Оптимизация режимов реактивной мощности в электрических сетях

Актуальность темы.

           В настоящее время перед потребителями электроэнергии, как небольшими компаниями, так и крупными промышленными предприятиями, остро стоит проблема выживания в конкурентной борьбе.
           Руководитель предприятия встает перед дилеммой: Как преуспеть на рынке? Каким образом, и применяя какие маркетинговые и инновационные (технические) идеи завоевать, достаточную для работы и развития компании долю рынка.
           Немаловажным фактором в этой работе является оптимизация себестоимости производимой продукции.
           По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики энергосбережения.
           Компенсация реактивной мощности – это одно из решений вопроса энергосбережения.

Цель работы

           Оценка эффективности применения компенсирующих установок на действующем предприятии Кировских электрических сетей, а также в совершенствовании методов такой оценки.

Задачи исследования:

Научная новизна

           Разработка методов оценки эффективности применения КУ, основанных на анализе графиков нагрузки потребителей.

Общие положения

           Значительное количество реактивной мощности, в настоящее время генерируется источниками освещения (люминесцентными лампами), нагрузкой и системами приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования. Кроме того, качество электрической энергии на предприятиях и в офисных зданиях оставляет желать лучшего. Нередки случаи, отображения на экране анализатора сети практически меандра вместо ожидаемой синусоиды. Все это и повышенная потребляемая из сети реактивная мощность и снижение качества напряжения влечет за собой дополнительные расходы компании на оплату электроэнергии и ремонт выходящего из строя оборудования из-за плохого качества напряжения.

Почему эта проблема возникает?

           Большинство потребителей электроэнергии представляют собой электромагнитные механизмы, например электрические машины, трансформаторы, оборудование для дуговой сварки и другие, в которых переменный магнитный поток связан с обмотками.
           Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (φ) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а cos(φ) уменьшается при малой нагрузке. Например, если cos(φ) двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40. Малонагруженные трансформаторы также имеют низкий cos(φ). Поэтому, если не принять специальных мер, то результирующий cos(φ) энергетической системы будет низок и может уменьшиться до 0,50-0,70.
           С уменьшением cos(φ) ток нагрузки электрической станции и подстанции будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно, при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от cos(φ) на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.
           Вместе с тем, электрические генераторы, трансформаторы и электрические сети рассчитываются на определенные напряжение и ток. Поэтому, например, при cos(φ)=0.5 и полной загрузке током трансформаторов и сетей мощность, передаваемая потребителям, будет составлять всего 50% от мощности, которая могла бы быть передана при cos(φ)=1. Будет иметь место плохое использование установленной мощности трансформаторов, а также электрических сетей.
           Для улучшения использования электрической энергии с целью минимизации потерь в условиях ограничений на максимальную потребляемую мощность, большая роль отводится новым техническим средствам, позволяющим улучшить энергетические характеристики: повысить cos(φ) до заданных значений, уменьшить содержание гармоник в питающем напряжении, а также упрощающим проведение мониторинга сети.
           Одним из мероприятий является подключение к устройству с постоянной нагрузкой компенсирующего конденсатора соответствующей мощности, включаемого одновременно с включением устройства.
           В остальных случаях рекомендуется использование автоматических конденсаторных установок.
           Компенсацию реактивной мощности в полной мере можно отнести к энергосберегающим технологиям. Повышение cos(φ) позволяет уменьшить потребление из сети активной и реактивной энергии и увеличить за счет разгрузки по мощности срок службы оборудования.
           Большое значение имеет правильный выбор места установки компенсирующего устройства. Общее правило: реактивную мощность надо компенсировать в месте ее возникновения. Если источником реактивной мощности является двигатель насоса или компрессора, то целесообразно ставить компенсирующие конденсаторы непосредственно в шкаф управления этими устройствами. Если реактивная мощность образуется на стороне низкого напряжения (НН), то компенсировать ее надо также на стороне НН, не допуская прохождения реактивной мощности через трансформатор. При этом следует отметить, что срок службы значительной доли силовых трансформаторов, эксплуатируемых на предприятиях, давно перешагнул 15 летний рубеж. Для продления оставшегося срока службы необходимо разгрузить трансформаторы по току, что уменьшит температуру перегрева обмоток и следовательно уменьшит скорость старения изоляции. Известно, что уменьшение температуры перегрева обмоток на 10 °С позволяет в среднем удвоить оставшийся срок службы. Учитывая значительную стоимость силовых трансформаторов, при повышении cos (φ) этот аспект, наряду с уменьшением платы за реактивную энергию позволяет существенно улучшить экономические показатели предприятия.

Как компенсировать реактивную мощность?

           Компенсация реактивной мощности производится путем подключения конденсаторных установок и конденсаторов. Подключая конденсаторы, мы уменьшаем потребление реактивной мощности через силовые трансформаторы у энергоснабжающей организации и улучшаем сos (φ). Необходимо поддерживать сos (φ) = 0,9..0,95, для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы, и, в тоже время, застраховаться от перекомпенсации (работы с избыточным количеством конденсаторов), возможной при сos (φ)=0,97 и выше.
           Более того, при повышении сos (φ) от 0,9 до 0,99 полный ток уменьшается всего на 3%, а мощность конденсаторной установки необходимая для этого увеличивается в 2 раза, а ее стоимость приблизительно в 1,5 раза, что экономически нецелесообразно.
           Компенсация реактивной мощности может быть ОБЩЕЙ (ЦЕНТРАЛИЗОВАНОЙ) и ИНДИВИДУАЛЬНОЙ.
           Индивидуальная компенсация - компенсация реактивной мощности каждой нагрузки отдельно (например, на клеммах двигателя). Индивидуальная компенсация - это наиболее простое техническое решение. Конденсатор подбирается по мощности и сos (φ) двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня, сos (φ) достаточно высок. Дополнительное преимущество индивидуальной компенсации реактивной мощности это то, что затраты на нее самые низкие.

Рисунок 1.1- Схема индивидуальной компенсации
           Общая (централизованная) компенсация - компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки устанавливаемой на КТП или в составе главного распределительного щита (ГРЩ).
           Дневной тренд (характер изменения нагрузки), является основным фактором, влияющим на выбор наиболее подходящей схемы компенсации реактивной мощности.
           На многих предприятиях не все оборудование работает одновременно, многие станки задействованы всего несколько часов в день. Поэтому индивидуальная компенсация становится очень дорогим решением, при большом количестве оборудования и соответственно большом числе устанавливаемых конденсаторов. Большинство этих конденсаторов не будут задействованы долгий период времени.
           Индивидуальная компенсация наиболее эффективна, когда большая часть реактивной мощности генерируется небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени.
           Централизованная компенсация применяется там, где нагрузка флюктуирует (перемещается) между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется, поэтому использование автоматических конденсаторных установок предпочтительнее, чем нерегулируемых.

Рисунок 1.2- Схема общей (централизованой) компенсации
           Как уже отмечалось, основными источниками реактивной мощности, устанавливаемыми на месте потребления, являются синхронные компенсаторы и статические конденсаторы. Кроме них, в промышленных установках для этих же целей внедряются компенсационные преобразователи и статические источники реактивной мощности с применением тиристоров.
           Наиболее широко используют статические конденсаторы на напряжении до 1000 В и 6 - 10 кВ.
           Синхронные компенсаторы устанавливаются на напряжении 6 - 10 кВ приемных подстанций.

Рисунок 1.3 - Схемы электропередачи, а - без компенсации; б - с компенсацией
           Все эти устройства являются потребителями опережающей (емкостной) реактивной мощности или, что то же самое, - источниками отстающей реактивной мощности, выдаваемой ими в сеть.
           Сказанное иллюстрируется схемами рис. 1.3. Так, на схеме рис. 1.3, а изображена передача электроэнергии от электростанции А к потребительской подстанции Б. Передаваемая мощность составляет P + jQ. При установке у потребителя статических конденсаторов мощностью Qk (рис. 1.3, б) мощность, передаваемая по сети, будет Р + j(Q - Qk).
           Мы видим, что реактивная мощность, передаваемая от электростанции, уменьшилась или, как говорят, стала скомпенсированной на величину мощности, вырабатываемой конденсаторной батареей. Эту мощность потребитель получает теперь в значительной части непосредственно от компенсирующей установки.
           При компенсации реактивной мощности уменьшаются и потери напряжения в электропередачах. Если до компенсации мы имели потерю напряжения в местной сети

           то при наличии компенсации она будет снижена до величины

где R и Х - сопротивления сети.

Обзор исследований и разработок по теме.

           Методика выбора КУ, предложенная в [7]
На потребительских ПС целесообразно выполнить ее с помощью конденсаторных батарей, включаемых параллельно нагрузке (поперечная компенсация).
           В соответствии с указаниями [7] мощность КУ определяется по формуле:

           где Pф1 - фактический максимум активной мощности потребителя.
           Если графики нагрузки для потребительских ПС не заданы, с некоторым запасом принимаем, что

           где P_М и Q_М - максимальная нагрузка потребителей.
           Величина tg φ_э задается равной 0,25.
           Если tg φ₁ < tg φ_э или Qку < 400 квар, то КУ не устанавливаются.
           При выборе номинальной мощности и количества комплектных конденсаторных установок следует исходить из необходимости равномерной разгрузки трансформаторов от реактивной мощности. Поскольку секционные выключатели на стороне низшего напряжения потребительских ПС отключены, количество однотипных установок должно быть кратно количеству секций на ПС (двум - при двухобмоточных трансформаторах и четырем - при трансформаторах с расщепленными обмотками).
           Методика выбора КУ, разработанная в Новомосковском институте РХТУ им. Д.И. Менделеева.
           1. Определяем мощность КУ, необходимую к установке в СЭС предприятия

           2. Решаем вопрос о целесообразности применения СД как источника реактивной мощности

           где к⁰_ВН - удельная стоимость КБ, руб/квар.
           где D Р(Q_СД) - потери в СД от выработки реактивной мощности

           Подставим значения в целевую функцию

           где к1, к2 - справочные данные; С₀ - стоимость удельных потерь мощности; τ - число часов использования максимума потерь.
           Если Q _{СД опт} < 0, то целесообразна компенсация только КБ.
           Если Q _{СД опт} > 0, то вся реактивная мощность компенсируется на СД.

           3.Определение оптимальной расстановки КБ на ВН и НН.

           Делаем подстановку из уравнения ограничения и берем частную производную

           Если Q^HH_{K опт} < 0, то вся реактивная мощность компенсируется на ВН

Краткое изложение имеющихся результатов по теме магистерской работы.

           Экономическая эффективность КУ оценивалась относительно базового варианта энергоснабжения (без КУ) путем сравнения приведенных затрат, учитывающих стоимость самих КУ, затраты на их эксплуатацию, стоимость потерянной электроэнергии и плату за потребление и генерацию реактивной электроэнергии.
           На основе суточных графиков реактивной нагрузки для 5 ПС Кировских электрических сетей были определены мощности КУ из условий: 1 - по экономическому тангенсу [4]; 2 - из условия Qку = 0,6Pм [5]; 3 - по условию минимальной платы за перетоки реактивной мощности; 4 - по критерию минимума приведеннях затрат.
           Проведенный аналіз показал:            Определен оптимальный тангенс (tg φ_опт) потребителей. При условии 3 его значение изменяется в пределах 0,06 - 0,014, среднее значение - 0,091. На рисунке 1.4 приведен тангенс нагрузки потребителей при мощности КУ, выбранных по условию 4, при установке счетчиков реактивной мощности со стороны 6 кВ.

Рисунок 1.4 - Определение tg φ_опт из условия минимальных приведенных затрат на КУ: 1 - по зимнему графику нагрузки, 2 - по летнему графику нагрузки
           По зимнему графику нагрузки значение tg φ_опт лежит в пределах 0,17 - 0,333 при среднем значении 0,214, по летнему графику - в пределах 0,132 - 0,333 со средним значением 0,204.
           При установке счетчиков на стороне ВН (учтены потери реактивной мощности в трансформаторах) значения tg φ_опт выше на 17,3% зимой и на15,2% - летом.

Выводы.

           Таким образом, при рассмотренном уровне стоимости КУ, их установка является экономически целесообразной. В дальнейших исследованиях необходимо определить оптимальную величину нормативного коэффициента эффективности, нормы отчислений на обслуживание КУ, стоимости потребленной электроэнергии.

Список литературы

1. Технико-экономическая эффективность систем электроснабжения про-мышленных предприятий / Овчаренко А.С., Рабинович М.Л. - Киев: Техника, 1977. - 172 с.
2. Ильяшов В.Л. Конденсаторные установки промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 152 с.
3. Методика розрахунків за перетоки реактивної електроенергії між енергопостачальною організацією і її споживачами. - Київ, 1997. - 36 с.
4. Указания по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях. - М: Энергия, 1974. - 72 с.
5. Железко Ю.С. Стратегия снижения потерь мощности и повышения качества электроэнергии в электрических системах // Электричество. - 1992. - № 5. - С. 6-12.
6. Справочник по проектированию электроэнергетических систем / Под ред. С.С. Рокотяна, И.М. Шапиро. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352 с.
7. Методика начисления платы за перетоки реактивной электроэнергии между электропередающей организацией и ее потребителями. - Введ. Мин. топэнерго Украины, приказ № 19 от 17.01.02.
8. Каталог КУ компании "МАТИК-ЭЛЕКТРО".
9. Пароховник А. В., Божко В. М., Рогальський Б. С., Нанака О. М. Комплексне і системне вирішення проблеми компенсації реактивних навантажень в електричних мережах споживачів та енергопостачальних компаній // Промышленная энергетика. - 2004. - № 2.
10. Журнал "Новости электротехники" выпуски №2 (56) 2009, № 4 (52) 2008.
11. Указания к размещению и выбору компенсирующих устройств, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева - http://www.nirhtu.ru/external/electrics/13_4.HTM .