Дипломная работа: Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками

Поскольку реактивная составляющая неизбежна при работе многих промышленных устройств, она не может быть исключена полностью. Однако целесообразно применять средства, предназначенные для уменьшения ее потребления из питающей сети.

В какой-либо электрической цепи генерируемая реактивная энергия равна потребляемой реактивной энергии. В связи с тем, что большая часть промышленных устройств является потребителями реактивной энергии, потребность в реактивной мощности обычно превышает возможности покрытия ее рациональным способом генераторами электростанций. Поэтому возникает необходимость в исследовании дополнительных устройств, поставляющих в энергетическую систему реактивную мощность. Устройствами такого типа, называемыми компенсаторами, могут служить батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы и двигатели, а также статические источники реактивной мощности. При номинальной нагрузке генераторы вырабатывают лишь около 60% требуемой реактивной мощности, 20% генерируется в ЛЭП с напряжением выше 110 кВ, 20% вырабатывают компенсирующие устройства, расположенные на подстанциях или непосредственно у потребителя. Совместная работа компенсирующих устройств с сетью ведет к уменьшению потребления из нее реактивной составляющей тока[17].

Приведенные соображения вынуждают, насколько это технически и экономически целесообразно, приближать источники покрытия реактивной мощности к местам ее потребления и уменьшать получение реактивной мощности из энергосистемы. Это в значительной степени разгружает питающие линии электропередачи и трансформаторы от реактивной мощности.

1.2 Принципы компенсации реактивной мощности

Компенсацией реактивной мощности называют ее выработку или потребление с помощью компенсирующих устройств.

Принцип компенсации реактивной мощности заключается в следующем.

Как было установлено, ток, проходящий через конденсатор, опережает приложенное к нему напряжение на 90°, в то время как ток, проходящий через катушку индуктивности, отстает от приложенного напряжения на 90°. Таким образом, емкостный ток противоположен индуктивному току и реактивная мощность, идущая на создание электрического поля, противоположна по направлению реактивной мощности, идущей на создание магнитного поля. Поэтому емкостный ток и емкостная мощность считаются условно отрицательными по отношению к току намагничивания и мощности намагничивания, условно принятыми положительными.

Таким образом, численно равные реактивные мощности емкости и намагничивания взаимно "уничтожаются" (QC – QL = 0) и сеть разгружается от протекания реактивной составляющей тока нагрузки.

Принцип компенсации при помощи емкостного тока поясняет векторная диаграмма на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принцип компенсации реактивного тока намагничивания[2]: а – схема до компенсации; б – схема с компенсацией

Емкость конденсатора С, подключенного параллельно нагрузке, содержащей R и L, подбирают такой, чтобы ток IC, проходящий через конденсатор, был по возможности близок по абсолютной величине к намагничивающему току IL, потребляемому индуктивностью L. Из векторной диаграммы видно, что подключение конденсатора С дало возможность уменьшить угол сдвига фаз между током и напряжением нагрузки с величины j1 до величины j2 и соответственно повысить коэффициент мощности нагрузки. Увеличивая емкость, можно полностью скомпенсировать реактивную мощность нагрузки, когда j = 0[2].

Компенсация реактивной мощности, как всякое важное техническое мероприятие, может применяться для нескольких различных целей. Во-первых, компенсация реактивной мощности необходима по условию баланса реактивной мощности. Во-вторых, установка компенсирующих устройств применяется для снижения потерь электрической энергии в сети. И, наконец, в-третьих, компенсирующие устройства применяются для регулирования напряжения.

Во всех случаях при применении компенсирующих устройств необходимо учитывать ограничения по следующим техническим и режимным требованиям:

1)  необходимому резерву мощности в узлах нагрузки;

2)  располагаемой реактивной мощности на шинах ее источника;

3)  отклонениям напряжения;

4)  пропускной способности электрических сетей.

Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности должны размещаться вблизи мест ее потребления. При этом передающие элементы сети разгружаются по реактивной мощности, чем достигается снижение потерь активной мощности и напряжения.

Таким образом, вследствие применения компенсирующих устройств на подстанции при неизменной мощности нагрузки реактивные мощности и ток в линии уменьшаются – линия разгружается по реактивной мощности[20].

Уменьшение потребления реактивной мощности на предприятии достигается путем компенсации реактивной мощности как естественными мерами (сущность которых состоит в ограничении влияния приемника на питающую сеть путем воздействия на сам приемник), так и за счет специальных компенсирующих устройств (реактивной мощности) в соответствующих точках системы электроснабжения.

Мероприятия, проводимые по компенсации реактивной мощности эксплуатируемых или проектируемых электроустановок потребителей, могут быть разделены на следующие три группы:

1)  не требующие применения компенсирующих устройств;

2)  связанные с применением компенсирующих устройств;

3)  допускаемые в виде исключения.

Мероприятия первой группы направлены на снижение потребления реактивной мощности и должны рассматриваться в первую очередь, поскольку для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных затрат.

Последние два мероприятия должны обосновываться технико-экономическими расчетами и применяться при согласовании с энергосистемой.

Мероприятия, не требующие применения компенсирующих устройств:

1)  упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования, а следовательно, и к повышению коэффициента мощности;

2)  переключение статорных обмоток асинхронных двигателей напряжением до 1000 В с треугольника на звезду, если их загрузка составляет менее 40%;

3)  устранение режима работы асинхронных двигателей без нагрузки (холостого хода) путем установки ограничителей холостого хода, когда продолжительность межоперационного периода превышает 10 мин;

4)  замена, перестановка и отключение трансформаторов, загружаемых в среднем менее чем на 30% от их номинальной мощности;

5)  замена мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности при условии, что изъятие избыточной мощности влечет за собой уменьшение суммарных потерь активной энергии в энергосистеме и двигателе;

6)  замена асинхронных двигателей синхронными двигателями той же мощности, где это возможно по технико-экономическим соображениям;

7)  применение синхронных двигателей для всех новых установок электропривода, где это приемлемо по технико-экономическим соображениям;

8)  регулирование напряжения, подводимого к электродвигателю при тиристорном управлении;

9)  повышение качества ремонта двигателей с сохранением их номинальных данных;

10)  применение преобразователей с большим числом фаз выпрямления;

11)  применение поочередного и несимметричного управления работой преобразователей;

12)  применение специальных преобразовательных систем с искусственной коммутацией вентилей (такие системы характеризуются сниженным потреблением реактивной мощности), а также систем с ограниченным содержанием высших гармоник в токе питающей сети.

Мероприятия, связанные с применением компенсирующих устройств:

1)  установка статических конденсаторов;

2)  использование синхронных двигателей в качестве компенсаторов;

3)  применение статических источников реактивной мощности;

4)  применение систем компенсации, состоящих из нескольких перечисленных устройств, работающих параллельно.

Применению устройств компенсации реактивной мощности должен предшествовать тщательный технико-экономический анализ в связи с высокой стоимостью и достаточной сложностью этих устройств.[4].

Компенсирующие устройства в зависимости от места их расположения в разветвленной электроэнергетической системе подразделяются на следующие виды: индивидуальные, групповые, централизованные компенсаторы. На рисунке 2 показаны различные схемы расположения компенсирующих устройств в электроэнергетической системе.

Рисунок 2 – Схемы подсоединения компенсирующих устройств:

а – индивидуальная компенсация; б – групповая компенсация; в – централизованная компенсация[17]

Индивидуальные компенсаторы – устройства, работающие непосредственно с приемником, потребляющим из питающей сети реактивную мощность. При полной компенсации приемник и устройство компенсации представляют для питающей сети устройства, потребляющие только активную мощность. Однако при выключенном потребителе компенсирующие устройства также не используются, что является главным недостатком индивидуальной компенсации. Такой вид компенсации лучше всего применять для компенсации мощности искажения приемников с нелинейными характеристиками.

Групповая и централизованная компенсация позволяет использовать устройства независимо от работы отдельных потребителей. Для реализации компенсации этого вида требуется дополнительная аппаратура – коммутационная и защитная; кроме того, компенсирующие устройства должны обеспечивать достаточный диапазон регулирования потребляемой мощности. Диапазон изменения мощности, потребляемой компенсирующими устройствами, должен быть определен на основе анализа суточной потребности в реактивной мощности для данной группы потребителей. Как правило, для группы потребителей характерно частое изменение нагрузки, что требует применения компенсирующих устройств с автоматическим регулированием мощности, отдаваемой компенсатором.

При непрерывном развитии электроэнергетических систем и наметившейся тенденции к созданию все более крупных энергоблоков значение централизованной компенсации снижается. При централизованной компенсации в крупных энергосистемах не обеспечивается компенсация во всех точках системы, особенно при размещении нелинейных нагрузок на большом расстоянии от электростанций и подстанций, причем, чем больше расстояние, тем больше потери в сети. Поэтому в настоящее время все чаще создают групповые компенсаторы, а для нелинейной нагрузки большой мощности – индивидуальные компенсаторы.

Важным моментом является соответствующее расположение компенсатора, и в особенности выбор мест подсоединения схем измерения. Компенсатор целесообразно располагать так, чтобы имелась возможность стабилизации реактивной мощности в точке подключения преобразователя. В этом случае достигается ограничение колебания напряжения в энергосистеме при изменении условий работы подключенных потребителей[17].

1.3 Влияние преобразовательных установок на сети промышленного электроснабжения

Интенсивное развитие силовой полупроводниковой преобразовательной техники и ее использование в тиристорных электроприводах переменного и постоянного тока, вентильных преобразователях для электротермических и электротехнологических установок различного назначения привело к ухудшению показателей качества электроэнергии, предусмотренных ГОСТ, а также к снижению естественного коэффициента мощности в сетях промышленного электроснабжения.

При всей своей прогрессивности и технологической эффективности тиристирные преобразователи являются одними из главных нарушителей качества электроэнергии в питающей сети, т.е. существует проблема электромагнитной совместимости их с питающей сетью. Это объясняется тем, что все изменения режима работы преобразовательных установок прямо передаются в питающую электрическую сеть.

Особенно заметно это проявляется в колебаниях напряжения (они могут достигать величины более 20 % в сети 10 кВ) и частоты питающей электрической сети. Это обуславливается резким изменением как активной (колебания частоты), так и реактивной (колебания напряжения) мощности. Кроме того, работа установок сопровождается большими искажениями напряжения, происходящими из-за коммутации вентилей.

Вентильные преобразователи оказывают все более сильное отрицательное воздействие на качество напряжения в питающей сети в связи с расширением их применения и увеличением единичной мощности. Как известно, это объясняется тем, что преобразователи, в особенности регулируемые, за счет сдвига первой гармоники тока относительно напряжения потребляют значительную реактивную мощность, зачастую с весьма неравномерным временным графиком, а за счет высших гармоник потребляемого тока являются источниками сильных искажений кривой напряжения сети. Оба этих фактора, кроме того, вызывают дополнительные потери мощности в питающей сети. Поэтому проблема улучшения коэффициента мощности преобразователей относится к числу одной из наиболее актуальных в современной преобразовательной технике и электроэнергетике.

Наряду с широко известными достоинствами (сравнительная простота регулирования, удобство эксплуатации, а также небольшие потери мощности) управляемые вентильные выпрямители имеют ряд серьезных недостатков, основным из которых является низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании выпрямленного напряжения.

Потребление реактивной мощности преобразовательными агрегатами обусловлено в основном двумя причинами: естественным коммутационным процессом и искусственной задержкой момента открытия вентиля в целях регулирования выпрямленного напряжения. Именно эти факторы создают сдвиг тока в цепях вентилей относительно напряжения, понижают коэффициент мощности в сетях, питающих выпрямители, и повышают потребление реактивной мощности.

При работе трехфазного преобразовательного агрегата переход тока с фазы А на фазу В (рисунок 3) происходит не в момент равенства напряжений: UA=UB, а занимает некоторое время коммутации и происходит с запаздыванием на соответствующий этому времени угол коммутации g, в течение которого напряжение UB превысит UA на достаточное для перехода тока значение.

Рисунок 3 – Сдвиг по фазе тока и напряжения в вентильном преобразователе[22]

На рисунке 3 это учтено тем, что ток вентиля представлен в виде трапеции, наклон которой зависит от времени коммутации и от угла коммутации.

В управляемых вентилях искусственно создается задержка открытия вентиля для снижения выпрямленного напряжения. При этом возникает сдвиг анодного тока i2 относительно кривой напряжения на время, измеряемое углом a. Угол сдвига по фазе тока i2 относительно амплитуды напряжения U2 равен:

.

Приблизительно на такой же угол j сдвинут в сторону отставания от напряжения U1 и первичный ток I1 преобразовательного трансформатора, чем и определяется реактивная нагрузка сети от преобразовательного агрегата.

Cosj – коэффициент сдвига тока I1 относительно напряжения U1 – можно представить так:

[22].

При работе в выпрямительном режиме вентильный преобразователь потребляет из сети переменного тока активную и реактивную мощность. При работе в инверторном режиме – отдает в сеть переменного тока активную мощность, потребляя реактивную. При a=90° вентильный преобразователь потребляет из сети переменного тока только реактивную мощность[7].

В наибольшей мере этот фактор проявляется при работе выпрямителя на противоЭДС и постоянстве тока нагрузки, например, в электроприводе с двигателем постоянного тока. Здесь при выпрямленном напряжении, близком к нулю, реактивная мощность максимальна. Таким образом, с уменьшением выпрямленного напряжения реактивная мощность выпрямителя растет, увеличивая загрузку электрических сетей реактивным током, что в свою очередь сопровождается значительными потерями активной энергии и напряжения в сети, а также снижением пропускной способности всей системы электроснабжения.

Жесткая связь между переменным током на входе выпрямителя и его выпрямленным током имеет своим следствием то, что, несмотря на уменьшение выпрямленного напряжения и соответствующее уменьшение мощности на выходе выпрямителя потребляемый им из сети ток сохраняет значение, пропорциональное выпрямленному току. При включении выпрямителя и малом значении его выпрямленного напряжения или при резком уменьшении этого напряжения происходит наброс реактивной мощности на сеть, что в случае значительной мощности нагрузки сопровождается провалом напряжения в сети и вредно отражается на остальных ее потребителях. В ряде случаев это нередко влечет за собой необходимость реконструкции сети.

Таким образом, преобразовательные агрегаты являются крупными потребителями реактивной мощности, режим потребления которых имеет особенности, связанные с нелинейностью и нестабильностью параметров нагрузки.

В условиях возрастающего использования вентильных преобразователей отмеченные их недостатки сопровождаются ощутимым технико-экономическим ущербом. Для их устранения существует два пути: внешняя и внутренняя компенсация.

Внешняя компенсация основана на применении различных компенсирующих устройств, генерирующих реактивную мощность в сеть – конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов, регулируемых и нерегулируемых источников реактивной мощности. К ним относятся также фильтрокомпенсирующие устройства, выполненные на базе реакторов и конденсаторов.

Внутренняя компенсация предполагает уменьшение как потребления реактивной мощности, так и генерации высших гармоник тока посредством изменений в самом выпрямителе[18].

Эффективный способ компенсации реактивной мощности преобразовательных установок – создание компенсационного преобразовательного агрегата с искусственной коммутацией, который генерирует реактивную мощность.

Принципиальная схема такого устройства показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Принципиальная схема компенсационного преобразовательного агрегата

В данной схеме между фазами включена трехфазная группа конденсаторов (САВ, СВС, ССА), которая создает опережающий сдвиг по фазе тока относительно вектора напряжения. В обычной трехфазной схеме преобразования переход тока с одной фазы на другую происходит в момент, когда сравниваются напряжения этих фаз: UA=UB. В компенсационном преобразователе благодаря действию конденсатора коммутация происходит раньше, в момент, когда UA = UB + UABемк, где UABемк – напряжение на конденсаторе САВ.

Регулируя емкость конденсатора, можно изменять в требуемых пределах значение UABемк и этим добиться коммутации тока при меньшем значении напряжения фазы UB и при меньшем угле коммутации. Ток фазы будет опережать напряжение, и преобразователь будет генерировать реактивную мощность в сеть[22].

Проблема несинусоидальности – проблема высших гармоник – возникла в последнее время в связи с применением мощных электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой, таких, как электросварка, дуговые сталеплавильные печи, неуправляемые и, особенно, управляемые вентильные преобразователи. В настоящее время проблема высших гармоник является одной из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13