Идельчик В.И. Электрические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

180 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

ния как на низком, так и на высоком напряжении; б) ма-

лые потери активной мощности (0,0025—0,005 кВт/квар).

Недостатки конденсаторов с точки зрения регулирования

режима: а) зависимость генерируемой ими реактивной

мощности от напряжения; б) невозможность потребления

реактивной мощности; в) ступенчатое регулирование вы-

работки реактивной мощности и невозможность ее плавно-

го изменения; г) чувствительность к искажениям формы

кривой питающего напряжения.

Удельная стоимость (за 1 квар) БК совместно с пуско-

регулирующей аппаратурой в настоящее время наимень-

шая по сравнению со стоимостью других компенсирующих

устройств.

Конденсаторные батареи также имеют ряд эксплуата-

ционных преимуществ: простота эксплуатации (ввиду от-

сутствия вращающихся и трущихся частей); простота про-

изводства монтажа (малая масса, отсутствие фундамента);

возможность использования для установки конденсаторов

любого сухого помещения. Среди эксплуатационных недо-

статков БК следует отметить малый срок службы (8—10

лет) и недостаточную электрическую прочность (особенно

при коротких замыканиях и напряжениях выше номиналь-

ного).

Синхронные компенсаторы (СК). Как следует из ана-

лиза режима синхронной машины в § 4.8, увеличить выра-

батываемую реактивную мощность можно за счет умень-

шения активной. Синхронный компенсатор

—

это синхрон-

ный двигатель, работающий в режиме холостого хода без

нагрузки на валу. Потребляемая им активная мощность

Ря^О (если пренебречь потерями холостого хода), и СК

загружен только реактивным током. По сравнению с обыч-

ным синхронным двигателем СК изготовляются с облегчен-

ным валом, они имеют меньшие размеры и массу.

Схема замещения СК и отвечающая ей векторная диа-

грамма показаны на рис. 4.13, где Е

—

обратная ЭДС

компенсатора, U

—

напряжение сети в точке его подклю-

чения. Напряжение U

в соответствии с (2.41) равно сум-

ме Е

и падения напряжения в Ха. Векторная диаграмма

в режиме перевозбуждения (рис. 4.13,6) совпадает с век-

торной диаграммой синхронного двигателя при перевоз-

буждении на рис. 4.13,6 с той разницей, что ток СК /

.к —

§4.10 Компенсирующие устройства

181

емкостный и его обратная ЭДС E

совпадает по направле-

нию с £/

. Комплексы тока и мощности синхронного ком-

пенсатора определяются выражениями (2.42), (2.43). Мо-

дуль тока равен

-~E

'ск

е-

1с

^Хс.к

а)

+н

1г

»*'

.«..

±с к

Рис 4 13 Схемы замещения и векторная диаграмма напряжений син-

хронного компенсатора

—

схема замещения; б, в

—

режимы перевозбуждения и недовозбуждения

а поскольку Рск = 0, его реактивная мощность

(4 14)

Из выражения (4.14) видно, что значение и знак реак-

тивной мощности СК зависят от соотношения между E

и напряжением сети С/

; ЭДС E

определяется значением

тока возбуждения, причем росту тока возбуждения соот-

ветствует увеличение E

. При токе возбуждения, при кото-

ром E

— U

, реактивная мощность СК QCK=0. При пере-

возбуждении

и СК генерирует в сеть реактивную

мощность, причем /

с к

опережает напряжение С/

Ск

на 90°

(рис 4.13,6).

Уменьшая ток возбуждения, можно получить режим не-

довозбуждения, тогда

<.U

и /

отстает на 90° от на-

пряжения С/

(рис. 4.13, в). В этом режиме в соответствии

с (4.14) СК потребляет реактивную мощность, получая ее

из сети. Номинальная мощность синхронного компенсато-

182 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

pa (QC.K.HOM) указывается для режима перевозбуждения.

По конструктивным особенностям в режиме недовозбужде-

НИЯ VC.K^0,5QC.K.HOM-

Положительными свойствами СК как источников реак-

тивной мощности являются: а) возможность увеличения

генерируемой мощности при понижении напряжения в сети

вследствие регулирования тока возбуждения; б) возмож-

ность плавного и автоматического регулирования генери-

руемой реактивной мощности.

Шунтирующие реакторы можно применять для регули-

рования реактивной мощности и напряжения. Реактор —

это статическое электромагнитное устройство, предназна-

ченное для использования его индуктивности в электричес-

кой цепи. Активное сопротивление реактора очень мало.

Шунтирующие реакторы рассчитаны на напряжения 35—

750 кВ и могут как присоединяться к линии (рис. 4.14),

УУ

Рис. 4.14. Схема заме-

щения реактора, вклю-

ченного в линию

Рис. 4.15. Принципиальная схе-

ма ИРМ с последовательным

соединением управляемого ре-

актора x

и нерегулируемой

БК х

УУ

—

устройство управления

У У -

Рис. 4.16. Принципиальная схе-

ма ИРМ с параллельным сое-

динением управляемого реакто-

ра x

и нерегулируемой БК *с

так и включаться на шины подстанции. Реактор потребля-

ет реактивную мощность, которая в зоне линейности его

электромагнитной характеристики зависит от квадрата на-

§ 4.10

Компенсирующие устройства 183

пряжения U:

= b

U\ (4.15)

где Ь

— индуктивная проводимость реактора.

Используются нерегулируемые и регулируемые шунти-

рующие реакторы. С точки зрения регулирования нерегу-

лируемый реактор характеризуется лишь двумя дискретны-

ми состояниями: «включено» — при этом потребляется но-

минальная реактивная мощность Q

.HOM или близкая к ней,

«отключено» — при этом Q

—0.

При допустимых отклоне-

ниях напряжения на шинах высшего напряжения подстан-

ций, к которым подключаются шунтирующие реакторы,

потребляемая реактивная мощность Q

изменяется в пре-

делах (0,8-М,

QP.HOM.

Регулируемые или управляемые реакторы изменяют

потребляемую реактивную мощность по сигналам управле-

ния, что более эффективно для регулирования напряжения

и реактивной мощности. Управление реактором осущест-

вляется в результате целенаправленного изменения его па-

раметров с помощью подмагничивания. Такое подмагничи-

вание возможно для управления только реактором, имею-

щим магнитопровод из ферромагнитного материала.

Возможно несколько видов подмагничивания. Диапа-

зон регулирования Q

регулируемого реактора определяет-

ся его конструкцией и зависит от напряжения. Реакторы

с подмагничиванием используются в фильтрах высших

гармоник, а также являются эффективным средством огра-

ничения колебаний напряжения в электрических сетях (см.

гл.

5). В настоящее время реакторы с подмагничиванием

и соответствующие регуляторы для автоматического регу-

лирования режимов их работы находятся в стадии разра-

боток и опытно-промышленной эксплуатации [13].

Кроме шунтирующих реакторов в электроэнергетичес-

ких системах применяются заземляющие реакторы для

компенсации емкостных токов на землю и токоограничи-

вающие реакторы для ограничения тока КЗ.

Статические источники реактивной мощности (ИРМ)

предназначены для плавной (регулируемой) генерации или

потребления реактивной мощности, что достигается в ИРМ

использованием нерегулируемой батареи конденсаторов

и включенного последовательно или параллельно с ней ре-

гулируемого реактора (рис. 4.15, 4.16). Плавность регули-

184 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

рования реактивной мощности ИРМ достигается с помощью

регулируемого тиристорного блока, входящего в устройст-

во управления. Схемы ИРМ весьма разнообразны и позво-

ляют вырабатывать или потреблять реактивную мощность

в зависимости от режима и вида схемы [13].

Наибольший интерес с точки зрения регулирования на-

пряжения и реактивной мощности представляют статичес-

кие ИРМ с параллельным соединением БК и управляемых

реакторов. Схема такой установки приведена на рис. 4.16.

Управление мощностью реакторов осуществляется либо

с помощью встречно-параллельно соединенных управляе-

мых тиристорных преобразователей, либо путем изменения

подмагничивания реактора.

Стоимость статических ИРМ имеет тенденцию к сниже-

нию с увеличением мощности устройства. Есть основания

считать, что совершенствование тиристоров, составляющих

значительную часть стоимости ИРМ, в ближайшее время

приведет к улучшению их технико-экономических показа-

телей. При этом применение статических ИРМ может ока-

заться более целесообразным, чем установка синхронных

компенсаторов [13].

Применение ИРМ впервые было предложено советски-

ми учеными. В настоящее время работы по их созданию

и внедрению широко ведутся у нас в стране и за рубежом.

4.11.

РАССТАНОВКА КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Суммарная мощность Q

компенсирующих устройств

(КУ) в системе может быть определена из условия балан-

са реактивной мощности (4.13) либо из условий уменьше-

ния потерь мощности или регулирования напряжения. Сте-

пень оснащения компенсирующими устройствами у харак-

теризуется отношением их суммарной мощности в

мегаварах к максимальной активной нагрузке энергосисте-

мы Р

б, МВт:

У =

QK^H6-

В большинстве отечественных энергосистем показатель

не превышает 0,25—0,3 с учетом КУ, установленных в се-

тях промышленных предприятий, что явно недостаточно.

Для преодоления отставания в оснащенности КУ величина

у в ближайшем будущем должна быть доведена до

0,45 Мвар/МВт.

§4 11 Расстановка компенсирующих

устройств

185

Задача расстановки КУ состоит в определении мощно-

сти КУ, устанавливаемых на каждой из подстанций си-

стемы.

До недавнего времени мощность компенсирующих уст-

ройств на промышленных предприятиях выбиралась по

нормативному средневзвешенному коэффициенту мощности.

Он должен быть не ниже 0,92—0,95 и определяется так:

COS ф

ср

= ________

Y~(W)

(W"f

где W

—

показания счетчика активной энергии за отчет-

ный период (год, месяц, сутки); W"

—

показания счетчика

реактивной энергии за отчетный период.

Сейчас в качестве критерия степени компенсации реак-

тивной мощности принята разрешаемая энергосистемой

к использованию реактивная мощность в часы максимума

нагрузки энергосистемы. Энергосистема определяет значе-

ния реактивной мощности Q

, передаваемой по сети систе-

мы,

для режимов максимума и минимума активных нагру-

зок системы и для послеаварийных режимов.

Необходимая мощность компенсирующих устройств для

i-й подстанции Q

определяется следующим образом:

i = Qi~Qci,

(4.

ie)

где

Qi —

реактивная мощность нагрузки в режиме макси-

мума; Qd

—

мощность, предоставляемая из сети энергоси-

стемы в этом же режиме. Эта мощность определяется в ре-

зультате расчета и оптимизации режима работы энергоси-

стемы.

Рассмотрим выбор и расстановку компенсирующих уст-

ройств с помощью упрощенного способа из условия равен-

ства коэффициентов мощности на отдельных подстанциях.

Именно такой упрощенный способ применяется в большин-

стве учебных курсовых проектов по электрическим сетям.

До установки КУ реактивная нагрузка подстанции i

составляет Q

= P

tg(pi.

Суммарная мощность реактивных нагрузок всех п под-

станций системы

i=i i=i

186 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

Определим сбалансированную с помощью КУ суммар-

ную реактивную мощность нагрузок:

Фбал = 2

i tg

Ф'

—

^к»

/=1

где Q

— суммарная мощность компенсирующих устройств,

т.е.

y.Q

1=1

Суммарная активная мощность нагрузок всех подстан-

ций в системе после установки КУ практически не изме-

нится:

^бал ~ 2J

t=l

Тогда

2 Рг^Ъ-Qn

t=l

Фбал

=f^- = ^—- , (4-17)

^бал "

1=1

где фбал — угол треугольника суммарных мощностей всех

подстанций после установки КУ.

Компенсирующие устройства расставляются так, чтобы

нэ каждой подстанции угол ф, был равен фбат Поэтому

после установки КУ

<2<бал = Pi ^фбал-

Отсюда

Qn = Q/ —Q*6an = /

itg<p

—^tgcp^, i = l...,n. (4.1«)

Определенные в результате расчета мощности Q

округ-

ляются до стандартных значений, соответствующих мощно-

сти комплектных установок конденсаторов.

В практике проектирования и эксплуатации должны

применяться более общие и обоснованные методы расста-

новки компенсирующих устройств. Однако и при их прило-

жении сначала, как и в предыдущем способе, определяется

суммарная мощность КУ- Затем решается задача оптималь-

ной расстановки КУ на подстанциях. Для выбора мощности

§4.11 Расстановка компенсирующих

устройств

187

КУ и мест их установки используются методы оптимиза-

ции.

В современных условиях дефицита КУ увеличение сте-

пени компенсации реактивной мощности в распределитель-

ных сетях имеет большое народнохозяйственное значение.

Так, по некоторым данным увеличение коэффициента мощ-

ности на 0,01 в масштабах страны дает экономию на поте-

рях в сети до 500 млн. кВт-ч электроэнергии в год. Ком-

пенсация реактивной мощности в сетях промышленных

предприятий, а также в городских и сельских имеет свои

особенности.

На промышленных предприятиях наибольшее распро-

странение получили БК. Установка синхронного компенса-

тора допускается на крупных предприятиях по согласова-

нию с энергосистемой. Необходимость их установки обо-

сновывается технико-экономическими расчетами. В про-

стейшем случае мощность компенсирующего устройства,

устанавливаемого в пункте i, определяется следующим

простым выражением:

- =

™

где Qs—суммарная распределяемая мощность КУ; r

—

сопротивление радиальной линии, питающей данный пункт;

эк

—

эквивалентное сопротивление сети:

Гок

~" 1/г

Гг +

...+ 1/г

•

Более обоснованное и общее решение задачи выбора

и расстановки компенсирующих устройств сводится к оп-

ределению минимальных затрат при соблюдении ограниче-

ния в виде баланса реактивной мощности в рассматривае-

мом узле. Для задачи выбора и расстановки КУ, а также

для оптимизации режима системы электроснабжения про-

мышленного предприятия по реактивной мощности приме-

няются методы оптимизации.

В городских и сельских электрических сетях обследова-

ния показали, что при дополнительной экономически обос-

нованной установке компенсирующих устройств снижение

потерь электроэнергии может составить 20—25 %. В го-

родских и сельских электрических сетях оптимальным ва-

риантом является полная компенсация реактивных мощно-

188 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

стей нагрузок в режиме наибольших нагрузок. В качестве

компенсирующих устройств в этих сетях используются БК.

Найденную в результате расчетов общую мощность

компенсирующих устройств 0,38 кВ распределяют между

присоединенными к сети 6—10 кВ трансформаторными

подстанциями с учетом реактивной мощности комплектных

установок конденсаторов. Их мощность не может быгь

произвольной, а определяется стандартом. В первую оче-

редь следует устанавливать устройства компенсации в тех

местах, где уровень напряжения нельзя поддерживать за

счет централизованного регулирования.

4.12.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ И СИСТЕМНОГО

ПОДХОДА ПРИ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Компенсация реактивной мощности в электроэнергети-

ческих системах применяется не только для улучшения ус-

ловий ее баланса, но и в качестве одного из важнейших

средств уменьшения потерь мощности и электроэнергии,

а также регулирования напряжения.

Оптимизация мощности компенсирующих устройств со-

стоит в определении оптимальной мощности и мест уста-

новки КУ. Эта задача имеет целью нахождение такого ре-

шения, которое обеспечивает максимальный экономический

эффект при соблюдении всех технических условий нормаль-

ной работы электрических сетей и приемников электроэнер-

гии. Критерием экономического эффекта являются приве-

денные затраты (см. § 6.3). Технические требования сво-

дятся к ограничениям по отклонениям напряжения, по за-

грузке элементов сети, по мощности КУ.

Рассмотрим задачу оптимизации мощности КУ на при-

мере простой схемы, приведенной на рис. 4.17, а. Будем

рассматривать эту задачу при следующих допущениях:

1) мощность в линии определяется в предположении,

что напряжения в узлах 1 и 2 равны С/

ом. При этом урав-

нения установившегося режима линейны и в узле 2 задан

постоянный ток, не зависящий от напряжения и равный

^-^

А=Ж. (4.19)

V 3 и

ном

У 3 с/

ном

Это допущение принималось при расчете распредели-

тельных сетей и подробно рассмотрено в § 2.4;

§4.12 Применение

оптимизации

системного

подхода 189

2) не учитывается влияние КУ на режим напряжения;

3) не учитывается изменение удельной стоимости потерь

мощности С

при увеличении мощности КУ, т. е. С

прини-

мается постоянной;

QZ-Q-KO

JQ.z

~QKO

Рис.

4.17. Расчетная схема линии:

—

линия

с г

и х

; б

—

линия,

мощность

которой соответствует

оптимальней

для

линии

на рис. а

4) стоимость компенсирующих устройств принимается

зависящей прямо пропорционально от их мощности, т. е.

= 3„Q„, (4.20)

где з

—

удельные затраты на КУ, руб/квар.

С учетом допущения 1) потери активной мощности

в линии

АР =

*+(Q.-Qj

(4.21)

При допущениях 1)—4) целевая функция включает

стоимость потерь мощности и компенсирующих устройств,

т. е.

(4.22)

-^ (Q —

zi С

+ З

^ном

Решение задачи оптимизации мощности КУ для сети

на рис. 4.17, а состоит в определении такого значения мощ-

ности КУ

QKO,

которое соответствует минимуму целевой

функции (4.22). Оптимальное значение Q

определяется

из условия

д3

-2(Q

-Q

)^ + 3

= 0,

dQu

и.

(4.23)