Оптимізація режимів реактивної потужності в електричних мережах

Актуальність теми.

           В даний час перед споживачами електроенергії, як невеликими компаніями, так і великими промисловими підприємствами, гостро стоїть проблема виживання в конкурентній боротьбі.
           Керівник підприємства постає перед дилемою: Як досягти успіху на ринку? Яким чином, та застосовуючи які маркетингові та інноваційні (технічні) ідеї завоювати, достатню для роботи та розвитку компанії частку ринку.
           Важливим чинником у цій роботі є оптимізація собівартості виробленої продукції.
           За оцінками вітчизняних і провідних зарубіжних фахівців, частка енергоресурсів, зокрема електроенергії займає величину порядку 30-40% у вартості продукції. Це досить вагомий аргумент, щоб керівнику з усією серйозністю підійти до аналізу та аудиту енергоспоживання та розробці методики енергозбереження.
           Компенсація реактивної потужності - одне з рішень питання енергозбереження.

Мета роботи

           Оцінцінка ефективності застосування компенсувальних установок на діючому підприємстві Кіровських електричних мереж, а також у вдосконаленні методів такої оцінки.

Завдання дослідження:

Наукова новизна

           Розробка методів оцінки ефективності застосування КП, заснованих на аналізі графіків навантаження споживачів.

Загальні положення

           Значна кількість реактивної потужності, в даний час генерується джерелами освітлення (люмінесцентними лампами), навантаженням і системами припливно-витяжної вентиляції та кондиціонування. Крім того, якість електричної енергії на підприємствах і в офісних будівлях залишає бажати кращого. Нерідкі випадки, відображення на екрані аналізатора мережі практично меандра замість очікуваної синусоїди. Все це і підвищена споживана з мережі реактивна потужність, і зниження якості напруги тягне за собою додаткові витрати компанії на оплату електроенергії та ремонт обладнання, що вийшло з ладу, з-за поганої якості напруги.

Чому ця проблема виникає?

           Більшість споживачів електроенергії являють собою електромагнітні механізми, наприклад, електричні машини, трансформатори, обладнання для дугового зварювання та інші, в яких змінний магнітний потік пов'язаний з обмотками.
           Внаслідок цього в обмотках при протіканні змінного струму наводяться реактивні е.р.с., що обумовлюють зсув за фазою (φ) між напругою та струмом. Цей зсув за фазою зазвичай збільшується, а cos(φ) зменшується при малій навантаженні. Наприклад, якщо cos(φ) двигунів змінного струму при повному навантаженні складає 0,75-0,80, то при малому навантаженні він зменшиться до 0,20-0,40. Малонавантажені трансформатори також мають низький cos(φ). Тому, якщо не вжити спеціальних заходів, то результуючий cos(φ) енергетичної системи буде низький і може зменшитися до 0,50-0,70.
           Зі зменшенням cos(φ) струм навантаження електричної станції та підстанції буде збільшуватися при одній і тій же споживаної з мережі активній потужності. Відповідно, при компенсації реактивної потужності (застосуванні автоматичних конденсаторних установок КРП) струм, споживаний з мережі, знижується, в залежності від cos(φ) на 30-50%, відповідно зменшується нагрівання проводів і старіння ізоляції.
           Разом з тим, електричні генератори, трансформатори і електричні мережі розраховуються на певні напругу і струм. Тому, наприклад, при cos(φ)=0.5 і повному завантаженні струмом трансформаторів і мереж потужність, що передається споживачам, становитиме всього 50% від потужності, яка могла б бути передана при cos(φ)=1. Буде мати місце погане використання встановленої потужності трансформаторів, а також електричних мереж.
           Для поліпшення використання електричної енергії з метою мінімізації втрат в умовах обмежень на максимальну споживану потужність, велика роль відводиться новим технічним засобам, що дозволяють поліпшити енергетичні характеристики: підвищити cos(φ) до заданих значень, зменшити вміст гармонік в живлячій напрузі, а також спрощують проведення моніторингу мережі.
           Одним із заходів є підключення до пристрою з постійним навантаженням компенсувального конденсатора відповідної потужності, що вмикається одночасно з вмиканням пристрою.
           В інших випадках рекомендується використання автоматичних конденсаторних установок.
           Компенсацію реактивної потужності в повній мірі можна віднести до енергозберігаючим технологіям. Підвищення cos(φ) дозволяє зменшити споживання з мережі активної і реактивної енергії та збільшити за рахунок розвантаження за потужностю термін служби обладнання.
           Велике значення має правильний вибір місця встановлення компенсувального пристрою. Загальне правило: реактивну потужність треба компенсувати в місці її виникнення. Якщо джерелом реактивної потужності є двигун насоса або компресора, то доцільно ставити компенсувальні конденсатори безпосередньо в комірці управління цими пристроями. Якщо реактивна потужність утворюється на стороні низької напруги (НН), то компенсувати її треба також на стороні НН, не допускаючи проходження реактивної потужності через трансформатор. При цьому слід зазначити, що термін служби значної частки силових трансформаторів, що експлуатуються на підприємствах, давно переступив 15-річний рубіж. Для продовження терміну, що залишився, служби необхідно розвантажити трансформатори по струму, що зменшить температуру перегріву обмоток і отже зменшить швидкість старіння ізоляції. Відомо, що зменшення температури перегріву обмоток на 10 °С дозволяє в середньому подвоїти залишковий термін служби. Враховуючи значну вартість силових трансформаторів, при підвищенні cos (φ) цей аспект, поряд зі зменшенням плати за реактивну енергію дозволяє істотно поліпшити економічні показники підприємства.

Як компенсувати реактивну потужність?

           Компенсація реактивної потужності здійснюється шляхом підключення конденсаторних установок та конденсаторів. Підключаючи конденсатори, ми зменшуємо споживання реактивної потужності через силові трансформатори у енергопостачальній організації та вдосконалюємо сos(φ). Необхідно підтримувати сos(φ)=0,9..0,95, для того, щоб уникнути платежів за споживання реактивної потужності, знизити навантаження на кабелі та трансформатори, і, в той же час, застрахуватися від перекомпенсаціі (роботи з надмірною кількістю конденсаторів), можливою при сos(φ) = 0,97 і вище.
           Більш того, при підвищенні сos(φ) від 0,9 до 0,99 повний струм зменшується всього на 3%, а потужність конденсаторної установки необхідна для цього збільшується в 2 рази, а її вартість приблизно в 1,5 рази, що економічно недоцільно .
           Компенсація реактивної потужності може бути ЗАГАЛЬНОЇ (ЦЕНТРАЛІЗОВАНОЮ) і ІНДИВІДУАЛЬНОЮ.
           Індивідуальна компенсація - компенсація реактивної потужності кожного навантаження окремо (наприклад, на клемах двигуна). Індивідуальна компенсація - це найбільш просте технічне рішення. Конденсатор підбирається за потужністю та сos(φ) двигуна, тому реактивна потужність двигуна компенсується постійно протягом усього дня, сos(φ) досить високий. Додаткова перевага індивідуальної компенсації реактивної потужності це те, що витрати на неї найнижчі.

Рисунок 1.1- Схема індивідуальної компенсації
           Загальна (централізована) компенсація - компенсація реактивної потужності за допомогою однієї конденсаторної установки встановленої на КТП або в складі головного розподільчого щита (ГРЩ).
           Денний тренд (характер зміни навантаження), є основним чинником, що впливає на вибір найбільш придатною схеми компенсації реактивної потужності.
           На багатьох підприємствах не все обладнання працює одночасно, багато верстатів задіяно лише кілька годин на день. Тому індивідуальна компенсація стає дуже дорогим рішенням, при великій кількості обладнання та відповідно великому числі встановлених конденсаторів. Більшість цих конденсаторів не будуть задіяні довгий період часу.
           Індивідуальна компенсація найбільш ефективна, коли більша частина реактивної потужності генерується невеликим числом навантажень, які споживають найбільшу потужність досить тривалий період часу.
           Централізована компенсація застосовується там, де навантаження переміщується між різними споживачами протягом дня. При цьому споживання реактивної потужності протягом дня змінюється, тому використання автоматичних конденсаторних установок краще, ніж нерегульованих.

Рисунок 1.2- Схема централізованої компенсації
           Як уже зазначалося, основними джерелами реактивної потужності, що встановлюються на місці споживання, є синхронні компенсатори і статичні конденсатори. Окрім них, у промислових установках для цих самих цілей впроваджуються компенсаційні перетворювачі і статичні джерела реактивної потужності з застосуванням тиристорів.
           Найбільш широко використовують статичні конденсатори на напрузі до 1000 В і 6 - 10 кВ.
           Синхронні компенсатори встановлюються на напрузі 6 - 10 кВ приймальних підстанцій.

Рисунок 1.3 Рисунок 3 - Схеми електропередачі: а - без компенсації, б - з компенсацією
           Всі ці пристрої є споживачами ємнісної реактивної потужності або, що те ж саме, - джерелами реактивної потужності, що відстає і що видається ними в мережу.
           Сказане ілюструється схемами рис. 3. Так, на схемі рис. 3, а зображена передача електроенергії від електростанції А до споживчої підстанції Б. передана потужність складає P + jQ. При установці у споживача статичних конденсаторів потужністю Qk (рис. 1.3, б) потужність, що передається по мережі, буде Р + j (Q - Qk).
           Ми бачимо, що реактивна потужність, що передається від електростанції, зменшилася або, як кажуть, стала компенсованою на величину потужності, виробленою конденсаторною батареєю. Цю потужність споживач отримує тепер у значній частині безпосередньо від компенсувальної установки.
           При компенсації реактивної потужності зменшуються і втрати напруги в електропередачах. Якщо до компенсації ми мали втрату напруги в місцевій мережі

           то при наявності компенсації вона буде знижена до величини

где R и Х -опори мережі.

Огляд досліджень і розробок за темою.

           ММетодика вибору КП, запропонована в [7]
На споживчих ПС доцільно виконати її за допомогою конденсаторних батарей, що включаються паралельно навантаженню (поперечна компенсація).
           У відповідності до вказівок [7] потужність КУ визначається за формулою:

           де Pф1 - фактичний максимум активної потужності споживача.
           Якщо графіки навантаження для споживчих ПС не задані, з деяким запасом приймаємо, що

           де P_М и Q_М - максимальне навантаження споживачів.
           Величина tgφ_э задається рівною 0,25.
           Якщо tgφ₁ < tg φ_э або Qку < 400 400 квар, то КП не встановлюються.
           При виборі номінальної потужності та кількості комплектних конденсаторних пристроїв слід виходити з необхідності рівномірного розвантаження трансформаторів від реактивної потужності. Оскільки секційні вимикачі на стороні нижчої напруги споживчих ПС відключені, кількість однотипних установок повинно бути кратно кількості секцій на ПС (двом - при двообмоткових трансформаторах та чотирьом - при трансформаторах з розщепленими обмотками).
           Методика вибору КУ, розроблена у Новомосковському інституті РХТУ ім. Д.И. Менделєєва.
           1. Визначаємо потужність КП, необхідну для встановлення в СЕС підприємства

           2. Вирішуємо питання про доцільність застосування СД як джерела реактивної потужності

           де к⁰_ВН - питома вартість КБ, руб/квар.
           де D Р(Q_СД) - втрати в СД від генерації реактивної потужності.

           Підставимо значення в цільову функцію

           где к1, к2 - справочні дані; С₀ - вартість питомих втрат потужності; τ - кількість годин використання максимума втрат.
           Якщо Q _{СД опт} < 0, то доцільна компенсація тільки КБ.
           Якщо Q _{СД опт} > 0, то уся реактивна потужність компенсується на СД.

           3.Визначення оптимального розташування КБ на ВН и НН.

           Робимо підстановку з рівняння обмеження і беремо приватну похідну

           Якщо Q^HH_{K опт} < 0, то уся реактивна потужність компенсується на ВН

Короткий виклад наявних результатів за темою магістерської роботи.

           Економічна ефективність КП оцінювалася щодо базового варіанта енергопостачання (без КП) шляхом порівняння наведених витрат, які враховують вартість самих КП, витрати на їх експлуатацію, вартість втраченої електроенергії та плату за споживання і генерацію реактивної електроенергії.
           На основі добових графіків реактивного навантаження для 5 ПС Кіровських електричних мереж були визначені потужності КП з умов: 1 - за економічним тангенсом [4]; 2 - з умови Qку = 0,6 Pм [5]; 3 - за умови мінімальної плати за перетоки реактивної потужності; 4 - за критерієм мінімуму приведених витрат.
           Проведений аналіз показав:            Визначено оптимальний тангенс (tg φ_опт) споживачів. За умови 3 його значення змінюється в межах 0,06 - 0,014, середнє значення - 0,091. На рис 1.4 наведений тангенс навантаження споживачів при потужності КП, обраних за умовою 4, при встановленні лічильників реактивної потужності з боку 6 кВ.

Рисунок 1.4 - Визначення tgφ_опт з умови мінімальних приведених витрат на КП: 1 - із зимового графіку навантаження, 2 - із літнього графіком навантаження
          Із зимового графіка навантаження значення tg φ_опт лежить в межах 0,17 - 0,333 при середньому значенні 0,214, щодо літнього графіка - в межах 0,132 - 0,333 із середнім значенням 0,204.
           При встановленні лічильників на стороні ВН (враховано втрати реактивної потужності в трансформаторах) значення tg φопт вище на 17,3% взимку і на15, 2% - влітку.

Висновки.

           Таким чином, при розглянутому рівні вартості КП, їх встановлення є економічно доцільним. В подальших пошуках варто визначити оптимальну величину нормативного коефіціента ефективності, норми відрахувань на обслуговування КП, вартості спожитої електоенергії.

Перелік посилань

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 .