УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА НАГРУЗКИ

Кирилина Ольга Ивановна

канд. техн. наук, доцент, заместитель заведующего кафедройТеоретической электротехники и электроснабжения предприятий, Норильский индустриальный институт, г. Норильск

E-mail: Xaipe5119@rambler.ru

Козлов Павел Михайлович

аспирант, инженер кафедры Теоретической электротехники и электроснабжения предприятий, Норильский индустриальный институт, г. Норильск

E-mail: kpmn@mail.ru

Массов Александр Александрович

аспирант, заведующий учебной лабораторией кафедры Теоретической электротехники и электроснабжения предприятий, Норильский индустриальный институт, г. Норильск

E-mail:

REACTIVE POWER CONTROL FOR INDUSTRIAL POWER UNIT

Olga Kirilina

Candidate. Technical, Associate Professor, Deputy head of the Department of Theoretical electrical engineering and electric power supply of the enterprises, Norilsk industrial Institute, Norilsk

Pavel Kozlov

Post-graduate student, the engineer of Department of Theoretical electrical engineering and electric power supply of the enterprises, Norilsk industrial Institute, Norilsk

Alexander Massow

Post-graduate student, head of the training laboratory of the Department of Theoretical electrical engineering and electric power supply of the enterprises, Norilsk industrial Institute, Norilsk

Аннотация

В статье обоснованы: 1) технические возможности и основы грамотной эксплуатации синхронных двигателей как источников реактивной мощности (ИРМ) в зависимости от загрузки их активной мощностью и уровня напряжения питающей сети; 2) технические возможности батарей конденсаторов как ИРМ при возникновении резонансных режимов высших гармоник в сети с нелинейной нагрузкой; возможности исследования условий нарушения устойчивости узла нагрузок при КРМ в УН с помощью анализа его статических и динамических характеристик.

ABSTRACT

In the article author gives substation of: 1) technical opportunity and basics of properly usage of synchronous machine as reactive power source depending of its active power and supply system voltage level; 2) technical opportunity of power factor correctional condensers as IRM at the resonant state of high harmonics in the system with non-linear load; 3) opportunity of power unit static stability distortion conditions research with static and dynamic characteristics while correcting power factor of this unit.

Ключевые слова: устойчивость узла нагрузок; компенсация реактивной мощности; управление параметрами электропотребления.

Keywords: power unit stability; power factor correction; power supply conditions control.

Главной задачей системы управления (СУ) реактивной мощностью (РМ) является поддержание требуемых нормативными документами значений напряжения на зажимах электроприемников и коэффициентов реактивной мощности , как минимум, на границе балансовой принадлежности схем электроснабжения промышленных предприятий. Для регулирования потоков реактивной мощности в узлах нагрузки (УН) большинства промышленных предприятий, в том числе и для предприятий обогатительного производства Норильского промышленного района (со спокойным продолжительным характером работы электроприемников и приемлемым качеством электроэнергии), вполне достаточно использования в качестве источников реактивной мощности (ИРМ) лишь синхронных двигателей (СД) и батарей конденсаторов (БК), устанавливаемых в сетях 6—10/0,4 кВ, при одновременном изменении положения отпаек регуляторов напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов главных понизительных подстанций (ГПП). Как правило, установка БК в сети напряжением до 1 кВ для снижения потерь является обязательной, так как СД на такое напряжение практически не выпускаются, а асинхронные двигатели (АД), составляющие большую часть электроприемников 0,4 кВ, имеют достаточно низкие номинальные коэффициенты мощности (от 0,76 до 0,9). Суммарная реактивная мощность (РМ) требуемых к установке в сети 0,4 кВ БК () определяется значениями максимума и минимума суточных графиков нагрузки цехового трансформатора и характером нагрузки, т. е. составом электроприемников. Причем, чем больше ступеней характерной нагрузки имеют такие графики, тем больше секций должны иметь БК для возможности регулирования .

Выбор ИРМ в сети 6-10 кВ, как правило, осуществляется после КРМ в сети 0,4 кВ путем сравнения технико-экономических показателей  и СД (кроме сравнения технико-экономических показателей указанных ИРМ УН следует также учитывать время работы СД, так как оно определяется технологией производства).

Последовательность выполнения компенсации реактивной мощности любого промышленного предприятия может быть представлена следующим образом.

Так как, значения естественного коэффициента реактивной мощности в сетях до 1 кВ находятся, как правило, в пределах , что обусловлено, в первую очередь, номинальными параметрами низковольтных АД (усугубляемыми их эксплуатацией с недогрузкой и при напряжениях, отличных от номинальных), а также большой протяженностью этих сетей, то, необходимость КРМ в сетях 0,4 кВ обусловлена, как минимум, потребностью снижения потерь в ее элементах: кабельных линиях и трансформаторах. На сегодняшний день нормативными документами установлена величина требуемого  в сети 0,4 кВ, и  индуктивного характера (отстающее значение коэффициента мощности) – на шинах 6(10) кВ всех ГПП.

Для этого по характерным суточным графикам нагрузки 0,4 кВ необходимо для каждой -той ступени определить значение мощности  по формуле

,          (1)

где  – активная мощность на шинах 0,4 кВ трансформатора каждой ступени суточного графика нагрузки, ;  – естественный коэффициент реактивной мощности той же ступени графика, ;  – требуемое значение коэффициента реактивной мощности,  Руководствуясь суммарным максимальным и минимальным расчетным значением мощности  и количеством характерных ступеней графика нагрузки 0,4 кВ (с учетом  каждой ступени), следует принять к установке такое количество самих БК и секций в них, чтобы иметь возможность их переключением обеспечить требуемое значение  (или близкое к нему значение) в течение суток.

В результате текущего контроля уровней напряжения и значений  на шинах 0,4 кВ цеховых трансформаторов следует разработать независимую от сетей 6—10 кВ локальную систему регулирования емкости . Это значительно упростит систему управления КРМ УН. Причем, если в системе управления КРМ в сети 0,4 кВ произойдет сбой, выраженный либо завышенным, либо заниженным значением , то последствия этого сбоя будут компенсированы в сети 6—10 кВ. Сигнал же о повреждении, обусловленный значительным отклонением  в данной точке от заданного значения должен подаваться в качестве априорной информации на первую ступень процесса классификации системы управления, т. е. будет учтен при формировании классов состояний объекта.

В результате текущего контроля уровней напряжения и значений  всех ветвей сети 6—10 кВ и в месте подключения УН к питающей системе необходимо определять величину и знак отклонения указанных параметров и в случае:

а)  потребности понижения  необходимо будет подключить дополнительную секцию , если при этом не произойдет излишнего понижения , так как БК изменяют потоки РМ определенными ступенями, а не плавно. В первую очередь обратиться к изменению мощности БК следует потому, что генерация РМ с помощью БК, как отмечалось ранее, является более экономичной по сравнению с генерацией РМ СД.

Если излишек понижения  окажется существенным, способным нарушить устойчивость нагрузки 6—10 кВ или не удовлетворит требованиям энергосистемы по причине возможности нарушения устойчивости генераторов электростанции – от такой КРМ следует отказаться и регулировать РМ с помощью СД.

Если же данная ступень регулирования РМ с помощью БК удовлетворяет потребностям системы управления, осуществить проверку сохранения устойчивости УН. Если критерии устойчивости при такой КРМ удовлетворяют требованиям сохранения устойчивости УН, то принимается решение о продолжении ее действия.

Если появляется риск нарушения устойчивости, СУ должна принять решение по отмене этого действия и заменить включение дополнительной секции БК увеличением тока возбуждения одного из СД, технико-экономические характеристики которого, обусловленные их конструктивными особенностями, на данный момент времени предпочтительнее.

б)  если возникнет необходимость повышения , то, в первую очередь, следует снизить ток возбуждения включенных в данный момент времени СД, причем сначала того из них, который имеет наибольшие потери на генерацию РМ. При этом необходимо следить за сохранением устойчивости данного двигателя.

Недостаточное увеличение  указанным способом можно исправить снижением тока возбуждения и всех остальных подключенных к сети СД в приоритетном порядке значения потерь, и лишь в последнюю очередь прибегать к отключению отдельных секций БК. Безусловно, в течение описанного процесса также необходимо следить за сохранением устойчивости УН и в режимах, близких к ее нарушению, предпочесть снижению токов возбуждения СД отключение секций БК.

Для того чтобы СУ имела возможность уменьшить вырабатываемую СД реактивную мощность вплоть до нуля (что соответствует работе двигателя с ), путем снижения тока возбуждения, необходимо использовать зависимость между указанными параметрами СД

 ,    (2)

где  либо  – относительное значение требуемой от СД реактивной мощности, определяемой суммой реактивной мощности двигателя текущего, -го режима  и недостающей () или избыточной () реактивной мощности УН, которую дополнительно следует выработать (потребить) данному СД. Расчетное значение  должно удовлетворять условию

,.

Величина РМ, являющейся избыточной  или недостаточной для обеспечения требуемого режима определяется по формуле

,                               (3)

где  – суммарная активная мощность нагрузки 0,4 кВ и двигателей 6-10 кВ  ступени суточного графика нагрузки секции 6-10 кВ ГПП, РП, ;  – текущее значение коэффициента реактивной мощности той же ступени графика, ;  – требуемое значение коэффициента реактивной мощности,

По знаку и величине должны приниматься решения о включении дополнительных источников РМ или их отключении в порядке, описанном выше. Данное обстоятельство является началом процесса КРМ для УН с показанными условно обобщенными группами однотипных электроприемников (рис.1) в алгоритме управления (рис.2).

Рис. 1. Условная схема УН с обобщенной нагрузкой групп характерных электроприемников

Рис. 2. Алгоритм управления КРМ УН

Как видно из приведенного алгоритма: 1) стратегией компенсации является использование БК в базовой части графика вырабатываемой УН реактивной мощности, а СД – в регулируемой; 2) основная роль КРМ сводится к оптимизации потерь, а регулированию напряжения с помощью изменения потоков РМ внимания не уделяется, хотя оно неизбежно происходит. Данное обстоятельство объясняется тем, что алгоритм КРМ разрабатывается в применении к предприятиям обогатительного производства Норильской энергосистемы, для которой, благодаря незначительной протяженности ЛЭП-110 кВ, уровни напряжения поддерживаются в допустимых пределах и практически не требуют использования устройств РПН трансформаторов [1, 2]. Тем не менее, контроль текущего значения напряжения на зажимах электроприемников и на питающих шинах в рассмотренном алгоритме осуществляется для определения оптимальных параметров возбуждения СД, расчета генерации РМ батареями конденсаторов. Непосредственное регулирование напряжения в УН, для поддержания его на питающих шинах в пределах, допустимых ГОСТ 13109 - 97, в течение процесса КРМ должно осуществляться автоматическим изменением положения избирателей устройства РПН трансформаторов ГПП.

Изложенная в виде алгоритма (рис. 2) КРМ в УН, несмотря на сложность использования управляющих воздействий, на самом деле является упрощенной. В ней не рассмотрены, в частности, изменения ограничений со стороны энергоснабжающей организации по поддержанию того или иного значения  в часы максимума и минимума нагрузки энергосистемы и возможности потребления дополнительной РМ от генераторов электростанций, т. е. работа УН в режиме недокомпенсации с помощью ИРМ УН. Такой режим может оказаться целесообразным в том случае, когда КРМ в УН возможна только с помощью БК (СД по технологии отключены), а подключение дополнительных секций БК может нарушить устойчивость УН.

Однако, всесторонний анализ технико-экономических показателей всех возможных ИРМ УН даже не учитывая загрузку электродвигателей 6—10 кВ активной мощностью во всех характерных нормальных и послеаварийных режимах работы электрической сети при значительных отклонениях напряжения (в допустимых пределах) весьма сложен и потребует значительных затрат времени. Поэтому, при формировании базы состояний ЭСПП для разработки и совершенствования процесса классификации в алгоритме управления КРМ необходима имитационная модель (ИМ) УН, позволяющая аналитически вычислять электрические параметры сети с учетом ее текущей структуры.

Выводы

1)Технические возможности СД как ИРМ ограничиваются, прежде всего, нагревом обмоток статора и ротора максимально допустимыми токами нагрузки и возбуждения, а также минимально допустимой величиной потребляемой или генерируемой РМ по условию обеспечения их устойчивой синхронной работы. Для возможности грамотной эксплуатации СД как ИРМ необходимо определить допустимую рабочую зону по РМ в зависимости от загрузки двигателей активной мощностью и уровня напряжения питающей сети.

2)Технические возможности БК как ИРМ ограничиваются их перегрузочной способностью при возникновении резонансных режимов высших гармоник в сети с нелинейной нагрузкой. Кроме того, при наличии высших гармоник действующие значения тока и напряжения на конденсаторе не дают представления о его РМ, поэтому для выбора емкости БК и обеспечения их устойчивой работы необходимо учитывать состав гармоник в сети и их отрицательный регулирующий эффект.

3)Для исследования условий нарушения устойчивости узла нагрузок при КРМ в УН с помощью батарей конденсаторов требуется анализ статических и динамических характеристик этого узла.

4)Так как в большинстве случаев комплексная нагрузка УН состоит из совокупности АД, СД и пассивной нагрузки, то для исследований устойчивости УН в качестве схемы замещения можно принять эти три эквивалентных элемента, а в качестве аналитического выражения – уравнения, описывающие статические и динамические характеристики УН.

Список литературы:

1.Разработка комплексной системы оптимизации режимов электроснабжения и улучшения качества электрической энергии в распределительных сетях рудников ОАО «Норильская горная компания». Отчет о НИР. СПГГИ, 2002, 60 с.

2.Саушкин С. А., Малухин В. В., Кирилина О. И. Анализ состояния и перспективы баланса реактивной мощности Норильской энергосистемы. // Промышленная энергетика. – 1996. – № 9.