Автоматическое регулирование реактивной мощности

3 АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕАКТИВНОЙ

МОЩНОСТИ

       

3.1 Состояние вопроса и постановка задачи проектирования

Режим работы электрической системы  характеризуется значениями показателей её состояния, называемых параметрами режимов. Все процессы в электрических системах можно охарактеризовать тремя параметрами: напряжением, током и активной мощностью. Но для удобства расчетов режимов применяются и другие параметры. В частности, реактивная и полная мощности. Следует помнить об условности толкования реактивной мощности как о мощности. Только активная мощность и энергия преобразуются в другие виды энергии и совершают работу.

        Особенностью производства и потребления электрической энергии является равенство произведенной и потребленной активной мощности в единицу времени. Следовательно, в электрической системе должен соблюдаться баланс для активных мощностей. При нарушении баланса активной мощности в системе наблюдается снижение частоты.

          В электрической системе суммарная генерируемая реактивная мощность должна быть равна потребляемой реактивной мощности.

При дефиците реактивной мощности происходит следующее:

• большая загрузка реактивной мощностью генераторов электрических станций приводит к перегрузке по току генераторов;
• передача больших потоков реактивной мощности от генераторов по элементам сети приводит к повышенным токовым нагрузкам, и как следствие, к увеличению затрат на сооружение сети, повышенным потерям активной мощности;
• недостаток реактивной мощности в системе влечет за собой снижение напряжения в узлах электрических сетей и у потребителей;
• при избытке реактивной мощности в системе, в элементах электрической сети возникают перетоки реактивной мощности встречно направлению активной мощности, что приводит к повышению напряжений в узлах и увеличение потерь мощности.

Отсюда возникает задача оптимизации  режима реактивной мощности в системе  электроснабжения промышленного предприятия, выбора типа и мощности, а также места установки компенсирующих устройств.

Регулирование реактивной мощности происходит различными методами и средствами. Применение в качестве компенсирующих средств синхронных электродвигателей дают хороший результат, но влечет за собой большие капитальные затраты на установку и на обслуживание.

Наиболее  распространенным средством регулирования реактивной мощности являются конденсаторные батареи. Они просты в устройстве и обслуживанию; имеют небольшие потери активной мощности (0,0045 кВт/кВар). Регулирование реактивной мощности посредством конденсаторных батарей происходит ступенями, путем деления их на части и при этом изменение коэффициента мощности происходит скачкообразно.  Это регулирование носит характер ручного регулирования, что приводит к ухудшению работы электрической системы. Чтобы изменение коэффициента мощности происходило плавно и автоматически необходимы дополнительные средства на её реализацию, что приводит к дополнительным затратам и потерям мощности.

В связи с выше изложенным внедряется устройство автоматического регулирования реактивной мощности, основанное на принципе вентильно-тиристорного управления. 

 

3.2 Решение задачи с применением конкретных инженерных разработок

Внедряемое устройство обеспечивает плавное изменение  коэффициента мощности. Компенсатор содержит трехфазный выпрямительный мост с вентилями VS1-VS12, конденсаторы С1-С3 для перевода тока с тиристорным вентилей VS2, VS4, VS6, VS8, VS10 и VS12 на запираемые вентили VS1, VS3, VS5, VS7, VS9 и VS11, трехфазный силовой трансформатор TV, через который выпрямительный мост присоединен к сети переменного тока, реактор LR, подключенный к полюсам моста. Вентили VS1-VS12 пронумерованы в порядке их отпирания импульсами управления. В качестве запираемых вентилей VS1, VS3, VS5, VS7, VS9 и VS11 изображены запираемые тиристоры.

Конденсатор в фазе А выпрямительного  моста между узлом, в котором соединены тиристорные вентили VS4 и VS10, и узлом, в котором соединены запираемые вентили VS7 и VS1. Аналогично включены конденсаторы С2 и С3 соответственно в фазах В и С моста.

При указанном включении конденсаторов С1-С3 фазные выводы А, В и С вторичной обмотки трансформатора TV необходимо соединить соответственно с узлами А, В и С соединения тиристорных вентилей VS2, VS4, VS6, VS8, VS10 и VS12. Этим достигается протекание их токов помимо конденсаторов С1-С3 и протекание токов запираемых вентилей VS1, VS3, VS5, VS7, VS9 и VS11 через эти конденсаторы. При проводимости запираемых вентилей VS1, VS5 и VS9 токи через соответствующие конденсаторы С1-С3 проходят в одном направлении, а при проводимости запираемых вентилей VS7, VS11 и VS3 – в обратном направлении. Этим обеспечивается периодический перезаряд конденсаторов.

Система управления компенсатором содержит датчики В1-В3 напряжения, подключенные к конденсаторам С1-С3, источники G1-G3 первичных импульсов запираемых вентилей и формирователи UB1-UB3 управляющих импульсов запираемых вентилей, относящихся соответственно к запираемым вентилям VS1,VS5 и VS9, источники G4-G6 первичных импульсов тиристорных вентилей и формирователи UB4-UB6 управляющих импульсов тиристорных вентилей, относящихся соответственно к тиристорным вентилям VS10, VS2 и VS6, элементы D1-D3 задержки и элементы И D4-D6.

Устройство управления для вентилей VS4, VS7, VS8, VS11, VS12 и VS3 анодной группы выполняются такими же, как для вентилей VS10, VS1, VS2, VS5, VS6 и VS9 катодной группы.

На графике кривых напряжения и  токов графической части дипломного проекта на оси 1 построена трехфазная система напряжений, подведенных к узлам А, В и С выпрямительного моста. Напряжения U_А, U_B и U_С – это фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора TV при холостом ходе. Последовательность этих напряжений определяет последовательность отпирания и включения вентилей VS1-VS12. На оси 2 показаны временные кривые токов i_10, i₂ и i₆ тиристорных вентилей VS10, VS2 и VS6 и токов i₁, i₅ и i₉ запираемых вентилей VS1, VS5 и VS9, на оси 3 – временные кривые токов тиристорных вентилей VS12, VS4 и VS8 и запираемых вентилей VS3, VS7 и VS11, на оси 4 – кривая напряжения U₁ конденсатора С1.

Два входа элемента И D4 соединены с источником G5 первичных импульсов и датчиком В1 напряжения. Элемент И D4 относится к запираемому вентилю VS1, а источник первичных импульсов G5 – к тиристорному вентилю VS2, т.е. к вентилю, который отпирается и включается следующим после вентиля VS1. На элемент И D4 сначала поступает сигнал от источника G5, а затем от датчика В1 напряжения. После этого элемент И D4 посылает сигнал на формирователь UB1, управляющих импульсов, который выдает отрицательный (запирающий) управляющий импульс на запираемый вентиль VS1. В результате последний запирается в момент, когда напряжение конденсатора С1 становится равным -U_co (с элементом И D4 соединен выход датчика В1 напряжения на котором сигнал появляется при напряжении конденсатора С1 -U_co).

Другой выход датчика В1 напряжения соединен с входом элемента И, который относится к запираемому вентилю VS7 (этот элемент не показан). В результате запирание вентиля VS7 происходит в момент, когда напряжение конденсатора С1 становится равным +U_co.

Аналогично входы элемента И D5 соединены с выходами источника G6 первичных импульсов и датчика В2 напряжения, а выход этого элемента И – с формирователем UB2 управляющих импульсов. Второй выход датчика В2 напряжения соединен с входом элемента И, который относится к запираемому вентилю VS11. Аналогично соединены элемент И D6, источник G4 первичных импульсов, датчик В3 напряжения и формирователь UB3 управляющих импульсов. Второй выход датчика В3 напряжения соединен с входом элемента И, который относится к запираемому вентилю VS3.

Работу компенсатора в режиме выдачи реактивной мощности рассматривают с помощью временных графиков.

До момента t₁ ток i₁₀ протекает через тиристорный вентиль VS10. В это время напряжение конденсатора С1 U₁ = +U_co (положительный заряд на правой обкладке конденсатора). Благодаря этому к запираемому вентилю VS1 прилагается анодное напряжение выше напряжения включения этого вентиля. В момент t₁ на запираемый вентиль VS1 поступает положительный (отпирающий) управляющий импульс и так как его анодное напряжение имеет достаточную величину, то он включается. Под действием напряжения конденсатора С1 ток быстро переходит с тиристорного вентиля VS10 на запираемый вентиль VS1. Ток i₁ вентиля VS1, проходя через конденсатор С1, производит его перезаряд.

В промежутке Dt напряжение конденсатора С1 U₁ снижается от +U_co  до величины, равной падению напряжения DU в запираемом вентиле VS1 и поэтому в течении этого промежутка времени к тиристорному вентилю VS10 прилагается отрицательное анодное напряжение. Емкость конденсатора С рассчитана так, что Dt > t_выкл , где t_выкл – время выключения тиристорного вентиля. Благодаря этому обеспечивается условие для восстановление управляемости тиристорного вентиля VS10 после того, как в момент t₁ его ток упал до нуля (он не может включиться, когда, спустя Dt, к нему прикладывается положительное анодное напряжение).

После момента t₁ через промежуток времени t_зад , задаваемый элементом D1 задержки, производится отпирание тиристорного вентиля VS2. Однако он еще не может включиться, так как в это время его анодное напряжение отрицательно. Промежуток t_выб выбирается таким образом, чтобы он был меньше  промежутка t₁-t₂ перезаряда конденсатора С1. В частности t_зад = t_выкл (тогда t_зад  меньше Dt).

К моменту t₂ напряжение конденсатора С1 становится равным –U_co. В этот момент времени датчик В1 напряжения посылает сигнал на вход элемента И D4. На другом входе этого элемента уже имеется сигнал, т.к. t_зад< t₁÷t₂. Элемент И D4 посылает сигнал на второй вход формирователя UB1 управляющих импульсов и в результате этого на запираемый вентиль VS1 поступает отрицательный (запирающий) управляющий импульс. Вентиль VS1 запирается. Ток i₁  быстро снижается до нуля. При этом на тиристорном вентиле VS2 анодное напряжение повышается скачком и становится положительным. Так как на его электроде управления уже имеется управляющий импульс, он сразу включается и начинает пропускать ток компенсатора.

Через половину периода (1/2 Т) после момента t₁ в момент t₃ положительный (отпирающий) управляющий импульс поступает на запираемый вентиль VS7. К этому моменту времени к запираемому вентилю VS7 приложено положительное анодное напряжение, которое выше напряжения его включения (это обеспечивается тем, что напряжение конденсатора С1 U₁ = -U_co и положительный заряд имеет левая обкладка конденсатора С1). В результате запираемый вентиль VS7 включается в момент t₃, и под действием конденсатора С1 ток практически мгновенно переходит с тиристорного вентиля VS4 на запираемый вентиль VS7.

Под действием тока i₇ запираемого вентиля VS7 в промежутке t₃-t₄ происходит перезаряд конденсатора С1: его напряжение U₁ изменяется от –U_co  до +U_co. При этом обеспечивается приложение отрицательного анодного напряжения к тиристорному вентилю VS4 на время Dt > t_выкл.

В момент t₄, когда U₁ становится равным +U_co, датчик В1 напряжения посылает сигнал на элемент И, относящийся к запираемому вентилю VS. В результате происходят прекращение тока запираемого вентиля VS7 и включение тиристорного вентиля VS8.

Аналогично протекают  процессы с перезарядом конденсаторов С2 и С3 и переходами тока тиристорных вентилей на запираемые в фазах В и С вентильного моста.

Работа компенсатора происходит при угле регулирования близком к     –90^о, благодаря чему его переменные токи опережают соответствующие напряжения на такой же угол и компенсатор выдает в сеть реактивную мощность.

Для перевода компенсатора из режима выдачи реактивной мощности в режим ее потребления достаточно изменить величину угла регулирования, сделав его близким к +90^о. В режиме потребления реактивной мощности можно перейти на естественную коммутацию тиристорных вентилей VS2, VS4, VS6, VS8, VS10 и VS12, исключая работу запираемых вентилей VS1, VS3, VS5, VS7, VS9 и VS11. При этом увеличивается ресурс вентилей VS1-VS12 и конденсаторов С1-С3.

 

3.3 Определение экономической эффективности специальной части

Эффект от применения устройства связан с уменьшением  эксплуатационных затрат при использовании однотипного компенсирующего устройства для всех электроприемников предприятия.

Средний экономический  эффект, получаемый от внедрения нового устройства компенсации реактивной мощности с автоматическим управлением  взамен старого устройства с ручным управлением следующей методике.

Согласно этой методике, средний экономический эффект определяется по формуле:

 

                    Э = (Иб + Ен ∙ Кб) – (Ин + Ен ∙ Кн),                             (3.1)

 

где И_б и И_н – эксплуатационные затраты на базовое и новое устройства компенсации реактивной мощности, тнг/год. устр.;

       К_б и К_н – капитальные вложения до и после внедрения нового устройства компенсации реактивной мощности, тнг/устр.;

       Е_н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,12.

        Подставляя численные значения И_б =19935 тнг.; И_н = 15846 тнг; К_б = =184500 тнг; Е_н = 0,12; К_н = 208500 тнг., определяем:

 

Э = (19935 + 0,12 ∙ 184500) – (15846 + 0,12 ∙ 208500) = 1209 тнг.

 

Срок окупаемости расчетных капитальных вложений определяем по формуле [3]:

 

                             Т_ОК = ,                                              (3.2)

 

где К₁ – расчетные, капитальные вложения базового устройства компенсации реактивной мощности, тыс. тенге;

     К₂ – расчетные, капитальные вложения нового устройства, тыс. тенге;

     И₁ – издержки на эксплуатацию объекта с базовым устройством компенсации реактивной мощности, тыс. тенге;

     И₂ – издержки на эксплуатацию объекта с новым устройством компенсации реактивно мощности, тыс. тенге.

 

                                       ^{Т_ОК = лет.}

 

       Таким  образом, мероприятия по компенсации  реактивной мощности на предприятии являются экономически оправданными и необходимыми.