Analyse de la puissance réactive dans le système électrique

La puissance réactive est une puissance imaginaire, mais elle est quand même nécessaire dans le système électrique. Si la puissance réactive est en excès dans le système d'alimentation, la tension peut augmenter et en cas de manque de puissance réactive, la tension peut être faible. Dans cet article, nous expliquerons différents aspects de la puissance réactive, quel est son rôle dans le Power System et comment elle peut être injectée dans le Power System.

Bases de la tension et de la puissance réactive dans le système d'alimentation :

Il est souhaitable que la tension dans le système électrique soit de 1 par unité (pu) partout (mais il est hautement impossible de la maintenir). Le contrôle de la puissance réactive et de l'amplitude de la tension est presque des mots liés; de même, le contrôle de la puissance active et de l'angle de tension sont des mots presque co-liés. Considérez la figure-1. Le bus-1 est connecté au bus infini avec une longue ligne de transmission. Généralement, la puissance active circule d'un angle de haute tension à un angle de tension inférieur et la puissance réactive circule d'une amplitude de tension plus élevée à une amplitude de tension plus faible. Ainsi, dans la figure 1, la puissance active et réactive passera du bus-1 au bus-2 (dans quelques cas, cela dépend également d'autres facteurs).

Analyse de la puissance réactive dans un générateur synchrone :

Considérez un simple circuit équivalent de générateur synchrone (SG) comme illustré à la figure 2. Sa tension aux bornes est de 1∠0, ou nous pouvons dire que SG est directement connecté au bus infini.

Il convient de noter que la puissance réactive est une puissance imaginaire il peut donc être fourni ou absorbé par SG. Si E_f est inférieur à '1' (c'est-à-dire E_f t ), que nous dirons qu'il fonctionne à faible excitation (c'est-à-dire que le courant continu dans son enroulement de champ est faible); Dans ce cas, SG peut consommer de la puissance réactive. Si E_f est supérieur à '1' (c'est-à-dire E_f>V_t ), que nous dirons qu'il fonctionne à haute excitation (c'est-à-dire que le courant continu dans son enroulement de champ est élevé); Dans ce cas, SG peut fournir de la puissance réactive.

La puissance active est appelée vraie puissance. SG fournit toujours de la puissance active ; ainsi, vous pouvez comprendre pourquoi l'angle du rotor est positif dans le cas d'un générateur synchrone et négatif dans le cas d'un moteur synchrone.

L'équation "Entrée =sortie + pertes" est valable pour n'importe quelle machine. Pour SG, l'équation est "Entrée mécanique =Sortie électrique (puissance active) + pertes".

Comme écrit ci-dessus, si SG fonctionne à une excitation élevée, il peut générer de la puissance réactive, c'est-à-dire que SG fournira la puissance réactive au système. En fait, ce qui se passe, c'est juste un échange d'énergie entre le générateur et la charge. (Supposons que la charge est un moteur à induction. Ainsi, il y aura un échange d'énergie entre SG et moteur à induction ; ou nous pouvons dire que SG génère de la puissance réactive et que le moteur à induction consomme la puissance réactive ; mais ce ne sont que des conventions, la puissance réactive est imaginaire l'énergie ne peut donc pas être générée ou consommée).

Dans les livres de Power System, pour calculer la puissance complexe, la formule S=VI* est mentionnée. Si la formule S =V * I est utilisée, le même résultat peut être trouvé, sauf que le signe de la puissance réactive sera inversé. Ainsi, les chercheurs en génie électrique ont finalisé la formule S =VI * et rejeté la deuxième formule. Pourquoi ils ont choisi la première formule au lieu de la seconde, essayez de vous analyser sur la base de cet article.

À partir de la figure 3, vous pouvez facilement comprendre pourquoi la puissance active est appelée puissance réelle et la puissance réactive est appelée puissance imaginaire.

Un schéma de SG est illustré à la figure 4 . Cette figure est également explicite.

Dans son champ, trouver si la tension DC (ou DC courant) est élevé que SG fournira plus de puissance réactive. Ainsi, vous pensez peut-être que la puissance CC de l'enroulement de champ est convertie en puissance réactive. C'est une grande idée fausse parmi les étudiants. Veuillez noter que plus de tension CC dans l'enroulement de champ signifie plus de courant CC, et cette puissance sera consommée comme I² R pertes dans la résistance d'enroulement de champ 'R'. Aucune puissance CC dans le circuit de terrain ne sera convertie en puissance réactive. Lorsque le courant continu augmente, la puissance réactive fournie par SG augmente, cela signifie que l'échange d'énergie du générateur augmente avec la charge. En cas de courant continu élevé dans l'enroulement de champ, le flux d'inductance de l'enroulement de champ sera élevé, cela aidera à générer de la puissance réactive par SG.

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Considérez à nouveau la figure 1. Si l'excitation de SG est augmentée, deux choses se produiront

(i) Le générateur fournira plus de puissance réactive
(ii) sa tension aux bornes (amplitude) augmentera (comme indiqué précédemment, le contrôle de la puissance réactive et l'amplitude de la tension sont des mots presque liés).

S'il y a un excès de puissance réactive dans le système d'alimentation que la tension augmente, c'est l'inverse. Sur cette base, les lecteurs devraient également essayer de comprendre l'effet Ferranti. [En cas d'effet Ferranti, la tension de fin de réception est supérieure à la tension de fin d'envoi. Cela se produit à vide (ou la charge est très inférieure). La majeure partie de la charge du système électrique est une charge inductive. Ainsi, dans des conditions sans charge, l'effet inductif diminue et la capacité shunt (capacités shunt naturelles dans l'air) domine. Le condensateur génère de la puissance réactive donc il essaie d'augmenter la tension]

Dans les livres des machines électriques, il est écrit qu'à la charge PF principale (c'est-à-dire à la charge capacitive), un transformateur peut avoir une régulation de tension négative ; Les lecteurs devraient également essayer de comprendre cette ligne à l'aide de cet article. Notez que la charge capacitive essaie d'augmenter la tension. Supposons que vous ayez un transformateur de rapport de tours 1:1, la tension appliquée est de 100 V, sa tension aux bornes est de 102 V, puis la régulation de tension du transformateur est simplement de -2%. C'est possible en cas de charge capacitive. Fresher peut être surpris de voir à quel point la tension aux bornes du transformateur peut être supérieure à la tension appliquée, ils devraient essayer de l'analyser.

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Compensation de shunt et compensation de série :

Deux termes « compensation shunt » et « compensation série » sont couramment utilisés dans le système d'alimentation. La « compensation shunt » contrôle la puissance réactive et la « compensation série » contrôle la puissance active. La compensation de shunt peut être un simple condensateur dans le shunt de la ligne de transmission ou tout dispositif Shunt FACTS. La compensation en série peut être un simple condensateur en série avec la ligne de transmission ou toute série de dispositifs FACTS.

Considérez la formule (C'est une formule très célèbre, donc aucune explication détaillée n'est donnée ici). « X » est la réactance de la ligne de transmission. Cette formule est dérivée, en supposant que la résistance de la ligne de transmission est négligeable. Si un simple condensateur en série est inséré dans la ligne de transmission (ou entre le bus-1 et le bus-2 sur la figure 1), nous pouvons dire qu'il s'agit d'une compensation en série. En contrôlant la valeur du condensateur série, nous pouvons contrôler le "X", donc "P" peut être contrôlé. De plus, vous pouvez voir que « P » est lié à « δ ». (Comme écrit précédemment, le contrôle de « P » et « l'angle de tension » sont des mots étroitement liés).

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Méthodes d'injection de puissance réactive dans le système d'alimentation :

Si la tension dans le système de transmission est inférieure à 1 pu, la puissance réactive doit être injectée dans le système. Diverses méthodes d'injection/d'absorption de puissance réactive dans le système d'alimentation sont indiquées ci-dessous :

Contrôle de l'excitation CC de SG, comme expliqué ci-dessus dans cet article,
Condensateurs shunt (pour fournir de la puissance réactive et pour augmenter la tension),
Inductances shunt (pour consommer la puissance réactive et faire baisser la tension), en cas d'effet Ferranti (c'est-à-dire lorsque la charge est très inférieure et que la tension de réception peut être élevée), il est utilisé.
TCR-FC ou TCR-TSC (il s'agit d'un appareil FACTS basé sur l'impédance),
STATCOM (Il s'agit d'un dispositif FACTS basé sur un convertisseur de source de tension). STATCOM ou Static Synchronous Compensator est un dispositif électronique de puissance utilisant des dispositifs à commutation de force tels que IGBT, GTO, etc. pour contrôler le flux de puissance réactive à travers un réseau électrique et ainsi augmenter la stabilité du réseau électrique. STATCOM est un contrôleur FACTS shunt, c'est-à-dire qu'il est connecté en shunt avec la ligne. Au début, son nom était STATCON au lieu de STATCOM. Il fait partie de la famille d'appareils Flexible AC Transmission System (FACTS) et a un grand potentiel de recherche. L'installation d'un STATCOM à un ou plusieurs points appropriés d'un réseau améliorera la stabilité de la tension et maintiendra un profil de tension régulier dans différentes conditions de réseau. Sa capacité à effectuer un filtrage actif est également très utile pour améliorer la qualité de l'alimentation.
Dans les parcs éoliens, le générateur à induction est utilisé, c'est une machine à excitation unique (c'est-à-dire qu'il n'a pas d'enroulement de champ). Ainsi, le contrôle de la puissance réactive dans un générateur à induction n'est pas possible ; par conséquent, dans ce cas, pour fournir de la puissance réactive, STATCOM est largement utilisé. STATCOM est installé aux bornes du générateur d'induction en tant que contrôleur de shunt. Ce sujet a également un grand potentiel de recherche.

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Comme écrit dans cet article, la "compensation de shunt" est liée au contrôle de la puissance réactive, on peut voir que dans les méthodes ci-dessus de 2 à 6, tous sont les contrôleurs de shunt.

Comme dit précédemment, la puissance réactive est une puissance imaginaire, donc les lignes de transmission sont destinées à fournir de la puissance active. C'est une question de savoir pourquoi nous injectons de la puissance réactive dans le système électrique. La réponse est que les générateurs, les lignes de transmission, les transformateurs, etc. ont une résistance négligeable par rapport à leur réactance inductive, nous pouvons donc dire que le système de transmission est un circuit inductif. Il consomme de la puissance réactive, donc pour le compenser, nous devons fournir de la puissance réactive.

En d'autres termes, nous pouvons dire que pour maintenir un profil de tension plat (c'est-à-dire maintenir une tension de 1 pu partout), dans un système de transmission, un contrôle approprié de la puissance réactive est nécessaire. Pour éviter une transmission de puissance réactive excessive ; la production et la consommation de puissance réactive doivent être aussi proches que possible l'une de l'autre ; sinon, cela entraînera un profil de tension inapproprié.

À propos de l'auteur

Dr. Vipin Jain a obtenu un baccalauréat en ingénierie en 1992 de l'Université de Nagpur, une maîtrise en technologie en 2007, un doctorat. Diplôme en 2017 de l'Université de Delhi. Il a une longue expérience dans l'enseignement et l'industrie. Il est membre du corps professoral du département de génie électrique du Bharat Institute of Technology, Meerut (UP), Inde, depuis décembre 2007. Plus de vingt articles de recherche ont été publiés par lui à ce jour. Il est auditeur énergétique certifié par le Bureau of Energy Efficiency du gouvernement indien.