Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками

Параллельный фильтр представляет собой ряд звеньев, каждое из которых настроено на резонанс для частоты определенной гармоники. На практике обычно применяют фильтры, состоящие из звеньев, настроенных на частоты 5, 7, 11, 13, 23 и 25-й гармоник. Поперечный фильтр является одновременно и источником реактивной мощности и служит средством компенсации реактивных нагрузок. Параметры фильтров подбирают таким образом, чтобы звенья были настроены в резонанс на частоты фильтруемых гармоник, а их емкости позволяли бы генерировать необходимую реактивную мощность на промышленной частоте. В ряде случаев для компенсации реактивной мощности параллельно фильтру включают батарею конденсаторов.

На рисунке 6 показана схема включения фильтров в трехфазную сеть:

Рисунок 6 – Схемы силовых резонансных фильтров высших гармоник:

а – соединение в звезду; б – соединение в треугольник[22]

Основным недостатком фильтров является их высокая стоимость, обусловленная в основном стоимостью батарей конденсаторов. Поэтому применение фильтров целесообразно лишь в тех случаях, когда требуется не только не допустить проникновения в электрическую систему токов некоторых гармоник, но и скомпенсировать реактивную мощность в рассматриваемом пункте системы электроснабжения. Распространение фильтров ограничивает также большая их чувствительность к точности настройки. При неточной настройке звеньев фильтра эффективность его уменьшается и даже может иметь место увеличение гармоник напряжения на шинах подстанции.

Для эффективной работы фильтров их надо устанавливать, начиная с гармоники самого низкого порядка, возникающей при работе нелинейных нагрузок (с фильтра 5-й гармоники для вентильных преобразователей). При неправильном включении фильтров коэффициент несинусоидальности в точке их подключения не только не уменьшается, но и может значительно увеличиваться. Возникает значительная перегрузка батарей конденсаторов в цепи фильтра токами высших гармоник, которая ведет к выходу из строя конденсаторных батарей и фильтра высших гармоник.

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