Яку роль відіграють SVG у компенсації реактивної потужності електричних систем?

Як працює SVG: основний принцип роботи та керування реактивним струмом

Статичні генератори реактивної потужності (SVG), як їх зазвичай називають, працюють інакше, ніж традиційні методи, у керуванні реактивною потужністю. Ці пристрої використовують напівпровідникові компоненти — транзистори з ізольованим затвором (IGBT), щоб генерувати або споживати реактивний струм (вимірюваний у ВАр) без будь-яких механічних рухомих частин. Спосіб, яким вони це роблять, насправді досить ефективний: вони створюють протилежні за фазою електричні струми за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Коли індуктивне навантаження викликає відставання струму, SVG подає ємнісний струм для вирівнювання. У разі ємнісного навантаження, що призводить до інших проблем, SVG діє навпаки. Увесь цей процес відбувається надзвичайно швидко — система наближається до ідеального коефіцієнта потужності всього за частку секунди.

Інверсія на основі напруги з використанням IGBT для миттєвої генерації ВАр

Основною інновацією є архітектура перетворювача з джерелом напруги на основі IGBT. Швидке перемикання напруги постійного струму на шині за допомогою протилежно включених пар IGBT формує трифазні змінні струми з точним зсувом фаз на 90° щодо напруги мережі — що забезпечує точне й безперервне керування реактивною потужністю пропорційно напрузі системи. Основні переваги порівняно з традиційними рішеннями включають:

• Усунення ризиків гармонійного резонансу, притаманних конденсаторним батареям
• Безперервне, плавне регулювання у всьому діапазоні від ємнісного до індуктивного режимів
• Вихідний струм, незалежний від напруги — на відміну від SVC з керуванням за допомогою тиристорів

Динамічна відповідь менше ніж за мілісекунду порівняно з обмеженнями механічного перемикання

SVG реагують протягом 1–5 мс — у 100–300 разів швидше, ніж конденсатори з тиристорним перемиканням (300–500 мс), і на порядки швидше, ніж механічні перемикачі, які мають затримку в 20–40 періодів через фізичне переміщення контактів і обмеження повторного запалювання. Ця швидкість, що становить менше одного періоду, є критично важливою для:

• Запобігання колапсу напруги під час пуску двигунів або відключення генераторів
• Зменшення мерехтіння в дугових печах та зварювальних застосуваннях
• Стабілізація напруги на тлі швидких коливань генерації сонячної та вітрової енергії

Що особливо важливо, SVG переходять між ємнісним і індуктивним режимами без перерви — забезпечуючи безперервне надання реактивної потужності під час проходження аварій (FRT), що є можливістю, якої не мають механічні системи.

SVG для покращення якості електроенергії: гармоніки, несиметрія та відповідність нормативним вимогам

Фільтрація гармонік у реальному часі та корекція несиметрії трифазної системи

Технологія SVG бореться з гармонійними спотвореннями, майже миттєво генеруючи протилежні струми, що нейтралізують ті неприємні частоти, які виникають, наприклад, у приводах змінної частоти (VFD). Коли це відбувається в реальному часі, загальне гармонійне спотворення (THD) залишається меншим за 5 % — показник, що має вирішальне значення для різноманітного чутливого обладнання на виробничій дільниці. Ще одне важливе перевага SVG — їхня здатність усувати незбалансованість напруги в трифазних мережах завдяки унікальному способу керування реактивною потужністю по фазах. Розглянемо виробниче підприємство, де одночасно працюють багато однофазних лазерних різаків і більш потужне трифазне обладнання. За відсутності належного балансу двигуни можуть перегріватися й виходити з ладу набагато раніше строку служби. Проте завдяки встановленню SVG незбалансованість напруги вдалося радикально знизити — з приблизно 8 % до трохи більше ніж 2 %. І на відміну від старих пасивних фільтруючих систем, тут не потрібно чекати, поки ввімкнуться перемикачі, а також немає проблем із налаштуванням, що обмежує ефективність роботи.

Відповідність межам IEEE 519–2022 у промислових об’єктах із високим рівнем спотворень

Технологія SVG забезпечує відповідність систем стандартам IEEE 519-2022 шляхом активного управління вищими гармоніками аж до 50-го порядку, навіть за складних умов, які характерні для дугових печей або центрів обробки даних. Коли спотворення напруги в точці загального з’єднання (PCC) перевищує 10 %, ці пристрої SVG підтримують загальне гармонійне спотворення (THD) на рівні приблизно 3,5 % або нижче — що значно менше граничного значення 5 %, встановленого більшістю енергопостачальників. Один із реальних прикладів — завод напівпровідникових приладів, де після встановлення пристроїв SVG проблеми, пов’язані з гармоніками, скоротилися приблизно на 92 %, а щорічні витрати на технічне обслуговування конденсаторних батарей зменшилися приблизно на 740 000 доларів США, згідно зі звітом Інституту Понемона за минулий рік. Крім виконання нормативних вимог, такий проактивний підхід дозволяє уникнути потенційних штрафів, захищає трансформатори від надмірного навантаження та сприяє безперебійній роботі виробничих процесів.

SVG як засіб забезпечення стабільності електричної мережі: підтримка напруги та проходження аварійних режимів (FRT)

Динамічне регулювання напруги під час порушень у роботі мережі та подій FRT

Технологія SVG сприяє стабільності електричних мереж шляхом майже миттєвої ін’єкції або поглинання реактивної потужності у разі провалів або стрибків напруги, а також системних аварій. Механічні батареї конденсаторів реагують із затримкою приблизно на 3–5 періодів, тоді як системи SVG відповідають негайно, підтримуючи рівень напруги в межах приблизно ±2 % від номінального значення й запобігаючи непотрібному спрацьовуванню захисних пристроїв. У ситуаціях проходження аварійних режимів (FRT) ці системи зберігають достатні резерви реактивної потужності для виконання суворих вимог мережі, зокрема вимог, визначених у стандарті IEEE 1547-2018. У регіонах, де вітрова енергетика становить значну частку загального енергозабезпечення, використання керування напругою на основі SVG зменшує кількість відключень електропостачання приблизно на 60 % порівняно зі старими методами, що підтверджено дослідженням, опублікованим у журналі «Power Systems Research» у 2023 році.

Слідчі матеріали: Інтеграція вітрової електростанції на напрузі 33 кВ із реактивним резервом на основі SVG

Інтеграція вітрової електростанції на напрузі 33 кВ з 15 вітряками продемонструвала вплив SVG на стабілізацію мережі. До встановлення системи при поривах вітру спостерігалися провали напруги понад 8 %, що викликало відключення вітряків. Після введення в експлуатацію системи SVG потужністю 5 Мвар реактивний резерв забезпечував підтримку напруги в межах ±1,5 % від базового рівня протягом 98 % подій, пов’язаних із функцією збереження працездатності (FRT). Ключові результати включали:

• зниження частоти провалів напруги нижче 0,9 одиниці відносної величини (pu) під час аварій у мережі на 70 %
• Повне відсутність відключень вітряків протягом аварійних вікон тривалістю 0,15 с
• Повне відповідність вимогам стандарту EN 50549-2:2019 щодо інтеграції відновлюваних джерел енергії в електричну мережу

Цей кейс підтверджує роль SVG у забезпеченні надійної інтеграції відновлюваних джерел енергії з високим рівнем проникнення.

SVG порівняно з альтернативами: експлуатаційна гнучкість та цінність протягом усього терміну служби

Технологія SVG забезпечує значно більшу гнучкість порівняно з традиційними конденсаторними батареями та системами, керованими тиристорами. На відміну від механічних рішень, які перемикаються ступінчасто з помітними затримками, SVG-пристрої безперервно керують реактивною потужністю в обох напрямках майже миттєво, що ефективно усуває неприємні перехідні процеси та коливання напруги. Саме швидкість є вирішальним фактором у галузях із постійно змінними навантаженнями, наприклад, при зварювальних операціях та на прокатних станах для виробництва сталі. Стандартне обладнання просто не встигає реагувати при затримках відгуку понад 100 мс, що призводить до нестабільності й виробничих проблем, яких ніхто не хоче вирішувати.

Пропозиція щодо життєвої цінності справді виділяється при розгляді цих систем. Технологія SVG фактично зменшує втрати на 50–75 % порівняно з аналогічними моделями SVC. Чому? Тому що більше не потрібно нагрівати реактор, а також не доводиться встановлювати ті неприємні зовнішні фільтри гармонік. Це означає реальну економію коштів на енергорахунках у довгостроковій перспективі. Ще одне велике перевага — у цих систем немає жодних рухомих частин, які вимагають уваги, а також конденсаторів, що старіють і потребують регулярної заміни. Інтервали технічного обслуговування можуть тривати на 3–5 років довше, ніж у старіших електромеханічних систем. Деякі гірничодобувні підприємства повідомили про досягнення коефіцієнта готовності близько 99,5 % завдяки таким установкам, що, зрозуміло, допомагає уникнути дорогостоячих простоїв виробництва. Крім того, фізичні габарити одиниць SVG займають на 40–60 % менше місця, ніж традиційні конденсаторні батареї. Це робить їх ідеальним вибором для модернізації існуючих об’єктів, де простір є обмеженим.

Часто задані питання

Що таке SVG і як воно працює?

SVG (статичний генератор реактивної потужності) — це пристрій, який керує реактивною потужністю без механічних рухомих частин. Він використовує транзистори IGBT для створення протилежних електричних струмів та майже миттєвого балансування індуктивних або ємнісних навантажень.

Як SVG покращують якість електроенергії?

SVG покращують якість електроенергії шляхом фільтрації гармонік, корекції небалансу трифазних систем та забезпечення відповідності промисловим стандартам, наприклад, IEEE 519-2022. Вони сприяють зменшенню провалів напруги та підтримці низького рівня загального коефіцієнта гармонік (THD).

Які переваги технології SVG порівняно з традиційними методами?

Технологія SVG забезпечує швидші часи реакції, більшу гнучкість, знижені втрати, менші вимоги до технічного обслуговування та ефективніше використання простору порівняно з традиційними конденсаторними батареями та системами, керованими тиристорами.