What is reactive power?
Khi nói đến "bồi thường phản ứng ", trước tiên chúng ta cần hiểu khái niệm về công suất phản ứng. Năng lượng phản ứng tương đối dễ hiểu vì nó có thể làm việc, tạo ra nhiệt và điều khiển động cơ quay, vv Ví dụ, khi dòng AC đi qua điện trở thuần khiết, dòng điện có thể làm cho điện trở tạo ra nhiệt, có nghĩa là năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt. Tuy nhiên, năng lượng phản ứng là khó hiểu hơn. Nó chỉ tồn tại trong điện AC, và không có vấn đề về điện phản ứng trong điện DC. Ví dụ, khi dòng AC đi qua điện dung thuần khiết hoặc tải cảm ứng thuần khiết, nó không hoạt động. Nói cách khác, điện dung thuần khiết hoặc tải điện cảm thuần khiết không tiêu thụ điện tích, nhưng dòng điện và điện áp tương ứng chảy qua chúng tạo thành điện AC, được gọi là điện phản ứng. Về mặt lý thuyết, điện phản ứng không làm việc, vì vậy nó không nên tạo ra ánh sáng và nhiệt, cũng không thể điều khiển động cơ quay. Các tải mà chúng ta thường gặp phải hiếm khi là cảm ứng thuần túy hoặc điện dung thuần túy, nhưng tải hỗn hợp. Khi dòng điện đi qua chúng, một số năng lượng có thể làm công việc trong khi một số không thể. Sức mạnh không thể làm việc là sức mạnh phản ứng.Để hiển thị trực quan mối quan hệ giữa điện phản ứng và điện hoạt, mọi người sử dụng khái niệm yếu tố công suất để mô tả tỷ lệ sử dụng năng lượng điện. Hệ số công suất càng gần với 1, tỷ lệ công suất hoạt động càng cao và tỷ lệ sử dụng năng lượng điện càng cao; ngược lại, hệ số công suất càng gần 0, tỷ lệ công suất hoạt động càng thấp và tỷ lệ sử dụng năng lượng điện càng thấp.Để cải thiện tỷ lệ sử dụng năng lượng điện, khái niệm "bồi thường phản ứng " được đề xuất.
Hiểu được các khái niệm về công suất phản ứng, công suất hoạt động và yếu tố công suất, cũng như mục đích cơ bản của bồi thường phản ứng để cải thiện việc sử dụng năng lượng điện, bây giờ chúng ta sẽ đi sâu vào một phân tích chi tiết. Tại sao bồi thường phản ứng là cần thiết? Nguyên tắc đằng sau bồi thường phản ứng là gì? Các hình thức bồi thường là gì? Và nền kinh tế của họ đang hoạt động như thế nào?
Chapter 02: Why Reactive Compensation is Necessary
Năng lượng phản ứng không có nghĩa là năng lượng vô dụng. Trong các hệ thống cung cấp điện AC, các cảm ứng và tụ điện là tải không thể thiếu, chẳng hạn như tải sắt từ của động cơ và máy biến áp. Nếu không có kích thích phản ứng cảm ứng, thiết bị không thể hoạt động đúng cách. Ví dụ, một đường dây truyền tải điện khoảng cách cố định chính nó là một tải điện dung, hoạt động như một tụ điện khi cung cấp điện. Trong các hệ thống cung cấp điện AC, sự tồn tại của điện phản ứng đóng một vai trò quan trọng trong việc truyền tải và trao đổi năng lượng, và là không thể thiếu. Trên thực tế, hệ thống không thể hoạt động đúng cách mà không có trao đổi năng lượng phản ứng.
Một lượng năng lượng phản ứng lớn đến từ đâu? Trong hệ thống, rất nhiều tải phản ứng, đặc biệt là tải phản ứng cảm ứng, thường thu hút điện phản ứng từ các nhà máy điện. Khi máy phát điện đang hoạt động, nó không chỉ giải phóng năng lượng điện hoạt động cho hệ thống mà còn cung cấp năng lượng phản ứng tương ứng cho tải cảm ứng. Máy phát điện phải duy trì đầu ra phản ứng thích hợp trong quá trình vận hành. Không làm như vậy có thể có tác động bất lợi đến hệ thống phát điện, làm nổi bật tầm quan trọng của việc duy trì cân bằng công suất phản ứng trong hệ thống.
Khi nhu cầu về điện phản ứng trong hệ thống tăng lên, nếu không có thiết bị bù phản ứng nhân tạo được cài đặt trong hệ thống, nhà máy điện phải tăng công suất phản ứng của nó thông qua điều chế pha. Tuy nhiên, do công suất hạn chế của máy phát điện, điều này nhất thiết sẽ làm giảm công suất đầu ra hoạt động của nó, làm giảm hiệu quả công suất đầu ra tổng thể của nó.Để đáp ứng nhu cầu điện, công suất của máy phát điện, đường dây điện và máy biến áp sẽ cần phải tăng.Điều này sẽ không chỉ làm tăng đầu tư vào cung cấp điện mà còn giảm tỷ lệ sử dụng thiết bị và tăng tổn thất đường dây.
Để giảm áp suất cung cấp điện phản ứng của các nhà máy điện, chúng tôi đầu tư tụ tương ứng tại các điểm trong hệ thống cung cấp điện nơi tải cảm ứng tiêu thụ một lượng lớn công suất để cung cấp điện phản ứng cho tải cảm ứng.Điều này làm giảm đáng kể áp suất cung cấp điện phản ứng trên các nhà máy điện. Dựa trên việc cải thiện yếu tố công suất tự nhiên, người dùng nên thiết kế và cài đặt các thiết bị bù phản ứng và kịp thời kích hoạt hoặc vô hiệu hóa chúng theo sự biến động tải và điện áp của chúng để ngăn chặn việc cung cấp ngược lại công suất phản ứng.Đồng thời, yếu tố công suất của người dùng phải đáp ứng các tiêu chuẩn tương ứng để tránh thêm mức điện từ bộ phận cung cấp điện. Do đó, cả đối với các bộ phận cung cấp điện và người dùng điện, tự động bù điện phản ứng để cải thiện hệ số công suất và ngăn chặn việc cung cấp ngược điện phản ứng có ý nghĩa rất lớn trong việc tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng hoạt động.
Chapter 03: What is the Principle of Reactive Compensation?
● Analyzed from the Perspective of Energy Absorption and Release
Hầu hết các tải phản ứng được đề cập trong hệ thống nói chung là tải phản ứng cảm ứng. Khi các thiết bị có tải điện dung được kết nối song song với tải điện cảm ứng trong cùng một mạch, tải điện dung giải phóng năng lượng khi tải phản ứng cảm ứng hấp thụ năng lượng và ngược lại. Năng lượng được trao đổi giữa tải điện dung và cảm ứng. Công suất phản ứng được hấp thụ bởi tải điện dung có thể được bù đắp bởi đầu ra công suất phản ứng từ thiết bị tải điện dung, và công suất phản ứng được cân bằng cục bộ để giảm tổn thất đường dây, cải thiện khả năng chịu tải, giảm tổn thất điện áp và giảm áp lực cung cấp điện của nhà máy điện.Đây là nguyên tắc cơ bản của bồi thường phản ứng.
● 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.
Sự khác biệt pha giữa dòng điện trong tụ điện và dòng điện trong cảm ứng là 180°, có thể hủy bỏ lẫn nhau. Hầu hết các tải trong một hệ thống điện là cảm ứng, vì vậy tổng dòng điện I sẽ trễ điện áp theo một góc Φ1. Nếu một tụ điện song song được kết nối song song với tải, thì I′ = I IC. Dòng điện của tụ điện sẽ bù đắp một phần của dòng điện cảm ứng, dẫn đến giảm tổng dòng điện từ I xuống I′, và góc pha được giảm từ Φ1 xuống Φ2.Điều này có thể cải thiện hệ số công suất và quản lý công suất phản ứng tại địa phương.
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.
Dựa trên loại thiết bị bồi thường, nó có thể được chia thành bồi thường tụ chuyển mạch (bồi thường FC), bù xoay cơ học (chẳng hạn như bộ bù đồng bộ, máy phát điện đồng bộ và động cơ đồng bộ), bồi thường điện phản ứng tĩnh (bồi thường var tĩnh: tụ điện chuyển mạch thyristor TSC, lò phản ứng điều khiển thyristor TCR, lò phản ứng điều khiển từ tính MCR; bồi thường đồng bộ tĩnh STATCOM; máy phát điện var tĩnh SVG), và bồi thường công suất phản ứng composite (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.
Bồi thường bên thiết bị tại chỗ Bồi thường bên thiết bị tại chỗ là một phương pháp cung cấp bồi thường điện phản ứng cho các thiết bị điện riêng lẻ.Điều này liên quan đến việc kết nối trực tiếp tụ điện với cùng một mạch điện như thiết bị riêng lẻ và sử dụng cùng một công tắc để điều khiển, hoặc đồng thời hoạt động hoặc ngắt kết nối chúng. Phương pháp bù đắp này có hiệu quả tốt nhất vì tụ điện gần thiết bị điện để cân bằng dòng phản ứng tại địa phương, tránh quá bù trong điều kiện không tải và đảm bảo chất lượng điện. Phương pháp bồi thường này thường được sử dụng cho động cơ điện áp cao và thấp và các thiết bị điện. Tuy nhiên, khi thiết bị người dùng hoạt động không liên tục, tỷ lệ sử dụng tụ điện thấp và lợi ích bù đắp của chúng không thể được thực hiện đầy đủ.
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.
Bồi thường tập trung trong trạm biến áp Bồi thường tập trung trong trạm biến áp liên quan đến việc lắp đặt tất cả các nhóm tụ điện trên các thanh bus chính hoặc thứ cấp trong trạm biến áp. Phương pháp bù này rất đơn giản để cài đặt, đáng tin cậy trong hoạt động và có thể bù cho công suất phản ứng của hệ thống điện áp thấp 0.4KV. Nó có tác động trực tiếp đến việc cải thiện hệ số công suất ở bên chính của máy biến áp (thường là điểm đo 10KV). Loại phương pháp bồi thường này hiện đang là giải pháp được sử dụng rộng rãi nhất và tương đối hiệu quả về chi phí.
● Compensation forms based on compensation equipment types
Có nhiều loại thiết bị bồi thường, và sự lựa chọn thường dựa trên thiết bị hoạt động thực tế tại trang web. Mỗi thiết bị bồi thường có những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu ngắn gọn hai sản phẩm được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống phân phối 0,4KV trên thị trường: bồi thường tụ chuyển mạch (bồi thường FC) và máy phát var tĩnh (bồi thường SVG).
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.
Do thực tế là việc chuyển đổi các tụ song song trong thời gian trước đó đã đạt được thông qua các bộ tiếp xúc, có thời gian phản ứng trên quy mô cấp thứ hai, nhược điểm chết người của nó là dòng chảy lớn trong quá trình chuyển đổi. Trong các trường hợp nghiêm trọng, nó có thể đạt 50-100 lần dòng điện định mức của tụ bù, dẫn đến ánh sáng hồ quang đáng kể và gây thiệt hại cho tụ điện và tiếp xúc. Dựa trên hoạt động thực tế của tải tại chỗ, các lựa chọn thay thế cho các bộ tiếp xúc như công tắc đồng bộ, công tắc lai và công tắc thyristor đã dần xuất hiện trên thị trường. Những lựa chọn thay thế này đã cải thiện đáng kể việc chuyển mạch ở điện áp bằng không và ngắt ở dòng điện bằng không, làm giảm đáng kể thiệt hại thiết bị gây ra bởi chuyển mạch dòng điện.
Để đạt được điều khiển chuyển mạch thông minh, hệ thống thu thập dữ liệu đa dạng, chức năng bảo vệ đa dạng và cài đặt và bảo trì đơn giản, một loại bù tụ chuyển mạch khác đã được phát triển trong những năm gần đây - tụ điện thông minh. So với bù điện dung truyền thống, nó có nhiều chức năng công nghệ mà tụ điện truyền thống không thể đạt được. Ngoài ra, với việc điện tử hóa các thiết bị tải, tác động của các hài hòa trên hệ thống phân phối không thể bỏ qua, đặc biệt là trên tụ điện. Do đó, để đáp ứng với các hiệu ứng hài hòa, bù FC cũng đã trải qua nhiều cải tiến liên quan. Ví dụ, khái niệm về tốc độ phản ứng chuỗi đã được giới thiệu. Khi nào nên sử dụng tỷ lệ phản ứng chuỗi 6% hoặc 7%? Và khi nào nên sử dụng tỷ lệ phản ứng chuỗi 13% hoặc 14%? Phần này sẽ được giải thích thêm trong một chủ đề sau.
Static Var Generator (SVG) Compensation
Máy phát điện var tĩnh là một thiết bị điện tử điện mới được sử dụng để bù điện phản ứng. Nó có thể nhanh chóng và liên tục bù đắp cho các lượng khác nhau của công suất phản ứng và các chuỗi âm.Ứng dụng của nó có thể vượt qua tốc độ phản ứng chậm, điều khiển bù không chính xác và xu hướng gây ra cộng hưởng song song và dao động chuyển mạch trong bộ bù công suất phản ứng truyền thống như bộ bù FC.
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.
Theo thông báo về "Phương pháp điều chỉnh phí điện dựa trên yếu tố công suất ", không khó để tìm thấy rằng các quy tắc điều chỉnh yếu tố công suất lấy 0,9 làm giá trị chuẩn. Bằng cách tăng yếu tố công suất, người dùng có thể giảm tổng phí điện của họ. Ngoài ra, người dùng phân phối có hệ số công suất cao hơn 0,9 cũng có thể nhận được phần thưởng từ công ty điện cho điều chỉnh hệ số công suất. Thông qua bồi thường hợp lý, hệ số công suất tại điểm đo có thể được điều chỉnh để đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia, có thể loại bỏ phí hệ số công suất và giảm đáng kể chi phí điện cho người sử dụng điện.
Tiết kiệm năng lượng tích cực của các thiết bị bù điện phản ứng động chỉ làm giảm sự mất mát trong việc cung cấp và phân phối điện từ điểm bù đến máy phát điện. Do đó, bồi thường công suất phản ứng ở phía lưới điện cao áp không thể làm giảm tổn thất ở phía điện áp thấp hoặc cải thiện tỷ lệ sử dụng của máy biến áp điện áp thấp. Theo lý thuyết bồi thường tối ưu, bồi thường điện phản ứng động cục bộ có hiệu quả tiết kiệm năng lượng đáng kể nhất.
Ngoài ra, nhiều thiết bị bồi thường trên thị trường thúc đẩy các khái niệm như "tiết kiệm năng lượng" và "tiết kiệm năng lượng". Hầu hết trong số họ bắt đầu với bồi thường điện phản ứng, cải thiện hệ số điện, giảm hình phạt hệ số điện hoặc biến hình phạt hệ số điện thành phần thưởng hệ số điện, cuối cùng đạt được mục tiêu tiết kiệm tiền cho người dùng phân phối. Do đó, từ góc độ chuyển năng lượng tự nhiên trong tự nhiên, bù điện phản ứng nghiêm ngặt không thuộc về thể loại "tiết kiệm năng lượng" hoặc "tiết kiệm năng lượng". Tuy nhiên, nó thực sự có thể tiết kiệm tiền cho người dùng phân phối.
● Giảm tổn thất trong đường dây truyền tải và máy biến áp Bồi thường hợp lý có thể làm giảm hiệu quả dòng điện hệ thống. Lấy công suất tự nhiên của hệ thống là 0,7 làm ví dụ, nếu hệ số công suất của hệ thống được tăng lên gần 1 thông qua các thiết bị bù, dòng điện hệ thống sẽ giảm khoảng 30%.Điều đó có nghĩa là tổn thất trong đường dây và máy biến áp có thể được giảm xuống P = I2R = (1-30%) 2R = 0,49R, giảm 51% tổn thất đường dây và máy biến áp. Hệ số công suất tự nhiên của một doanh nghiệp điện thường khoảng 0,7. Tỷ lệ giảm tổn thất đường dây và tổn thất đồng trong máy biến áp từ việc tăng yếu tố công suất từ 0,7 lên trên 0,95 được hiển thị trong bảng dưới đây.
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
Thiết bị bồi thường có thể làm giảm hiệu quả công suất hiện tại và hiển nhiên của hệ thống, do đó làm giảm hiệu quả công suất của tất cả các thiết bị liên quan trong xây dựng lưới điện và giảm đầu tư vào xây dựng lưới điện.Đối với một hệ thống có hệ số công suất khoảng 0,7, bù hiệu quả có thể làm giảm dòng điện của hệ thống xuống 30%, có nghĩa là tăng khả năng chịu tải của các nhà máy điện và các cơ sở chuyển đổi và phân phối điện lên 30%.
Nếu không có đủ công suất trong máy biến áp và đường dây, phương pháp lắp đặt các thiết bị bù điện phản ứng có thể được sử dụng. Lắp đặt các thiết bị bù điện phản ứng có thể cân bằng điện phản ứng tại địa phương, làm giảm dòng chảy qua đường dây và máy biến áp, làm chậm tốc độ lão hóa của dây và cách điện máy biến áp và kéo dài tuổi thọ của chúng.Đồng thời, nó có thể giải phóng công suất của máy biến áp và đường dây, tăng khả năng mang tải của chúng. Ví dụ, với máy biến áp 100KVA hiện đang hoạt động ở mức tải 85% với COSΦ 0,7, lắp đặt thiết bị bù điện phản ứng có thể tăng khả năng chịu tải của máy biến áp lên 30%. Người dùng có thể tăng tải của họ mà không mở rộng công suất để tạo điều kiện cho việc mở rộng sản xuất hơn nữa.
● 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.
Mặt khác, với sự phát triển của ngành công nghiệp, việc sử dụng một số lượng lớn thiết bị điều khiển tự động và tải phi tuyến đã dẫn đến một dòng hài đáng kể trong mạng lưới phân phối điện, gây ô nhiễm lưới điện. Một trong những cách chính để cải thiện chất lượng điện là ức chế hoặc giảm đáng kể tác động của sóng hài lên hệ thống cung cấp điện và thiết bị điện thông qua phân bổ hợp lý của thiết bị lọc bù.
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)
