Эффективное управление режимами работы электроэнергетических систем (ЭЭС) требует не только балансировки активной мощности, но и грамотного распределения реактивной. Последняя играет ключевую роль в обеспечении напряжения, устойчивости и экономичности всей энергосистемы. В отличие от активной мощности, реактивная не преобразуется в полезную работу, но необходима для нормального функционирования элементов системы: трансформаторов, линий электропередач, синхронных и асинхронных машин.
С учетом современных требований к качеству электроснабжения и стремления к снижению потерь, компенсация реактивной мощности становится неотъемлемой частью проектирования и эксплуатации как магистральных сетей, так и локальных систем электроснабжения промышленных предприятий.
Первые попытки регулировать реактивную мощность в энергетике относятся к началу XX века, когда появились синхронные компенсаторы. Эти машины использовались для стабилизации напряжения и повышения устойчивости сетей. С развитием электрификации промышленности и ростом нагрузок стали активно внедряться стационарные конденсаторные батареи, позволяющие снижать потери энергии и освобождать генераторы от работы в реактивном режиме.
В середине XX века, с началом массового строительства высоковольтных линий электропередачи, задачи компенсации реактивной мощности вышли на первый план, особенно в связи с проблемами устойчивости длинных ЛЭП. Появились первые автоматизированные системы регулирования напряжения, и началась разработка фильтров высших гармоник.
В условиях функционирования сложной и разветвленной электроэнергетической системы (ЭЭС), где требуется согласованная работа многочисленных элементов, особенно важным становится рациональное управление потоками как активной, так и реактивной мощности. Такое управление осуществляется в целях обеспечения стабильной, экономически эффективной и надежной работы всей энергосистемы.
В частности, перераспределение указанных мощностей между отдельными электростанциями позволяет поддерживать необходимые режимные параметры, избегать перегрузок и потерь энергии. Особенно актуальной задачей является обеспечение баланса реактивной мощности, который достигается за счет применения специализированных устройств — источников реактивной мощности (ИРМ).
В высоковольтных сетях, где номинальное напряжение составляет 110 кВ и выше, источники реактивной мощности находят обширное применение. Их основными задачами являются:
- существенное уменьшение потерь активной мощности, а также сопутствующих энергетических потерь, возникающих при передаче;
- обеспечение эффективного регулирования напряжения на ключевых участках нагрузки;
- повышение предельно допустимой пропускной способности линий электропередач за счет стабилизации режима;
- увеличение запаса статической устойчивости как генераторных установок, так и самих линий электропередачи;
- улучшение параметров динамической устойчивости, особенно в аварийных или переходных режимах;
- возможность ограничения перенапряжений и защиты от резонансных явлений;
- коррекция фазных дисбалансов и симметрирование режима работы оборудования.
В системах электроснабжения (СЭС), используемых на промышленных объектах, ИРМ играют важную роль в компенсации реактивной составляющей, особенно потребляемой от резко переменных или несимметричных нагрузок. Также они применяются для улучшения качества электропитания, в том числе в условиях присутствия токов высших гармоник, возникающих от нелинейных нагрузок. В этом случае ИРМ выполняют дополнительную функцию — работу в составе фильтрующих и компенсирующих узлов, уменьшая искажения формы тока и напряжения.
Наиболее распространенным способом регулируемой компенсации реактивной мощности являются шунтирующие устройства, монтируемые непосредственно на подстанциях или вблизи потребителей. Такие устройства подключаются параллельно к шинам и делятся на две большие функциональные группы.
В первую группу входят вращающиеся ИРМ — синхронные машины, в том числе синхронные генераторы основного и резервного типа, синхронные компенсаторы, применяемые для сглаживания колебаний, а также синхронные двигатели с возможностью работы в режиме компенсации. Эти машины имеют возможность плавно регулировать реактивную мощность в двух направлениях — как в режиме генерации, так и в режиме потребления.
Вторую группу составляют так называемые статические ИРМ, к числу которых относятся конденсаторные батареи, реакторы с регулируемым индуктивным сопротивлением, а также тиристорно-управляемые реактивные устройства. В отличие от вращающихся, такие установки, как правило, не имеют подвижных частей, что делает их особенно надежными и долговечными.
Регулирование мощности, генерируемой конденсаторными батареями, возможно лишь дискретно, то есть ступенчато. В зависимости от уровня напряжения сети для их коммутации применяются различные типы устройств. В низковольтных сетях до 1 кВ это, как правило, контакторы, тогда как в более высоковольтных системах — от 6 до 10 кВ и выше — используются специализированные выключатели или тиристорные ключи, представляющие собой два встречно-параллельно включенных тиристора или целые тиристорные блоки.
Конденсаторные батареи (КБ), как тип статических ИРМ, отличаются своей простотой и технической надежностью. Они собираются из множества отдельных конденсаторов, производимых с различной мощностью и рассчитанных на широкий диапазон номинальных напряжений, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Конденсаторная батарея, установленная на подстанции
Любой конденсатор, будучи активным элементом системы, характеризуется определенными потерями активной энергии, возникающими вследствие нагрева. Эти потери тем выше, чем больше емкость, напряжение и частота электрического сигнала. Дополнительными факторами, влияющими на уровень потерь, являются свойства диэлектрика, выражаемые тангенсом угла диэлектрических потерь. Таким образом, уровень удельных потерь в конденсаторе (в Вт/квар) определяется комплексом параметров. Для большинства моделей эти значения лежат в пределах от 0,5 до 4 Вт/квар, в зависимости от конкретного назначения.
В практической электроэнергетике применяются преимущественно косинусные конденсаторы, оптимизированные для частоты 50 Гц. Их мощность, измеряемая в квар, варьируется от 10 до 100 квар. Типовая конструкция такого конденсатора включает в себя герметичный металлический корпус, выполненный из стали либо алюминия. Внутри размещаются секции, собранные из многослойной намотки алюминиевой фольги и диэлектрика (бумага или пленка толщиной от 0,01 до 0,015 мм). На корпусе находятся выводы — у однофазных моделей один, у трехфазных — три изолированных фарфоровых вывода.
Шкала номинальных напряжений данных устройств варьируется от 230 В до 10,5 кВ, что позволяет использовать их как в низковольтных, так и в высоковольтных установках. Варианты соединения конденсаторов — параллельное, последовательное либо комбинированное — позволяют создавать так называемые конденсаторные батареи, а при оснащении средствами коммутации, управления и защиты они образуют полноценные конденсаторные установки (КУ).
Мощность, генерируемая КБ, зависит от емкости С, частоты и квадрата напряжения: QКБ = ωCU². Это обусловливает наличие отрицательного регулирующего эффекта — при падении напряжения мощность снижается, несмотря на необходимость её повышения в режиме работы сети. Компенсируют этот недостаток модульной структурой КБ, когда отдельные секции подключаются автоматически при помощи управляемых выключателей. Это позволяет поддерживать необходимый уровень суммарной мощности при изменениях напряжения.
Для промышленных СЭС предпочтительно применение ИРМ с возможностью генерации реактивной мощности. Синхронные машины, обладая плавной регулировкой, страдают недостатком — инерционностью, связанной с параметрами системы возбуждения. Конденсаторные батареи на тиристорном управлении, напротив, обеспечивают почти мгновенный отклик — за 10–20 мс, хотя регулирование осуществляется ступенями. Для достижения наилучших характеристик применяются комбинированные ИРМ, включающие одновременно быстро включаемые ступенчатые КБ и плавно регулируемые реакторы. Такая структура обеспечивает высокую точность регулирования и быстрое реагирование на изменения в энергосистеме.
В отличие от классической конденсаторной батареи, представляющей собой средство непосредственной компенсации реактивной мощности, комбинированные источники реактивной мощности (ИРМ) относят к устройствам опосредованного компенсирования. Это связано с тем, что входящий в их состав реактор выполняет вспомогательную функцию — обеспечивает плавное и непрерывное регулирование при общем генерирующем режиме всей системы. Однако подобные ИРМ могут функционировать в двустороннем режиме: в зависимости от соотношения установленных мощностей реактора и конденсаторов они способны как вырабатывать, так и потреблять реактивную мощность, осуществляя при этом переход от одного режима к другому без скачков.
Тем не менее, если мощность тиристорно-регулируемого реактора значительна, то такой источник реактивной мощности становится источником тока с искаженной синусоидой — то есть генератором высших гармоник. Для компенсации этих искажений в состав устройства вводятся фильтры гармоник. Обычно эту задачу решают с помощью секционированных батарей конденсаторов, в которых последовательно с каждым элементом устанавливаются маломощные реакторы. Такая мера позволяет достичь настройки на заданную гармонику, при которой результирующее сопротивление контура конденсатор — реактор приближается к нулю, что и обеспечивает фильтрацию.
Синхронные генераторы играют важную роль в электросетях, выступая ключевыми поставщиками реактивной мощности, а также средствами поддержания и регулирования напряжения. Их способность выполнять функции регулирующего элемента зависит от ряда факторов: тип исполнения (турбо- или гидрогенератор), тепловая устойчивость, параметры системы возбуждения и наличие автоматического регулятора возбуждения (АРВ). Основной параметр, подвергающийся управлению — это напряжение на клеммах генератора, которое у большинства установок может варьироваться в пределах 0,95Uном < Uг < 1,05Uном. Установленное значение напряжения удаётся поддерживать только в том случае, если объем вырабатываемой реактивной мощности находится в допустимых границах: Qмин < Qг < Qмакс.
Для турбогенераторов характерен ограниченный диапазон регулирования реактивной мощности, который определяется их конструкцией и, в частности, зависит от допустимого коэффициента мощности. Гидрогенераторы, напротив, сохраняют величину полной мощности в широком диапазоне коэффициентов мощности, что позволяет им эффективно работать в режиме синхронного компенсатора, когда Qг равна номинальному значению Qг.ном.
Когда в системе применяется ступенчатое регулирование, возникает необходимость в наличии зоны нечувствительности регулятора напряжения КУ. Эта зона предотвращает преждевременное включение секции при незначительном снижении напряжения. Если игнорировать данное требование, это приведёт к неустойчивости всей установки. Зона нечувствительности должна быть шире, чем скачок напряжения, вызываемый включением новой ступени. В противном случае произойдет моментальный возврат к предыдущему состоянию — отключение включенной секции, и эффект от её подключения будет сведен к нулю.
Конденсаторные установки, как правило, состоят из нескольких ступеней, объединённых общей системой управления. В сетях 380 В применяются низковольтные КУ, которые собираются на базе трехфазных параллельно включённых конденсаторов. Защита от перегрузки и короткого замыкания обеспечивается предохранителями. В сетях с высоким напряжением КУ формируются из однофазных конденсаторов, соединяемых последовательно-параллельно.
Каждое включение или отключение КУ сопровождается значительными переходными процессами: включение — токовыми бросками, отключение — перенапряжениями. Эти явления ускоряют старение оборудования, включая коммутационные аппараты. По этой причине не рекомендуется выполнять более 2—4 циклов коммутации в сутки.
Для уменьшения токовых скачков перед подключением конденсаторы обязательно разряжаются через специальные резисторы R или трансформаторы напряжения TV, подключенные постоянно. Часто разрядные резисторы встраиваются непосредственно внутрь корпуса. В связи с этим, такие установки находят применение в случаях, где требуется регулирование мощности без высокочастотных переключений — например, для компенсации реактивной составляющей в нагрузке или в узле системы. Это позволяет сократить потери напряжения в сети, снизить энергетические потери и повысить общий КПД электропередачи.
Следует учитывать, что конденсаторы по своим физическим характеристикам крайне чувствительны к искажениям формы напряжения, вызванным наличием высших гармоник тока. Их реактивное сопротивление Xc = 1 / (2πnfC) тем ниже, чем выше порядок гармоники n. Это приводит к тому, что при несинусоидальной форме тока потери мощности в конденсаторе возрастают, а вместе с ними — и тепловая нагрузка, что сокращает срок службы устройства.
Вышеупомянутая чувствительность лежит в основе применения конденсаторов при построении фильтрокомпенсирующих установок (ФКУ), где за счёт подбора параметров конденсаторно-реакторных контуров достигается резонанс на частотах нежелательных гармоник и эффективная фильтрация.
В системах, где необходимо мгновенное регулирование реактивной мощности, классические схемы КУ оказываются неэффективны из-за ограничений по частоте переключений и нежелательных переходных процессов. Альтернативу предоставляют тиристорные ключи, заменяющие механические выключатели. Благодаря способности включать и отключать КБ в определенные моменты синусоиды, тиристорные элементы обеспечивают бесконтактное управление. Ключ собирается из двух тиристоров, подключённых встречно-параллельно, что позволяет управлять током как в положительном, так и в отрицательном полупериоде.
Тонкость тиристорного управления заключается в следующем: чтобы минимизировать броски тока при включении КБ, тиристор открывается в момент совпадения мгновенных значений напряжений сети и батареи. При отключении, чтобы избежать перенапряжений, тиристор должен закрыться при естественном переходе тока через ноль. Следование этим условиям позволяет почти полностью исключить негативные переходные процессы и, как следствие, существенно повысить допустимую частоту коммутации, что делает тиристорно-регулируемые КУ применимыми в задачах динамического регулирования реактивной мощности.
В современных электроустановках реактор подключается преимущественно посредством выключателя либо отделителя непосредственно к токоведущим шинам либо к третьей обмотке силового трансформатора. Как и трансформаторы, высоковольтные реакторы могут быть как однофазного, так и трехфазного исполнения.
Конструкция сердечника может варьироваться: от исполнения с технологическим воздушным зазором до броневого типа. Основной особенностью является то, что реактор демонстрирует линейную статическую характеристику в широком диапазоне, то есть сохраняет постоянное реактивное сопротивление. Низковольтные разновидности, как правило, изготавливаются без применения магнитопровода из стали. Для обеспечения безопасности и надежности выключатели, переключающие реакторы, иногда оснащают внешними резисторами, а сами реакторы — разрядниками, снижающими риск перенапряжений при отключении от сети.
При этом важно отметить, что линейность характеристики сохраняется только в пределах номинального диапазона работы. За его пределами, особенно у реакторов со стальным сердечником, поведение становится нелинейным.
Скорость реакции устройства, то есть время, необходимое для выхода на устойчивый режим после включения, составляет порядка 100 мс. В пределах рабочей зоны реактор не образует токовых искажений, однако при превышении допустимого напряжения возможно смещение его режима в область насыщения, что чревато появлением высших гармоник в токе.
Уровень потерь энергии в реакторе невелик — обычно они составляют не более 0,2–0,4 % от номинальной активной мощности. Такие устройства демонстрируют высокую устойчивость к кратковременным перенапряжениям и токам перегрузки, сохраняя работоспособность даже в нештатных режимах.
Кроме того, реакторы обладают характерным регулирующим эффектом: при росте напряжения увеличивается потребление реактивной мощности, что способствует ограничению напряжения в сети. По этой причине они широко применяются в цепях электропередачи высокого класса напряжения (от 220 кВ и выше), в том числе для компенсации зарядной мощности длинных линий. Мощность таких реакторов может находиться в диапазоне от 10 Мвар в распределительных узлах до 150 Мвар в магистральных сетях 750 кВ. Монтаж осуществляется как на промежуточных, так и на оконечных подстанциях, а управление включением и отключением проводится оперативным персоналом по команде диспетчера.
Насыщающимся реактором называют устройство, рабочая зона которого расположена в нелинейном (насыщенном) участке характеристики. Благодаря такому режиму он используется как параметрический элемент для управления уровнем реактивной мощности. Сопротивление в данной области изменяется в зависимости от приложенного напряжения, что позволяет реактору активно реагировать на изменения в сети. При росте напряжения ток резко возрастает, что приводит к увеличению потребляемой реактивной мощности и способствует выравниванию напряжения в точке подключения.
Из-за расположения рабочей зоны в области насыщения такие реакторы становятся источниками гармонических искажений. Для уменьшения уровня создаваемых высших гармоник используются сердечники с повышенной сложностью конструкции (6- или 9-стержневые), а также нестандартные схемы соединения обмоток. Однако усложнённость изготовления и высокая стоимость ограничивают широкое распространение насыщаемых реакторов.
В отличие от конденсаторных батарей, реакторы допускают более гибкое и плавное управление. Это достигается применением тиристорных ключей, через которые осуществляется их включение. Изменяя угол управления тиристора, можно управлять уровнем протекающего тока, а, следовательно, и величиной потребляемой реактивной мощности.
Тем не менее, такой способ регулирования имеет свои ограничения. При углах управления, превышающих 90°, ток теряет синусоидальную форму, и реактор становится активным источником высших гармоник. Это накладывает ограничения на использование тиристорно-управляемых реакторов в высокоточных системах.
Когда требуется обеспечить не только гибкое, но и двустороннее регулирование реактивной мощности (как потребление, так и генерация), используют комбинированные ИРМ. В состав таких установок входят тиристорно-регулируемые реакторы либо насыщающиеся реакторы и батареи конденсаторов, подключаемые при помощи выключателей или тех же тиристоров. Рабочий диапазон регулировки реактивной мощности, а также мощность как регулируемых, так и нерегулируемых секций КБ подбираются индивидуально в зависимости от задач конкретного статического тиристорного компенсатора (СТК).
Возможны различные варианты соотношений мощностей элементов в составе СТК, например:
- установленные мощности реактора и конденсаторной батареи равны: Qр = QКБ;
- установленная мощность реактора превышает мощность КБ в n раз.
Такой подход обеспечивает максимальную гибкость в регулировании реактивной составляющей, поддерживая стабильность и качество напряжения в сложных режимах работы энергетической системы.
Интересные факты:
-
В системах с высокой долей реактивной мощности потери активной энергии могут возрастать до 20–25%, особенно при несбалансированных режимах.
-
Реактивную мощность часто называют «призрачной», так как она не выполняет полезную работу, но при этом нагружает сеть.
-
Современные STATCOM (статические синхронные компенсаторы) обеспечивают реактивную мощность за время менее 1 мс, что существенно превосходит синхронные компенсаторы.
-
В ряде стран, включая Германию и Японию, вводятся нормативные требования к компенсации реактивной мощности прямо на стороне потребителя, особенно в промышленных зонах.
-
Синхронный генератор на ГЭС может работать в режиме «нулевой активной мощности», полностью компенсируя реактивную составляющую сети, сохраняя стабильность напряжения.
Компенсация реактивной мощности — неотъемлемый элемент эффективной и устойчивой работы электроэнергетических систем. От правильного выбора и размещения источников реактивной мощности зависит стабильность напряжения, снижение потерь и надежность электроснабжения. Современные технологии — от ступенчатых КУ до быстродействующих тиристорных и комбинированных устройств — позволяют создавать гибкие системы, адаптирующиеся к динамике нагрузок и влиянию нелинейных потребителей.
