Ansys博客
March 4, 2024
什么是无功功率，如何利用它来创建可靠的电网？
我们先来看看2003年8月发生在北美的大型停电事件。这是北美历史上规模最大的一次事故，影响了美国八个州和加拿大两个省的5000多万人。
北美电力可靠性委员会（North American Electric Reliability Council）发现，缺少无功功率（保持电流流动所需的功率）是导致那次停电的一个重要因素。
太阳能等可再生能源不仅可以提供电力，还可产生无功功率。
光伏系统可为电网提供无功功率，这对于防止停电至关重要。
此外，为了防止停电，新能源系统还需要通过智能逆变器来控制能量通量，并管理电网的无源功率。为了满足这一需求，匹兹堡大学（University of Pittsburgh）的研究人员设计了用于调节电网的无功功率和电压的智能逆变器。
什么是无功功率？
无功功率是返回到电网的功率，而有功功率是由负载消耗的功率。
与推动水通过管道的压力类似，电压的作用是推动电流通过电缆。要做到这一点，电压需要消耗无功功率。
如果没有足够的无功功率，压降就会威胁电网的稳定性。由此可见，无功功率并不能直接维持我们的灯光和电子设备的运行，可以将其视为交流电网用于保持电流流向这些设备的功率。
那么，我们如何产生更多的无功功率？光伏（PV）系统可能是答案。美国的太阳能发电潜力超过55千兆瓦，足以为超过1000万户家庭提供电力。
将光伏功率连接到电网会带来独特的挑战，其中包括需要吸收无功功率的过电压。光伏输出功率也会因环境因素而下降。这些电压波动会对传统功率管理设备造成压力，从而导致高昂的维护、运营和更换成本。
为了缓解这些干扰，公共事业公司要求光伏系统集成智能逆变器，以产生或消耗无功功率。
使用智能逆变器调节无功功率
与传统逆变器类似，智能逆变器将直流电（DC）转换为交流电（AC）。两者的主要区别在于其吸收和输出无功功率的能力。该流程也被称为无功功率补偿。
将逆变器配置无功功率补偿会产生热量，这可能会导致设备使用寿命缩短或发生故障。
将光伏系统与智能逆变器集成，可能很快成为新标准。
设计逆变器通常需要构建许多原型机，并进行漫长且成本高昂的实验。不过，借助仿真，匹兹堡大学的研究人员可以发掘规避上述大量工作的途径。
仿真智能逆变器的无功功率应力
匹兹堡大学的研究人员利用多域系统仿真（现包含在Ansys Twin Builder中）开发出电热模型，以评估智能逆变器的电路和控制算法。
研究人员优化了光伏智能逆变器，使其能够管理无功功率。
当研究人员对逆变器进行建模时，其电气性能与预期性能相匹配。对比结果证明，这些模型可准确预测逆变器的电气和热性能。
研究人员随后进行了特征研究，以减少对逆变器热动力学进行物理原型设计的需求，从而显著节省成本。
此外，仿真还能够帮助研究人员评估不同的设计配置。通过研究这些配置，研究人员能够优化逆变器在无功功率性能和设备使用寿命之间的关键权衡因素。