Исследование методов и устройств компенсации реактивной мощности при электроснабжении нелинейных и резкопеременных нагрузок

1.  Из-за низкого коэффициента мощности потребителей и резкопеременного характера нагрузки необходимо осуществлять компенсацию как постоянной, так и переменной составляющей реактивной мощности. Компенсация постоянной составляющей реактивной мощности необходима для улучшения cosj и для уменьшения отклонений напряжения в питающей сети. Компенсация переменной составляющей реактивной мощности преследует цель уменьшения колебания напряжения в питающей сети.

2.  Из-за быстрых изменений потребляемой реактивной мощности необходимо применение быстродействующих компенсирующих устройств, способных изменять регулирующую реактивную мощность со скоростью, соответствующей скорости наброса и сброса потребляемой реактивной мощности. Необходимое быстродействие таких компенсирующих устройств можно ориентировочно определить как dQ/dt = 100–2000 Мвар/с.

3.  Из-за неравномерного потребления реактивной мощности по фазам необходимо и пофазное управление компенсирующими устройствами.

4.  Ограничивается применение батарей конденсаторов для компенсации постоянной составляющей реактивной мощности в сети с резкопеременной вентильной нагрузкой. Это обусловлено наличием в сети высших гармоник тока и напряжения при работе нелинейных нагрузок. Высшие гармоники приводят к значительным перегрузкам батарей конденсаторов по току[12].

Вообще говоря, положение, сложившееся в стране с компенсацией реактивной мощности в электрических сетях, в том числе и в сетях, питающих преобразовательную технику, остается весьма напряженным. Компенсированность наших электрических сетей в 2–3 раза ниже, чем в развитых странах мира. Следует заметить, что решение этой задачи не является простым. С одной стороны это связано с большой потребностью и острым дефицитом конденсаторных батарей, а с другой стороны – с тем, что в условиях преобразовательных подстанций традиционный способ компенсации путем непосредственного включения конденсаторов в сеть сопровождается массовым выходом их из строя из-за перегрузки токами высших гармоник при возникновении резонансных явлений.

Не лучше дело обстоит и с гармоническим воздействием преобразовательных подстанций на питающие сети. На подавляющем числе предприятий указанных выше производств коэффициенты несинусоидальности напряжений и токов существенно превышают требования ГОСТ.

Основными техническими средствами компенсации реактивной мощности и улучшения спектров токов и напряжений на преобразовательных подстанциях являются:

а) синхронные компенсаторы;

б) тиристорные компенсаторы реактивной мощности;

в) пассивные фильтрокомпенсирующие устройства;

г) активные фильтры;

д) параметрические источники тока;

е) выпрямительные агрегаты с повышенными энергетическими показателями.

Несмотря на применение на ряде предприятий синхронных компенсаторов, интерес к этому способу компенсации в условиях преобразовательной нагрузки заметно упал.

Наоборот, во всем мире проводятся исследования и разработка статических (в основном тиристорных) компенсаторов реактивной мощности. Зачастую на эти же устройства дополнительно возлагаются функции фильтрации высших гармоник и снижения степени несимметрии питающих напряжений.

Повышенное внимание в настоящее время уделяется также совершенствованию схемных решений, методам расчета и вопросам практического применения фильтрокомпенсирующих устройств.

Новым направлением повышения качества напряжения в электрических сетях является использование активных силовых фильтров. Такие фильтры могут быть построены на базе схем типа инвертор тока с импульсной модуляцией интервалов проводимости вентилей; управляемых с помощью высокочастотной импульсной модуляции индуктивностей и емкостей; обращенного инвертора напряжения и др. В результате могут быть реализованы фильтры с перестраиваемыми параметрами и адаптивные фильтры, при необходимости и соответствующей установленной мощности решающие и проблему компенсации реактивной мощности.

Существенную роль в решении указанной выше проблемы способны сыграть индуктивно-емкостные преобразователи, в частности, параметрические источники тока. При преобразовании потребляемой из питающей сети энергии переменного тока в энергию стабилизированного постоянного тока в условиях изменения напряжения на нагрузке в широких пределах, когда в обычных преобразователях наблюдаются набросы реактивной мощности и заметные искажения сетевого тока, параметрический источник тока резко снижает указанный отрицательный эффект[16].

1.4.3 Статические тиристорные  компенсаторы реактивной мощности

При наличии быстрых и резкопеременных нагрузок становится перспективным применение статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих возможность безынерционного регулирования реактивной мощности. При этом улучшаются условия статической устойчивости энергосистемы в целом, что обеспечивает дополнительную экономию за счет повышения технико-экономических показателей работы электроустановок.

Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) являются перспективным средством рациональной компенсации реактивной мощности в силу присущих им положительных свойств, таких, как быстродействующее регулирование, подавление колебаний напряжения, симметрирование нагрузок, отсутствие вращающихся частей, плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть. Кроме того, эти устройства могут осуществлять плавное и оптимальное распределение напряжений, обеспечивая тем самым снижение их потерь в распределительных электросетях[9].

На рисунке 11 приведены основные варианты статических компенсирующих устройств. Они содержат фильтры высших гармоник и регулируемый дроссель в различных исполнениях.

Рисунок 11 – Схемы статических компенсирующих устройств[6]

 

В настоящее время известно большое количество вариантов схем, которые разделяют на три группы:

1)  мостовые источники реактивной мощности с индуктивным накопителем на стороне постоянного тока (рис. 11,а);

2)  реакторы насыщения с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис.11,б);

3)  реакторы с линейной вольт-амперной характеристикой и последовательно включенными встречно-параллельными управляемыми вентилями (рис. 11,в).

СКРМ обеспечивают одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты, фильтрацию высших гармонических, компенсацию изменений напряжения, а также симметрирование напряжения сети. Они состоят из управляемой части, обеспечивающей регулирование реактивной мощности, и энергетических фильтров, обеспечивающих фильтрацию высших гармоник тока нелинейной нагрузки.

Статические компенсирующие устройства обладают следующими преимуществами:

1)  высокое быстродействие изменения реактивной мощности;

2)  достаточный диапазон регулирования реактивной мощности;

3)  возможность регулирования и потребления реактивной мощности;

4)  минимальные искажения питающего напряжения.

Основными элементами статических компенсирующих устройств являются конденсатор и дроссель – накопители электромагнитной энергии – и вентили (тиристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.

Принцип работы статических источников реактивной мощности состоит в том, что выпрямленным током преобразователя индуктивность (реактор или дроссель с железом) заряжается магнитной энергией, которая инвертируется в сеть переменного тока с опережающим коэффициентом мощности[8].

В СКРМ при полном открывании вентилей реактивная мощность установки определяется разностью между мощностью, генерируемой фильтрами, и мощностью, потребляемой реакторами. По мере закрытия вентилей мощность, потребляемая реакторами, уменьшается, и при их полном закрытии мощность, генерируемая ИРМ, становится равной мощности фильтров.

На рисунке 12,а показана однолинейная схема включения статического компенсирующего устройства с преобразовательной нагрузкой, а на рис. 12,б – ее расчетная схема замещения.

Рисунок 12 – Принципиальная схема присоединения СКРМ к системе электроснабжения (а) и расчетная схема замещения (б)[1]

В ряде случаев помимо резонансных цепей фильтров, настраиваемых на частоты доминирующих высших гармоник тока нагрузки, в состав ТКРМ вводят параллельно присоединяемые конденсаторные батареи для фильтрации гармоник, порядок которых выше частоты настройки резонансных фильтров.

Быстрое развитие мирового производства статических тиристорных компенсаторов (СТК) определяется их преимуществами по отношению к традиционным средствам компенсации реактивной мощности в решении ряда актуальных задач электроэнергетики. К числу таких задач относится необходимость компенсации реактивной мощности в местах потребления электроэнергии и на промежуточных подстанциях длинных линий с целью повышения стабильности напряжения у потребителей, снижения потерь в линиях электропередач и сетях электроснабжения потребителей, повышения пропускной способности электропередач.

Рост протяженности, мощности и класса напряжения дальних электропередач выдвигает в число важнейших задач обеспечение средствами компенсации ограничения внутренних перенапряжений, статической и динамической устойчивости, эффективности автоматических повторных включений (АВК)[14].

В отечественной практике для уменьшения колебаний напряжения применяются быстродействующие синхронные компенсаторы типа СК-10000-8 мощностью 7,7 Мвар на напряжение 10 кВ и мощностью 10 Мвар на напряжение 6 кВ. Максимальная скорость изменения реактивной мощности, выдаваемой в сеть, по данным завода составляет 130 Мвар/с, возможна кратковременная работа с 2-кратной перегрузкой. Компенсаторы успешно работают на некоторых металлургических заводах, в частности в системе электроснабжения станов горячего проката.

Установленная мощность синхронного компенсатора при одном и том же графике реактивной нагрузки будет меньше, чем установленная мощность статического компенсирующего устройства. Синхронные компенсаторы обладают всеми недостатками вращающихся машин и имеют меньшее быстродействие по сравнению со статическими компенсаторами. Кроме того, в статических компенсирующих устройствах возможно пофазное управление.

На зарубежных металлургических заводах для снижения влияния на питающую сеть резкопеременных нагрузок применяются синхронные компенсаторы с высокой кратностью форсировки напряжения возбуждения и быстродействующей системой регулирования.

Фирма Simens (ФРГ) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 10MBА с ударной мощностью 30 MBА. Обмотка возбуждения компенсатора питается от нереверсивного тиристорного преобразователя с кратностью форсировки возбуждения по напряжению 13,2.

Фирма Fuji Electric Co совместно с Nisshin Electric Co (Япония) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 8 MBА с ударной мощностью 16 MBА. Компенсатор имеет бесщеточную систему возбуждения с кратностью форсировки по напряжению, равной 2.

Фирма ASEA (Швеция) выпускает синхронные компенсаторы номинальной мощностью 7,5 Мвар с ударной мощностью 30 Мвар.

В таблице 1 представлено качественное сравнение быстродействующих синхронных компенсаторов со статическими компенсирующими устройствами прямой и косвенной компенсации.

Таблица 1 – Сравнение параметров компенсирующих устройств

Параметры сравнения	Специальный синхронный компенсатор	Статические компенсирующие устройства
		прямой компенсации	косвенной компенсации
Скорость регулирования, с	Более 0,06	Менее 0,02	Менее 0,01
Регулирование	Плавное	Ступенчатое	Плавное
Строительная часть	Массивные фундаменты	Фундаменты не требуются, большая гибкость монтажа
Обслуживание	Смазка, охлаждение и т. д.	Обслуживания практически не требуется
Отношение Qуст к Qmax, отн. ед.	0,5–0,7, имеется возможность  перегрузки до 2-х кратной	1,0; перегрузка не допускается	2,0; регулируемая индуктивная  часть 1,0; емкостная нерегулируемая  часть 1,0
Работа на несимметричную нагрузку	Показное управление практически невозможно	Осуществляется пофазное управление практически без дополнительных затрат
Потери от номинальной мощности, %	2,5 – 4,0	0,5 – 1,0	1,0 – 2,0
Искажение питающего напряжения	Нет	Нет	Управляемый тиристорами ре-актор является источником высших гармоник

 

Статические компенсирующие устройства обладают рядом преимуществ по сравнению с быстродействующими синхронными компенсаторами. Основным преимуществом является их большее быстродействие. Существенна и возможность осуществления пофазного управления, что необходимо в сетях с быстроизменяющейся несимметричной нагрузкой.

В настоящее время разработано много типов статических компенсирующих устройств на базе управляемых реакторов и конденсаторов в основном с применением управляемых вентилей (тиристоров). Наибольшее распространение в зарубежной и отечественной практике получили устройства прямой и косвенной компенсации.