Анализ показателей качества электрической энергии

       

       Рисунок 4.1 – Схема установки SVC.

       

       Рисунок 4.2 – Схема установки СТАТКОМ.

       Тиристорный ключ, управляющий силой тока в  реакторе, генерирует в сеть гармонические  составляющие, что послужило первой причиной для включения емкостей в систему фильтров. Другие причины  связаны с возникновением резонанса  из-за наличия емкостей в установке SVC. Часто затруднительно установить фиксированную значительную емкость  по экономическим причинам, что потребует  также установки модуля TCR большой  мощности. В таких случаях используют несколько конденсаторных батарей (модули TSC могут подключаться или  отключаться по отдельности), а модуль TCR будет иметь значительно меньшую  мощность и обладать функцией управления реактивной мощностью.

       В системах промышленного электроснабжения устройства SVC служат для поддержания  напряжения на шинах 6 (10) кВ при провалах напряжения, вызванных КЗ в цепях 110 (35) кВ. Устройства SVC ограничивают колебания  напряжения на шинах 6 (10) кВ, а гармонические  составляющие снижаются фильтро-компенсирующими  устройствами, состоящими из емкостей и реакторов, при этом улучшается и сosφ установки. Фильтро-компенсирующие цепи устройства SVC чаще настраиваются на частоты 250, 350 Гц, характеризуются высокими перенапряжениями в переходных процессах и поэтому требуют выключатель, способный работать с этими перенапряжениями при коммутациях.

       Быстродействующая компенсационная система состоит  из быстро и плавно изменяющейся индуктивной  и постоянной емкостной мощности. Часть системы с плавно изменяющейся индуктивной мощностью работает в противофазе с постоянно  включенной емкостной реактивной мощностью  и таким образом снижает изменения  реактивной мощности от электрической  системы и напряжения в месте  подключения SVC. Кроме того, поддерживается постоянным заданный коэффициент мощности. Это выполняется с помощью  реактора с тиристорным управлением (TCR), ток которого за счет быстродействующей системы управления может плавно регулироваться от нуля до номинальной величины.

       При открывании тиристоров на амплитуде  синусоидального напряжения системы  в реакторе течет чистый синусоидальный индуктивный ток. Величина этого  тока определена индуктивностью фазы силового реактора. Задерживая время  открытия тиристоров от максимума напряжения, реактивный ток может быть уменьшен. Если потребуется, контроль может осуществляться независимо на всех трех фазах установки. Устройство SVC снижает падение напряжения примерно от 20 до 30% при реактивной мощности 20 Мвар. Среднемесячный коэффициент  мощности трехфазной сети составит не менее 0,98. Для устройства SVC температура  окружающей среды в контейнерном исполнении — max +40С, min +5С, наружного исполнения — max +40С, min –35С, а полные потери мощности устройства — 40 кВт.

       В схеме (рис. 4.3) имеется конденсаторная батарея (Cd) на стороне постоянного напряжения (Ed), фазный реактор (Lр), широкополосный фильтр с элементами (Cф, Lф, Rф), настроенный на компенсацию высших гармонических составляющих. Если обозначить мощность устройства через Q и генерировать или потреблять реактивную мощность Q < QСTATКOM, то, таким образом, реактивная мощность узла нагрузки может изменяться от Qmax = QНГ+ QСTATКOM до Qmin = QНГ — QСTATКOM. Обычно мощность устройства QСTATКOM несколько больше максимальной реактивной мощности нагрузки QНГ, чтобы гарантированно обеспечить возможность поддержания заданного коэффициента мощности нагрузки. Когда напряжение в точке подключения остается постоянным, компенсатор СTATКOM ведет себя как компенсатор SVC. Однако при существенном снижении напряжения в узле нагрузки компенсатор СTATКOM становится источником тока, в то время как компенсатор SVC приобретает свойства конденсатора.

       Для управления устройством СТАТКОМ  используется генератор напряжения несущей частоты ШИМ, создающий  три синусоидальных модулирующих напряжения, образующих трехфазную систему. Управление тиристорами каждой фазы осуществляется независимо, путем наложения на напряжение несущей частоты соответствующей  синусоиды модулирующего напряжения. При этом должно соблюдаться следующее  условие: в любой момент должен быть включен лишь один из двух тиристоров каждой фазы. В момент пересечения  управляющих синусоидальных напряжений пилообразным напряжением треугольной формы uшим с частотой изменения fшим около 1 кГц происходит формирование импульсов управления вентилями. Неотъемлемым условием нормальной работы преобразователя напряжения является поддержание постоянным напряжения Еd на емкости, установленной в цепи постоянного тока. При QCTATKOM = 160 Мвар время изменения реактивной мощности на величину 160 Мвар составляет около 0,08 с, а перерегулирование не превышает 5% от величины скачка мощности. Среди множества функций таких компенсаторов классическими являются следующие:

-регулирование напряжения путем поглощения или возврата реактивной мощности;

-подавление подсинхронных колебаний.

       

       Рисунок 4.3 – Структурная схема работы ДКИН при различных видах КЗ.

       Преимущество CTATKOM перед синхронными компенсаторами заключается в более высокой  эксплуатационной надежности. По сравнению  с тиристорно-реакторными группами CTATKOM снижает вероятность возникновения  резонансных явлений, обусловленных  наличием конденсаторных батарей.

       Использование новой элементной базы — полностью  управляемых вентилей — создает  предпосылки для разработки схем преобразователей с качественно  иными энергетическими характеристиками.

       При снижении напряжения SVC ведет себя как  конденсатор, и реактивная мощность падает пропорционально квадрату напряжения, а система CTATKOM в этой ситуации переходит  в режим постоянного источника  тока, и напряжение на выводах конденсатора может поддерживаться постоянным. 

       5.Динамические  компенсаторы искажений напряжения.

       До  самого последнего времени проблема влияния КНЭ на работу электроприемников  решалась исключительно с помощью  источников бесперебойного питания  с аккумуляторным либо инерционным  накопителями энергии. Известно, что  провал напряжения в десятые доли секунды зачастую приводит к частичной  или полной остановке сложного автоматизированного  производства. Прямые и косвенные  ущербы предприятий и организаций  достигают десятков тысяч и даже миллионов долларов в год. Полные исчезновения напряжения составляют меньше 10% от общего числа нарушений электроснабжения, причем отключения продолжительностью более 1–2 сек. в 2–3 раза реже отключений длительностью менее 1 сек.

       Очевидно, что основное влияние на работу электроприемников  на предприятиях оказывают именно кратковременные, сравнительно неглубокие провалы напряжения.

       Ввиду того, что при кратковременных  нарушениях электроснабжения в энергосистеме:

-имеют  место отключения магнитных пускателей  и контакторов на напряжение 0,4 кВ, через которые запитаны основные  низковольтные потребители, влияющие  на работу высоковольтных электродвигателей;

-происходит  срабатывание технологических защит;

-часто  происходят сбои в программном  обеспечении,

       При модернизации схем внутреннего электроснабжения нами предлагается внедрять динамические компенсаторы искажений напряжения в сетях 0,4 кВ и 6 (10) кВ.

       Динамический  компенсатор искажений напряжения (рис. 5.1) контролирует поступающее напряжение, и, когда оно отклоняется от номинального, ДКИН вставляет соответствующее напряжение компенсации, используя IGBT-инвертор и последовательные вольтодобавочные трансформаторы.

       

       Рисунок 5.1 – Диаграмма работы ДКИН при  различных видах КЗ.

       ДКИН  предназначен для того, чтобы компенсировать влияния провалов напряжения на линиях, питающих чувствительное оборудование. Нормальное электроснабжение осуществляется и при провалах напряжения в питающей системе электроснабжения в связи  с тем, что ДКИН регулирует напряжение на нагрузке, приближая его к номинальному значению и устраняя кратковременные нарушения электроснабжения от энергосистемы.

       ДКИН  обеспечивают полную компенсацию провалов напряжения в пределах номинального при перегрузках по току в 200% в  течение не менее 30 сек., частичного исправления для трехфазных провалов напряжения вплоть до 50% и однофазных провалов до 55% в течение не менее 30 сек.

       ДКИН  гарантирует работу электрической  нагрузки без перерывов даже при  провалах напряжения. Отклик на кратковременные  нарушения электроснабжения (провалы  напряжения) ДКИН-АS намного превышает  показатели аналогичных устройств  корректировки напряжения. ДКИН предназначен для трехфазных посадок напряжения в энергосистеме стандартной  величиной до 35% и длительностью 200 мс.

       Основные  преимущества динамических компенсаторов  искажений напряжения: частичная  или полная защита от всех видов КЗ; время реакции на кратковременные нарушения электроснабжения 2 мс; эффективность работы устройств более 99% при 50%-ной нагрузке по отношению к мощности компенсатора и более 98,8% при 100%-ной нагрузке; низкая потребляемая мощность и малые эксплуатационные затраты; компенсация гармонических составляющих, фликеров; синусоидальная форма выходного напряжения; симметрирование напряжения на нагрузке; отсутствие батарей и высокая надежность. Для провалов напряжения вне заданной спецификации ДКИН поддерживает напряжение на нагрузке, но на уровне напряжения меньше номинального (100%).

       Модель  ДКИН-R обеспечивает непрерывное регулирование  напряжения к номинальному при трехфазных перенапряжениях до 110% номинального напряжения поставки. Характеристики регулирования напряжения для ДКИН-S и ДКИН-R напряжением 380 В для трехфазных и однофазных КНЭ показаны на (рис. 5.2 и 5.3), а габаритные размеры устройств ДКИН напряжением 380 В приведены на (рис. 5.4 и 5.5).

       В случае более глубокого падения  напряжения или с более длинной  продолжительностью ДКИН напряжением 10 кВ продолжает устранять искажения  напряжения в максимально возможной  степени согласно характеристике устройства (рис. 5.6).

       Свыше 100 устройств ДКИН с 2000 г . поставлены компаниям Ford, GM, Lucent, Square D, Fort James, FSI, OTI, International Rectifier, KLA Tencor, Applied Materials, M&M's Мars, Nestle, Engines Inc., LTV Copperweld, Eaton и др.

       

       Рисунок 5.2 – Характеристики регулирования  напряжения устройствами ДКИН-S при КНЗ для системы соединения обмоток трансформатора треугольник-звезда.

       

       Рисунок 5.3 – Характеристики регулирования  напряжения устройствами ДКИН-R при КНЗ для системы соединения обмоток трансформатора треугольник-звезда.

       Проведенные в МЭИ и СПбГГИ (под рук. д. т. н., проф. Абрамовича Б. Н.) исследования влияния КЭЭ показали, что при  нарушении нормативных ПКЭ сокращение срока службы силовых трансформаторов 10/0,4 происходит в 1,2–1,8 раза; АД — в 1,5–2,5; УПЕК — в 2,0–4,1 раза.

       В этих условиях использование динамических компенсаторов искажений напряжения на напряжение 10 или 0,4 кВ является тем  решением, которое обеспечивает безаварийную работу оборудования, решая 90% из всех проблем качества электрической  энергии (включая провалы, перенапряжения питающего напряжения и воздействие  гармонических составляющих на основное электрооборудование).

       

       Рисунок 5.4 – Габаритные размеры ДКИН на ток 700 А и напряжение 380 В.

       

       Рисунок 5.5 – Габаритные размеры ДКИН на ток 1500 А и напряжение 380 В.

       

       Рисунок 5.6 – Характеристики работы ДКИН при  одно-, двух и трехфазных провалах напряжения различной возможной длительности. 

       Внедрение динамических компенсаторов искажений  напряжения на 0,4 и 10 кВ обеспечит непрерывную  и надежную работу систем автоматики и контроллеров, основных механизмов в режимах кратковременных нарушений  электроснабжения, даст снижение потерь и потребления электрической  энергии, увеличит срок службы электродвигателей  и трансформаторов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Заключение.

       Исследование  качества электроэнергии (КЭ) является важной задачей для всех субъектов  электроэнергетического рынка. Низкое качество электроэнергии оказывает  негативное влияние на работу всех элементов системы электроснабжения. Различные исследования показывают, что нарушение качества электроэнергии обходится промышленности и в  целом деловому сообществу Европейского союза около 20 млрд. евро в год, в  экономике США стоимость ущерба оценивается более чем в 150 млрд. долларов в год (данные 2005 г.). В России, например, в исследовании, проводимом одним из основных производителей электроэнергии, замерялись только отклонения напряжения на 12 участках мощностью от 5 до 30 МВ·А, за 10 месяцев было зафиксировано 858 перепадов, 42 из которых привели  к сбоям и финансовым затратам, которые составили порядка 600 тыс. евро.