Компенсация реактивной мощности

В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Цель работы

Знакомство с принципами, нормами и техническими средствами компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения потребителей.

Теоретические сведения

Компенсация реактивной мощности (КРМ) является высокоэффективным средством энергосбережения и улучшения качества электроэнергии. Кроме этого, КРМ увеличивает пропускную способность линий электропередачи, силовых трансформаторов, защитно-коммутационных электрических аппаратов и других силовых элементов систем электроснабжения. Уменьшение потерь мощности в сетях и электроустановках потребителя, связанное с КРМ, позволяет снизить долю участия потребителя в максимуме нагрузки питающей энергосистемы. Требования, нормы и порядок расчёта компенсации реактивных нагрузок у потребителя изложены в [4]. Этот порядок расчёта необходимо применять для определения взаимных обязательств сторон при заключении договоров на оказание услуг по передаче электроэнергии в соответствии с Постановлениями правительства Российской Федерации от 31 августа 2006г. №530 «Об утверждении Правил функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики» и от 27 декабря 2004г. №861 «Об утверждении Правил недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг, Правил недискриминационного доступа к услугам по оперативно-диспетчерскому управлению в электроэнергетике и оказания этих услуг, Правил недискриминационного доступа к услугам администратора торговой системы оптового рынка и оказания этих услуг и Правил технологического присоединения энергопринимающих устройств (энергетических установок) юридических и физических лиц к электрическим сетям». Правила расчёта распространяются на потребителей с мощностью присоединения превышающей 150 кВт, за исключением граждан-потребителей и некоммерческих объединений граждан (многоквартирные жилые дома, садово-дачные кооперативы и т.д.). Предельное значение коэффициента мощности ( ) задаётся потребителю на границе балансовой принадлежности сетей в соответствии с табл. 4 для периода максимума нагрузки энергоснабжающей организации на суточном интервале времени. Генерация потребителем реактивной мощности в период минимальной нагрузки энергоснабжающей организации запрещена.

Таблица 4

Предельные значения коэффициента реактивной мощности

Положение точки присоединения потребителя к электрической сети	о.е.
Напряжение 110 кВ	0,5
Напряжение 35 кВ	0,4
Напряжение 6-20 кВ	0,4
Напряжение 0,4 кВ	0,35

Потребитель обязан обеспечить выполнение условий КРМ заданных договором, что достигается увеличением естественного коэффициента мощности и применением регулируемых компенсирующих устройств.

Естественный коэффициент мощности потребителя (без применения специальных компенсирующих устройств) может быть увеличен за счёт ряда организационно - технических мероприятий:

1. Упорядочение технологического процесса с целью увеличения загрузки электрооборудования;

2. Замена малозагруженных двигателей и трансформаторов на двигатели и трансформаторы меньшей мощности;

3. Регулирование напряжения в цеховой электрической сети;

4. Ограничение холостого хода силового электрического и технологического оборудования;

5. Улучшение качества ремонта электродвигателей.

При недостаточной эффективности увеличения естественного коэффициента мощности, применяют искусственную компенсацию реактивных нагрузок потребителя с помощью специальных компенсирующих устройств (КУ). К числу таких устройств относятся:

1. Силовые конденсаторные установки высокого напряжения ( ). Их применение, как правило, обосновано только в тех случаях, когда в составе потребителя имеются электроприёмники высокого напряжения с низким или относительно низким коэффициентом мощности;

2. Силовые конденсаторные установки низкого напряжения ( ). Удельная стоимость (руб/квар) установок низкого напряжения несколько выше, чем высоковольтных, однако высокая эффективность первых определяет их превосходящую востребованность. Высокая эффективность низковольтных конденсаторных установок, обеспечивается тем, что они компенсируют реактивную мощность в точках наиболее близких к электроприёмникам. При этом частично освобождаются от реактивного тока все элементы системы электроснабжения на пути тока нагрузки этой точки;

3. Синхронные электрические машины (синхронные электродвигатели и синхронные компенсаторы). Синхронные электродвигатели не являются специальными компенсирующими устройствами, а используются как таковые помимо основного их назначения. Синхронные компенсаторы – это специальные электрические машины с облегченным ротором;

4. Тиристорные источники реактивной мощности.

Суммарная мощность компенсирующих устройств потребителя в период максимума нагрузки энергосистемы (5.1) должнасоответствовать требованиям энергоснабжающей организации [4].

(5.1)

где суммарная мощность компенсирующих устройств потребителя, квар; общая реактивная мощность нагрузки потребителя; потери реактивной мощности в элементах сети (5.3); нормируемое значение реактивной мощности нагрузки, соответствующее требованиям энергоснабжающей организации (5.4).

(5.2)

где реактивная мощность, генерируемая синхронным двигателем, квар;

мощность конденсаторной установки низкого напряжения; мощность конденсаторной установки высокого напряжения.

(5.3)

где количество элементов сети, в которых имеют место потери реактивной мощности (трансформаторы ГПП, линии 10кВ до ТП, трансформаторы ТП); потери реактивной мощности в i-том элементе сети.

Под элементами сети, в данном случае, понимаются линии электропередачи и трансформаторы, потери в которых определяются с помощью (5.5) и (5.6) соответственно.

(5.4)

где максимальная получасовая активная мощность нагрузки потребителя в период максимума нагрузки энергоснабжающей организации; предельное допустимое значение коэффициента мощности потребителя (табл. 4).

(5.5)

(5.6)

где реактивные мощности нагрузки линии и трансформатора в период максимума нагрузки энергоснабжающей организации, квар; номинальное напряжение линии, кВ; реактивное сопротивление линии, Ом; реактивное сопротивление трансформатора, Ом; потери реактивной мощности на холостом ходе трансформатора, квар; номинальное напряжение первичной или вторичной обмотки трансформатора, в зависимости о того, к какому напряжению приведено его сопротивление, кВ.

Мощность должна быть распределена по узлам сети таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную экономическую эффективность. Эта эффективность может оцениваться количеством сохранённой энергии или величиной годовых приведенных затрат. Учитывая возможное разнообразие видов компенсирующих устройств, различие их мощностей и мест подключения необходимо решать задачу оптимизации их структуры и мощностей. Целевой функцией являются годовые приведенные затраты (5.11), обе составляющие которых зависят от вида, стоимости, мощности и мест установки компенсирующих устройств

(5.11)

где стоимость компенсирующих устройств (синхронные компенсаторы, конденсаторные установки высокого и низкого напряжений, тиристорные источники реактивной мощности), руб.; норма совокупности отчислений от стоимости компенсирующих устройств; потери энергии в системе электроснабжения и источниках реактивной мощности за год, кВт∙час; стоимость электроэнергии, руб./кВт∙час.

Целевая функция (5.11) представляет собой функцию многих переменных. Этими переменными являются мощности компенсирующих устройств в узлах схемы системы электроснабжения потребителя. Количество переменных определяется числом узлов в расчётной схеме, в которых считается возможной установка компенсирующих устройств. Для каждого узла схемы задаются все необходимые параметры. Таким образом, формируется специальная математическая модель (целевая функция) для рассматриваемой системы электроснабжения. Она служит основой для решения задачи оптимизации структуры и мощностей компенсирующих устройств. Оптимальный режим компенсации рассчитывается с помощью одного из методов математического программирования (оптимизации). В результате расчёта определяются мощности компенсирующих устройств в каждом из узлов схемы. Общая мощность компенсирующих устройств должна соответствовать балансу реактивной мощности (5.1) на границе балансовой принадлежности сетей.

Исходя из условий оптимизации режима реактивной мощности, на низком напряжении цеховой трансформаторной подстанции (0,4кВ) следует устанавливать конденсаторную батарею, мощность которой ( )определяется с помощью (5.12)

(5.12)

где наибольшая получасовая реактивная мощность нагрузки трансформатора, квар, удельная стоимость низковольтной конденсаторной установки, руб/квар, удельная стоимость потерь активной мощности, руб/ кВт, удельные потери активной мощности в конденсаторных установках низкого напряжения, кВт/квар, номинальное напряжение конденсаторной установки, кВ, суммарное сопротивление трансформатора, приведенное к его низкому напряжению, и линии, Ом. При отсутствии информации о величине , её значение может быть принято равным стоимости одного кВт установленной мощности.

Порядок выполнения работы

5.3.1. Рассчитать параметры модели: , , , , , . Построить расчётную схему замещения.

5.3.2. С помощью графика нагрузки ГПП определить и , полагая, что период максимума нагрузки энергоснабжающей организации с 8.00 до 11.00 часов.

5.3.3. Определить нормируемое значение реактивной мощности нагрузки потребителя (5.4).

5.3.4. Определить потери реактивной мощности в элементах сети системы электроснабжения (5.3, 5.5, 5.6).

5.3.5. Определить суммарную мощность компенсирующих устройств (5.1).

5.3.6. Определить реактивную мощность генерируемую. синхронным двигателем ( ) при его работе в нормальном режиме.

5.3.7. Определить расчётную установленную мощность конденсаторной установки, подключённой к РУ-0,4кВ ТП ( ), и привести полученное её значение к значениям, указанным на лицевой панели стенда (5.12). Если преподавателем не задано другое значение, то в процессе расчёта необходимо использовать следующую исходную информацию: Е=0,35 о.е.. 200 руб./квар. 1200 руб./кВт. 0,002 кВт/квар.

5.3.8. Определить установленную мощность конденсаторной установки напряжением 10кВ ( ), используя выражение баланса мощности компенсирующих устройств (5.2).

5.3.9. Построить графики регулирования мощностей компенсирующих устройств ( , ). Это регулирование необходимо для исключения возможной перекомпенсации, возникающей при снижении нагрузки и обеспечения требований энергоснабжающей организации. При построении необходимо использовать графики потребления реактивной мощности ГПП и ТП. Синхронный двигатель в процессе регулирования компенсирующих устройств не использовать без доказанной необходимости. Построение графиков рекомендуется начать с .

5.3.10. Программировать лабораторную установку в соответствии с графиками регулирования построенными в п. 5.3.9.

5.3.11. Регистрировать графики нагрузки ГПП и ТП аналогично работе №1.

5.3.12. Рассчитать потери электроэнергии с учётом компенсации реактивных нагрузок в силовых трансформаторах (ГПП, ТП), и кабельной линии 10кВ, используя графики нагрузки из п. 5.3.11. Методику расчёта рекомендуется использовать ту же, что и в работе №1.

5.3.13. Определить количество энергии сохранённой за сутки в силовых трансформаторах (ГПП, ТП) и кабельной линии 10кВ в киловаттчасах и в % по отношению к потерям, вычисленным в работе №1.

5.3.14. Анализировать результаты работы и сделать выводы.

5.3.15. Оформить отчёт о выполнении лабораторной работы.

Контрольные вопросы

5.4.1. Пояснить физический смысл реактивной мощности, её свойства и особенности по сравнению с активной.

5.4.2. Назвать основные потребители и источники реактивной мощности. Дать сравнительную характеристику источников реактивной мощности.

5.4.3. Объяснить влияние реактивной мощности на режим напряжения электрической сети.

5.4.4. С какой целью устанавливают регулируемые конденсаторные установки?

5.4.5. Чем вызвана необходимость нормирования потребляемой реактивной мощности?

5.4.6. Для какого периода времени суток устанавливается норма потребления реактивной мощности и почему?

5.4.7. Назвать преимущества и недостатки групповой и индивидуальной компенсаций реактивной мощности.

5.4.8. В каких случаях возможно использование нерегулируемых источников реактивной мощности?

5.4.9. В какие точки сети следует устанавливать компенсирующие устройства в первую очередь?

5.4.10. Почему при более высоких значениях номинального напряжения сети устанавливаются менее жёсткие требования к уровню компенсации реактивной мощности?

5.4.11. Какой режим компенсации реактивной мощности потребителя считается оптимальным?

Лабораторная работа № 6