CC BY
1426
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 537.315.6
Веприцкий Д. В., Юдаев И. В.
Vepritsky D. V., Yudaev I. V.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
FREQUENCY CONVERTERS APPLICATION FOR REACTIVE POWER FACTOR INCREASING
В связи с задачей поддержания нормированного коэффициента реактивной мощности в распределительных сетях напряжением 0,4 кВ, с помощью которых осуществляется электроснабжение потребителей сельскохозяйственных территорий, возникает необходимость применения специальных средств и методов регулирования перетоков реактивной мощности. Коэффициент реактивной мощности зависит от соотношения потребления активной и реактивной мощностей. Наличие у сельскохозяйственных потребителей большой доли реактивной нагрузки приводит к возникновению в сетях электроснабжения излишних потерь активной мощности и напряжения.
В рамках комплексного подхода по управлению потоками реактивной мощности и регулированию уровней напряжений у потребителей в электросетях на сельскохозяйственных территориях предлагается использовать распределительную сеть с использованием преобразователей частоты. В настоящее время рассматривается возможность технической реализации возможности передачи электрической энергии не на промышленной частоте, а на альтернативных частотах, например, в несколько герц. Формирование потока электроэнергии переменного напряжения не промышленной частоты предлагается выполнять с помощью преобразователей частоты на полностью управляемых тиристорах. Современные разработки преобразователей могут работать как на прием, так и на выдачу реактивной мощности, обеспечивая при этом требуемое качество электроэнергии, а именно синусоидальность, коэффициент реактивной мощности и требуемые уровни напряжения, в пределах установленных норм.
Применение преобразователей частоты для передающих линий приводит к снижению уровня потерь активной мощности на величину до 30 % и к снижению уровня потерь напряжения на величину до 50 % за счет снижения коэффициента реактивной мощности, что теоретически обосновано. При распределении мощности в сетях с малым и средним напряжением основное внимание сосредоточено на соотношение активной и реактивной мощностей, оптимизацию и стабильность напряжения у потребителя, что достигается генерацией реактивной мощности на распределительном уровне, за счет применения разработок с преобразователями частоты на полностью управляемых тиристорах, обеспечивая коэффициент реактивной мощности в пределах близких к нулю.
Ключевые слова: потери мощности и напряжения, частотные преобразователи, передача электрической энергии не на промышленной частоте, качество электрической энергии.
To solve the problem of maintaining a normalized reactive power ratio in the 0.4 kV voltage distribution networks, providing power supply to consumers of rural areas, there is necessary to use special means and methods of reactive power flows regulation. Power factor depends on the ratio of active and reactive power consumption. The presence of a reactive load large proportion among agricultural consumers leads to power in the networks of excessive active power and voltage losses.
As part of a comprehensive approach of managing reactive power flow and regulate voltage levels among consumers in power network in agricultural areas there is offered to use the distribution network with frequency converters. At present, there is considered the possibility of power transmission technical implementation using not the industrial frequency, but alternative frequencies, for example several hertz. Formation of the AC electric power flow of no industrial frequency is proposed to perform with the help of frequency converters on a fully-controlled thyristors. Modern development of converters can operate at the reception, and the issuance of reactive power, while providing the required electricity quality, namely sinusoidal, power factor and required voltage levels within the established norms.
The frequency converters use for transmission lines leads to a reduction of active power losses by up to 30 % and voltage losses by up to 50 % by reducing the reactive power coefficient that is theoretically justified. When power distribution networks with small and medium voltage focuses on the ratio of active and reactive power, consumer voltage optimization and stability, that are achieved by the reactive power generation at the distribution level, through the use of developed units with frequency converters on a fully-controlled thyristors, providing a reactive power ratio in the range near zero.
Key words: power and voltage losses, frequency converters, electric energy transmission on the not industrial frequency, power quality.
Веприцкий Дмитрий Владимирович -
начальник службы электрических режимов центра
управления сетями филиала ОАО «МРСК Юга» -
«Волгоградэнерго», аспирант
ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный
аграрный университет»
г. Волгоград
Тел.: 8-917-844-07-09
Е-таИ: wdw@ve.mrsk-yuga.ru
Vepritsky Dmitriy Vladimirovich -
Head of electric modes department of network management center, a branch of OJSC «Interregional Grid Company of South» - «Volgogradenergo», a graduate student FGBOU VPO Volgograd State Agricultural University Volgograd
Tel.: 8-917-844-07-09 Е-mail: wdw@ve.mrsk-yuga.ru
в
естник АПК
Ставрополья
№ 2(18), 2015
Юдаев Игорь Викторович -
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Энергетика», зам. директора по научной работе Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВПО Донской государственный аграрный университет в г. Зернограде г. Зерноград Тел.: 8-905-397-64-17 Е-mail:etsh1965@mail.ru
Агроинженерия
Yudaev Igor Viktorovich -
Doctor in Technical Sciences, Professor of «Energy Department» of the Azov-Black Sea Engineering Institute
of FGBOU VPO «Don State Agrarian University» Zernograd
Tel.: 8(863) 594-11-61 Е-mail: etsh1965@mail.ru
27
Приказом Минпромэнерго России № 49 от 22 февраля 2007 г. утвержден порядок расчета соотношения активной и реактивной мощности для потребителей электрической энергии и установлены предельные значения коэффициента реактивной мощности, при определении условий передачи электроэнергии между потребителями и сетевыми организациями [5]. Поскольку распределительные сети электроснабжения сельских поселений и сельскохозяйственных предприятий, в основном представлены линиями электропередачи напряжением 35-10(6) кВ и 0,4 кВ, то для них нормативным коэффициентом реактивной мощности (/£ р) установлены значения 0,4 и 0,35 соответственно.
Характер передачи мощности по распределительным сетям, в значительной мере, зависит от типа и состава получающих от них питание электроприемников. Формируемое повышенное значение коэффициента реактивной мощности приводит к росту технологического расхода электроэнергии на ее транспортировку, тем самым снижая экономичность работы электрической сети.
На экономические показатели транспортировки электрической энергии потребителям заметное влияние оказывает наличие баланса реактивной мощности в центрах питания. Как известно кроме активной мощности некоторые электроприемники потребляют значительное количество реактивной мощности. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели (60-65 % общего потребления), трансформаторы (20-25 %), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10 %).
Для сельскохозяйственных потребителей электрической энергии наиболее распространенной нагрузкой являются электроприводы с асинхронными двигателями [4]. В следствии этого коэффициент реактивной мощности для центров электроснабжения сельских территорий может составлять диапазон значений 0,5-0,6.
Сегодняшний уровень развития сельскохозяйственного производства характерен ростом числа предприятий промышленного типа, что увеличивает потребление как активной, так и реактивной мощности. Применение большого количества двигателей мощностью до 5 кВт с невысоким коэффициентом мощности, а также использование источников освещения и об-
лучения, например, на люминесцентных лампах, потребляющих реактивную мощность, приводит к дополнительному ухудшению баланса мощности в центрах питания и увеличивает технологический расход электроэнергии на ее транспорт (потери) у сетевых компаний, а наличие протяженных сельских сетей характеризуется значительным снижением уровня напряжения у потребителей. Работа с высоким коэффициентом реактивной мощности и редкое применение ее компенсации в сельских распределительных сетях определило необходимость решения вопросов по обеспечению качества электроэнергии и приведению коэффициентов мощности в рамки установленных значений.
В сельских сетях основные потери электрической энергии приходятся на распределительные сети напряжением 0,4 кВ. В виду удаленности электроприемников от центра питания, монтаж и установка устройств компенсации на шинах 0,4 кВ трансформаторных подстанций 10(6)/0,4 кВ не приведет к значительному снижению потерь активной мощности в сети 10(6)-0,4 кВ. Эффект снижения потерь и нормализации баланса мощности в центрах питания может быть достигнут только при установке устройств компенсации на вторичных вводных распределительных пунктах 0,38/0,22 кВ, то есть в местах непосредственного потребления реактивной мощности - на распределительных пунктах (РП) или трансформаторных подстанциях (ТП) потребителей [3]. Установка устройств компенсации непосредственно у потребителей затруднительна в первую очередь в силу экономического фактора так как в настоящее время нет платы за реактивную мощность. Также следует учитывать и фактор управляемости компенсирующего устройства особенно для потребителей с сезонной, суточной нагрузкой, потому что в периоды простоя компенсирующее устройство, как правило, неуправляемое или дискретно управляемое, и это может привести к частым случаям перекомпенсации, что для распределительной сети в большинстве случаев неприемлемо.
В рамках комплексного подхода по управлению потоками реактивной мощности и регулированию уровней напряжений у потребителей в сетях сельских поселений нами предлагается использовать распределительную сеть с использованием преобразователей частоты. В настоящее время рассматривается возможность технической реализации передачи электриче-
28
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник ЛПК
Ставрополья
скои энергии не на промышленной частоте, а на альтернативных частотах, например, в несколько Герц [1]. Формирование потока электроэнергии переменного напряжения не промышленной частоты требует использования специальных технических устройств - преобразователей частоты на полностью управляемых тиристорах. Опыт применения тиристорных преобразователей в современных системах электроснабжения показывает надежную их работу и управляемость в широких пределах.
Эти преобразователи могут работать как на прием, так и на выдачу реактивной мощности, обеспечивая при этом качество электроэнергии, а именно синусоидальность и требуемые уровни напряжения, в пределах установленных норм. В общем случае, для поддержания баланса мощности в центре питания, применение тиристорных преобразователей может сформировать коэффициент реактивной мощности близким к нулевому значению за счет работы устройства с четырех квадрантными выходными характеристиками [2], пример которой приведен на рисунке.
Принцип работы преобразователя на полностью управляемых тиристорах основан на их свойствах проводимости: отпираются они как традиционные тиристоры, а запереть их можно импульсом отрицательной полярности подавая его на тот же электрод управления. Полная управляемость тиристора позволяет в четырёх квадрантах системы координат «ток - напряжение» осуществлять выпрямление и инвертирование тока с потреблением и выдачей реактивной мощности за счёт его опережающего значения. Более того, в течение времени проводимости можно с определённой частотой и по определённому закону многократно включать и отключать тиристоры, добиваясь малого искажения формы тока и напряжения в сети питания.
ратившись к рисунку. На шинах энергосистемы напряжение и1 и на шинах потребителя напряжение и - синфазные, причем класс напряжения энергосистемы и передающей линии один, и он показан окружностью. В то же, время напряжение и может изменяться в пределах регулировочных способностей преобразователя. Предполагаемая область потребления мощности из энергосистемы показана заштрихованной. За счет возможностей полностью управляемых тиристоров активный 1а, реактивный 1р и полный I токи нагрузки могут изменяться в пределах рассматриваемого квадранта. В случае простоя потребителя преобразователь может работать как управляемый источник или компенсатор реактивной мощности.
Для наглядного представления работы сети с преобразователями частоты рассмотрим сравнение количественных показателей потерь активной мощности и потерь напряжения для воздушной линии 0,4 кВ, учитывая случаи полной компенсации реактивной мощности и при фактической нагрузке (без компенсации). Преобразователь частоты установлен в распределительном пункте 0,4 кВ между ним и электроприемниками потребителя.
Потери активной мощности определяются, в случае полной компенсации реактивной, по выражению:
ДР
Р2 *рл *1* 10-:
и
(1)
где
На шинах энер1 асисгемы
Рисунок - Возможности работы преобразователя на полностью управляемых тиристорах
Работу преобразователя на полностью управляемых тиристорах можно оценить об-
Р - активная мощность, передаваемая по ВЛ, кВт; РЛ - среднее значение удельного сопротивления питающей линии от центра питания до распределительного пункта, Ом/км; Ь - протяженность питающей линии, км; и -номинальное напряжение питающей сети, кВ.
Потери активной мощности определяются, в случае отсутствия компенсации реактивной, по выражению:
£2 *р 10-3 ДР =---(2)
и
где - полная мощность, передаваемая
по ВЛ, кВА.
Результаты расчетов потерь активной мощности в линии передачи электроэнергии при 1§ф = 0,6 представлены в таблице 1.
Из анализа результатов расчетов таблицы 1 видно, что применение преобразователей частоты может привести к снижению уровня потерь в передающих линиях на величину до 30 % за счет снижения коэффициента реактивной мощности. При этом получаемый эффект по компенсации реактивной мощности приемлем как для коротких, так и для протяженных линий.
Вестник АПК
Агроинженерия . № 2(18), 2015 ■ ■
Таблица 1 - Результаты расчетов потерь активной мощности
Q,кВАр AU, %
L, км 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Вид сети Обычная С преобразователем Обычная С преоб-разовате-лем Обычная С преоб-разовате-лем Обычная С преоб-разовате-лем Обычная С преоб-разовате-лем
25 1,3 1,0 2,6 1,9 3,9 2,9 5,2 3,8 6,5 4,8
50 2,6 1,9 5,2 3,8 7,8 5,7 10,4 7,6 13,0 9,5
75 3,9 2,9 7,8 5,7 11,7 8,6 15,6 11,4 19,4 14,3
100 5,2 3,8 10,4 7,6 15,6 11,4 20,7 15,3 25,9 19,1
125 6,5 4,8 13,0 9,5 19,4 14,3 25,9 19,1 32,4 23,8
150 7,8 5,7 15,6 11,4 23,3 17,2 31,1 22,9 38,9 28,6
Потери напряжения ДШ в питающей линии, как для сети с преобразователями, так и без, определяются по выражению:
ьил = (Р * я0+д * х0) * (3>
где Я0 - удельное активное сопротивление от центра питания до РП, Ом/км; Х0 - удельное реактивное сопротивление от центра питания до РП, Ом/км.
Результаты расчетов потерь напряжения в воздушной линии электропередачи при 1§ф = 0,6 приведены в таблице 2.
Анализ данных таблицы 2 показывает, что применение преобразователей частоты может привести к снижению уровня потерь напряжения в передающих воздушных линиях на величину до 50 % за счет снижения коэффициента реактивной мощности. Для кабельных линий эффект снижения потерь напряжения менее заметен в виду малого реактивного сопротивления и здесь не рассматривается.
Таблица 2 - Результаты расчетов потерь напряжения
Q,кВАр AU, %
L, км 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Вид сети Обычная С преоб-разова-телем Обычная С преоб-разова-телем Обычная С преоб-разова-телем Обычная С преоб-разова-телем Обычная С преоб-разова-телем
25 -1,9 -1,0 -3,8 -1,9 -5,7 -2,9 -7,6 -3,8 -9,5 -4,8
50 -3,8 -1,9 -7,6 -3,8 -11,3 -5,7 -15,1 -7,6 -18,9 -9,5
75 -5,7 -2,9 -11,3 -5,7 -17,0 -8,6 -22,7 -11,4 -28,4 -14,3
100 -7,6 -3,8 -15,1 -7,6 -22,7 -11,4 -30,3 -15,3 -37,8 -19,1
125 -9,5 -4,8 -18,9 -9,5 -28,4 -14,3 -37,8 -19,1 -47,3 -23,8
150 -11,3 -5,7 -22,7 -11,4 -34,0 -17,2 -45,4 -22,9 -56,7 -28,6
По примеру таблицы 2 можно судить о том, что применение преобразователей частоты может рассматриваться, как аналог монтажа и установки у потребителя мощных стабилизаторов напряжения для поднятия уровня напряжения. При этом если потребитель все же установит для своих нужд стабилизаторы напряжения, которые являются электроприемниками с достаточно высоким коэффициентом реактивной мощности, он поспособствует еще большему росту потерь напряжения. При наличии преобразователей частоты такого негативного влияния на сеть не будет наблюдаться.
Эффективность электрификации процессов в современном сельском хозяйстве в зна-
Литература
1. Веприцкий Д. В. Построение распределительной сети на основе частотных преобразователей // Интеграция науки и производства - стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО : материалы международной научно-практической
чительной степени зависит от качества и экономичности электроснабжения потребителей. При распределении мощности в сетях с малым и средним напряжением основное внимание обращено на соотношение активной и реактивной составляющих мощности, оптимизацию и стабильность напряжения у потребителя, путем генерации реактивной мощности на распределительном уровне, что дает возможность применения разработок с преобразователями частоты на полностью управляемых тиристорах и обеспечение коэффициента реактивной мощности в пределах близких к нулю.
References
1. Vepritsky D. V. Distribution network building based on frequency converters // D. V. Vepritsky / Science and production integration - a strategy for Russian agricultural sector sustainable development at the WTO. Proceedings of the international
30
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
конференции, посвященной 70-летию Победы в Сталинградской битве (30.01 — 01.02.2013 г., Волгоград) / ФГБОУ ВПО ВолГАУ. Волгоград, 2013. Т. 4. С. 268-271.
2. Кощеев Л. А., Балыбердин Л. Л., Лози-нова Н. Г. Преобразователи ППТ и ВПТ [Электронный ресурс] / ОАО «НИИПТ». Режим доступа: http://www.ruscable.ru/ article/Preobrazovateli_toka_PPT_i_VPT//. (дата обращения: 24.02.2015.)
3. Компенсация реактивной мощности. К вопросу о технико-экономической целесообразности [Электронный ресурс] / В. Овсейчук, Г. Трофимов, А. Кац, И. Винер, Р. Укасов, А. Шимко // Новости электротехники. 2008. № 4 (52). Режим доступа : http://news.elteh.ru/arh/2008/52/08. php. (дата обращения: 24.02.2015).
4. Перова М. Б. Качество сельского электроснабжения: комплексный подход : монография. Вологда : Вологодский государственный технический университет, 1999. 72 с.
5. О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергоприни-мающих устройств (групп энергоприни-мающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения)» (Зарегистрировано в Минюсте РФ 22.03.2007 № 9134) : приказ Министерства промышленности и энергетики РФ № 49 от 22 февраля 2007 г. Режим доступа: http://www.consultant.ru/ document/cons_doc_LAW_66814/. (дата обращения: 24.02.2015).
scientific-practical conference dedicated to the 70th anniversary of Stalingrad Battle Victory. 30.01 ... 01.02.2013 g., Volgograd. Volume 4 - Volgograd: VPO Volgan, 2013. -p. 268-271.
2. Koshcheev L. A. PPT and VPT converters [electronic resource] // L. A. Koshcheev, L. L. Balyberdin, N. G. Lozinova. JSC «NIIPT». - Access URL: http://www.ruscable. ru/article/Preobrazovateli_toka_PPT_i_ VPT// - 02.24.2015.
3. Ovseychuk V. A. Reactive power compensation. On the question of the technical and economic feasibility [electronic resource] / V. Ovseychuk, G. Trofimov, A. Katz, J. Wiener, R. Ukasov, A. Shimko // News of electrical engineering. - 2008. -№4 (52) - Access URL: http://news.elteh.ru/ arh/2008/52/08.php. - 02.24.2015.
4. Perova M. B. The rural power supply quality: an integrated approach: a monograph / M. B. Perova - Vologda: Vologda State Technical University, 1999. - 72 p.
5. Order of the Ministry of Industry and Energy of the Russian Federation № 49 from 22 February 2007 «On the procedure for calculatingthe valuesof the active and reactive power consumption ratio for the individual power receivers (groups of power units) of electricity consumers, used to determine the parties' obligations in contracts for services electric power transmission (power supply contract)» (Registered in the Ministry of Justice on 22.03.2007 №9134). - Access URL: http://www.consultant.ru/document/ cons_doc_LAW_66814/. - 02.24.2015.
