What is reactive power?
「無効補償」と言えば、まず無効電力の概念を理解する必要があります。反応電力は、仕事を行い、熱を発生させ、モータの回転を駆動するなどできるため、比較的理解しやすいです。例えば、純粋な抵抗器に交流電流を流すと、電流によって抵抗器が熱を発生させることができ、つまり、電気エネルギーは熱エネルギーに変換されます。しかし、無効電力は理解が難しい。AC 電源にのみ存在し、 DC 電源では無効電力の問題はありません。例えば、 AC 電流が純粋な容量または純粋なインダクタンスの負荷を通過すると、動作しません。言い換えれば、純粋な容量または純粋なインダクタンス負荷は有効電力を消費しませんが、電流とそれに対応する電圧が流れる AC 電力を形成し、無効電力と呼ばれます。理論的には、無効電力は動作しないため、光や熱を発生させず、モータの回転を駆動することもできません。私たちがしばしば遭遇する負荷は、純粋な誘導または純粋な容量ではなく、混合負荷です。電流が通ると、一部の電力は動作し、一部の電力は動作しません。働かない電力は、無効電力です。無効電力と有効電力の関係を直感的に示すために、電力係数の概念を用いて電気エネルギーの利用率を記述します。電力係数が 1 に近いほど、可動電力の割合が高くなり、電気エネルギーの利用率が高くなります。逆に、電力係数が 0 に近いほど、可動電力の割合が低くなり、電気エネルギーの利用率が低下します。電気エネルギーの利用率を向上させるために、「無効補償」の概念を提案します。
反応電力、活性電力、および力率の概念、および電気エネルギー利用を改善するための反応補償の基本的な目的を理解し、詳細な分析を掘り下げます。リアクティブな補償が必要なのはなぜですか? 反応的補償の背後にある原則は何ですか? 報酬の形式は何ですか? そして、その経済はどのようにうまくいきますか?
Chapter 02: Why Reactive Compensation is Necessary
無効電力は無駄な電力ではない。交流電源システムでは、モータや変圧器の鉄磁荷重など、インダクタやコンデンサが不可欠な荷重です。誘導反応励起がなければ、機器は正しく動作しません。例えば、固定距離送電線自体は容量負荷であり、電力を供給する際にコンデンサのように機能します。交流電力供給システムでは、無効電力の存在がエネルギー伝送 · 交換に重要な役割を果たし、不可欠です。実際、システムは無効電力交換なしでは正しく動作できません。
大量の無効電力はどこから来るのか。システムでは、多くの無効負荷、特に誘導無効負荷が、通常、発電所から無効電力を引き出す。発電機が動作すると、能動電力をシステムに放出するだけでなく、誘導負荷に対応する無反応エネルギーを供給します。発電機は運転中に適切な無効出力を維持する必要があります。そうしなければ、発電システムに悪影響を及ぼす可能性があり、システムの無効電力バランスを維持することの重要性が浮き彫りにされています。
システム内の無効電力需要が増加すると、システムに人工的な無効補償装置を設置しなければ、発電所は位相変調によって無効電力出力を増加させなければなりません。しかし、発電機の容量が限られているため、これは必然的に有効出力を低下させ、全体の出力容量を効果的に低下させます。電力需要を満たすためには、発電機、送電線、変圧器の容量を増大する必要があります。これにより、電力供給への投資が増加するだけでなく、機器稼働率が低下し、ライン損失が増加します。
発電所の無効電源圧を低減するために、電源システムの誘導負荷が多くの電力を消費する点に対応するコンデンサを投資し、誘導負荷に無効電力を供給します。これにより、発電所の無効電源圧が大幅に低減されます。自然電力率の向上に基づいて、ユーザーは無効補償装置を設計 · 設置し、負荷 · 電圧変動に応じてタイムリーに作動 · 非作動させ、無効電力の逆供給を防止する必要があります。同時に、電力供給部門からの追加電気料金を避けるために、ユーザーの電力係数が対応する基準を満たす必要があります。したがって、電力供給部門と電力利用者の両方にとって、電力率を向上させ、無効電力の逆供給を防止するための無効電力の自動補償は、省エネと運転品質の向上に大きな意義があります。
Chapter 03: What is the Principle of Reactive Compensation?
● Analyzed from the Perspective of Energy Absorption and Release
システムで言及される無効負荷のほとんどは、一般的に誘導無効負荷です。容量性電力負荷を持つデバイスを同じ回路で誘導性電力負荷と並列に接続すると、誘導性無功負荷がエネルギーを吸収すると容量性負荷がエネルギーを放出し、その逆も同様です。エネルギーは容量負荷と誘導負荷の間で交換されます。容量負荷によって吸収される無効電力は、容量負荷デバイスからの無効電力の出力によって補償され、無効電力は局所的にバランスされ、ライン損失を低減し、負荷搬送能力を向上させ、電圧損失を低減し、発電所の電源圧力を緩和します。これが反応補償の基本原理です。
● Analyzed from the Phase (Inductive/Capacitive) Perspective
In a pure inductive load, the current IL lags the voltage by 90°, and its power is referred to as inductive reactive power. Conversely, in a pure capacitive load, the current Ic is ahead of the voltage by 9 0°, and its power is known as capacitive reactive power.
コンデンサ内の電流とインダクタの電流の位相差は 180 ° で、互いにキャンセルすることができます。電力システム内のほとんどの負荷は誘導的であるため、総電流 I は角度 Φ 1 で電圧を遅らせます。パラレルコンデンサが負荷に並列に接続されている場合、 I ′ = I IC になります。コンデンサの電流は誘導電流の一部をオフセットし、結果として総電流が I から I ′ に減少し、位相角が Φ 1 から Φ 2 に減少します。これにより、電力率を向上させ、無効電力をローカルで管理できます。
04 What are the forms of reactive power compensation?
Broadly speaking, there are many forms of reactive power compensation, including:
Based on the voltage level of the point of common coupling (PCC) where compensation is applied, it can be divided into high-voltage compensation, medium-voltage compensation, and low-voltage compensation.
Based on the position of the compensation point in the power transmission and distribution system, it can be divided into on-site compensation at the equipment side, local partial compensation in the area, and centralized compensation in the substation.
補償装置のタイプに基づいて、スイッチングコンデンサ補償 (FC補償) 、機械的回転補償 (同期補償器、同期発電機、同期モーターなど) 、静的反応電力補償 (静的バー補償器: サイリスタスイッチコンデンサTSC、サイリスタ制御リアクトルTCR、磁気制御リアクターMCR; 静的同期補償器STATCOM; 静的varジェネレーターSVG) 、および複合反応電力補償 (FC TCR、FC MCR、FC STATCOM)。
● Compensation forms based on compensation location
Next, we will briefly introduce the forms of reactive power compensation for low-voltage 0.4KV systems based on different compensation locations.
オンサイト機器側補償オンサイト機器側補償は、個々の電気機器に対して無効電力補償を行う方法です。これは、個々の機器と同じ電気回路にコンデンサを直接接続し、同じスイッチを使用して制御し、それらを同時に動作または切断します。この補償方法は、コンデンサが電気機器に近いので、無効電流をローカルにバランスさせ、無負荷時の過補償を回避し、電力品質を保証するため、最高の効果があります。この補償方法は、高低電圧モータなどの電気機器に一般的に使用されます。しかし、ユーザー機器が非連続運転されている場合、コンデンサの利用率が低く、その補償利点を十分に実現することはできません。
Local partial compensation in the areaLocal partial compensation in the area involves installing capacitors in groups in workshop distribution rooms or substation branch lines. These capacitors can be added or removed based on system load changes. The compensation effect is also good, but the cost is relatively high.
変電所での集中補償変電所での集中補償には、変電所の1次バスバーまたは2次バスバーにすべてのコンデンサグループをインストールすることが含まれます。この補償方法は、取り付けが簡単で、動作の信頼性が高く、低電圧0.4KVシステムの反応電力をまとめて補償できます。これは、変圧器の一次側 (通常は10KV測定点) の力率の改善に直接効果があります。このタイプの補償方法は、現在最も広く使用されており、比較的費用効果の高いソリューションです。
● Compensation forms based on compensation equipment types
補償装置には多くの種類があり、選択は一般に現場の実際の操作装置に基づいています。各補償装置は、それ自体の利点と欠点を有する。この記事では、市場の0.4KV配電システムで最も広く使用されている2つの製品、スイッチングコンデンサ補償 (FC補償) と静的varジェネレーター (SVG補償) について簡単に紹介します。
Switching Capacitor Compensation (FC Compensation)
Switching capacitor compensation is the traditional method of parallel capacitor compensation. Its principle is to increase the inductive reactive demand of the capacitive reactive compensation load to enhance the stability of the load voltage and improve the power factor.
従来、並列コンデンサのスイッチングは、応答時間が 2 レベルスケールであるコンタクトで達成されていましたが、その致命的な欠点は、スイッチング時の大きな突入電流でした。深刻な場合、補償コンデンサの定格電流の 50 ～ 100 倍に達し、大きなアーク光を生じ、コンデンサやコンタクトに損傷を与える可能性があります。現場負荷の実際の動作を踏まえて、同期スイッチ、ハイブリッドスイッチ、サイリスタスイッチなどの接触器に代わるものが徐々に市場に出現しています。これらの代替手段は、ゼロ電圧でのスイッチングとゼロ電流での割込みが大幅に改善され、スイッチング突入電流による機器損傷を大幅に低減しました。
インテリジェントなスイッチング制御、多様なデータ収集システム、多様な保護機能、簡単な設置とメンテナンスを実現するために、近年、別のタイプのスイッチングコンデンサ補償であるインテリジェントコンデンサが開発されました。従来のキャパシタンス補償と比較して、従来のキャパシタでは達成できない複数の技術機能があります。また、負荷機器の電子化により、配電システム、特にコンデンサに対する高調波の影響は無視できません。したがって、高調波効果に対応して、 FC 補償も多くの関連改善を遂げました。例えば、直列リアクタンス率の概念を導入しました。6% または 7% の直列リアクタンスレートはいつ使用すべきですか ？そして、 13% または 14% の系列リアクタンスレートはいつ使用すべきですか ？この部分は後回のトピックで詳しく説明します。
Static Var Generator (SVG) Compensation
静的varジェネレーターは、反応電力補償に使用される新しいパワー電子デバイスです。さまざまな量の反応性パワーと負のシーケンスを迅速かつ継続的に補償できます。そのアプリケーションは、応答速度の遅さ、不正確な補償制御、およびFC補償器などの従来の反応性電力補償器で並列共振とスイッチング振動を引き起こす傾向を克服することができます。
Compared to FC compensation, its three major advantages are:
① Linear compensation of reactive power with a compensation step smaller than 1KVar;② Polarity-free compensation, which can output both capacitive and inductive reactive power;③ Fast response time, with a total response time less than 5ms.
Economics of Reactive Power Compensation by Tsai Ing-wen
● Compensate for reactive power to improve power factor.
「電力係数による電力料の調整方法」に関する通知によると、電力係数調整規則が 0.9 を基準値としていることがわかりにくい。電力率を上げることで、電気料金の総額を削減できます。また、電力係数が 0.9 を超える配電利用者は、電力会社から電力係数調整の報酬を受けることができます。合理的な補償により、測定点の電力係数を国家基準を満たすように調整することができ、電力係数課金を排除し、電力利用者の電力コストを大幅に削減することができます。
動的な反応性電力補償デバイスのアクティブな省エネは、補償ポイントから発電機への電源と分配の損失を減らすだけです。したがって、高電圧グリッド側の反応電力補償は、低電圧側の損失を減らしたり、低電圧電力変圧器の利用率を向上させたりすることはできません。最適な補償理論によれば、局所的な動的反応電力補償は最も重要な省エネ効果をもたらします。
また、市販されている補償装置の多くは、「省エネ」や「省電力」などの概念を推進しています。そのほとんどは、無効電力補償から始まり、電力係数の改善、電力係数のペナルティの削減、または電力係数のペナルティを電力係数の報酬に変換し、最終的に流通ユーザーのコスト削減の目標を達成します。したがって、自然界における自然エネルギー伝達の観点から、無効電力補償は厳密には「省エネ」や「省電力」のカテゴリーには属しません。「しかし、流通ユーザーのお金を本当に節約できます。
● 送電線や変圧器の損失低減合理的な補償は、システム電流を効果的に低減できます。システムの自然出力を 0.7 とすると、補償装置によってシステムの電力係数を 1 近くに増やすと、システム電流は約 30% 低下します。つまり、ラインとトランスの損失を P = I 2 R = （ 1 — 30% ） 2 R = 0.49 R に低減でき、ラインとトランスの損失を 51% 削減できます。電力企業の自然出力係数は一般的に 0.7 程度です。電力係数を 0.7 から 0.95 以上に増加させることで、変圧器のライン損失と銅損失の低減率を下表に示します。
Reducing line and transformer losses and saving active power are important energy-saving measures. In the petroleum industry, where lines are long and complex, increasing reactive power compensation equipment can reduce operating current, thus reducing line losses and saving active power, with noticeable energy-saving effects.
● Increasing the transmission capacity of the power grid and improving equipment utilization
補償装置は、システムの電流と見かけの電力を効果的に削減できるため、電力網建設におけるすべての関連機器の容量を効果的に削減し、電力網建設への投資を削減できます。力率が約0.7のシステムの場合、効果的な補償によりシステムの電流を30% 削減できます。つまり、発電所や電力変換および配電施設の負荷容量が30% 増加します。
変圧器やラインの容量が不十分な場合は、無効電力補償装置を設置する方法を使用することができます。無効電力補償装置を設置することで、無効電力を局所的にバランスさせ、ラインやトランスを流す電流を低減し、ワイヤやトランス絶縁体の老化速度を遅らせ、耐用寿命を延ばすことができます。同時に、変圧器やラインの容量を解放し、その荷重搬送能力を高めることができます。例えば、 100 KVA の変圧器が現在 85% の負荷で稼働し、 COS Φ が 0.7 である場合、無効電力補償装置を設置することで、変圧器の負荷持ち能力を 30% 増加させることができます。生産能力を増強することなく負荷を増やすことができ、さらなる生産拡大を容易にします。
● Improving voltage quality
A large amount of inductive load in the system will cause voltage drop on the power lines, especially at the end of the power lines. Reasonable compensation can effectively alleviate line voltage drop and improve power quality.
The formula for calculating voltage loss in the line is as follows:
In the formula:
P - Active power, kW
U - Rated voltage, kV
R - Total resistance of the line, Ω
Q - Reactive power, kVar
Xl - Inductive reactance of the line, Ω
As the system's inductive reactance is much greater than its impedance, it can be seen from the formula that changes in reactive power can significantly affect voltage variations. When the reactive power Q in the line decreases, voltage loss also decreases.
At the end of the power supply line, the voltage is generally low. Increasing reactive compensation devices can boost the voltage at the line's end to ensure safe and reliable operation of equipment.
一方、産業の発展に伴い、多数の自動制御装置と非線形負荷の使用により、配電ネットワークに高調波が大量に流れ、グリッドが汚染されています。電力品質を向上させる主な方法の1つは、補償フィルタリング装置の合理的な割り当てを通じて、電力供給システムおよび電気機器に対する高調波の影響を大幅に軽減することです。
Finally, with the rise of new power systems, power quality issues are bound to face many power quality related issues, the following issues are worth further understanding, familiarization, and exploration:
1.Analysis of resonance issues, what is resonance?
2.What are the common scenarios where filters are often damaged?
3.What is the difference between local compensation and centralized compensation of filters?
4.How to understand the requirement of reducing harmonics to 5%?
5.Can installing filters really achieve "energy saving"?
6.How does the integration of power electronic devices such as energy storage, photovoltaic, and wind power affect power quality?
7.Is the demand for power quality in microgrid systems important?
8.... (and so on)
