Актуальность

Из-за ухудшения финансовой ситуации в последние десятилетия наблюдается ухудшение состояния всего энергетического оборудования на предприятиях Украины. Большинство предприятий не имеют возможности модернизировать производство, потому вынуждены использовать устаревшее оборудование, особенно это касается компенсации реактивной мощности (КРМ). А на КРМ из всех возможных способов по энергосбережению приходится около 80% возможной экономии электроэнергии в электрических сетях.

Передача реактивной мощности приводит к повышению нагрузки, перегружает линии электропередач (ЛЭП) реактивными токами, что приводит к увеличению потерь активной мощности при передаче электроэнергии к потребителям. Реактивная мощность перегружает электростанции и подстанции, приводя к снижению частоты в системе, а снижение частоты в свою очередь приводит к аварийным отключениям потребителей. Появление в сети реактивной мощности способствует перегреванию оборудования и кабельных линий, что способствует сокращению срока их службы.

Из всего выше сказанного следует, что задача компенсации реактивной мощности на промышленных предприятиях необходима, актуальна и экономически оправдана.

Обзор существующих исследований

В [4] предлагается алгоритм управления возбуждением группы синхронных двигателей (СД) для обеспечения заданных энергоснабжающей компанией значений реактивной мощности. Также здесь приведены математические модели для определения начальных уставок (или оптимальной загрузки каждого СД по критерию минимальных потерь) и определения увеличения или уменьшения генерации реактивной мощности для каждого СД.

В статье [5] для поиска лучшего варианта использования оперативного остатка КБ предлагается осуществлять с помощью динамического программирования, что позволяет учитывать дискретность мощностей КУ. Предложенный метод позволяет предприятию снизить плату за электроэнергию, а энергосистеме – получить дополнительный эффект.

В статье [3] утверждается, что во многих случаях выполнение требований энергосистемы относительно потребления реактивной мощности связано с использованием полной компенсирующей способности СД в период максимальных нагрузок и недоиспользовании ее в период минимальных нагрузок. Возможность осуществления такого режима возбуждения должна провериться по условию нагрева обмоток ротора и статора каждого СД по следующим формулам:

Также в статье авторы приводят один из возможных вариантов устройства управления тепловым состоянием СД.

Игнаткина Ирина Сергеевна под руководством Погребняк Натальи Николаевны в своей магистерской работе «Вибір оптимального розміщення конденсаторних батарей в мережі електропостачання промислового підприємства» предложила алгоритм выбора рационального места размещения конденсаторных батарей (КБ) с учетом таких факторов: возможное уменьшение сечений кабельных линий электропередач (КЛЭП), мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций (ЦТП), потерь электроэнергии в ЛЭП и трансформаторах, стоимость конденсаторных батарей (на напряжении 0,4 кВ конденсаторные батареи дороже, чем на 6 – 10 кВ той же мощности), потери активной мощности на генерацию реактивной. Расчет, по результатам которого производится выбор, осуществляется по приведенным затратам. Программа осуществляет выбор оптимального места установки КБ в сети любой конфигурации.

Теоретический анализ

Для промышленных предприятий, которые в большинстве случаев имеют разветвленную электрическую сеть необходимо решать вопрос об оптимальном месте подключения КБ: к шинам 6 – 10 кВ главной понизительной подстанции (ГПП) промышленного предприятия, к распределительным пунктам (РП) или на стороне 0,4 кВ цеховых трансформаторных подстанций. Также необходимо проверить возможность и целесообразность использования высоковольтных СД, которые подключены к узлам нагрузки. Из возможных вариантов оптимальный может быть выбран на основе технико-экономического расчета. На выбор рационального места размещения конденсаторных батарей влияет возможное снижение мощностей цеховых трансформаторных подстанций, сечений кабельных линий электропередач, потерь электроэнергии в линиях и трансформаторах, стоимость устанавливаемых конденсаторных батарей (на напряжение 0,4 кВ конденсаторные батареи той же мощности дороже, чем на 10 кВ), потери активной электроэнергии на компенсацию реактивной (в конденсаторных батареях на напряжение 0,4 кВ потери выше), возможное использование СД для генерации реактивной мощности. Таким образом, при выборе оптимального варианта следует учитывать большое количество факторов. Расчет выполняется по приведенным затратам, которые являются функцией многих переменных: мощностей конденсаторных батарей, подключенных во всех узлах электрической сети; мощностей синхронных двигателей, которые могут быть использованы для компенсации реактивной мощности.

Задача сводится к поиску минимума функции приведенных затрат. Необходимость учета ступенчатого изменения мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций (ТП), сечений кабелей создает трудности при определении частных производных от приведенных затрат по каждой переменной.

Оптимальная величина генерированной реактивной мощности синхронного двигателя должна определяться технико-экономическими расчетами с учетом активной нагрузки СД и реактивной нагрузки сети потребителя, теплового режима и потерь активной мощности в СД. Критерием определения границы целесообразности использования СД для КРМ являются приведенные затраты, которые учитывают стоимость дополнительных потерь мощности в СД от генерации реактивной мощности ΔР_СД, а также стоимость КБ, потерь активной мощности в конденсаторах, эксплуатационные затраты, то есть суммарные затраты на КРП с помощью КБ. Также возможность использования СД для КРМ должна проверяться по условиям нагрева обмоток соответственно ротора и статора.

Алгоритм решения

Решение задачи производится в два этапа. На первом этапе рассматривается КРМ с помощью конденсаторных батарей, на втором – в тех узлах, к которым подключены СД, рассматривается возможность и целесообразность применения СД для КРМ.

Для осуществления первого этапа составлены вспомогательные функции выбора мощности трансформатора цеховой ТП, сечения кабельной линии электропередач (ЛЭП) по экономической плотности тока с проверкой по допустимому току в нормальном и послеаварийном режимах, определения приведенных затрат на комплектные трансформаторные подстанции (КТП), кабельные ЛЭП, конденсаторные батареи на напряжение 0,4 и 10 кВ (зависимость стоимости конденсаторных батарей от стоимости аппроксимирована полиномом первой степени по методу наименьших квадратов).

Подпрограмма позволяет выполнить выбор оптимального места установки конденсаторных батарей в сети любой конфигурации. Для этого схема сети задается специальной матрицей, состоящей из двух столбцов, которая может содержать вложенные массивы. Для обозначения элементов сети используются коды: 0 – ГПП, от 1 до 99 – ТП, более 100 – РП.

Коды всех элементов сети уникальны. Информацию об участках электрической сети в матрице, описывающей схему соединений, записывается построчно следующим образом:

Специальная функция выполняет анализ схемы внутреннего электроснабжения и осуществляет вызов одной из трех функций, предназначенных для расчета характерных участков электрической сети: радиальная ЛЭП, магистральная ЛЭП или РП.

Информация о нагрузках отдельных ТП и РП, длине кабельных ЛЭП, мощности установленных конденсаторных батарей, количестве источников питания, требуемом для обеспечения надежного электроснабжения электроприемников, а также результаты выбора трансформаторов, кабелей, потери мощности в трансформаторах, годовые потери энергии в трансформаторах, ЛЭП и т.д. сохраняются в специальной матрице, которая передается в качестве параметра и возвращается каждой из вспомогательных функций. Таким образом, в этой матрице содержится вся необходимая информация для определения приведенных затрат.

Основная функция, реализующая расчет, возвращает матрицу, описывающую схему электрической сети предприятия – для анализа результатов выбора трансформаторов, кабелей, мощности конденсаторных батарей.

На втором этапе определяется максимально допустимая реактивная мощность каждого СД как меньшее из трех значений определяемых по следующим формулам:

Затем определяется относительная загрузка реактивной мощностью α также для каждого синхронного двигателя. Рассчитываются дополнительные потери активной мощности на генерацию реактивной:

Определяются минимум суммарных приведенных затрат на КРП с помощью конденсаторных батарей и синхронных двигателей. В затратах учитывается стоимость потерь активной мощности на генерацию реактивной и капитальных затрат на приобретение КБ, стоимость дополнительных потерь реактивной мощности. Исходя из результатов, определяется мощность, которую необходимо генерировать синхронными двигателями и мощность конденсаторных батарей.

Заключительная часть

Новизна данной работы заключается в комплексном подходе к решению задачи компенсации реактивной мощности. Предлагается методика и программа выбора оптимального использования высоковольтных СД для компенсации реактивной мощности и выбора мест подключения конденсаторных батарей в сети электроснабжения промышленного предприятия любой конфигурации.

Составленная программа обеспечивает выбор оптимального размещения конденсаторных батарей в сети промышленного предприятия и целесообразный и допустимый уровень компенсации реактивной мощности по минимуму приведенных затрат. Результаты в зависимости от отрасли промышленности, к которой относится предприятие, загрузки синхронных двигателей активной мощностью и конфигурации сети различны:

В дальнейшем программу можно сделать еще более универсальной, учтя еще возможность компенсации реактивной мощности с помощью синхронных компенсаторов и тиристорных статических компенсаторов реактивной мощности.

Библиография