Современная концепция активной и неактивной мощности

Анонс: Основные причины низких коэффициентов cosϕ при максимально полной компенсации реактивной мощности в силовой потребительской сети. Параллелепипед мощности для расчета баланса в электросети объекта. Источники искажений в тока, напряжения силовых потребительских сетях.

Интеграция в силовые сети объектов разного назначения все больших объемов сложной нагрузки с нелинейными вольтамперными характеристиками привела к тому, что даже при (условно) полной компенсации потребности в реактивной энергии на фундаментальной частоте (синхронными машинами, установками компенсации реактивной мощности и т. д.) выйти на cosϕ около 1, т. е. когда полная мощность близка активной и потерь в сети мало не удается.

Это происходит по причине искажений кривых тока и напряжения самой нелинейной нагрузкой не только на фундаментальной (основной) частоте 50 Гц, но и других частотах, названных гармоническими (кратных основной частоте — n*f₁, где n-номер гармоники, f₁ — фундаментальная первая частота).

Упрощенно складывается ситуация, когда мгновенные значения напряжения и тока на выводах не соответствуют закону Ома, как из-за фазового сдвига синусоид тока, напряжения, так и искажения формы сигнала тока по отношению к формам сигнала напряжения.

Еще в 1927 году К. Будяну (с румын. С. Budeanu) в своей теории мощности (Puissances réactives et fictives) определил реактивную мощность, как сумму реактивных мощностей всех гармоник тока и напряжения со своим фазовым сдвигом:

А IEEE 1459-2010 (IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Non sinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions) после селекции целого пакета теорий баланса мощностей и формализовал для расчетов термины и зависимости, а также не традиционный треугольник, а параллелепипед мощности.

Значения в формуле:

• Р1 — fundamental active power (фундаментальная активная мощность на основной частоте),
• Q1 — fundamental reactive power(фундаментальная реактивная мощность на основной частоте),
• S₁ — fundamental apparent power (основная, фундаментальная мощность частоты 50 Гц у нас, в ЕС и Америке — 60 Гц),
• S_N — non fundamental apparent power (мощность на частотах гармоник — нефундаментальная),
• P_Н harmonics active power (активная мощность гармоник),
• S_H — harmonic apparent power (полная мощность гармоник),
• D_I — current distortion power(мощность искажений тока),
• D_U — voltage distortion power(мощность искажений напряжения),
• N — non active power(неактивная мощность),
• THD_U — voltage total harmonic distortion (общий коэффициент гармонических искажений напряжения),
• THD_I — current total harmonic distortion (общий коэффициент гармонических искажений тока).

Т. е. по факту гармоники были наиболее мешающим искажением в электрических системах уже в первой половине прошлого века, их проблема до сих пор не решена и усиливается, а интерес к искажениям тока, напряжения скачкообразно вырос со стартом Industry 4.0 за рубежом и цифровизацией экономики в нашей стране (см. более детально об Industry 4.0 и отечественной"цифровизации" в публикации генерального директора завода «МИРКОН» Чудакова А. Ю. в шестом выпуске журнала «Главный энергетик»).

Осложняет решение проблемы недопонимание того, что качество электроэнергии строго зависит от конечного потребителя, а факторами, наиболее влияющими на реальные параметры сети, остаются неисправности в энергосистеме, сети, подстанции, включение и выключение нагрузок большой мощности, а также интеграция значительных объемов нелинейных нагрузок (освещение, электронные устройства, преобразователи) в непосредственной близости от мощного нелинейного электропривода.

Источники искажений в тока, напряжения силовых потребительских сетях

На текущий момент условно выделяют три наиболее крупные источников искажений в силовых сетях:

• дуговые устройства — печи, сварочные аппараты и т. д.;
• устройства с электромагнитными сердечниками — трансформаторы, электродвигатели или генераторы;
• электронные и силовые электронные устройства — компьютерная техника, инверторы, конверторы, выпрямители, а также контроллеры управления на полупроводниковых ключах.

Тогда если рассматривать современное производство с претензией на цифровую трансформацию электросетей согласно планам новой «Энергетической стратегии РФ», то объект будет насыщаться частотными приводами на ШИМ-преобразователях, АСУ с программно-аппаратным комплексом на выпрямителях, оборудованием с программно-логическими контроллерами на полупроводниковых схемах в вентильными ключами, системами энергосберегающего освещения и т. д. и т. п. Т. е. нелинейной нагрузкой, генерирующей разные спектры гармонических искажений.

Вдобавок к этому гармоники тока, напряжения «перегенерируются» трансформаторами подстанций и свободно мигрируют между потребительскими и распределительными сетями, что уже привело к разработке и вводу в действие стандартов по квотам эмиссии и трансмиссии гармоник между сетью электросетевой компании и абонента с формализацией ответственности сторон.

Поэтому решать проблему искажений нужно уже сегодня, делать это придется, да и нужно самим потребителям электроэнергии, а возможные варианты технических решений с прямой или косвенной финансовой выгодой и формальной целесообразностью (в аспекте ухода от правовых коллизий с распределительной сетью) специалисты компании «МИРКОН» аккумулируют в следующих публикациях.