibrar la corriente reactiva localmente, evitando la sobrecompensación en condiciones de carga baja y asegurando la calidad de la energía. Este método de compensación se utiliza comúnmente para motores de alta y baja tensión y otros equipos eléctricos. Sin embargo, cuando el equipo del usuario opera de manera no continua, la tasa de utilización de los condensadores es baja y sus beneficios de compensación no pueden realizarse plenamente.
Compensación parcial local en el áreaLa compensación parcial local en el área implica la instalación de condensadores en grupos en salas de distribución de talleres o líneas de sucursal de subestaciones. Estos condensadores se pueden agregar o quitar en función de los cambios de carga del sistema. El efecto de compensación también es bueno, pero el coste es relativamente alto.
Compensación centralizada en la subestaciónLa compensación centralizada en la subestación implica la instalación de todos los grupos de condensadores en las barras de bus primarias o secundarias de la subestación. Este método de compensación es simple de instalar, confiable en funcionamiento y puede compensar colectivamente la potencia reactiva del sistema de baja tensión de 0.4KV. Tiene un efecto directo en la mejora del factor de potencia en el lado primario del transformador (generalmente un punto de medición de 10KV). Este tipo de método de compensación es actualmente la solución más ampliamente utilizada y relativamente rentable
● Formularios de compensación basados en tipos de equipos de compensación
Hay muchos tipos de equipos de compensación, y la elección se basa generalmente en el equipo de operación real en el sitio. Cada dispositivo de compensación tiene sus propias ventajas e inconvenientes. En este artículo, presentaremos brevemente dos productos que son más utilizados en el sistema de distribución de 0.4KV en el mercado: la compensación de condensadores de conmutación (compensación FC) y el generador de var estático (compensación SVG).
Compensación del condensador de conmutación (compensación FC)
La compensación de condensadores de conmutación es el método tradicional de compensación de condensadores paralelos. Su principio es aumentar la demanda reactiva inductiva de la carga de compensación reactiva capacitiva para mejorar la estabilidad del voltaje de carga y mejorar el factor de potencia.
Debido al hecho de que la conmutación de condensadores paralelos en tiempos anteriores se logró a través de contactores, que tienen un tiempo de respuesta en la escala de segundo nivel, su desventaja fatal fue la gran corriente de entrada durante la conmutación. En casos severos, podría alcanzar 50 - 100 veces la corriente nominal del condensador de compensación, lo que resulta en una luz de arco significativa y causa daños a los condensadores y contactores. Basado en el funcionamiento real de las cargas in situ, han surgido gradualmente en el mercado alternativas a los contactores, como interruptores síncronos, interruptores híbridos y interruptores tiristores. Estas alternativas han mejorado en gran medida la conmutación a voltaje cero y la interrupción a corriente cero, reduciendo significativamente el daño al equipo causado por la conmutación de corriente de entrada.
Para lograr un control de conmutación inteligente, un sistema de adquisición de datos diversificado, diversas funciones de protección y una instalación y mantenimiento simplificados, se ha desarrollado otro tipo de compensación de condensador de conmutación en los últimos años: el condensador inteligente. En comparación con la compensación de capacitancia tradicional, tiene múltiples funciones tecnológicas que los condensadores tradicionales no pueden lograr. Además, con la electronización de los equipos de carga, no se puede ignorar el impacto de los armónicos en el sistema de distribución, especialmente en los condensadores. Por lo tanto, en respuesta a los efectos armónicos, la compensación de FC también ha sufrido muchas mejoras relacionadas. Por ejemplo, se ha introducido el concepto de tasa de reactancia en serie.¿Cuándo se debe utilizar una tasa de reactividad en serie del 6% o 7%?¿Y cuándo se debe utilizar una tasa de reactividad en serie del 13% o 14%? Esta parte se explicará más adelante en un tema posterior.
Generador de Var Estático (SVG)
Un generador de var estático es un nuevo dispositivo electrónico de potencia usado para la compensación de potencia reactiva. Puede compensar rápida y continuamente las cantidades variables de potencia reactiva y las secuencias negativas. Su aplicación puede superar la lenta velocidad de respuesta, el control de compensación inexacto y la tendencia a causar resonancia paralela y oscilación de conmutación en los compensadores de potencia reactiva tradicionales, como los compensadores FC.
En comparación con la compensación de FC, sus tres principales ventajas son::
1 Compensación lineal de la potencia reactiva con un paso de compensación menor que 1KVar; 2 Compensación sin polaridad, que puede emitir potencia reactiva capacitiva e inductiva; 3 Tiempo de respuesta rápido, con un tiempo de respuesta total inferior a 5ms.
Economía de la compensación de potencia reactiva por Tsai Ing-wen
● Compensar la potencia reactiva para mejorar el factor de potencia.
Según el aviso sobre el "Método de ajuste de las tarifas de electricidad basado en el factor de potencia", no es difícil encontrar que las reglas de ajuste del factor de potencia toman 0,9 como valor estándar. Al aumentar el factor de potencia, los usuarios pueden reducir sus tarifas totales de electricidad. Además, los usuarios de distribución con un factor de potencia superior a 0,9 también pueden recibir recompensas de la compañía eléctrica por ajuste del factor de potencia. Mediante una compensación razonable, el factor de potencia en el punto de medición se puede ajustar para cumplir con los estándares nacionales, lo que puede eliminar los cargos del factor de potencia y reducir significativamente los costos de electricidad para los usuarios de energía.
El ahorro de energía activo de los dispositivos de compensación de potencia reactiva dinámica solo reduce la pérdida en el suministro y distribución de energía desde el punto de compensación hasta el generador. Por lo tanto, la compensación de potencia reactiva en el lado de la red de alta tensión no puede reducir la pérdida en el lado de baja tensión o mejorar la tasa de utilización de los transformadores de potencia de baja tensión. De acuerdo con la teoría de la compensación óptima, la compensación de potencia reactiva dinámica local tiene el efecto de ahorro de energía más significativo.
Además, muchos dispositivos de compensación en el mercado promueven conceptos tales como "ahorro de energía" y "ahorro de energía". La mayoría de ellos comienzan con la compensación de potencia reactiva, mejoran el factor de potencia, reducen las penalizaciones del factor de potencia o transforman las penalizaciones del factor de potencia en recompensas del factor de potencia, logrando en última instancia el objetivo de ahorrar dinero para los usuarios de distribución. Por lo tanto, desde la perspectiva de la transferencia natural de energía en la naturaleza, la compensación de potencia reactiva estrictamente hablando no pertenece a la categoría de "ahorro de energía" o "ahorro de energía". Sin embargo, realmente puede ahorrar dinero para los usuarios de distribución.
● Reducción de pérdidas en líneas de transmisión y transformadores Una compensación razonable puede reducir efectivamente la corriente del sistema. Tomando una potencia natural del sistema de 0,7 como ejemplo, si el factor de potencia del sistema se incrementa a cerca de 1 a través de dispositivos de compensación, la corriente del sistema disminuirá en aproximadamente un 30%. Esto significa que la pérdida en líneas y transformadores se puede reducir a P = I2R = (1-30%) 2R = 0.49R, lo que representa una reducción del 51% en las pérdidas de línea y transformador. El factor de potencia natural de una empresa eléctrica es generalmente alrededor de 0.7. La tasa de reducción de la pérdida de línea y la pérdida de cobre en los transformadores al aumentar el factor de potencia de 0,7 a más de 0,95 se muestra en la tabla a continuación.
Reducir las pérdidas de línea y transformador y ahorrar potencia activa son medidas importantes de ahorro de energía. En la industria petrolera, donde las líneas son largas y complejas, el aumento del equipo de compensación de potencia reactiva puede reducir la corriente de funcionamiento, reduciendo así las pérdidas de línea y ahorrando energía activa, con efectos notables de ahorro de energía.
● Aumentar la capacidad de transmisión de la red eléctrica y mejorar la utilización del equipo
Los dispositivos de compensación pueden reducir efectivamente la potencia actual y aparente del sistema, reduciendo así efectivamente la capacidad de todos los equipos relacionados en la construcción de la red eléctrica y reduciendo la inversión en la construcción de la red eléctrica. Para un sistema con un factor de potencia de alrededor de 0,7, una compensación efectiva puede reducir la corriente del sistema en un 30%, lo que significa aumentar la capacidad de carga de las centrales eléctricas y las instalaciones de transformación y distribución de energía en un 30%.
Si no hay suficiente capacidad en los transformadores y líneas, se puede utilizar el método de instalación de dispositivos de compensación de potencia reactiva. La instalación de dispositivos de compensación de potencia reactiva puede equilibrar la potencia reactiva localmente, reduciendo la corriente que fluye a través de líneas y transformadores, ralentizando la velocidad de envejecimiento del alambre y el aislamiento del transformador y ampliando su vida útil. Al mismo tiempo, puede liberar la capacidad de los transformadores y las líneas, aumentando su capacidad de carga. Por ejemplo, con un transformador de 100 KVA que opera actualmente a una carga del 85% con un COSΦ de 0,7, la instalación de equipos de compensación de potencia reactiva puede aumentar la capacidad de carga del transformador en un 30%. Los usuarios pueden aumentar su carga sin ampliar la capacidad para facilitar una mayor expansión de la producción.
· Mejora de la calidad del voltaje
Una gran cantidad de carga inductiva en el sistema causará una caída de voltaje en las líneas eléctricas, especialmente en el extremo de las líneas eléctricas. Una compensación razonable puede aliviar efectivamente la caída de voltaje de la línea y mejorar la calidad de la energía.
La fórmula para calcular la pérdida de voltaje en la línea es la siguiente::
en la fórmula:
P - Potencia activa, kW
U - Voltage nominal, kV
Ω R - Resistencia total de la línea,
Q - Potencia reactiva, kVar
Xl - Reactancia inductiva de la línea, Ω
Como el sistema' Dado que la reactividad inductiva es mucho mayor que su impedancia, se puede ver de la fórmula que los cambios en la potencia reactiva pueden afectar significativamente las variaciones de voltaje. Cuando la potencia reactiva Q en la línea disminuye, también disminuye la pérdida de voltaje.
Al final de la línea de suministro de energía, el voltaje es generalmente bajo. El aumento de los dispositivos de compensación reactiva puede aumentar el voltaje en la línea' fin para garantizar el funcionamiento seguro y confiable del equipo.
Por otro lado, con el desarrollo de la industria, el uso de un gran número de equipos de control automático y cargas no lineales ha dado lugar a un flujo significativo de armónicos en la red de distribución de energía, contaminando la red. Una de las principales formas de mejorar la calidad de la energía es suprimir o reducir significativamente el impacto de los armónicos en el sistema de suministro de energía y el equipo eléctrico a través de una asignación razonable de equipos de filtración de compensación.
Por último, con el surgimiento de los nuevos sistemas de energía, los problemas de calidad de la energía están obligados a enfrentar muchos problemas relacionados con la calidad de la energía, los siguientes problemas merecen una mayor comprensión, familiarización y exploración.:
1. Análisis de los problemas de resonancia, ¿Qué es la resonancia?
2.¿Cuáles son los escenarios comunes en los que los filtros a menudo se dañan?
3.¿Cuál es la diferencia entre la compensación local y la compensación centralizada de los filtros?
4.¿Cómo entender el requisito de reducir los armónicos al 5%?
5.¿La instalación de filtros puede lograr realmente "ahorro de energía "?
6.¿Cómo afecta la integración de dispositivos electrónicos de potencia como el almacenamiento de energía, la energía fotovoltaica y la energía eólica a la calidad de la energía?
¿Es importante la demanda de calidad de energía en los sistemas de microrredes?
8.... (and y así)
