Дипломная работа: Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками

Отклонение значений емкостей батарей конденсаторов и индуктивностей реакторов, входящих в состав фильтров, обусловливается целым рядом факторов, которые можно разделить на субъективные и объективные.

К субъективным причинам относятся отсутствие опыта проектирования, изготовления, монтажа и промышленной эксплуатации силовых фильтров, отсутствие научно обоснованных методик и аппаратуры настройки фильтров перед эксплуатацией и подстройки их в процессе эксплуатации.

К числу объективных факторов можно отнести изменение емкостей батарей конденсаторов и индуктивностей реакторов в зависимости от температуры нагрева, изменение индуктивных и емкостных сопротивлений фильтров при изменении частоты питающей сети, ступенчатое регулирование индуктивности реактора фильтра с помощью отпаек, последствия аварийных режимов в фильтрах[22].

Наиболее простым методом снижения несинусоидальности является выделение нелинейных нагрузок на отдельную секцию шин, подключенную к одной обмотке многообмоточного трансформатора или реактора. Допустимое значение коэффициента несинусоидальности на шинах с нелинейной нагрузкой определяется только условиями надежной работы автоматических систем управления и самих нагрузок. Возможно и противоположное решение: рассредоточение нелинейных нагрузок по различным узлам систем электроснабжения исходя из допустимого уровня несинусоидальности[12].

Следует отметить, что в настоящее время ведутся широкие исследования способов и средств уменьшения высших гармоник в электрических сетях. Известны предложения по применению усложненных законов управления вентильными преобразователями, при которых не только значительно снижается влияние преобразователей на форму кривой напряжения сети, но и одновременно уменьшается потребление ими реактивной мощности.

1.4 Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения преобразовательных установок

1.4.1 Технические трудности, возникающие при использовании конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности

Широкое использование вентильных преобразователей в промышленности приводит к необходимости решать вопросы уменьшения их воздействия на питающую сеть, и в первую очередь вопросы компенсации реактивной мощности.

Известно, что наиболее экономичным средством для компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи. Это объясняется их преимуществами перед другими средствами компенсации реактивной мощности, а именно: возможность применения как на низком, так и на высоком напряжении; малые потери активной мощности (0,0025–0,005 кВт/квар); наименьшая удельная стоимость (за 1 квар) по сравнению с другими компенсирующими устройствами; простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей); простота производства монтажа (малая масса, отсутствие фундамента); возможность использования для установки любого сухого помещения.

Но в сетях с повышенным содержанием высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, применение обычных средств компенсации реактивной мощности, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, связано с техническими трудностями.

При необходимости компенсации нагрузок с быстроизменяющейся реактивной мощностью применяемое повсеместно регулирование мощности конденсаторной батареи путем подключения или отключения ее секций с помощью механических выключателей оказывается затруднительным, а часто и невозможным в связи с высокой стоимостью, малым быстродействием и низкой механической прочностью выключателей, а также ступенчатым характером регулирования мощности батареи. Возможно, кроме того, возникновение ударных коммутационных сверхтоков, зависящих от момента подключения батареи конденсаторов к питающей сети, а также 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.

Практика работы промышленных предприятий свидетельствует о том, что батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, которая возникает, как правило, из-за того, что конденсаторные батареи изменяют частотные характеристики систем и способствуют возникновению резонанса токов. При подключении батареи конденсаторов к шинам подстанции, питающей мощную вентильную нагрузку, какое бы ни было значение емкости батареи, всегда найдется такая группа гармоник, при которых конденсаторы вступают в режим резонанса токов (или близкий к нему) с индуктивностью сети.

Токи резонансной группы гармоник, генерируемые вентильным преобразователем в сеть, значительно уменьшаются, и можно говорить о том, что напряжения гармоник резонансной группы приложены к батарее конденсаторов непосредственно. В то же время емкостное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается с увеличением номера гармоники. Это приводит к тому, что через БК протекают значительные токи резонирующих гармоник, соизмеримые, а иногда и значительно превосходящие ток первой гармоники. Перегрузки по току на конденсаторы допускают до 30%, по напряжению – до 10% от номинальных значений. На самом деле за счет появления резонансных явлений перегрузка по току может достигать 400–500%, т.к. токи резонансных частот могут значительно превышать ток первой гармоники. При выборе мощности и места установки конденсаторных батарей необходимо учитывать возможные резонансы тока и напряжения на одной из гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой.

Например, на одном из промышленных предприятий для компенсации реактивной мощности по проекту установлены конденсаторные батареи общей мощностью 11500 квар. Но ввести их в работу оказалось невозможным из-за наличия в цепи высших гармоник тока, которые появлялись при работе полупроводниковых выпрямительных агрегатов. Резкие толчки тока достигали 150–180 % номинального, что приводило к выходу из строя конденсаторов: за 5 ч работы вышло из строя 50 конденсаторных банок общей мощностью 1400 квар. Наблюдалось "ненормальное гудение" конденсаторных батарей, отключение масляных выключателей от максимальной защиты. В то же время без компенсации реактивной мощности нормальная работа установок невозможна, так как при этом коэффициент мощности составляет 0,57–0,6[22].

Работу батарей конденсаторов в условиях несинусоидального напряжения необходимо рассматривать с позиций взаимного влияния высших гармоник питающей сети и батарей конденсаторов.

Проведенные многочисленные экспериментальные исследования доказали, что в системах электроснабжения промышленных предприятий, имеющих мощные вентильные преобразователи, несинусоидальность напряжения, как правило, превышает нормируемые пределы, достигая в ряде случаев 20%. Поэтому на предприятиях с вентильной нагрузкой вопросы компенсации реактивной мощности до конца не решены.

Расчеты параметров схемы включения конденсаторной батареи с вентильным преобразователем с целью компенсации реактивной мощности показывают, что при этом общее действующее значение тока конденсаторной батареи во много раз превысит допустимое, что приведет к ее повреждению. Общий коэффициент несинусоидальности напряжения также резко увеличивается в точке присоединения конденсаторной батареи.

На рисунке 7 дана схема распределительной сети, питающей тиристорный преобразователь, в которой для компенсации реактивной мощности используется конденсаторная установка.

Рисунок 7 – Схма подключения конденсатора к преобразовательному трансформатору (а) и схема замещения (б)[1]

На рисунках 8–10 показаны напряжение питающей сети и токи батареи конденсаторов различной мощности, подключенных для компенсации реактивной мощности к вентильной нагрузке.

Рисунок 8 – Осциллограммы, полученные на физической модели (рис. 7): а – фазного напряжения в точке 1; б – тока в конденсаторной батарее (С = 1 мкФ)

В токе конденсаторной батареи І1 = 100 %, І7 = 50 %, І11 = 60 %, І13 = 50 %, І17= 60 %, І19 = 60 %, І29 = 60 %, І35 = 60 %, І37 = 140 %, І55 = 125 %, І59 = 160 %, І61 = = 140%, І71 = 125 % І1. Перегрузка конденсатора по току составляет 370 %, КНС = = 16 %.

Здесь же даны уровни отдельных гармоник тока, протекающих через конденсаторную батарею, и общая перегрузка конденсаторов токами высших гармоник.

Рисунок 9 – Осциллограммы, полученные на физической модели (рис.7): а – фазного напряжения в точке 1, КНС = 38 %;б – тока в конденсаторной батарее (С = 15 мкФ)

В токе конденсаторной батареи І1 = 100 %, І7 = 90 %, І11 = 250 %, І13 = 225 %, І17= 70 %, І19 = 80 % І1. Перегрузка конденсатора по току составляет 400 %.

Рисунок 10 – Осциллограммы, полученные на физической модели (рис.7): а – тока в конденсаторной батарее (С = 70 мкФ);б – фазного напряжения в точке 1, КНС = 44 %

В токе конденсаторной батареи І1 = 100 %, І5 = 160 %, І7 = 60 % І1. Перегрузка конденсатора по току составляет 200 %[22].

Таким образом, непосредственное применение батарей конденсаторов в целях компенсации реактивной мощности в сетях с вентильными нагрузками проблематично. В каждом конкретном случае необходим расчет токовой перегрузки батарей резонансной группой гармоник. В некоторых случаях такие расчеты необходимо производить до гармоник достаточно высокого порядка, особенно при малых емкостях конденсаторных батарей[6].

1.4.2 Особенности компенсации реактивной мощности в сетях со специфическими нагрузками

На основании указанного выше можно сделать вывод о том, что в сетях со специфическими нагрузками (к ним относят нелинейные, несимметричные и резкопеременные нагрузки) существуют определенные особенности компенсации реактивной мощности, которые заключаются в следующем:

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10