НЕАКТИВНАЯ  МОЩНОСТЬ  В  ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  СИСТЕМАХ

Шпота  Артем  Андреевич

студент  1  курса  магистратуры,  кафедра  «Электроснабжение  промышленных  предприятий»,  Омский  государственный  технический  университет,  РФ,  г.  Омск

E -mail:  Art-93-sh@yandex.ru

Орлов  Дмитрий  Викторович

студент  3  курса  бакалавр,  кафедра  «Электроснабжение  промышленных  предприятий»,  Омский  государственный  технический  университет,  РФ,  г.  Омск

Набиуллин  Рамиль  Анварович

студент  3  курса  бакалавр,  кафедра  «Электрическая  техника»,  Омский  государственный  технический  университет,  РФ,  г.  Омск

Планков  Александр  Анатольевич

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  старший  преподаватель,  кафедра  «Электроснабжение  промышленных  предприятий»,  Омский  государственный  технических  университет,  РФ,  г.  Омск

INACTIVE  POWER  IN  ELECTRIC  POWER  SYSTEMS

Shpota  Artem

1  year  master  student,  chair  «Power  supply  of  industrial  enterprises»,  Omsk  State  Technical  University,  Omsk,  Russia

Orlov  Dmitriy

3rd  year  student  of  Bachelor,  chair  «Power  supply  of  industrial  enterprises»,  Omsk  State  Technical  University,  Omsk,  Russia

Nabiullin  Ramil

3rd  year  student  of  Bachelor,  chair  «Electric  appliances  »,  Omsk  State  Technical  University,  Omsk,  Russia

Plankov  Alexsandr

scientific  adviser,  Candidate  of  Technical  Sciences,  Senior  Lecturer,  chair  «Power  supply  of  industrial  enterprises»,  Omsk  State  Technical  University,  Omsk,  Russia

АННОТАЦИЯ

В  статье  дается  определение  неактивной  мощности.  Также  приведены  основные  формулы,  необходимые  для  определения  неактивной  мощности  и  дана  графическая  интерпретация  формулы  Budeanu.  Кроме  того,  в  статье  рассмотрен  практический  аспект  определения  и  компенсации  неактивной  мощности.  Указаны  рекомендации  при  разработке  устройств  компенсации  неактивной  мощности.

ABSTRACT

The  article  defines  the  inactive  power.  Also  provides  basic  formulas  needed  to  determine  the  inactive  power  and  gives  a  graphical  interpretation  of  the  formula  Budeanu.  In  addition,  the  article  discusses  the  practical  aspect  of  defining  and  inactive  power  compensation.  These  recommendations  when  developing  inactive  power  compensation.

Ключевые   слова:  неактивная  мощность;  реактивная  мощность;  компенсация.

Keywords :  inactive  power;  reactive  power;  compensation.

При  анализе  различных  процессов  в  электроэнергетических  системах,  традиционно  большое  внимание  уделяют  активной  мощности.  Этот  важный  параметр  имеет  вполне  обоснованное  и  четкое  определение,  описывающее  конкретные  физические  процессы.  Поэтому  довольно  строгие  и  стройные  методики  измерения  и  расчета  активной  мощности  не  вызывают  сомнений.  Напротив,  нет  никакой  строгости  в  определении  неактивной  мощности.  Однако  использование  термина  «неактивная  мощность»  (НМ)  оправдано  тем,  что  обменные  процессы,  протекающие  в  энергосистемах  при  несинусоидальных  режимах,  нельзя  описать  только  реактивной  мощностью  (РМ).  К  тому  же  применение  термина  «реактивная  мощность»  для  несинусоидальных  режимов  часто  создает  путаницу,  затрудняет  оценку  вновь  разрабатываемых  подходов  к  определению  мощностных  характеристик,  которые  являются  неизбежным  атрибутом  технологического  контроля,  влияющим  на  устойчивость  работы  энергосистем  и  их  экономическую  эффективность  [5].

Интегральную  величину,  характеризующую  какие-либо  энергетические  процессы  при  несинусоидальных  токах  и  напряжениях  режимах,  можно  называть  неактивной  мощностью  Q_H  и  считать  ее  ортогональной  активной  мощности.

Неактивную  мощность  можно  разложить  на  две  составляющие:  характеризующую  взаимодействие  одинаковых  по  частоте  гармоник  тока  и  напряжения  –  реактивная  мощность  сдвига  Q_С;  характеризующую  взаимодействие  разных  по  частоте  гармоник  тока  и  напряжения  —  мощность  искажения  Q_И. 

Поскольку  ортогональность  мощности  сдвига  и  мощности  искажения  не  является  очевидной,  то  используется  алгебраическое  суммирование  [5]

Q_H=Q_C+Q_И.  (1)

Budeanu  [6]  в  1927  году  предложил  определять  мощность  искажения  по  формуле

  (2)

где  D  —  мощность  искажения.

Геометрическая  интерпретация  формулы  представлена  в  виде  векторов,  образующих  параллелепипед  (рисунок  1).

Рисунок  1.  Геометрическая  интерпретация  формулы  Budeanu

Отметим,  что  ортогональность  реактивной  мощности  и  мощности  искажений  не  обоснована  и,  тем  более  не  доказана.  Поэтому  можно  утверждать,  что  геометрическая  интерпретация  изящна  и  красива,  но  не  имеет  должных  обоснований  и,  скорей  всего,  не  отражает  реальные  физические  процессы  [5].

Практический  аспект  теории  мощности,  касающийся  повышения  коэффициента  мощности  цепей  с  реактивной  мощностью,  должен  быть  тем  фактором,  который  больше  всего  выиграет  от  правильного  определения  реактивной  мощности.  Попытки  компенсации,  на  основе  реактивной  мощности  Budeanu  и  связанной  с  ней  мощностью  искажений  не  удались.  Эти  величины  не  позволяют  даже  правильно  рассчитать  компенсирующую  емкость,  дающую  максимальный  коэффициент  мощности,  порой  даже  ухудшали  этот  показатель. 

С  течением  лет,  все  чаще  возникали  нелинейные  нагрузки  и  процессы  с  очень  большими  искажениями,  невозможно  было  дальше  терпеть  ограничения  в  применяемых  формулах.

Значимым  событием  стала  публикация  в  2000  году  организацией  IEEE  стандарта  1459  [7]:  «Определения  для  измерений  величин,  связанных  с  электрической  мощностью  в  синусоидальных,  несинусоидальных,  симметричных  и  несимметричных  условиях».  Впервые  реактивная  мощность  по  определению  Budeanu  оказалась  в  группе  рекомендуемых  определений,  которые  не  должны  использоваться  в  новых  счетчиках  мощности  и  реактивной  энергии.  В  большинстве  случаев  считается,  что  полезная  часть  энергии  передается  только  с  помощью  составляющих  50/60  Гц,  при  гораздо  меньшем  и  часто  вредном  участии  высших  гармоник.

В  этом  стандарте  формула  неактивной  мощности  представлена  в  следующем  виде

  (3)

  (4)

где  S_e  —  эффективная  полная  мощность,

U_e,  I_e  —  соответственно,  эффективные  напряжения  и  ток  трехфазной  цепи.

Этот  параметр  характеризует  влияние  не  только  реактивной  мощности,  но  и  мощности  искажений  при  несинусоидальных  режимах  работы  сети.  При  отсутствии  высших  гармоник  неактивная  мощность  равна  модулю  реактивной  мощности  [1].

Реактивная  мощность  является  одной  из  составляющих  неактивной  мощности  N.  В  однофазных  цепях  с  синусоидальным  напряжением  и  током,  N  равно  Q,  поэтому  в  неактивной  мощности  нет  других  составляющих.  В  трехфазных  цепях  такое  свойство  имеют  только  симметричные  синусоидальные  сети  со  сбалансированной  чисто  резистивной  нагрузкой.

По  теории  профессора  Czarneckiego,  уравнение  мощности  в  трехфазных  цепях  можно  записать  следующим  образом

  (5)

где:  D_S  —  это  мощность  рассеяния,  которая  появляется  в  системе,  в  результате  изменения  активной  проводимости  нагрузки  вместе  с  изменением  частоты.  Таким  образом,  наличие  в  нагрузке  реактивных  элементов  может  привести  к  появлению  мощности  рассеяния.

Q  —  реактивная  мощность,  которая  появляется  при  наличии  фазового  сдвига  между  гармониками  напряжения  и  тока.

D_U  —  обозначает  мощность  дисбаланса,  которая  является  мерой  несбалансированной  трехфазной  нагрузки.  Эта  составляющая  объясняет  ситуацию,  при  которой  несбалансированная  трехфазная  нагрузка  с  чисто  резистивным  характером,  приводит  к  коэффициенту  мощности  меньше  единицы.

Попытка  соединения  IEEE  1459-2000  с  теорией  мощности  Czarneckiego  приводит  к  выводу,  что  неактивная  мощность  скрывает  в  себе  три  отдельных  физических  явления,  которые  влияют  на  снижение  эффективности  передачи  энергии  от  источника  к  приемнику,  то  есть  уменьшение  коэффициента  мощности

  (6)

В  стандарте  IEEE  1459-2000  реактивная  мощность(Q)  была  ограничена  основной  гармоникой  и  это  касается  как  однофазных  систем,  так  и  трехфазных  [4].

Что  касается  компенсации  неактивной  мощности,  то  она  разделяется  на  два  направлении:  компенсация  реактивной  и  искажающей  мощностей.

Традиционные  подходы  решения  проблемы  компенсации  неактивной  мощности  в  данный  момент  не  удовлетворяют  современным  требованиям,  главным  образом  из-за  больших  удельных  массогабаритных  показателей,  небольшого  диапазона  регулирования  частоты,  низкого  КПД  и  большой  степени  взырвопожаробезопасности. 

Проведенный  анализ  существующих  технических  решений  показывает,  что  оба  направления,  решающих  проблему  повышения  качества  электроэнергии,  развивалось  и  продолжает  развиваться.  Обычно  замена  существующих  устройств  ЭЭС  с  целью  повышения  качества  потребляемой  ими  электроэнергии  представляет  огромную  сложность.  При  этом  повысить  качество  электроэнергии  применением  устройства  компенсации,  которое  можно  установить  в  любой  точке  ЭЭС,  является  предпочтительным  [2].

При  разработке  устройств  компенсации  необходимо  учитывать  следующие  тенденции  в  развитии  техники:

1.  Предпочтение  устройств  динамической  компенсации  перед  квазистационарными;

2.  Использование  «мягких»  режимов  работы  энергозапасающих  элементов  предпочтительнее  с  точки  зрения  массогабаритных  показателей  по  сравнению  с  «жесткими»;

3.  Использование  резонансных  режимов  работы  энергозапасающих  элементов  (ЭЗЭ)  силовой  части;

4.  Повышение  рабочей  частоты  вентильных  и  ключевых  элементов  силовой  схемы;

5.  Повышение  частоты  работы  ЭЗЭ  силовой  схемы  позволяет  уменьшить  их  габариты  и  массу  [3].

Список  литературы:

1.Беленький  И.Я.,  Островерхов  В.В.,  Тимиргалиев  Р.А.  Измерение  полной  мощности  сети  и  ее  составляющих  в  трехфазных  электрических  сетях  с  несимметричной  и  нелинейной  нагрузкой.  [Текст]  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.vbrspb.ru/userfiles/file/FE1888_2.pdf  (дата  обращения:  23.03.2015).

2.Лыонг  Т.Ф.  Компенсация  реактивной  и  искажающей  мощностей  в  судовых  и  корабельных  электроэнергетических  системах  :  Автореф.  дис.  на  соиск.  уч.  степ.  канд.  техн.  наук  /  Т.Ф.  Лыонг  М.,  2009.  —  20  с.

3.Мартинович  М.В.  Анализ  электромагнитных  процессов  и  алгоритмов  управления  устройства  компенсации  неактивной  электрической  мощности:  Автореф.  дис.  на  соиск.  уч.  степ.  канд.  техн.  наук  /  М.В.  Мартинович  Новосибирский  государственный  технический  университет,  Новосибирск,  2000.  —  24  с.

4.Реактивная  мощность  [Электронный  ресурс]  //  Компания  Sonel;  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.sonel.ru/ru/biblio/article/parametry-kachestva-elektroenergii/reaktivnaya-moshchnost  (дата  обращения:  23.03.2015).

5.Сулайманов  А.О.  Неактивная  мощность  и  ее  составляющие  в  электроэнергетических  системах:  Дис.  на  соиск.  уч.  степ.  канд.  техн.  наук  /  А.О.  Сулайманов  Томский  политехнический  университет,  Томск,  2009.  —  135  с.

6.Budeanu  C.I.  Puisslanses  reactiv'es  et  fictives./Inst.  Romain  de  I'Energie,  Bucharest,  Rumania.  1927.

7.IEEE  Std  1459-2000.  IEEE  Standard  Definitions  for  the  Measurement  of  Electric  Power  Quantities  Under  Sinusoidal,  Nonsinusoidal,  Balanced,  or  Unbalanced  Conditions.