Анонс: о реактивной мощности, гармонических искажениях и текущем состоянии проблемы. Перспективы компенсации реактивной мощности и нивелирования гармоник.
Необходимость определения и коррекции коэффициента мощности обусловлена нелинейной нагрузкой и связана с цепями синусоидального тока, а в линейной цепи переменного тока, питаемой синусоидальным напряжением, коэффициент мощности обозначается cosφ (здесь φ — угол фазового сдвига между синусоидальной формой питающего напряжения и синусоидальной формой волны тока) и равен отношению активной составляющей ко всей полной энергии.
Упрощенно можно сказать, что коэффициент мощности электрической цепи говорит о том, сколько энергии нагрузка может получить по отношению к электрическому КПД источника питания, или, другими словами, если потребитель получает всю энергию от источника, то значение cosφ равно единице. На практике с большими допущениями такое может быть только в небольших цепях с резистивной статичной нагрузкой, а основная причина снижения коэффициента мощности заключается в том, что электрическая цепь аккумулирует определенную часть энергии. Кроме того, значение коэффициента мощности становится меньше из-за искажения формы волны тока по отношению к синусоиде напряжения и оба этих фактора снижают эффективность энергосети, причем характерны даже для современных устройств контроля и управления (например, тиристорный регулятор-контроллер с RL-нагрузкой).
В синусоидальных электрических цепях, в которых протекает несинусоидальный периодический ток, необходимо учитывать две составляющие коэффициента мощности — составляющую, коррелированную со сдвигом фаз между первой гармоникой тока и напряжения (тот самый cosφ) и связанную с искажением формы волны тока по отношению к форме волны напряжения (обозначается ץ), для чего используются следующие формулы.
De facto формулы выше демонстрируют упрощенный подход к оценке реального качества электроэнергии в силовой сети, в общем формализованный в IEEE 1459, где формализован параллелепипед мощности в сетях с высшими гармониками, ключевые расчетные формулы и официальная терминология. Причем уже «на вчера» практически все потребительские и распределительные сети в развитых странах мира не являются «чистыми», а сегодня проблема усугубляется буквально с каждым днем из-за вполне понятного стремления владельцев объектов (Абонентов) и энергоснабжающих компаний совершенствовать свое оборудование, методы, способы контроля и управления.
Справка
В нашей стране ситуация с реактивной энергией на фундаментальной частоте и искажениями тока, напряжения на нефундаментальных частотах «типовая нехорошая», причем возможности решения проблемы уменьшились из-за дефицита комплектующих для силовых устройств компенсации реактивной мощности и нивелирования гармоник, возникшего после экономической блокады России некоторыми странами ЕС и мира. De facto реализация планов энергетической стратегии страны пока отложена под сукно, а целый пакет новых нормативно-правовых актов этого направления, в том числе по ответственности сетевой организации и Абонента за уровни перетока мощности и гармонические искажения попал в категорию декларативных.
В то же время:
- суть повышения качества электроэнергии заключается в понимании проблемы и потребителями, и поставщиками энергии, причем для электроэнергии характерно то, что ее качество строго зависит от конечного потребителя;
- в большинстве случаев компенсация реактивной мощности осуществляется абонентом из экономических соображений, значительно реже на объекте проводятся мероприятия по устранению гармонических возмущений, что обусловлено пока малым пониманием негатива гармоник и преимуществ от их устранения (о реальной финансовой выгоде (прямой и косвенной) для предприятий при нивелировании гармоник).
Перспективы компенсации реактивной мощности и нивелирования гармоник
К сожалению, уже можно признать, как очевидный факт того, что COVID-19 в совокупности с агрессивным лоббированием IT отрасли и глобальным увлечением электронными устройствами внес кардинальные и явно негативные корректировки в подход к обеспечению качества электроэнергии в силовых сетях низкого и среднего напряжения.
Так, Минпромторг России почти все свои программы поддержки развития стал базировать на разработке программного обеспечения, Минцифры «эволюционирует» по направлениям цифровой зрелости, искусственного интеллекта, интернета энергии и т. д., а в научно-технической сфере для решения проблемы перетока реактивной мощности и нивелирования гармоник продвигаются методы искусственного интеллекта, экспертных систем (expert systems — ES), искусственных нейронных сетей (artificial neural network -ANN), нечеткой логики и даже генетических алгоритмов (genetic algorithm — GA). Причем все новомодные методы основаны на математическом моделировании «типовых» силовых сетей, реальная эффективность которого предельно сомнительна без полноценного энергоаудита конкретного объекта с анализом полного пакета параметров качества электроэнергии в сети.
В итоге владельцам объектов сегодня ждать «помощи со стороны» не стоит, а более разумно вернуться к традиционным способам нивелирования перетока реактивной энергии и гармонических искажений — конденсаторным установкам УКРМ, УКРМТ, УКРМФ, УКРМФТ, активным и/или пассивным фильтрам гармоник, но при выборе того или иного силового устройства следует придерживаться некоторых основных правил, позволяющих получить реальный эффект от использования и более детально описанных в следующих информационных материалах цикла.
