Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии

Энергоинформ / Опыт профессионалов / Компенсация реактивной мощности в электрических сетях без конденсаторных батарей

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях без конденсаторных батарей

Большинство потребителей электрической энергии (ЭЭ) имеет индуктивный характер — асинхронные двигатели, трансформаторы, газоразрядные и люминисцентные лампы и т.п. При их работе из сети потребляется не только активная (полезная) мощность, но и реактивная мощность (РМ), которая необходима только для создания электромагнитного поля. Передача РМ по элементам сети (линии, трансформаторы и др.) вызывает дополнительные потери за счет увеличения суммарного тока. Наличие этих потерь приводит к необходимости выработки дополнительной ЭЭ, то есть к дополнительному расходу энергетического топлива (уголь, газ, мазут и др.).

Компенсация реактивной мощности (КРМ) в электрических сетях с использованием батарей статических конденсаторов (БСК), имеющих емкостной характер, является одним из эффективных способов снижения потерь электроэнергии (ЭЭ) и повышения ее качества в точках потребления. Важность и значимость КРМ подтверждается тем, что для стимулирования работ в этом направлении в России, например, введен в действие «Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии (утв. приказом Министерства энергетики РФ от 23 июня 2015 г. N 380).

Однако одной из проблем применения БСК в сетях с несинусоидальными токами и напряжениями является снижение их эффективности из-за перегрузки токами высших гармоник, а в ряде случаев и невозможности их использования без фильтров гармоник (ФГ), которые увеличивают стоимость и производственные площади под установку БСК. А таких сетей достаточно много и с каждым годом их становится всё больше в связи с внедрением новых технологий, базирующихся на использовании выключателей и коммутаторов использующих тиристоры и силовые ключи IGBT (промышленные и городские электрические сети 0,4-0,69 кВ и выше), частотных преобразователей для электропривода (нефтедобывающая и газодобывающая промышленность и др.), развитием электрических тяговых железнодорожных и городских сетей (электровозы, электропоезда, трамваи, применением различных выпрямительных установок (электролиз, зарядка аккумуляторов электротранспорта и т.д.) и др.

БСК могут быть различных видов: высокого и низкого напряжения, регулируемыми (ступенчато или плавно, автоматически или нет) или нерегулируемыми, с фильтрами гармоник (ФГ) или нет. На рисунке 1 показаны БСК 0,4 кВ без и с ФГ.

Рис.1 – БСК 0,4 кВ без ФГ (слева) и с ФГ (справа)

Вместе с тем кроме БСК известны также способы и устройства (далее — компенсаторы) КРМ их не использующие. Эти способы основаны на «искусственной» циркуляции РМ по фазам индуктивной нагрузки без потребления её из трехфазной и сниженном потреблении из однофазной сети с синусоидальным [1,2] и несинусоидальным [3-5] напряжениями. Компенсатор подключается между сетью и нагрузкой.

В этих устройствах эффект автоматической стабилизации коэффициента мощности Cos ф, определяемого соотношением активной и реактивной мощностей, на уровне близком к единице, при изменении характера и величины нагрузки в широких пределах, достигается посредством устранения контура обмена реактивной энергии индуктивной нагрузки и электрической сети трехфазного переменного тока. То есть с использованием электронных ключей создаётся контур перетекания реактивного тока (реактивной электрической мощности) с фазы на фазу индуктивной нагрузки в соответствии с циклом её работы и вся реактивная мощность зацикливается в трехфазной нагрузке. Для однофазной нагрузки реактивная мощность частично зацикливается в нагрузке компенсатора. Другими словами, из сети реактивная мощность не потребляется (для трехфазной нагрузки) или потребляется в меньшем количестве (для однофазной нагрузки) и, тем самым, устраняются (или снижаются) потери активной и реактивной мощности и энергии в контуре «источник электроэнергии — потребитель» от нежелательного перетекания в нём реактивных токов.

Настоящий проект предполагает разработку и изготовление опытно-промышленных образцов однофазных и трехфазных компенсаторов для индуктивных электрических нагрузок с низким коэффициентом мощности с последующим серийным выпуском компенсаторов.

Долевое участие отдельных видов электроприемников (ЭП) в общем балансе реактивной мощности может быть представлена таблицей 1 [6], из которой видно, что асинхронные двигатели, электробытовые приборы и лампы, а также электропечные установки (индукционные печи и др.) являются самыми значимыми видами ЭП с точки зрения потребления РМ. Электрические трансформаторы являются промежуточным звеном между генерирующими устройствами и ЭП поэтому повышение эффективности их работы осуществляется косвенно: через КРМ у потребителей, получающих питаний с шин трансформатора.

Таблица 1 — Долевое участие электроустановок в формировании РМ

Вид потребителя	Долевое участие в %
Асинхронные двигатели	50
Силовые трансформаторы	25
Электробытовые приборы и лампы	10
Электропечные установки	5
Воздушные ЛЭП и реакторы	5
Электросварка	2
Преобразовательные установки	2
Прочие	1

Следовательно, компенсаторы целесообразно использовать в первую очередь для асинхронных двигателей, осветительной нагрузки и индукционных печей.

В таблице 2 приведены значения ожидаемой эффективности от применения устройств КРМ [7] при 100% компенсации РМ. Как отмечалось ранее при КРМ однофазной нагрузки с использованием компенсатора экономия ЭЭ будет несколько ниже значений, указанных в табл.2.

Таблица 2 — Ожидаемая эффективность от применения устройств КРМ

Устройство	Экономия электроэнергии, %	Примечание
Лампа ДРЛ	30 … 50
Лампа дневного света	30 … 50	Без электронного запуска
Индукционные печи	30 … 50
Электродвигатели	25 … 45
Холодильник	20 … 40	Без встроенной функции КРМ
Кондиционер	20 … 40
Стиральная машина	20 … 35
Электроинструмент	15 … 40
Станки	25 … 45
Сварочный аппарат	25 … 40	В зависимости от загруженности
Нагревательные приборы, лампы накаливания	0

На сегодняшний день изготовлен опытный однофазный образец компенсатора мощностью 2 кВт и напряжением 220 В (внешний вид опытного образца показан на рис.3, а осциллограммы тока и напряжения при работе компенсатора с активно-индуктивной нагрузкой — на рис.4). В компенсаторе не используются БСК и регулятор обеспечивает требуемую точность настройки минимального потребления из сети РМ при несинусоидальном напряжении сети.

На данном образце проведены исследования, которые показали работоспособность заложенных в патентах [3-5] принципов работы компенсатора, отработаны законы управления электронными ключами и определена требуемая элементная база (тиристорные и оптронные ключи, полевые транзисторы и др.).

Рис. 3 — Внешний вид однофазного опытного образца (слева) и осциллограммы тока и напряжения при работе компенсатора на активно-индуктивную нагрузку (справа)

Технико-экономические показатели компенсатора для трехфазной сети можно, например, сравнить с широко распространенным в практике КРМ техническим решением, предполагающим использование БСК с тиристорным регулированием (тиристорными ключами) ступеней подключения конденсаторов (рис.4):

• у компенсатора отсутствуют БСК, что заметно удешевляет его стоимость;
• стоимость системы управления компенсатора сопоставима по стоимости с системой автоматического управления для обычных БСК с тиристорным управлением;
• производственные площади и объемы шкафов у компенсатора меньше;
• для компенсатора нет необходимости в дополнительном оснащении фильтрами высших гармоник при несинусоидальном напряжении сети для защиты БСК.

То есть технико-экономические показатели компенсатора однозначно выше в сравнении с БСК, управляемыми тиристорами.

Рис.4 — Тиристорная конденсаторная установка 0,4 — 0,69 кВ

Компенсаторы могут быть использованы практически для всех однофазных и трехфазных потребителей ЭЭ с низким коэффициентом мощности независимо от уровней несинусоидальности напряжения питающей сети:

Однофазные компенсаторы:

• бытовые потребители (квартиры, дома и коттеджи);
• организации и учреждения, использующие офисную технику (компьютеры, ксероксы, принтеры и др.);
• небольшие предприятия и организации ЖКХ (мастерские, станции технического обслуживания, пекарни, рестораны, гостиницы и др.), локомотивные депо, офисы и т.п.

Трехфазные компенсаторы:

• бытовые потребители (многоквартирные дома, коттеджи);
• объекты ЖКХ (офисные здания и бизнес-центры, магазины, рестораны и кафе, гостиницы, плавательные бассейны и др.);
• промышленные предприятия, инфраструктура железнодорожного транспорта (локомотивные депо и др.), предприятия Водоканала, котельные и т.п.;
• различные выпрямительные установки для электролиза, зарядки аккумуляторов электротранспорта и т.д.;
• распределительные электрические сети (на отходящих линиях низкого напряжения трансформаторных подстанций и распределительных пунктов с высокими уровнями несинусоидальности напряжения, то есть на трансформаторных подстанциях 6-10/0,4 кВ, подключённых к тяговым сетям, сетям нефте- и газодобывающих предприятий с высокой долей электродвигателей с частотным регулированием и др.).

Ищем партнёров, инвесторов и единомышленников.

Список использованных источников

1. Дудышев В.Д. Радикальная экономия электроэнергии // Сайт «Независимый Научно-Технический Портал NTPO.COM» [Электронный ресурс]. URL: http://www.ntpo.com/izobreteniya-dudysheva/6853-radikalnaya-ekonomiya-elektroenergii.html
2. Регулятор напряжения // А.с. № 1372464 СССР. 1985. Опубл. 07.02.88, бюл. №5. / Дудышев В.Д., Нестеренко В.М., Левинсон М.М. и Катаев О.И.
3. Регулятор переменного напряжения // Патент Республики Казахстан на изобретение № 18019. 2005. Опубл. 15.12.2010, бюл. № 12. / Сысоев В.В., Хоменко А.А.
4. Регулятор переменного напряжения // Инновационный патент Республики Казахстан № 25700. 2011. Опубл. 16.04.2012, бюл. № 4. / Сысоев В.В., Черемнов Л.А.
5. Регулятор переменного напряжения // Патент на полезную модель Российской Федерации № 113092. 2011. Опубл. 27.01.2012, бюл. № 3. / Черемнов Л.А., Сысоев В.В.
6. Зорин В.В., Тисленко В.В. Системы электроснабжения общего назначения. — Чернигов, ЧГТУ, 2005. — 341 с.
7. Компенсатор мощности БКМ-10 // Сайт «SDS Экономьте с нами» [Электронный ресурс]. URL: https://sdsauto.com/kompensator_moschnosti.html

Подготовил: В.В. Сысоев
E-mail: new_tech2019@mail.ru
Тел.: +7 (985) 120-14-35