ДонНТУ   Портал магистров

Разработка рекомендаций для обоснования уровня компенсации реактивной мощности в электрических сетях

Содержание

Введение

В современное время остро становиться вопрос о экономии энергоресурсов. Для большинства промышленных предприятий электроэнергия является основным источником энергии. Поэтому становиться вопрос о сокращении потерь при передаче и потреблении электроэнергии. Во многих сферах идет процесс развития энергосберегающих технологий направленных на эффективное использование промышленных систем и технологических установок. К основным электроприемникам на любом предприятии можно отнести: электродвигатели и трансформаторы. Их принцип работы основан на создании электромагнитного поля, которое требует потребление реактивной мощности. Но реактивная мощность не производит полезной работы, а лишь приводит к дополнительной загрузке линий, что снижает коэффициент мощности, приводя к увеличению потерь активной мощности из-за нагрева проводников. Также наличие реактивной мощности влияет на уровень напряжения в сети и качество электроэнергии, что приводит к дополнительных потерям в проводниках, увеличение платы поставщику электроэнергии и т.д.

1. Актуальность темы

Актуальность данной темы определяется необходимостью снижения затрат потребителя за счет снижения потребления реактивной мощности и снижение возможно при использовании компенсирующих устройств – конденсаторных установок, синхронных компенсаторов, СТК – которые устанавливаются на шинах низшего напряжения подстанции потребителя. Данные устройства позволяют снизить плату за потребление реактивной мощности и повысить напряжение на шинах подстанции.

2. Научная значимость

Стоимость электроэнергии составляет значительную часть себестоимости продукции. Поэтому компенсация реактивной энергии, которая приведет к снижению потерь электроэнергии и снизит затраты предприятия за ее потребление, имеет целесообразность и является одним из приоритетных направлений в развитии энергосберегающих технологий

3. Современные устройства компенсации реактивной мощности

Для повышения эффективности использования электроэнергии необходимо использовать более экономичные способы ее генерации, передачи и потребления. Исключения факторов, приводящих к возникновению потерь, приведет к более рациональному использованию электрических систем. Одним из решений данной проблемы является повышение коэффициента мощности. Наиболее это эффективно при подключении компенсирующих устройств как можно ближе к индуктивной нагрузке.

Наиболее перспективным средством компенсации реактивной мощности активно-индуктивных нагрузок являются косинусные конденсаторы и конденсаторные установки (КУ). Конденсаторные установки широко применяются в сетях и системах электроснабжения промпредприятий и энергообъектов практически всех уровней не только в виде индивидуальной, групповой и централизованной компенсации реактивной мощности (РМ), а также в симметрирующих, фильтрующих, комбинированных (симметро-компенсирующих, фильтро-симметрирующих и т.п.) устройствах, емкостных преобразователях параметров электроэнергии и т.п. В целом, состояние КУ среднего напряжения в Украине, можно охарактеризовать как плачевное: в основном это КУ нерегулируемые, без надлежащих средств защиты (реакторов и проч.), зачастую с экологически вредными конденсаторами (с пропиткой трихлордифенилом), произведенными до середины 80-х гг., требующих незамедлительной замены и специальной утилизации. Задача внедрения современных высокоэффективных КУ становится все более актуальной.

Европейские производители конденсаторных установок добились высокого уровня и могут предложить конденсаторы промышленной частоты мощностью достигающей 1МВар с номинальным напряжением до 24кВ.

Схемы с включением конденсаторов в звезду применяются в установках с плавным регулированием РМ (содержащих реакторы с тиристорным управлением) и фильтрокомпенсирущих устройствах, содержащих одну или нескольких цепей с последовательным соединением конденсаторов и фильтровых реакторов, настроенных на определенные частоты высших гармонических составляющих. Такие установки позволяют одновременно осуществлять компенсацию РМ, частичное подавление присутствующих в компенсируемой сети гармоник, искажающих синусоидальность напряжения и другие функции. Однофазные КУ с регулируемым декомпенсирующим дросселем применяются на напряжении 27 кВ (для железных дорог). Конденсаторы КУ продольной компенсации могут изготовляться с повышенными перегрузочными способностями. Трехфазные косинусные и фильтрующие конденсаторы выпускаются обычно до напряжения 12 кВ. В автоматических КУ с номинальным напряжением 6-12 кВ чаще всего используют ступенчатое включение трехфазных конденсаторов, хотя в ряде случав более эффективным является включение однофазных конденсаторов в звезду. Коммутация ступеней КУ, как правило, производится вакуумными контакторами. Для снижения бросков тока при коммутациях применяются пусковые (демпфирующие) реакторы (англ.- inrush reactors), серийно выпускаемые с индуктивностями 0,05-0,1 мГн для номинальных токов конденсаторов 50-200 А.

Во все увеличивающемся количестве случаев использования КУ в условиях ухудшенных показателей качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97 обычно применяются:

  • конденсаторы с нестандартными номинальными напряжениями (например 6,6 и 11 кВ вместо 6,3 и 10,5 кВ) для работы в условиях положительных (превышающих номинальное) отклонений напряжения,

  • антирезонансные дроссели (также называемые «детюнинговыми»- англ.- detuned reactors) чаще всего с коэффициентами расстройки (то же: рассогласования/успокоения) 7 и 14% (соответствующих резонансным частотам контура «конденсатор-дроссель» 189 и 134 Гц), для снижения перегрузки конденсаторов токами высших гармонических составляющих, регуляторы и другие устройства защиты, контролирующие соответствующие перегрузки конденсаторов, ограничители перенапряжений и т.п.

    • В случае существенной несинусоидальности напряжения дополнительно применяются настроенные фильтрующие устройства.

    В системах защиты современных КУ, работающих в условиях отклонений и несинусоидальности напряжения, применяются устройства (блоки) контролирующие:

  • избыточное давление внутри корпуса конденсатора, в виде соответствующего датчика, устанавливаемого в корпусе конденсатора,

  • состояние внешних предохранителей для избежания несимметричных режимов, например с помощью применения специальных держателей с индикацией и сигнализацией срабатывания,

  • коэффициенты несинусоидальности (искажения синусоидальности кривой) напряжения (THDU) и тока (THDІ), в том числе и перегрузки по отдельным гармоническим составляющим,

  • величину собственного тока КУ и входного напряжения для устройств, отключающих КУ в случае превышения максимально допустимых значений напряжения и тока конденсаторов

  • напряжение на катушках вакуумных контакторов для защиты от опасного режима неустройчивого контакта (дребезга контакта) при пониженном напряжении, температуру конденсаторов и/или внутреннего пространства КУ,

  • ток небаланса при использовании схемы с включением однофазных конденсаторов более чем в одну звезду (для срабатывания защиты от появления асимметрии емкости в ветвях КУ).

    • Для регистрации и соответствующего функционирования защиты КУ обычно применяются универсальные устройства, одновременно осуществляющие все перечисленные функции контроля. В то же время, частичный контроль могут выполнять как индивидуальные устройства, так и современные регуляторы емкости КУ. Последние, обычно называемые «регуляторами коэффициента мощности», в т.ч. могут контролировать как THDU, так и THDІ, а также отдельные гармонические составляющие собственного тока КУ (при этом, такие регуляторы имеют соответственно два входа для измерительных цепей тока). Применяются также регуляторы без контроля собственного тока КУ, вычисляющие токовую перегрузку соответствующей ступени регулирования по величине THDU. В случае учета одновременного воздействия на элементы КУ нескольких показателей качества электроэнергии в устройстве защиты или регуляторе КУ важно иметь возможность коррекции максимально допустимой величины тока: так, например, при пониженном напряжении может допускаться несколько завышенная перегрузка элементов токами высших гармоник и т.п. Следует отметить, что чувствительность современных регуляторов достигла величины 2 мА. Электротехнический рынок Украины, особенно в последнее время, наполняется новыми модификациями регуляторов, отличающихся не только элементной базой и функциями, но и новыми подходами к построению алгоритмов регулирования. В большинстве случаев в основе алгоритма традиционных регуляторов лежит регулирование по величине и знаку РМ, которая обычно определяется по току одной из фаз и линейному напряжению между двумя другими фазами трехфазной сети. В случае несимметрии напряжений/токов, подключение трансформатора тока, как правило, делается в фазе с минимальным током (для того, чтобы избежать режима перекомпенсации в других фазах), хотя при этом возникает соответствующая недокомпенсация РМ. Для компенсации РМ при существенно несимметричных режимах следует применять несимметричные схемы КУ, в т.ч. схему, состоящую из трех групп однофазных конденсаторов разной емкости, которые регулируются по специальным алгоритмам специальными типами регуляторов [1,2].

    3. Обзор исследований и разработок

       Методика расчета оптимальной мощности компенсирующих установок из условия мимнимума приведенных затрат [3,4,5].

    Расчет для ПС «Коммуна».

    где Зmin – минимальные затраты;

    Ен – коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, принимаем 0,25;

    Кку и КВ – стоимость КУ и выключателей соответственно;

    Иconst – постоянные издержки;

    Иvar – переменые издержки;

    П – плата за перетоки реактивной мощности.

    Согласно суточным (зимним и летним) графикам нагрузки ПС «Комунна» определяется суточная плата за перетоки РМ при разной номинальной мощности КУ.

    Таблица 1 – Суточная плата за перетоки реактивной мощности зимой для Т1

    ПС
    		Qky, Мвар

    с 7-22 ч.

    		с 23-6 ч. Wp, МВт*ч tgϕ Kϕ П1, т.грн П2, т.грн П, т.грн. ΣПзима
    WQ п, Мвар*ч WQ ген, Мвар*ч WQ п, Мвар*ч WQ ген, Мвар
    Коммуна 0,9 0 3,43 0 2,9 26,6 -0,24 1 0,17748 0 0,17748 37,8
    0,75 0 1,18 0 1,55 26, -0,10 1 0,09486 0 0,09486 20,2
    0,6 3,32 0 1,18 0,03 26,6 0,17 1 0,093636 0 0,093636 19,9
    0,45 6,81 0 2,59 0 26,6 0,35 1,01 0,19176 0,001918 0,193678 41,3
    0,3 5,57 0 2,54 0 26,6 0,30 1,0025 0,165444 0,000414 0,165858
    0,15 7,82 0 3,85 0 26,6 0,44 1,0361 0,238068 0,008594 0,246662 52,5
    0 10,07 0 5,2 0 26,6 0,57 1,1024 0,311508 0,031898 0,343406 73,1



    Таблица 2– Суточная плата за перетоки реактивной мощности летом для Т1

    ПС

    		 Qky, Мвар

    7-22 ч.

    23-6ч.

    		 Wp, МВт*г

    		 tgϕ

    		 Kϕ

    		 П1, т.грн

    		 П2, т.грн

    		 П, т.грн.

    		 >ΣПлето
    WQ сп, Мвар*ч WQ ген, Мвар*ч

    		 WQ сп, Мвар*ч

    		 WQ ген, Мвар*ч
    Коммуна

    		0,9

    		 1,14

    		 1,51

    		 0,43

    		 1,91

    		 29,9

    		 -0,06

    		 1

    		 0,14892

    		 0

    		 0,14892

    		 22,63584
    0,75

    		 2,49

    		 0,61

    		 0,88

    		 1,01

    		 29,9

    		 0,06

    		 1

    		 0,13056

    		 0

    		 0,13056

    		 19,84512
    0,6

    		 4,13

    		 0

    		 1,33

    		 0,11

    		 29,9

    		 0,18

    		 1

    		 0,118116

    		 0

    		 0,118116

    		 17,95363
    0,45

    		 6,38

    		 0

    		 2,57

    		 0

    		 29,9

    		 0,30

    		 1,0025

    		 0,18258

    		 0,000456

    		 0,183036

    		 27,82154
    0,3

    		 8,63

    		 0

    		 3,92

    		 0

    		 29,9

    		 0,42

    		 1,0289

    		 0,25602

    		 0,007399

    		 0,263419

    		 40,03968
    0,15

    		 10,88

    		 0

    		 5,27

    		 0

    		 29,9

    		 0,54

    		 1,0841

    		 0,32946

    		 0,027708

    		 0,357168

    		 54,28947
    0

    		 13,13

    		 0

    		 6,62

    		 0

    		 29,9

    		 0,66

    		 1,1681

    		 0,4029

    		 0,067727

    		 0,470627

    		 71,53538



    Таблица 3– Суточная плата за перетоки реактивной мощности зимой для Т2

    ПС

    		 Qky, Мвар

    		 7-22 ч.

    		 23-6 ч.

    		 Wp, МВт*ч

    		 tgϕ

    		 Kϕ

    		 П1, т.грн

    		 П2, т.грн

    		 П, т.грн.

    		 >ΣПзима
    WQ сп, Мвар*ч WQ ген, Мвар*ч

    		 WQ сп, Мвар*ч

    		 WQ ген, Мвар*ч
    Коммуна

    		0,9

    		 1,35

    		 0,3

    		 2,16

    		 0,06

    		 65,9

    		 0,05

    		 1

    		 0,075276

    		 0

    		 0,075276

    		 16,03
    0,75

    		 3,48

    		 0,03

    		 3,45

    		 0

    		 65,9

    		 0,10

    		 1

    		 0,141372

    		 0

    		 0,141372

    		 30,11
    0,6

    		 5,73

    		 0

    		 4,8

    		 0

    		 65,9

    		 0,16

    		 1

    		 0,214812

    		 0

    		 0,214812

    		 45,75
    0,45

    		 7,98

    		 0

    		 6,15

    		 0

    		 65,9

    		 0,21

    		 1

    		 0,288252

    		 0

    		 0,288252

    		 61,40
    0,3

    		 10,23

    		 0

    		 7,5

    		 0

    		 65,9

    		 0,27

    		 1,0004

    		 0,361692

    		 0,000145

    		 0,361837

    		 77,07
    0,15

    		 12,42

    		 0

    		 8,85

    		 0

    		 65,9

    		 0,32

    		 1,0169

    		 0,433908

    		 0,007333

    		 0,441241

    		 93,98
    0

    		 14,73

    		 0

    		 10,2

    		 0

    		 65,9

    		 0,38

    		 1,1225

    		 0,508572

    		 0,0623

    		 0,570872

    		 121,60



    Таблица 4– Суточная плата за перетоки реактивной мощности летом для Т2

    ПС Qky, Мвар 7-22 ч. 23-6 ч. Wp, МВт*ч tgϕ Kϕ П1, т.грн П2, т.грн П, т.грн. ΣПлето
    WQ сп, Мвар*ч WQ ген, Мвар*ч WQ сп, Мвар*ч WQ ген, Мвар*ч
    Коммуна

    		0,9 0 3,89 0,5 2,15 24,7 -0,22 1 0,14178 0 0,14178 21,6
    0,75 0,18 1,06 0,7 0,55 24,7 -0,03 1 0,051612 0 0,051612 7,8
    0,6 1,06 0,44 1,06 0 24,7 0,07 1 0,043248 0 0,043248 6,6
    0,45 3,16 0,29 2,41 0 24,7 0,21 1 0,113628 0 0,113628 17,3
    0,3 5,26 0,14 3,76 0 24,7 0,36 1,0121 0,184008 0,002226 0,186234 28,3
    0,15 7,36 0 5,11 0 24,7 0,50 1,0625 0,254388 0,015899 0,270287 41,1
    0 9,61 0 6,46 0 24,7 0,65 1,16 0,327828 0,052452 0,38028 57,8

    Расчет переменных издержек, т.е. платы за потери электроэнергии в системе. Учитываются потери только в трансформаторах ПС.

    Годовые потери электроэнергии рассчитаются по формуле:

    где - потери в обмотках трансформатора,

    ΔРст – потери в стали трансформатора.

    Число часов максимальных потерь τм определяются по формуле:

    где Тм – число часов использования максимальной нагрузки.

    Величина Тм определяется из годового потребления электроэнергии

    где Рmax – максимальная мощность.

    Для условий Донбасса принимается что количество зимних суток в году составляет 213 дней, а летних – 152, тогда [6,7]:

    Величина Тм и τм для трансформаторов ПС «Коммуна» показана в табл. 5

    Таблица 5 – Результаты расчета Тм и τм

    Тр-р

    Суточное потребление э/э, МВт*ч

    Wгод, МВт*ч

    Рмакс, МВТ

    Тм, ч

    τм, ч


    Зима

    Лето





    Т1

    26,6

    29,9

    10210,6

    2,08

    4908,9

    3312,1

    Т2

    65,9

    24,7

    17791,1

    3,76

    4731,7

    3123,9



    Результаты расчета годовых потерь электроэнергии приведем в таблице 6 и 7.

    Таблица 6 – Годовые потери электроэнергии для Т1.
    Qky Pmax Qmax S, МВА dPмд, кВт dWt, МВТ*ч Иvar, тыс
    0,9 2,08 1,09 2,09 1,544 120,68 82,1
    0,75 2,08 1,09 2,11 1,572 120,82 82,2
    0,6 2,08 1,09 2,14 1,617 121,04 82,3
    0,45 2,08 1,09 2,18 1,677 121,33 82,5
    0,3 2,08 1,09 2,22 1,752 121,70 82,8
    0,15 2,08 1,09 2,28 1,844 122,15 83,1
    0 2,08 1,09 2,35 1,952 122,68 83,4



    Таблица 7 – Годовые потери электроэнергии для Т2
    Qky Pmax Qmax S, МВА dPмд, кВт dWt, МВТ*ч Иvar, тыс
    0,9 3,76 1,09 3,76 3,60 130,13 88,5
    0,75 3,76 1,09 3,78 3,62 130,23 88,6
    0,6 3,76 1,09 3,79 3,65 130,38 88,7
    0,45 3,76 1,09 3,81 3,69 130,58 88,8
    0,3 3,76 1,09 3,84 3,75 130,84 89,0
    0,15 3,76 1,09 3,88 3,82 131,15 89,2
    0 3,76 1,09 3,91 3,89 131,52 89,4



    Результаты расчета затрат З приведены в табл.8 и 9.

    Таблица 8 - Результаты расчета З для Т1.
    Qky Kky Kв Иconst Иvar П 3
    0,9 50,032 32 11,81261 82,06308 60,43908 174,8228
    0,75 62,606 64 18,23126 82,15703 40,0503 172,0901
    0,6 56,376 64 17,33414 82,30414 37,8981 167,6304
    0,45 34,418 32 9,564192 82,50444 69,07487 177,748
    0,3 28,188 32 8,667072 82,75791 75,36736 181,8393
    0,15 21,196 32 7,660224 83,06456 106,8285 210,8523
    0 0 0 0 83,42438 144,6809 228,1053

    Таблица 9 - Результаты расчета З для Т2.
    Qky Kky Kв Иconst Иvar П 3
    0,9 50,032 32 11,81261 88,49153 37,58 158,3965
    0,75 62,606 64 18,23126 88,5565 37,96 176,3965
    0,6 56,376 64 17,33414 88,65825 52,33 188,415
    0,45 34,418 32 9,564192 88,79677 78,67 193,6346
    0,3 28,188 32 8,667072 88,97207 105,38 218,065
    0,15 21,196 32 7,660224 89,18415 135,07 245,2114
    0 0 0 0 89,433 179,40 268,8314



    Построим зависимость затрат З от мощности КУ.

    Рисунок 1 – Зависмость З от Qбкдля Т1(5 кадров, 10 циклов повторения, 9кБ)

    Рисунок 1 – Зависмость З(Qбк) для Т1(5 кадров, 10 циклов повторения, 9кБ)

    исунок 1 – Зависмость З от Qбкдля Т2

    Рисунок 2 – Зависмость З(Qбк) для Т2

    Из полученных зависимостей можно сделать вывод что оптимальной мощностью КУ для Т1 является Qбк=0,6 МВар.



    Заключительная часть

    Новизна данной работы заключается в комплексном подходе к решению задачи компенсации реактивной мощности. Предлагается методика и программа выбора оптимального использования конденсаторных батарей. 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.

    При написании данного реферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2013 года.

    Список источников

    1. Современные аспекты применения конденсаторных установок cреднего напряжения/Ю.П.Зубюк канд.техн.наук, ООО «Электросфера».
    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. Методика начисления платы за перетоки реактивной электроэнергии между электропередающей организацией и ее потребителями. - Введ. Мин. топэнерго Украины, приказ № 19 от 17.01.02.
    6. Железко Ю.С. Стратегия снижения потерь мощности и повышения качества электроэнергии в электрических системах // Электричество. - 1992. - № 5. - С. 6-12.
    7. Справочник по проектированию электроэнергетических систем / Под ред. С.С. Рокотяна, И.М. Шапиро. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352 с.