Подобряване качеството на електроенергията

Проблемите с качеството на електроенергията се дължат на най-разнообразни фактори. Повечето от тях са причинени от природни явления като мълнии например. Други причини за смущения в качеството на електрическия ток са повредите на оборудването на електрозахранващите системи, които могат да причинят понижаване на напрежението при крайния потребител.

Консуматори, чието оборудване е с голяма мощност и е от критична важност то да не спира да работи, имат нужда от електрозахранване с постоянно напрежение, със синусоидална вълнова форма при номинална честота и сила на тока. Следователно, проблем с електрозахранването възниква, когато има нарушение на напрежението, честотата или силата на тока, което води до повреда на оборудването на клиента.

Ниското качество на електрозахранването може да наруши производствения процес на клиента, а това, от своя страна, води до загуба на приходи. В интерес на потребителя е времето на престой на производствения процес заради проблеми с електрозахранването да бъде сведено до минимум.

Обратно, дейността на клиента също може да повлияе на качеството на електроенергията и в интерес на електроразпределителното дружество е този ефект да бъде ограничен. Изводът е, че за подобряване качеството на електроенергията е необходимо да се установи партньорство между клиента, електроразпределителното дружество и производителя на технологичното оборудване.

Технологии за преодоляване на проблемите с качеството
Съществуват два основни подхода за решаване на проблемите с качеството на електроенергията. Единият е стабилизиране на натоварването, състоящо се в подбор на технологично оборудване, което е по-малко чувствително към смущения в електрозахранването и при възникване на такива ги понася без повреди. Другият включва инсталиране на устройства за стабилизиране на електрозахранването, които потискат прекъсванията.

Предлаганите в търговската мрежа стабилизатори в повечето случаи предпазват от цяла група нарушения в качеството на електроенергията. Те са с различни размери и могат да бъдат монтирани на линии с всички нива на напрежение. Стабилизаторът и мястото на свързването му се избират с оглед на икономическата приложимост и необходимата надеждност.

Често пъти се прилагат и новаторски решения със силова електроника, предимно когато е важно бързо да се потиснат смущенията, тъй като конвенционалните устройства (напр. кондензатори за корекция на фактора на мощността, cos j) са добре приспособени за стабилизиране на напрежението в определени граници.

Изборът на подходящо устройство за стабилизиране на електрозахранването при по-елементарни натоварвания не е сложен. Но при големи системи с много видове натоварвания трябва внимателно да се проучат всички аспекти на електрическата мрежа.

Освен това, трябва да се познават различните критично важни места със специфични изисквания към електрозахранването. Трябва да се разгледа и потенциалното взаимодействие между устройствата за стабилизиране на електрозахранването, натоварванията и електроразпределителната мрежа.

Динамични регулатори
Производствените предприятия в областта на електрониката например имат чувствително оборудване, което би могло да спре или най-малкото да заработи неправилно вследствие на моментни падове на напрежението на електрическия ток от мрежата. За да е сигурно, че производственият процес няма да бъде прекъсван по време на такива падове, може да бъде монтиран динамичен регулатор на напрежението (ДРН).

За да може успешно да компенсира евентуален пад на напрежението, ДРН трябва да има възможност за бърза реакция, както и да е оборудван с енергиен източник и трансформатор за подаване на напрежение. Основните компоненти на един ДРН са разпределително устройство, повишаващ трансформатор, филтър за хармоници, IGCT тиристорно стъпало, зарядно устройство с постоянен ток, защитна система и енергиен източник, напр. система за съхранение на енергия.

Докато състоянието на електрозахранването е нормално, ДРН работи в режим на престой, като преобразувателната страна на трансформатора остава свързана накъсо. Тъй като преобразувателят на напрежение не работи, ДРН генерира само загуби от пренос на електрическия ток. Използването на технологията IGCT свежда до минимум тези загуби.

Когато има пад на напрежението, ДРН реагира като подава три еднофазни напрежения с променлив ток последователно в съчетание с входящото трифазно напрежение от мрежата. Така се компенсира разликата между напрежението преди и след пада. Всяка фаза на подаваните напрежения може да се управлява независимо от останалите (напр. нейната величина и ъгъл).

Активната и реактивната мощности, необходими за създаване на тези напрежения, се подават от два преобразувателя на напрежение с широчинно-импулсна модулация, захранвани с постоянен ток.

Статични синхронни компенсатори
Разпределителният статичен синхронен компенсатор (РССК) е паралелно свързано устройство, базирано на преобразуватели на изходно напрежение с широчинно-импулсна модулация. То може да замести конвенционалните елементи за управление на напрежението и реактивната мощност.

РССК подобрява напрежението в електрозахранванията, намалява загубите и дори има възможност да компенсира евентуални колебания на мощността при наличие на система за съхранение на електроенергия, свързана към източник на постоянен ток.

При нормални характеристики на захранващия електрически ток РССК работи като реактивен източник на електрозахранване или в режим на престой с минимални загуби. Когато се появят колебания на напрежението, РССК реагира като подава токове с подходящ фазов ъгъл и величина.

Нелинейното естество на натоварването от дъгови пещи например оказва значително влияние върху качеството на електроенергията. В такива случаи може да се приложи решение с РССК, което може да отговори на изискванията за затихване на колебанията за време в пъти по-кратко, отколкото това на конвенционалните устройства. Нещо повече, РССК няма принос към резонансните взаимодействия в система за захранване с променлив ток.

РССК, в съчетание прекъсвач и система за съхранение на енергия (напр. акумулаторен тип), също има предимства. Ако един прекъсвач бъде монтиран между входящото електрозахранване и шината с критично натоварване, а в паралел работи РССК с акумулаторна система за съхранение на енергия, може да бъде осигурена пълна поддръжка при временни прекъсвания на електрозахранването.

Прекъсвачът моментално изолира критичния товар от прекъсването, след което РССК започва да поддържа товара с енергия от системата за съхранение. Тази система носи общото название динамично непрекъсваемо токозахранващо устройство.

Превключватели
Системите с електронни полупроводникови превключватели на електрозахранване (solid-state transfer switch, SSTS) или интегрирани механични превключватели (mechanical transfer switch, MTS) са предназначени да заместят конвенционалното механично оборудване за превключване от един източник на захранване на друг, което се използва в големите промишлени и търговски обекти.

Този процес понастоящем отнема от половин до няколко секунди. Тези решения могат да осигурят на компаниите икономически ефективна алтернатива на UPS система.

При нормална работа превключвателят, свързан към основното електрозахранване, е изключен, а този на втория източник е включен. При смущение на основното електрозахранване, като пад на напрежението, късо съединение или пълно прекъсване, натоварването се прехвърля на второто електрозахранване в рамките на милисекунди.

За да може превключвателите да работят ефективно, електроразпределителната система трябва да отговаря на определени изисквания: двойно електрозахранване от различни подстанции; допълнителен капацитет за разпределение в резервното електрозахранване и при подстанцията; надеждно разпределение с добро качество на тока.

Ако времето на превключване от едното захранване на другото не е от толкова критична важност (напр. около 25-30 ms), MTS е по-икономически ефективна алтернатива на SSTS. Използването на интелигентен управляващ блок, модерни сензори, вакуумни прекъсвачи и бързи магнитни изпълнителни устройства, интегрирани обикновено в две комутиращи устройства за средно напрежение, позволява пренос без загуби и при минимална експлоатационна поддръжка.

Интегрирани контролери за фактора на мощността
Компенсирането на реактивната мощност с цел корекция на фактора на мощността в промишлените предприятия е необходимо условие за постигане на висока ефективност на процеса и избягване на допълнителни такси заради лош cos j.

Конвенционалното оборудване, използвано понастоящем, се състои от шунтови кондензатори, които се включват или изключват в зависимост от изискванията за реактивна мощност. Това е свързано с кратковременно преходно състояние в електрозахранването, което може да предизвика прекъсване на процесите (загуба на данни) и повреда на оборудването (напр. на електронните платки).

Следователно, конвенционалното оборудване за корекция на cos j предлага решение, но същевременно представлява и източник на смущения на качеството на електроенергията при консуматора.
Контролерът за фактора на мощността решава тези недостатъци на конвенционалното оборудване и предлага иновативно, интегрирано решение.

Системата обикновено се състои от една или повече групи кондензатори с прекъсвачи. Те се управляват от интелигентно устройство, поместено в разпределителна уредба за средно напрежение. Прекъсвачите, с помощта на магнитни изпълнителни механизми, могат да извършват контролирано и синхронизирано превключване, което намалява значително преходните състояния.

Нещо повече, използвайки измерен и целеви фактор на мощността, както и информация от кондензаторите, управляващото устройство определя дали една или повече групи от кондензатори трябва да бъдат включени или изключени, за да може същинският фактор на мощността де е колкото се може по-близо до целевия.

Тенденции и перспективи
Предвид загрижеността относно консумацията на изкопаеми горива и парниковия ефект, причинен от нея, към мрежата се включват все повече устойчиви разпределени енергийни източници. Това се отразява на качеството на електрическия ток в електроразпределителната мрежа и поставя нови изисквания към регулиращото оборудване.

Същевременно потенциалът на широколентовите полупроводници и разработката на преобразуватели с нови топологии създават условия за развитие на усъвършенствани компенсатори на качеството на електроенергията.

Прекъсвачите, SSTS и модулните преобразуватели на много нива за постоянен ток с високо напрежение (MMC-HVDC), които могат съвместно да управляват активната и реактивната мощност за постигане на активно управление на качеството на електроенергията, са обект на широкомащабни проучвания.

Предвид факторите и технологиите за управление на качеството на електроенергията има няколко направления, по които са необходими бъдещи проучвания. Хармониците, генерирани от преобразувателите със силова електроника, се характеризират с високи честоти и широк честотен диапазон. Предстои да се проведат изследвания относно това как да се откриват и потискат хармониците от висок порядък и междинните хармоници.

Характеристиките за качество на електроенергията, произвеждана от големите ветрогенераторни паркове и фотоволтаични електроцентрали, тяхното взаимодействие и отражението им върху обществената електроразпределителна мрежа, както и подходящите методи за управление на качеството на електроенергията, също заслужават допълнителни, цялостни изследвания.

Трябва да бъдат разработени и нови архитектури за компенсатори на качеството на електроенергията, базирани на широколентови полупроводници или на модулни технологии на много нива. Функционалността и масовото приложение на SSTS, трансформаторите и MMC-HVDC, които могат да се използват за управление на качеството на активната електроенергия, също изискват задълбочено проучване.