Análisis de potencia reactiva en sistemas de energía.
La potencia reactiva es una potencia imaginaria, pero aún así es necesaria en el Sistema de Energía. Si la potencia reactiva es excesiva en el sistema de energía, el voltaje puede aumentar y, en caso de escasez de potencia reactiva, el voltaje puede ser bajo. En este artículo explicaremos varios aspectos de la potencia reactiva, cuál es su papel en el sistema de energía y cómo se puede inyectar en el sistema de energía.
Conceptos básicos de voltaje y potencia reactiva en un sistema de energía:
Es deseable que el voltaje en el sistema de energía sea 1 por unidad (pu) en todas partes (pero es altamente imposible mantenerlo). El control de la potencia reactiva y la magnitud del voltaje son palabras casi relacionadas; De manera similar, el control de la potencia activa y el ángulo de voltaje son palabras casi relacionadas. Considere la Figura-1. El bus-1 está conectado con un bus infinito con una línea de transmisión larga. Generalmente, la potencia activa fluye desde un ángulo de alto voltaje a un ángulo de voltaje más bajo y la potencia reactiva fluye desde una magnitud de voltaje más alta a una magnitud de voltaje más baja. Entonces, en la Figura 1, la energía activa y reactiva fluirán del bus 1 al bus 2 (en algunos casos, también depende de otros factores).
Análisis de potencia reactiva en generador síncrono:
Considere un circuito equivalente simple de Generador Síncrono (SG) como se muestra en la Figura-2. Su voltaje terminal es 1∠0, o podemos decir que SG está conectado directamente a un bus infinito.
Cabe señalar que la potencia reactiva es potencia imaginaria por lo que puede ser suministrada o absorbida por SG. Si miF es menor que ‘1’ (es decir, EFt), entonces diremos que está funcionando con baja excitación (es decir, la corriente CC en su devanado de campo es baja); En ese caso, SG puede consumir energía reactiva. Si miF es mayor que ‘1’ (es decir, EF>Vt), entonces diremos que está funcionando con alta excitación (es decir, la corriente CC en su devanado de campo es alta); En ese caso, SG puede suministrar energía reactiva.
El poder activo se llama poder verdadero. SG siempre suministra energía activa; Entonces, puedes entender por qué el ángulo del rotor es positivo en el caso de un generador síncrono y negativo en el caso de un motor síncrono.
La ecuación “Entrada = salida + pérdidas” es válida para cualquier máquina. Para SG, la ecuación es “Entrada mecánica = Salida eléctrica (potencia activa) + pérdidas”.
Como se escribió anteriormente, si SG está funcionando con alta excitación, puede generar potencia reactiva, es decir, SG suministrará potencia reactiva al sistema. De hecho, lo que sucede es solo un intercambio de energía entre el generador y la carga. (Supongamos que la carga es un motor de inducción. Entonces, habrá un intercambio de energía entre SG y el motor de inducción; o podemos decir que SG está generando potencia reactiva y el motor de inducción está consumiendo la potencia reactiva; pero son solo convenciones, la potencia reactiva es imaginaria por lo tanto, la energía no se puede generar ni consumir).
En los libros de Power System, para calcular la potencia compleja se menciona la fórmula S=VI*. Si se utiliza la fórmula S=V*I, se puede encontrar el mismo resultado excepto que el signo de la potencia reactiva se invertirá. Entonces, los académicos de ingeniería eléctrica finalizaron la fórmula S = VI * y descartaron la segunda fórmula. Por qué han elegido la primera fórmula en lugar de la segunda, intente analizarlo usted mismo basándose en este artículo.
En la Figura 3, puede comprender fácilmente por qué la potencia activa se llama potencia verdadera y la potencia reactiva se llama potencia imaginaria.
En la Figura 4 se muestra un diagrama de SG. Esta figura también se explica por sí misma.
En su campo, encontrar si el voltaje de CC (o la corriente de CC) es alto, SG suministrará más potencia reactiva. Entonces, quizás pueda pensar que la potencia CC del devanado de campo se convierte en potencia reactiva. Es un gran error entre los estudiantes. Tenga en cuenta que más voltaje de CC en el devanado de campo significa más corriente de CC y esta energía se consumirá a medida que2Pérdidas R en la resistencia del devanado inductor ‘R’. Ninguna energía CC en el circuito de campo se convertirá en energía reactiva. A medida que aumenta la corriente CC, aumenta la potencia reactiva suministrada por SG, significa que el intercambio de energía del generador aumenta con la carga. En caso de una corriente continua alta en el devanado de campo, el flujo en la inductancia del devanado de campo será alto, lo que ayudará a generar potencia reactiva por parte del SG.
Considere la Figura 1 nuevamente. Si la excitación de SG aumenta, sucederán dos cosas.
- (i) El generador suministrará más potencia reactiva
- (ii) su voltaje terminal (magnitud) aumentará (como se dijo anteriormente, el control de la potencia reactiva y la magnitud del voltaje son palabras casi correlacionadas).
Si hay un exceso de potencia reactiva en el sistema eléctrico, el voltaje aumenta, es al revés. Sobre esa base, los lectores deberían intentar comprender también el efecto Ferranti. [In case of Ferranti effect, receiving end voltage is higher than sending end voltage. It occurs at no load (or load is very less). Most of the load in the power system is an inductive load. So, in no-load conditions inductive effect decreases and shunt capacitance (natural shunt capacitances in the air) dominates. Capacitor generates reactive power hence it tries to increase the voltage]
En los libros de Máquinas Eléctricas, está escrito que con carga PF adelantada (es decir, con carga capacitiva), un transformador puede tener una regulación de voltaje negativa; Los lectores también deberían intentar comprender esta línea con la ayuda de este artículo. Tenga en cuenta que la carga capacitiva intenta aumentar el voltaje. Suponga que tiene un transformador con una relación de vueltas de 1:1, el voltaje aplicado es de 100 V, su voltaje terminal es de 102 V, luego la regulación de voltaje del transformador es simplemente -2%. Es posible en caso de carga capacitiva. Los más frescos pueden sorprenderse de cómo el voltaje terminal del transformador puede ser mayor que el voltaje aplicado, deberían intentar analizarlo.
Compensación en derivación y compensación en serie:
En Power System se utilizan comúnmente dos términos, ‘compensación en derivación’ y ‘compensación en serie’. La ‘compensación en derivación’ controla la potencia reactiva y la ‘compensación en serie’ controla la potencia activa. La compensación de derivación puede ser un simple condensador en la derivación de la línea de transmisión o cualquier dispositivo Shunt FACTS. La compensación en serie puede ser un condensador simple en serie con la línea de transmisión o cualquier serie de dispositivos FACTS.
Considere la fórmula (Es una fórmula muy famosa, por lo que aquí no se proporciona ninguna explicación detallada). ‘X’ es la reactancia de la línea de transmisión. Esta fórmula se obtiene suponiendo que la resistencia de la línea de transmisión es insignificante. Si se inserta un capacitor en serie simple en la línea de transmisión (o entre el bus 1 y el bus 2 en la Figura 1), entonces podemos decir que es compensación en serie. Al controlar el valor del condensador en serie, podemos controlar la ‘X’, por lo tanto, se puede controlar la ‘P’. Además, puede ver que ‘P’ está relacionada con ‘δ’. (Como se escribió anteriormente, el control de ‘P’ y ‘ángulo de voltaje’ son palabras estrechamente relacionadas).
Métodos de inyección de potencia reactiva en un sistema de energía:
Si el voltaje en el sistema de transmisión es inferior a 1 pu, entonces se debe inyectar potencia reactiva al sistema. A continuación se detallan varios métodos para inyectar/absorber energía reactiva en un sistema de energía:
- Control de la excitación CC de SG, como se explica anteriormente en este artículo,
- Condensadores en derivación (para suministrar potencia reactiva y aumentar el voltaje),
- Se utilizan inductores en derivación (para consumir la potencia reactiva y reducir el voltaje), en caso de efecto Ferranti (es decir, cuando la carga es muy menor y el voltaje del extremo receptor puede ser alto).
- TCR-FC o TCR-TSC (es un dispositivo FACTS basado en impedancia),
- STATCOM (Es un dispositivo FACTS basado en un convertidor de fuente de voltaje). STATCOM o compensador síncrono estático es un dispositivo electrónico de potencia que utiliza dispositivos de conmutación de fuerza como IGBT, GTO, etc. para controlar el flujo de potencia reactiva a través de una red eléctrica y, por lo tanto, aumenta la estabilidad de la red eléctrica. STATCOM es un controlador FACTS en derivación, es decir, está conectado en derivación con la línea. En los primeros días su nombre era STATCON en lugar de STATCOM. Es miembro de la familia de dispositivos del Sistema de transmisión de CA flexible (FACTS) y tiene un gran potencial de investigación. La instalación de un STATCOM en uno o más puntos adecuados de una red mejorará la estabilidad del voltaje y mantendrá un perfil de voltaje uniforme en diferentes condiciones de la red. Su capacidad para realizar filtrado activo también es muy útil para mejorar la calidad de la energía.
- En los parques eólicos se utiliza un generador de inducción, que es una máquina de excitación simple (es decir, no tiene devanado de campo). Por tanto, el control de la potencia reactiva en un Generador de Inducción no es posible; por lo tanto, en este caso, para suministrar energía reactiva, se utiliza ampliamente STATCOM. STATCOM se instala en los terminales del generador de inducción como un controlador de derivación. Este tema también tiene un gran potencial de investigación.
Publicación relacionada: ¿Qué es el reactor en derivación? Tipos, construcción y aplicaciones
Como está escrito en este artículo, la ‘compensación en derivación’ está relacionada con la potencia reactiva. control, se puede ver que en los métodos anteriores del 2 al 6, todos son controladores de derivación.
Como se dijo anteriormente, la potencia reactiva es potencia imaginaria, por lo que las líneas de transmisión están destinadas a suministrar energía activa. Es una pregunta por qué estamos inyectando energía reactiva en el sistema de energía. La respuesta es que los generadores, líneas de transmisión, transformadores, etc. tienen una resistencia insignificante en comparación con su reactancia inductiva, por lo que podemos decir que el sistema de transmisión es un circuito inductivo. Consume potencia reactiva, por lo que para compensarlo tenemos que suministrar potencia reactiva.
En otras palabras, podemos decir que para mantener un perfil de voltaje plano (es decir, mantener un voltaje de 1 pu en todas partes), en un sistema de transmisión, es necesario un control adecuado de la potencia reactiva. Para evitar una transmisión excesiva de potencia reactiva; la generación y el consumo de potencia reactiva deben ser lo más cercanos posible entre sí; de lo contrario, se producirá un perfil de voltaje inadecuado.
