ANSYS 部落格
March 4, 2024
什麼是虛功率以及如何利用虛功率來建立可靠的電網？
還記得 2003 年 8 月的大停電嗎？那是北美史上規模最大的一次停電，範圍橫跨美國八個州和加拿大兩個省，共有 5000 多萬人受到影響。
北美電力可靠度委員會 (North American Electric Reliability Council) 發現，缺少虛功率，也就是保持電流流動所需的功率，正是導致停電的一個重要因素。
太陽能等再生能源來源不僅可以提供電力，還可用來產生虛功率。
太陽光電 (PV) 系統能以虛功率支援電網，這對於防止停電而言至關重要。
為了防止停電，再生能源系統也需要智慧變頻器來控制能源通量，並管理電網的被動型電力。為滿足這項需求，匹茲堡大學 (University of Pittsburgh) 的研究人員設計了能夠調節電網虛功率和電壓的智慧變頻器。
什麼是虛功率？
虛功率是反射回電網的功率，正好與實功率相反，實功率為負載所消耗的功率。
與推動水流通過管道的壓力類似，電壓是作為推動電流通過電線的壓力。為了做到這點，電壓會消耗虛功率。
如果沒有足夠的虛功率，電壓降便會威脅到電網的穩定性。有鑑於此，虛功率並不能以主動方式讓我們的燈具和電子產品保持運作，應該將它視為交流電網用來持續讓電流流向這些裝置的功率。
那麼，我們該如何產生更多的虛功率呢？太陽能光電 (PV) 系統可能就是答案所在。美國所安裝的太陽能設施具有超過 5 千 5 百萬瓩的發電潛能，這些電力足以為超過 1000 萬戶家庭供電。
將 PV 電力連結至電網有其獨特的挑戰，包括需要吸收虛功率的過電壓。由於環境因素，PV 功率輸出也可能降低。這類電壓擺幅會對傳統電源管理設備造成壓力，進而導致高昂的維護、營運和更換成本。
為了降低這些干擾，公用事業規定 PV 系統必須整合智慧逆變器以產生或消耗虛功率。
使用智慧變頻器調節虛功率
與傳統變頻器類似，智慧逆變器可將直流電 (DC) 轉換為交流電 (AC)。主要差別在於其吸收和輸出虛功率的能力。這個過程也稱為虛功補償。
將虛功補償任務交給變頻器會因而產生熱能，有可能導致裝置的工作壽命減少，或是發生故障。
整合 PV 系統與智慧變頻器的作法可能很快就會成為新標準。
設計變頻器通常包括建構多個原型，以及進行漫長又昂貴的實驗。不過，匹茲堡大學的研究人員試圖透過模擬來避免這類耗時費力的過程。
模擬智變頻變器的虛功率應力
匹茲堡大學的研究人員利用多領域系統模擬 (現已包含在 Ansys Twin Builder 中)，開發出電熱模型，以評估智慧逆變器的電路和控制演算法。
研究人員將 PV 智變頻變器最佳化，使其能夠因應虛功率應力。
當研究人員進行變頻器塑模時，電氣效能與預期效能相符。這項比較可證明這類模型能準確預測變頻器的電氣和散熱效能。
接著，研究人員進行了特性分析研究，以減少對變頻器熱力學進行物理原型設計的需求，從而大幅節省成本。
模擬也讓研究人員能夠評估不同的設計配置。透過研究這些配置，研究人員能夠在至關重要的逆變器虛功率效能與裝置使用壽命之間，達到最佳的平衡。