Лекция 2. Компенсация реактивной мощности. Методы расчета компенсирующей мощности. выбор средств компенсации и мест их установки

Обычно в электрической цепи генерируемая реактивная энергия равна потребляемой. Большая часть промышленных установок потребляет реактивную энергию, обычно превышающую возможности покрытия ее генераторами электростанций. Поэтому необходимы дополнительные устройства для поставки в энергетическую систему реактивной мощности - компенсаторы реактивной мощности: 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 КУ, расположенные на подстанциях или непосредственно у потребителя.

При решении вопросов КРМ нужно одновременно рассматривать большое количество аспектов как с позиций экономической выгоды для энергоснабжающей организации (при необходимости соблюдения определенных технических ограничений), так и для потребителя электроэнергии, т.е. осуществлять компенсацию РМ приходится системно.

Окружающий мир [Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. – Киев: Техника, 1975. – 312 с.] можно представить как бесконечное число взаимосвязанных, но различных по природе компонентов: потоки вещества, энергии, информации, денежных средств и т.д. Множество компонентов, объема которых достаточно для решения поставленной задачи с определенной точностью, и которое позволяет пренебречь его связями с окружающим миром называют системой. Следовательно, системный подход подразумевает метод исследования, при котором учитываются все существенные связи между рассматриваемыми компонентами и окружающим миром. Другими словами, отыскивается такая наименьшая часть компонентов, которую можно назвать системой в соответствии с приведенным выше определением.

Таким образом, системный подход – это учет всех технических, экономических и социальных факторов, оказывающих существенное влияние на практическое решение задачи, наряду с выявлением связей, которые можно считать границами системы. [Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. – М.: Энергоиздат, 1981. – 200 с., ил. (стр. 8)].

Сначала определяют физические границы системы, т.е. той части электрической сети, которую можно рассматривать отдельно от остальных частей и при этом получать для этой части результаты, аналогичные тем, которые были бы получены при совместном рассмотрении всей сети.

Кроме того, основываясь на количественном анализе различных допущений, системный подход предполагает разработку математической модели, обеспечивающей приемлемую точность решения и относительную простоту применяемых методик расчета при условии сокращения затрат труда на решение задачи.

Наиболее простым способом оценки влияния различных факторов на результаты решения является раздельная оценка каждого фактора. Однако сумма однофакторных оценок не является суммарной оценкой, обусловливаемой одновременным воздействием всех факторов.

Для получения однофакторной оценки для конкретной схемы или класса схем, обладающих характерным признаком, применяются методы регрессивного анализа – статистические методы исследования влияния одной или нескольких независимых переменных (регрессоров или предикторов) на зависимую критериальную переменную.

В задаче КРМ такой поход использован, например, в [Карпов Ф.Ф., Козырь В.Н. Выбор суммарной оптимальной мощности компенсирующих утройств промышленных предприятий методами теории планирования эксперимента. – Проблемы технической электродинамики, 1975, вып. 55, с. 35-39].

Регрессионный анализ позволяет ответить на вопрос, какие из факторов существенно влияют на результаты решения задачи КРМ для данной схемы при заданном критерии значимости, а какими можно пренебречь (либо предъявлять меньшие требования к их точности, если они относятся к исходной информации).

Достоинством однофакторной оценки является ее наглядность и вытекающая из этого четкость представления о физической сущности влияния рассматриваемого фактора на решение, так как это влияние, как правило, выражается простой аналитической зависимостью. В [Карпов Ф.Ф., Козырь В.Н. Выбор суммарной оптимальной мощности компенсирующих утройств промышленных предприятий методами теории планирования эксперимента. – Проблемы технической электродинамики, 1975, вып. 55, с. 35-39] анализ погрешностей производится для каждого фактора в отдельности.

Представляется, что четкие физические закономерности являются основой для исследований с помощью более сложных методов: регрессионного и факторного анализа, теории подобия и др.

Применимость системного подхода для многокритериальной оценки качества решения особенно значима, так как часто некоторые из критериальных параметров необходимо минимизировать, другие – максимизировать, а для третьих обеспечить наилучший баланс.

Критериями в задаче КРМ являются: затраты на топливо З_т и его количество В, являющиеся функциями потерь электроэнергии; мощность компенсирующих устройств Q_к; мощность вводимых электростанций Р_ст и стоимость расширения сетей К_с, зависящие от потерь мощности в максимум нагрузки DР_м; затраты труда на обслуживание сети З_о и на решение самой задачи З_з и др.

Целевая функция имеет в общем случае векторный вид

Ц=½½З_т В Р_ст К_с Q_к З_о З_з….½½.

Обычно многокритериальные задачи решаются путем сведения всех критериев в один обобщающий критерий и наложением ограничений на его составляющие. Обоснование решений при проектировании электрических сетей всегда осуществлялось на основе технико-экономического сопоставления вариантов схем и параметров сети путем оценки их сравнительной эффективности. В условиях плановой экономики таким обобщающим критерием являлись  сначала приведенные затраты,  затем приведенные дисконтированные затраты [Типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений. – М.: Экономика, 1969. – 16 с.; Вааг Л.А., Захаров С.Н. Методы экономической оценки в энергетике. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 270 с.; «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования», утвержденные в 1999 г. Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Государственным комитетом РФ. «Методические указания по регулированию тарифов с применением метода доходности инвестированного капитала», утверждены Приказом ФСТ N 231-э от 26 июня 2008 г.]. Однако «приведенные затраты», «суммарные дисконтированные затраты» являются универсальным критерием только в том случае, если ограниченными являются только денежные средства. Это обстоятельство, выраженное, в свое время, в ограничениях, накладываемых на объем используемых материалов (т.е. когда денежные средства не могут быть полностью вложены в наиболее экономичный материал в связи с его дефицитностью), приводит к необходимости присвоения значимости любому из других критериев, что подробно рассматривалось в [Вааг Л.А., Захаров С.Н. Методы экономической оценки в энергетике. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 270 с.].

В последнее время все чаще приходится сталкиваться с дефицитом трудовых ресурсов. При этом затраты труда на обслуживание сетей и на оптимизацию их параметров и режимов (последние состоят в основном из затрат на получение и обработку информации) становятся одним из наиболее существенных критериев.

Передача по сетям реактивной мощности вызывает большие удельные потери, чем передача активной из-за того, что реактивные сопротивления, как правило, в сетях высокого напряжения значительно превышают активные. По той же причине передача РМ приводит к большему снижению напряжения.

Синхронные генераторы на электростанциях в номинальном режиме вырабатывают активную и реактивную мощности при определенном (номинальном) значении cos ф_ном. При снижении выработки активной мощности, по сравнению с номинальным значением, возможно увеличение генерирования реактивной мощности сверх номинальной. В этом случае некоторая часть генераторов может переводиться на работу с пониженным коэффициентом мощности, т. е. с целевым увеличением выработки реактивной энергии.

Увеличение же выработки реактивной мощности в режиме наибольших активных нагрузок, за счет снижения генерации активной мощности, экономически нецелесообразно. Эффективнее, вместо снижения активной мощности генераторов электростанций, применять для выработки реактивной мощности компенсирующие устройства.

Для снижения по сетям перетоков РМ применяются компенсирующие устройства: индуктивного характера – как правило, на линиях сверхвысокого напряжения (из-за большой емкостной проводимости на землю) или емкостного – в узлах промышленной нагрузки (из-за преобладания нагрузки индуктивного характера).

В качестве средств КРМ в том и другом случае могут использоваться синхронные компенсаторы (СК), сопротивление которых может иметь как индуктивный, так и емкостный характер в зависимости от значения тока возбуждения. Для компенсации реактивной мощности емкостного характера применяются реакторы, индуктивного – синхронные двигатели (СД), статические тиристорные компенсаторы (СТК) и батареи статических конденсаторов (БК) (в частности, регулируемые – РБК).

Последним следует отдавать предпочтение, так как нередки случаи, когда неотключаемые БК в режимах ночных минимумов нагрузки усугубляют избыток реактивной мощности, генерируемой линиями электропередачи, особенно сверхвысокого напряжения, и приводят к недопустимо высоким уровням напряжения в узлах сети. Для снижения напряжения генераторы электростанций приходится переводить в опасный для них режим потребления реактивной мощности.

При разработке мероприятий по компенсации РМ следует учитывать технико-экономические характеристики средств компенсации, производить выбор мест их установки, режим рациональной и безопасной эксплуатации, защиты и автоматического регулирования в связи с высокой стоимостью и достаточной сложностью этих устройств.

Известно, что наиболее экономичным средством для компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи из-за возможности их применения, как на низком, так и на высоком напряжении; малых потерь активной мощности при генерации реактивной мощности (0,0025-0,005 кВт/кВАр); наименьшей удельной стоимости (за 1 квар) по сравнению с другими КУ и простоты производства монтажа и эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей) а также возможности использования в любом сухом помещении.

При необходимости компенсации нагрузок с быстроизменяющейся реактивной мощностью применение регулируемых конденсаторных батарей, оказывается затруднительным, а часто и невозможным в связи с высокой стоимостью, малым быстродействием и низкой механической прочностью выключателей, ступенчатым характером регулирования и возникновения ударных коммутационных сверхтоков, зависящих от момента подключения батареи конденсаторов к питающей сети. Также следует учитывать неблагоприятное воздействие на конденсаторы токовых перегрузок при частоте высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками. Исследование процесса работы конденсаторных установок при наличии высших гармоник в питающей сети, особенно при работе вентильных преобразователей, представляет важное практическое значение для определения возможности применения конденсаторных батарей в системах электроснабжения промышленных предприятий.