Какие функции выполняет SVG в компенсации реактивной мощности электрических систем?

Как работает SVG: основной принцип работы и управление реактивным током

Статические генераторы реактивной мощности (SVG) работают иначе по сравнению с традиционными методами управления реактивной мощностью. Эти устройства используют полупроводниковые компоненты — IGBT — для генерации или потребления реактивного тока (измеряемого в ВАР) без каких-либо механических подвижных частей. Принцип их работы действительно весьма изощрён: они создают противофазные электрические токи с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При индуктивной нагрузке, вызывающей отставание тока по фазе, SVG подаёт ёмкостной ток для балансировки. При ёмкостной нагрузке, создающей иные проблемы, он действует наоборот. Весь этот процесс протекает чрезвычайно быстро: коэффициент мощности системы приближается к идеальному значению всего за долю секунды.

Инверсия на основе источника напряжения с использованием IGBT для мгновенной генерации ВАР

Ключевым инновационным решением является архитектура преобразователя напряжения на основе IGBT. Быстрое переключение напряжения постоянного тока на шине с помощью встречно-параллельных пар IGBT формирует трёхфазные переменные токи с точной фазовой разностью 90° относительно напряжения сети, что обеспечивает точное и непрерывное управление реактивной мощностью пропорционально напряжению в системе. Ключевые преимущества по сравнению с традиционными решениями включают:

• Устранение рисков гармонического резонанса, присущих конденсаторным батареям
• Плавная, бесступенчатая регулировка в полном диапазоне от ёмкостного до индуктивного режимов
• Выходной ток, не зависящий от напряжения — в отличие от SVC с управлением тиристорами

Динамический отклик менее чем за миллисекунду по сравнению с ограничениями механического переключения

SVG реагируют за 1–5 миллисекунд — в 100–300 раз быстрее, чем конденсаторы с тиристорным управлением (300–500 мс), и на порядки быстрее, чем механические выключатели, задержка срабатывания которых составляет 20–40 периодов из-за физического перемещения контактов и ограничений повторного зажигания. Такая скорость отклика менее одного периода является критически важной для:

• Предотвращение коллапса напряжения при пуске двигателей или отключении генераторов
• Снижение мерцания напряжения в установках дуговых печей и сварочного оборудования
• Стабилизация напряжения при быстрых колебаниях выработки электроэнергии солнечными и ветровыми электростанциями

Важно отметить, что SVG осуществляют переход между ёмкостным и индуктивным режимами без перерывов — обеспечивая непрерывную подачу реактивной мощности во время устойчивой работы при коротких замыканиях (FRT), что недостижимо для механических систем.

SVG для повышения качества электроэнергии: гармоники, несимметрия и соответствие нормативным требованиям

Фильтрация гармоник в реальном времени и коррекция несимметрии трёхфазной системы

Технология SVG борется с гармоническими искажениями, практически мгновенно генерируя компенсирующие токи противоположной фазы, что нейтрализует раздражающие частоты, возникающие, например, от преобразователей частоты (ПЧ). Такая компенсация в реальном времени позволяет поддерживать общий коэффициент гармонических искажений (THD) ниже 5 % — это особенно важно для чувствительного оборудования, установленного на производственной площадке. Другое важное преимущество SVG — их способность устранять перекосы трёхфазного напряжения благодаря уникальному управлению реактивной мощностью по фазам. Рассмотрим, к примеру, производственное предприятие, где одновременно работают однофазные лазерные станки резки и более мощные трёхфазные агрегаты. При отсутствии надлежащей балансировки электродвигатели перегреваются и преждевременно выходят из строя. Однако при использовании SVG наблюдается резкое снижение перекоса напряжения — с примерно 8 % до чуть более 2 %. В отличие от устаревших пассивных фильтров, SVG не требуют времени на срабатывание переключателей и не страдают от проблем с настройкой, которые ограничивают эффективность работы.

Соблюдение пределов стандарта IEEE 519–2022 на объектах с высоким уровнем искажений

Технология SVG обеспечивает соответствие систем стандартам IEEE 519-2022 за счёт активного подавления гармоник вплоть до 50-й гармоники, даже в сложных условиях, характерных для дуговых печей или центров обработки данных. Когда коэффициент искажения напряжения в точке общего присоединения (PCC) превышает 10%, устройства SVG поддерживают общий коэффициент гармонических искажений (THD) на уровне около 3,5 % или ниже — что значительно лучше установленного большинством энергоснабжающих организаций предела в 5 %. В качестве реального примера можно привести полупроводниковый завод, где после внедрения устройств SVG количество проблем, связанных с гармониками, сократилось примерно на 92 %; согласно отчёту Института Понемона за прошлый год, ежегодная экономия на техническом обслуживании конденсаторных батарей составила около 740 000 долларов США. Помимо простого соблюдения нормативных требований, такой проактивный подход позволяет избежать потенциальных штрафов, защитить трансформаторы от излишней нагрузки и обеспечить бесперебойную и стабильную работу производственных процессов.

SVG как средство обеспечения устойчивости электрической сети: поддержка напряжения и устойчивость при коротких замыканиях

Динамическое регулирование напряжения при нарушениях в работе сети и событиях, связанных с устойчивостью при коротких замыканиях

Технология SVG способствует стабильности электрических сетей за счёт почти мгновенной подачи или поглощения реактивной мощности при просадках, всплесках напряжения или аварийных ситуациях в системе. Механические конденсаторные батареи требуют около 3–5 периодов сетевого напряжения для реакции, тогда как системы SVG реагируют немедленно, поддерживая напряжение в пределах примерно ±2 % от номинального значения и предотвращая ложные срабатывания защитных устройств. При обеспечении устойчивости при коротких замыканиях такие системы сохраняют достаточный резерв реактивной мощности для выполнения строгих требований сетевых стандартов, например, изложенных в стандарте IEEE 1547-2018. В регионах, где доля ветровой энергии в общем энергобалансе значительна, применение управления напряжением на основе SVG снижает частоту отключений электроэнергии примерно на 60 % по сравнению с устаревшими методами — согласно исследованию, опубликованному в журнале «Power Systems Research» в 2023 году.

Кейс-исследование: интеграция ветровой электростанции на напряжении 33 кВ с использованием SVG для обеспечения реактивного резерва

На ветровой электростанции на напряжении 33 кВ, объединяющей 15 ветротурбин, была продемонстрирована способность SVG стабилизировать работу энергосистемы. До установки устройства порывы ветра вызывали провалы напряжения свыше 8 %, что приводило к отключению ветротурбин. После внедрения системы SVG мощностью 5 Мвар реактивный резерв обеспечивал поддержание напряжения в пределах ±1,5 % от исходного уровня в течение 98 % событий режима форсированного прохождения (FRT). Ключевые результаты включали:

• снижение частоты провалов напряжения ниже 0,9 о.е. (относительных единиц) на 70 % во время аварий в сети
• Полное отсутствие отключений ветротурбин в течение окон аварийной ситуации продолжительностью 0,15 секунды
• Полное соответствие требованиям стандарта EN 50549-2:2019 по подключению возобновляемых источников энергии к электросети

Данный кейс подтверждает роль SVG в обеспечении надёжной интеграции ВИЭ с высокой долей проникновения в энергосистему.

SVG по сравнению с альтернативными решениями: эксплуатационная гибкость и стоимость жизненного цикла

Технология SVG обеспечивает значительно большую гибкость по сравнению с традиционными конденсаторными батареями и системами на основе тиристоров. В отличие от механических решений, которые переключаются ступенчато с заметными задержками, SVG обеспечивают непрерывное регулирование реактивной мощности в обоих направлениях практически мгновенно, устраняя раздражающие переходные процессы и колебания напряжения. Высокая скорость реакции имеет решающее значение для промышленных отраслей с постоянно изменяющейся нагрузкой, таких как сварочные операции и прокатные станы. Стандартное оборудование просто не способно справиться с задержками реакции более 100 миллисекунд, что вызывает нестабильность и производственные проблемы, с которыми никто не хочет сталкиваться.

Ценностное предложение на протяжении всего срока службы действительно выделяется при рассмотрении этих систем. Технология SVG фактически снижает потери примерно на половину–три четверти по сравнению с аналогичными моделями SVC. Почему? Потому что в ней больше не используется нагрев реактора, а также отпадает необходимость в громоздких внешних фильтрах гармоник. Это означает реальную экономию средств на оплате электроэнергии в долгосрочной перспективе. Другим важным преимуществом является полное отсутствие подвижных частей и конденсаторов, которые со временем стареют и требуют регулярной замены. Интервалы между техническим обслуживанием могут быть на 3–5 лет длиннее, чем у устаревших электромеханических систем. Некоторые горнодобывающие предприятия сообщили о коэффициенте готовности, близком к 99,5 %, что, разумеется, помогает избежать дорогостоящих простоев производства. Кроме того, физические габариты устройств SVG занимают на 40–60 % меньше места по сравнению с традиционными конденсаторными батареями. Это делает их идеальным решением для модернизации существующих объектов, где пространство ограничено.

Часто задаваемые вопросы

Что такое SVG и как оно работает?

SVG (статический генератор реактивной мощности) — это устройство, управляющее реактивной мощностью без механических подвижных частей. Оно использует IGBT для создания противоположно направленных электрических токов и почти мгновенного балансирования индуктивных или ёмкостных нагрузок.

Каким образом SVG повышают качество электроэнергии?

SVG повышают качество электроэнергии за счёт фильтрации гармоник, коррекции несимметрии трёхфазных цепей и обеспечения соответствия отраслевым стандартам, таким как IEEE 519-2022. Они способствуют снижению провалов напряжения и поддержанию низкого уровня общего коэффициента гармонических искажений (THD).

Какие преимущества технологии SVG по сравнению с традиционными методами?

Технология SVG обеспечивает более быстрое время отклика, большую гибкость, меньшие потери, пониженные требования к техническому обслуживанию и более эффективное использование пространства по сравнению с традиционными конденсаторными батареями и системами на основе тиристоров.