Blindleistung verstehen: Schlüsselkenntnisse für Netzzuverlässigkeit

Analyse der Blindleistung im Energiesystem

Blindleistung ist eine Scheinleistung, aber dennoch im Energiesystem erforderlich. Wenn Blindleistung im Energiesystem im Überschuss vorhanden ist, kann die Spannung ansteigen, und bei Mangel an Blindleistung kann die Spannung niedrig sein. In diesem Artikel erklären wir verschiedene Aspekte der Blindleistung, ihre Rolle im Energiesystem und wie sie in das Energiesystem eingespeist werden kann.

Grundlagen von Spannung & Blindleistung im Energiesystem:

Es ist wünschenswert, dass die Spannung im Energiesystem überall 1 p.u. (Per-Unit) beträgt (was jedoch praktisch unmöglich ist). Die Kontrolle der Blindleistung und der Spannungsbetrag sind fast korrelierte Begriffe; ebenso sind die Kontrolle der Wirkleistung und der Spannungswinkel fast korreliert. Betrachten Sie Abbildung 1. Sammelschiene 1 ist über eine lange Übertragungsleitung mit einer unbegrenzten Sammelschiene verbunden. Im Allgemeinen fließt Wirkleistung von hohem Spannungswinkel zu niedrigerem Spannungswinkel, und Blindleistung fließt von höherem Spannungsbetrag zu niedrigerem Spannungsbetrag. Also fließen in Abbildung 1 sowohl Wirk- als auch Blindleistung von Sammelschiene 1 zu Sammelschiene 2 (in wenigen Fällen hängt es auch von anderen Faktoren ab).

Analyse der Blindleistung im Synchrongenerator:

Betrachten Sie einen einfachen Ersatzschaltkreis eines Synchrongenerators (SG) wie in Abbildung 2 gezeigt. Seine Klemmenspannung beträgt 1∠0, oder wir können sagen, dass der SG direkt an eine unbegrenzte Sammelschiene angeschlossen ist.

Es ist zu beachten, dass Blindleistung Scheinleistung ist, daher kann sie vom SG geliefert oder aufgenommen werden. Wenn E_f kleiner als '1' ist (d. h. E_f < V_t), sagen wir, er läuft mit niedriger Erregung (d. h. Gleichstrom in seiner Erregerwicklung ist niedrig); in diesem Fall kann der SG Blindleistung aufnehmen. Wenn E_f größer als '1' ist (d. h. E_f > V_t), sagen wir, er läuft mit hoher Erregung (d. h. Gleichstrom in seiner Erregerwicklung ist hoch); in diesem Fall kann der SG Blindleistung liefern.

Wirkleistung wird als echte Leistung bezeichnet. Der SG liefert immer Wirkleistung; daher können Sie verstehen, warum der Rotorwinkel im Synchrongenerator positiv und im Synchronmotor negativ ist.

Die Gleichung "Eingang = Ausgang + Verluste" gilt für jede Maschine. Für SG lautet die Gleichung: "Mechanischer Eingang = Elektrischer Ausgang (Wirkleistung) + Verluste".

Wie oben geschrieben, wenn der SG mit hoher Erregung läuft, kann er Blindleistung erzeugen, d. h. der SG wird die Blindleistung an das System liefern. Tatsächlich passiert Folgendes: Es ist nur ein Energieaustausch zwischen Generator und Last. (Angenommen, die Last ist ein Asynchronmotor. Dann gibt es einen Energieaustausch zwischen SG und Asynchronmotor; oder wir können sagen, der SG erzeugt Blindleistung und der Asynchronmotor verbraucht Blindleistung; aber es sind nur Konventionen, Blindleistung ist Scheinleistung und kann daher nicht erzeugt oder verbraucht werden).

In Energiesystem-Büchern wird zur Berechnung der Scheinleistung die Formel S = V I* angegeben. Wenn die Formel S = V* I verwendet würde, könnte dasselbe Ergebnis erzielt werden, außer dass das Vorzeichen der Blindleistung umgekehrt wäre. Daher haben Elektrotechnik-Wissenschaftler die Formel S = V I* festgelegt und die zweite verworfen. Warum sie die erste Formel statt der zweiten gewählt haben, versuchen Sie selbst auf Basis dieses Artikels zu analysieren.

Aus Abbildung 3 können Sie leicht verstehen, warum Wirkleistung als echte Leistung und Blindleistung als Scheinleistung bezeichnet wird.

Ein Diagramm des SG ist in Abbildung 4 dargestellt. Diese Abbildung ist auch selbsterklärend.

In seiner Erregerwicklung, wenn die Gleichspannung (oder der Gleichstrom) hoch ist, wird der SG mehr Blindleistung liefern. Vielleicht denken Sie, dass die Gleichleistung der Erregerwicklung in Blindleistung umgewandelt wird. Das ist ein großer Irrtum unter Studenten. Bitte beachten Sie: Mehr Gleichspannung in der Erregerwicklung bedeutet mehr Gleichstrom, und diese Leistung wird als I²R-Verluste im Widerstand 'R' der Erregerwicklung verbraucht. Keine Gleichleistung im Erregerkreis wird in Blindleistung umgewandelt. Mit steigendem Gleichstrom nimmt die vom SG gelieferte Blindleistung zu, was bedeutet, dass der Energieaustausch des Generators mit der Last zunimmt. Bei hohem Gleichstrom in der Erregerwicklung wird der Fluss in der Induktivität der Erregerwicklung hoch sein, was hilft, Blindleistung vom SG zu erzeugen.

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Betrachten Sie Abbildung 1 erneut. Wenn die Erregung des SG erhöht wird, passieren zwei Dinge:

1. (i) Der Generator liefert mehr Blindleistung
2. (ii) seine Klemmenspannung (Betrag) steigt (wie bereits gesagt, Kontrolle der Blindleistung und Spannungsbetrag sind fast korrelierte Begriffe).

Wenn ein Überschuss an Blindleistung im Energiesystem vorhanden ist, steigt die Spannung, und umgekehrt. Auf dieser Basis sollten Leser auch den Ferranti-Effekt verstehen. [Beim Ferranti-Effekt ist die Empfangsendspannung höher als die Sendeendspannung. Er tritt bei Leerlauf (oder sehr geringer Last) auf. Die meisten Lasten im Energiesystem sind induktiv. Daher nimmt bei Leerlauf der induktive Effekt ab und die parallele Kapazität (natürliche parallele Kapazitäten in der Luft) dominiert. Der Kondensator erzeugt Blindleistung, daher versucht er, die Spannung zu erhöhen.]

In Büchern über Elektrische Maschinen steht, dass bei kapazitiver Last (führender cos φ) ein Transformator eine negative Spannungsregelung haben kann; Leser sollten versuchen, diese Zeile mit Hilfe dieses Artikels zu verstehen. Beachten Sie, dass kapazitive Last die Spannung zu erhöhen versucht. Angenommen, Sie haben einen Transformator mit Übersetzungsverhältnis 1:1, die angelegte Spannung beträgt 100 V, seine Klemmenspannung 102 V, dann beträgt die Spannungsregelung des Transformators einfach -2 %. Das ist bei kapazitiver Last möglich. Neulinge mögen überrascht sein, wie die Klemmenspannung des Transformators höher als die angelegte Spannung sein kann; sie sollten versuchen, dies zu analysieren.

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Parallelkompensation und Serienkompensation:

Die Begriffe 'Parallelkompensation' (Shunt Compensation) und 'Serienkompensation' (Series Compensation) werden im Energiesystem häufig verwendet. 'Parallelkompensation' steuert die Blindleistung und 'Serienkompensation' steuert die Wirkleistung. Parallelkompensation kann ein einfacher Kondensator parallel zur Übertragungsleitung oder beliebige Shunt-FACTS-Geräte sein. Serienkompensation kann ein einfacher Kondensator in Reihe mit der Übertragungsleitung oder beliebige Serien-FACTS-Geräte sein.

Betrachten Sie die Formel (Es ist eine sehr bekannte Formel, daher wird keine detaillierte Erklärung gegeben). 'X' ist der Blindwiderstand der Übertragungsleitung. Diese Formel wurde abgeleitet unter der Annahme, dass der Widerstand der Übertragungsleitung vernachlässigbar ist. Wenn ein einfacher Serienkondensator in die Übertragungsleitung eingefügt wird (oder zwischen Sammelschiene 1 und Sammelschiene 2 in Abbildung 1), dann können wir sagen, es handelt sich um Serienkompensation. Durch Steuerung des Wertes des Serienkondensators können wir 'X' steuern, daher kann 'P' gesteuert werden. Auch sehen Sie, dass 'P' mit 'δ' zusammenhängt. (Wie bereits geschrieben, sind Kontrolle von 'P' und 'Spannungswinkel' eng verwandte Begriffe).

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Methoden zur Einspeisung von Blindleistung ins Energiesystem:

Wenn die Spannung im Übertragungssystem unter 1 p.u. liegt, sollte Blindleistung in das System eingespeist werden. Verschiedene Methoden zur Einspeisung/Aufnahme von Blindleistung im Energiesystem sind unten aufgeführt:

1. Steuerung der Gleichstromerregung des SG, wie oben in diesem Artikel erklärt,
2. Parallelkondensatoren (Zur Lieferung von Blindleistung & Erhöhung der Spannung),
3. Paralleldrosseln (Zur Aufnahme der Blindleistung & Absenkung der Spannung), im Falle des Ferranti-Effekts (d. h. wenn die Last sehr gering ist und die Empfangsendspannung hoch sein kann), wird dies verwendet.
4. TCR-FC oder TCR-TSC (Es handelt sich um impedanzbasierte FACTS-Geräte),
5. STATCOM (Es handelt sich um einen spannungsquellenbasierten FACTS-Gerät). STATCOM oder Static Synchronous Compensator ist ein leistungselektronisches Gerät, das selbstkommutierte Bauelemente wie IGBT, GTO usw. verwendet, um den Blindleistungsfluss durch ein Energienetz zu steuern und dadurch die Stabilität des Energienetzes zu erhöhen. STATCOM ist ein Shunt-FACTS-Controller, d. h. er ist parallel zur Leitung angeschlossen. In den Anfangstagen hieß er STATCON statt STATCOM. Er gehört zur Familie der Flexible AC Transmission System (FACTS) Geräte und hat großes Forschungspotenzial. Die Installation eines STATCOM an einem oder mehreren geeigneten Punkten in einem Netz verbessert die Spannungsstabilität und hält ein glattes Spannungsprofil unter verschiedenen Netzbedingungen aufrecht. Seine Fähigkeit zur aktiven Filterung ist auch sehr nützlich für Verbesserungen der Energiequalität.
6. In Windparks wird ein Asynchrongenerator verwendet, der ein einfach erregter Maschine ist (d. h. er hat keine Erregerwicklung). Daher ist Blindleistungssteuerung in einem Asynchrongenerator nicht möglich; deshalb wird in diesem Fall zur Lieferung von Blindleistung häufig STATCOM verwendet. STATCOM wird als Shunt-Controller an den Klemmen des Asynchrongenerators installiert. Dieses Thema hat auch großes Forschungspotenzial.

Verwandter Beitrag: Was ist eine Parallel-Drossel (Shunt Reactor) – Typen, Konstruktion & Anwendungen

Wie in diesem Artikel geschrieben, ist 'Parallelkompensation' mit Blindleistungssteuerung verbunden, man kann sehen, dass in den oben genannten Methoden 2–6 alle Shunt-Controller sind.

Wie bereits gesagt, ist Blindleistung Scheinleistung, daher sind Übertragungsleitungen dazu gedacht, Wirkleistung zu liefern. Die Frage ist, warum wir Blindleistung in das Energiesystem einspeisen. Die Antwort ist: Generatoren, Übertragungsleitungen, Transformatoren usw. haben vernachlässigbaren Widerstand im Vergleich zu ihrem induktiven Blindwiderstand, daher können wir sagen, das Übertragungssystem ist ein induktiver Stromkreis. Er verbraucht Blindleistung, daher müssen wir Blindleistung liefern, um dies zu kompensieren.

Mit anderen Worten: Um ein flaches Spannungsprofil (d. h. Spannung 1 p.u. überall) in einem Übertragungssystem aufrechtzuerhalten, ist eine ordnungsgemäße Blindleistungssteuerung notwendig. Um übermäßige Blindleistungsübertragung zu vermeiden, sollten Erzeugung und Verbrauch von Blindleistung so nah wie möglich beieinander liegen; andernfalls führt dies zu einem unangemessenen Spannungsprofil.

Über den Autor

Dr. Vipin Jain erhielt 1992 seinen Bachelor of Engineering von der Nagpur University, 2007 Master of Technology, 2017 Ph.D. von der Universität Delhi. Er hat langjährige Lehrerfahrung und industrielle Erfahrung. Er ist seit Dezember 2007 Fakultätsmitglied in der Abteilung für Elektrotechnik, Bharat Institute of Technology, Meerut (UP), Indien. Bisher wurden mehr als zwanzig Forschungsarbeiten von ihm veröffentlicht. Er ist zertifizierter Energieauditor durch das Bureau of Energy Efficiency, Regierung von Indien.

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