Компенсация реактивной мощности. Баланс активных и реактивных мощностей

Литература

А) Использованная при подготовке текста группового занятия

1. В.И. Королев «Расчет мощностей электропривода БКСМ методом тяговых усилий» [Текст]: учебно- методическое пособие М-во образования и науки РФ, СПбГТУРП. – СПб: СПбГТУРП 2010;

2. Синюкова Т. В. «Электроснабжение» Липецк: Липецкий государственный технический университет, ЭБС АСВ 2013;

3. Ушаков В. Я. «Современные проблемы электроэнергетики» Томск: Томский политехнический университет 2014;

 б) Рекомендуемая обучающимся для самостоятельной работы по теме группового занятия

1. Синюкова Т. В. «Электроснабжение» Липецк: Липецкий государственный технический университет, ЭБС АСВ 2013;

 

 

                                                         Санкт-Петербург 2020 г.

                                                Текст лекции:

 

Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения. Баланс активных и реактивных мощностей.

Реактивная мощность относится к техническим потерям в электросетях согласно Приказу Минпромэнерго РФ № 267 от 04.10.2005.

При нормальных рабочих условиях все потребители электрической энергии, режим которых сопровождается постоянным возникновением электромагнитных полей (электродвигатели, оборудование сварки, люминесцентные лампы и многое др.) нагружают сеть как активной, так и реактивной составляющими полной потребляемой мощности. Эта реактивная составляющая мощности (далее реактивная мощность) необходима для работы оборудования содержащего значительные индуктивности и в то же время может быть рассмотрена как нежелательная дополнительная нагрузка на сеть.

В реальных условиях электроснабжения звенья электропередачи и нагрузка потребителя всегда содержат наряду с активным сопротивлением составляющие индуктивного и емкостного сопротивлений. Устройства, потребляющие индуктивный ток, принято называть приемниками реактивной мощности (энергии), а устройства, потребляющие емкостный ток, – источниками реактивной мощности (энергии). Большая часть промышленных устройств потребляет реактивную мощность.

Состав потребителей реактивной мощности показывает, что основную часть реактивной мощности потребляют четыре вида устройств: асинхронные двигатели – 40 % (совместно с бытовыми, сельскохозяйственными электродвигателями и асинхронными электроприводами собственных нужд электростанций), электропечные установки – 8 %; вентильные преобразователи – 10 %, трансформаторы всех ступеней трансформации (потери в них) – 35 %, линии электропередачи (потери в них) – 7 %. Так как превалирует индуктивная нагрузка, то одновременно с активной мощностью по сети должна передаваться и реактивная мощность индуктивного характера.

При значительном потреблении реактивной мощности напряжение в сети понижается. В дефицитных по активной мощности энергосистемах уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Недостаточная для выполнения баланса активная мощность передается в такие системы из соседних энергосистем, в которых имеется избыток генерируемой мощности. Обычно энергосистемы дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме. В отличие от активной мощности реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами – конденсаторами, синхронными компенсаторами или статическими источниками реактивной мощности, которые можно установить на подстанциях электрической сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором, позволяющим решить вопрос энергосбережения и снижения нагрузок на электросеть. По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает значительную величину в себестоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления предприятия, выработке методики и поиску средств для компенсации реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности. Баланс активных и реактивных мощностей.

Активная мощность источников (турбогенераторов и гидрогенераторов электростанций, нетрадиционных источников, гидроаккумулирующих станций и др.) в любой момент времени соответствует потребляемой мощности (нагрузке) ∑Р_н:

∑Р_{и =} ∑Р_{н +} ∑Р_{сн +} ΔР_п

где ∑Р_и- суммарная активная мощность источников; ∑Р_сн- собственные нужды генерирующих источников; ΔР_п- потери активной мощности.

Приведенное уравнение определяет баланс активных мощностей в электрической системе.

Баланс активных мощностей соответствует определенным значениям частоты и напряжения в узлах, к которым подключены потребители (нагрузки). Изменение мощности источников связано с изменением частоты и напряжения очевидным равенством, получающимся разложением в ряд Тейлора функции ∑Ри= F(f;U):

При нарушении баланса мощностей вследствие снижения генерирующей мощности или увеличения потребления активной мощности устанавливается режим с изменившимися значениями составляющих уравнения баланса мощности. Снижение генерируемой мощности приводит к уменьшению частоты и напряжения в системе и наоборот с увеличением мощности источников возрастают частоты тока и напряжения одинаково в любом узле электрической системы. Воздействовать на изменение частоты можно только изменением генерируемой активной мощности. На тепловых и гидравлических электростанциях это достигается увеличением или уменьшением выпуска энергоносителя, т. е. пара или воды.

Номинальное значение частоты в Европейских странах составляет 50 Гц, в США и ряде других стран - 60 Гц. Снижение частоты приводит к уменьшению скорости вращения синхронных и асинхронных электродвигателей и, в конечном счете, к уменьшению производительности приводных механизмов.

В ориентировочных расчетах принимают, что изменение частоты на 1% приводит к изменению активной мощности нагрузки на 0,5%. Уравнение баланса реактивной мощности:

∑Q_{г +} ∑Q_{c +} ∑Q_{к =} ∑Q_{н +} ∑Q_{с.н +} ∑ΔQ_п

 

где ∑Q_г, ∑Q_к, ∑Q_c- реактивная мощность, генерируемая генераторами электростанций, компенсирующими устройствами (синхронными компенсаторами, конденсаторами и другими устройствами, а также емкостями воздушных и кабельных линий); ∑Q_н, ∑Q_с.н, ∑ΔQ_п- реактивная мощность, потребляемая нагрузками, а также собственными нуждами электроснабжения и обусловленная потерями в элементах систем электроснабжения.

Реактивная или обменная мощность существенно влияет на такие параметры систем электроснабжения, как потери мощности и энергии и уровни напряжения в узлах сети. Поэтому вопрос компенсации реактивной мощности относится к числу важнейших при проектировании и эксплуатации систем энергоснабжения предприятий. Как известно, величина (значение) реактивной мощности характеризует скорость обмена электромагнитной энергии источниками и потребителями электроэнергии. При этом индуктивные элементы являются накопителями реактивной мощности, а емкостные - ее генераторами.

 2. Способы компенсации реактивной мощности. Распределение и регулирование мощности компенсирующих устройств. Схемы соединения конденсаторных батарей.

В общем и целом, когда объем реактивной мощности в сети становится значительным, понижается напряжение в сети, такое положение дел весьма характерно для энергосистем с дефицитом активной составляющей, - там всегда напряжение в сети ниже номинала. И тогда недостающая активная мощность поступает из соседних энергосистем, в которых на данный момент генерируется чрезмерное количество электроэнергии.

Но такие системы, которые всегда требуют пополнений за счет соседей, всегда получаются в итоге неэффективными, а ведь их можно легко превратить в эффективные, достаточно создать условия для генерации реактивной мощности прямо на месте, в специально приспособленных компенсирующих устройствах, подобранных для активно-реактивных нагрузок данной энергосистемы.

Дело в том, что реактивную мощность не обязательно генерировать на электростанции генератором, вместо этого ее можно получать в компенсирующей установке (в конденсаторе, синхронном компенсаторе, в статическом источнике реактивной мощности), расположенной на подстанции.

Компенсация реактивной мощности сегодня является не только ответом на вопросы об энергосбережении и о способе оптимизации нагрузок на сеть, но и ценным инструментом влияния на экономику предприятий. Ведь конечная стоимость любой производимой продукции формируется не в последнюю очередь из расходуемой электроэнергии, которая будучи снижена — уменьшит себестоимость продукции. К такому выводу пришли аудиторы и специалисты по энергоресурсам, что побудило многие компании прибегнуть к расчету и установке систем компенсации реактивной мощности.

Для компенсации реактивной мощности индуктивной нагрузки - подбирают определенной емкости конденсатор, в итоге потребляемая непосредственно от сети реактивная мощность снижается, она потребляется теперь от конденсатора. Другими словами, коэффициент мощности потребителя (с конденсатором) повышается.

Способы компенсации и схемы соединения конденсаторных батарей.

В зависимости от схемы подключения конденсаторов к потребителю, есть несколько видов компенсации: индивидуальная, групповая и централизованная.

• При индивидуальной компенсации конденсаторы (конденсатор) подключаются прямо к месту возникновения реактивной мощности, то есть свой конденсатор(ы) - к асинхронному двигателю, отдельный — к газоразрядной лампе, индивидуальный — к сварочному аппарату, личный конденсатор — для индукционной печи, для трансформатора и т.д. Здесь от реактивных токов разгружаются подводящие провода к каждому конкретному потребителю.
• Групповая компенсация подразумевает подключение одного общего конденсатора или общей группы конденсаторов сразу к нескольким потребителям со значительными индуктивными составляющими. В этом случае постоянная одновременная работа нескольких потребителей сопряжена с циркуляцией общей реактивной энергии между потребителями и конденсаторами. Линия, подводящая электроэнергию к группе потребителей, окажется разгружена.
• Централизованная компенсация предполагает установку конденсаторов с регулятором в главном или групповом распределительном щите. Регулятор оценивает в режиме реального времени текущее потребление реактивной мощности, и оперативно подключает и отключает необходимое количество конденсаторов. В итоге потребляемая от сети суммарная мощность всегда сводится к минимуму в соответствии с мгновенной величиной требуемой реактивной мощности.

Основной единицей измерения мощности применительно к электрооборудованию является кВт (киловатт). Но существует и другая единица мощности, о которой знают далеко не все – кВАр.

кВАр (киловар) – единица измерения реактивной мощности (вольт-ампер реактивный – вар, киловольт-ампер реактивный – кВАр).

Каждая установка компенсации реактивной мощности включает в себя несколько ветвей конденсаторов, несколько ступеней, которые формируются индивидуально для той или иной электросети, в зависимости от предполагаемых потребителей реактивной мощности. Типичные размеры ступеней: 5; 10; 20; 30; 50; 7,5; 12,5; 25 кВар.

Для получения больших ступеней (100 и более кВар) — объединяют параллельно несколько небольших. В результате нагрузки на сети снижаются, токи включения и сопровождающие их помехи уменьшаются. В сетях с большим количеством высших гармоник сетевого напряжения, конденсаторы компенсирующих установок защищают дросселями.