電力システムの無効電力の分析
電力システムの無効電力の分析
無効電力は架空の電力ですが、それでも電力システムで必要です。電力系統で無効電力が過剰である場合、電圧が上昇する可能性があり、無効電力が不足している場合、電圧が低くなる可能性があります。この記事では、無効電力のさまざまな側面、電力システムにおけるその役割、および電力システムに注入する方法について説明します。
電力システムの電圧と無効電力の基本：
電力システムの電圧は、どこでも1ユニット（pu）あたり1であることが望ましいです（ただし、それを維持することは非常に不可能です）。無効電力と電圧の大きさの制御は、ほとんど相互に関連する言葉です。同様に、有効電力と電圧の角度の制御は、ほとんど相互に関連する言葉です。図1を検討してください。バス1は、長い伝送線路を持つ無限バスに接続されています。一般に、有効電力は高電圧角度から低電圧角度に流れ、無効電力は高電圧から低電圧に流れます。したがって、図1では、有効電力と無効電力の両方がバス1からバス2に流れます（場合によっては、他の要因にも依存します）。
同期発電機の無効電力の分析：
図2に示すように、同期発電機（SG）の単純な等価回路を考えてみます。端子電圧は1∠0、つまりSGは無限母線に直接接続されていると言えます。
無効電力は虚数であることに注意してください。そのため、SGによって供給または吸収されます。 E fの場合 が「1」未満（つまり、E f
有効電力は真の電力と呼ばれます。 SGは常に有効電力を供給します。したがって、同期発電機の場合はローター角度がプラスになり、同期モーターの場合はマイナスになる理由を理解できます。
式「入力=出力+損失」はすべてのマシンに有効です。 SGの場合、式は「機械的入力=電気的出力（有効電力）+損失」です。
上記のように、SGが無効電力を生成するよりも高い励起で動作している場合、つまりSGはシステムに無効電力を供給します。実際、何が起こっているのか、それは発電機と負荷の間の単なるエネルギー交換です。 （負荷が誘導モーターであると仮定します。したがって、SGと誘導モーターの間でエネルギー交換が行われます。または、SGが無効電力を生成し、誘導モーターが無効電力を消費していると言えます。ただし、これは単なる慣例であり、無効電力は架空のものです。したがって、電力を生成または消費することはできません。
Power Systemの本では、複素電力を計算するために、式S =VI*が記載されています。式S=V * Iを使用すると、無効電力の符号が逆になることを除いて、同じ結果が得られます。そのため、電気工学の学者は式S =VI *を完成させ、2番目の式を破棄しました。彼らが2番目ではなく最初の式を選んだ理由は、この記事に基づいて自分自身を分析してみてください。
図3から、有効電力が真の電力と呼ばれ、無効電力が虚数電力と呼ばれる理由を簡単に理解できます。
SGの1つの図を図-4に示します。 。この図も一目瞭然です。
フィールドでDC電圧（またはDC電流）は、SGがより多くの無効電力を供給するよりも高いです。したがって、おそらく、界磁巻線のDC電力が無効電力に変換されると考えるかもしれません。それは学生の間で大きな誤解です。界磁巻線のDC電圧が高いほど、DC電流が多くなり、この電力はI 2 として消費されることに注意してください。 界磁巻線抵抗「R」のR損失。フィールド回路のDC電力は無効電力に変換されません。 DC電流が増加すると、SGによって供給される無効電力が増加するよりも、負荷に応じて発電機のエネルギー交換が増加することを意味します。界磁巻線のDC電流が大きい場合、界磁巻線のインダクタンスの磁束が高くなり、SGによる無効電力の生成に役立ちます。
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図1をもう一度考えてみてください。 SGの励起が2つ以上増加すると、2つのことが起こります
- （i）発電機はより多くの無効電力を供給します
- （ii）その端子電圧（大きさ）が増加します（前述のように、無効電力と電圧の大きさの制御はほぼ相互に関連する言葉です）。
電力システムに電圧が増加するよりも過剰な無効電力がある場合、その逆も同様です。その上で、読者はフェランチ効果も理解するように努めるべきです。 [フェランチ効果の場合、受信端電圧は送信端電圧よりも高くなります。無負荷で発生します（または負荷が非常に少なくなります）。電力システムの負荷のほとんどは誘導性負荷です。したがって、無負荷状態では、誘導効果が減少し、シャント容量（空気中の自然なシャント容量）が支配的になります。コンデンサは無効電力を生成するため、電圧を上げようとします]
電気機械の本には、主要なPF負荷（つまり容量負荷）では、変圧器の電圧調整が負になる可能性があると書かれています。読者は、この記事の助けを借りて、この行を理解しようとする必要があります。容量性負荷が電圧を上昇させようとすることに注意してください。巻数比が1：1の変圧器があり、印加電圧が100 V、端子電圧が102 Vであるとすると、変圧器の電圧レギュレーションは単純に-2％になります。容量性負荷の場合に可能です。新鮮な人は、変圧器の端子電圧が印加電圧よりも高いことに驚かれるかもしれません。彼らはそれを分析しようとする必要があります。
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シャント補正とシリーズ補正：
電源システムでは、「シャント補償」と「シリーズ補償」の2つの用語が一般的に使用されます。 「シャント補償」は無効電力を制御し、「シリーズ補償」は有効電力を制御します。シャント補償は、送電線のシャントまたは任意のシャントFACTSデバイスの単純なコンデンサです。直列補償は、伝送線路または任意の一連のFACTSデバイスと直列の単純なコンデンサです。
数式を検討する 
（これは非常に有名な式であるため、ここでは詳細な説明はありません）。 「X」は伝送線路のリアクタンスです。この式は、伝送線路の抵抗が無視できると仮定して導き出されます。単純な直列コンデンサが伝送ライン（または図1のバス1とバス2の間に）に挿入されている場合、それは直列補償であると言えます。直列コンデンサの値を制御することにより、「X」を制御できるため、「P」を制御できます。また、「P」は「δ」に関連していることがわかります。 （以前に書いたように、「P」と「電圧角」の制御は密接に関連した言葉です）
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電力システムに無効電力を注入する方法：
送電システムの電圧が1 pu未満の場合は、無効電力をシステムに注入する必要があります。電力システムに無効電力を注入/吸収するさまざまな方法を以下に示します。
- この記事で前述したように、SGのDC励起の制御
- シャントコンデンサ（無効電力を供給し、電圧を上げるため）、
- シャントインダクタ（無効電力を消費し、電圧を下げるため）、フェランチ効果の場合（つまり、負荷が非常に低く、受信端電圧が高い場合）、それが使用されます。
- TCR-FCまたはTCR-TSC（インピーダンスベースのFACTSデバイス）
- STATCOM（これは電圧源コンバータベースのFACTSデバイスです）。 STATCOMまたはStaticSynchronousCompensatorは、IGBT、GTOなどの強制整流デバイスを使用して、電力ネットワークを通る無効電力の流れを制御し、それによって電力ネットワークの安定性を高めるパワーエレクトロニクスデバイスです。 STATCOMはシャントFACTSコントローラです。つまり、ラインとシャントで接続されています。当初、その名前はSTATCOMではなくSTATCONでした。これは、フレキシブルAC伝送システム（FACTS）ファミリーのデバイスのメンバーであり、多くの研究の可能性を秘めています。グリッド内の1つまたは複数の適切なポイントにSTATCOMをインストールすると、電圧の安定性が向上し、さまざまなネットワーク条件下でスムーズな電圧プロファイルが維持されます。アクティブフィルタリングを実行するその機能は、電力品質の向上にも非常に役立ちます。
- 風力発電所では、誘導発電機が使用されます。これは、単一励起の機械です（つまり、界磁巻線がありません）。したがって、誘導発電機の無効電力制御は不可能です。したがって、この場合、無効電力を供給するために、STATCOMが広く使用されています。 STATCOMは、シャントコントローラーとして誘導発電機の端子に取り付けられています。このトピックには、大きな研究の可能性もあります。
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この記事に書かれているように、「シャント補償」は無効電力制御に関連しているため、上記の2〜6の方法では、すべてがシャントコントローラーであることがわかります。
前述のように、無効電力は虚数電力であるため、送電線は有効電力を供給することを目的としています。なぜ電力システムに無効電力を注入しているのかという問題です。答えは、発電機、送電線、変圧器などは、誘導性リアクタンスに比べて抵抗が無視できるので、送電システムは誘導回路であると言えます。無効電力を消費しているため、それを補うために無効電力を供給する必要があります。
言い換えると、フラットな電圧プロファイルを維持するために（つまり、どこでも電圧1 puを維持するために）、送電システムでは、適切な無効電力制御が必要です。過度の無効電力伝送を回避するため。無効電力の生成と消費は、互いに可能な限り近くする必要があります。そうしないと、不適切な電圧プロファイルが発生します。
作者について
博士Vipin Jainは、1992年にナグプール大学で工学士号を取得し、2007年に修士号を取得しました。デリー大学から2017年に学位を取得。彼は長い教育と産業の経験があります。彼は2007年12月以来、インドのメーラト（UP）にあるバーラット工科大学の電気工学部の教員です。これまでに20を超える研究論文が発表されています。彼は、インド政府のエネルギー効率局によって認定されたエネルギー監査人です。
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