CC BY
55
Библиографический список
1. Автоклав АВТМ: руководство по эксплуатации АВТМ 3. Руководство для пользователей по применению прибо-2000-4000-12.5. Курган: Завод Курганхиммаш, 1987. ров Термодат. Приборостроительное предприятие «Систе-
2. Преобразователь давления измерительный РС-28: ру- мы контроля», Пермь, 2005. ководство по эксплуатации. М.: ООО «АПЛИСЕНС», 2001.
УДК 629.423.1:621.3.025
УПРАВЛЯЕМЫЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ
Ю.М.Кулинич1, В.К.Духовников2
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680056, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Представлены управляемый компенсатор реактивной мощности, повышающий энергетические показатели потребителя, а также результаты экспериментальных исследований. Ил. 4. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: четырехквадратный преобразователь; управляемый компенсатор реактивной мощности; реактивная мощность.
CONTROLLED COMPENSATOR OF REACTIVE POWER TO IMPROVE THE CONSUMED ENERGY QUALITY Yu.M. Kulinich, V.K. Duhovnikov
Far Eastern State University of Railway Engineering, 47, Seryshev St., Khabarovsk, 680021.
This article presents a controlled compensator of reactive power increasing consumer's energy performance, and demonstrates the results of experimental studies. 4 figures. 3 sources.
Key words: four-quadrant converter; controlled compensator of reactive power; reactive power.
Темпы мирового роста энергопотребления в последние годы составляют более 10% в год. Производство и потребление электрической энергии во всем мире растет, при этом проблемы снижения потерь при передаче и распределении электроэнергии выходят на передний план.
В настоящее время в промышленности находят значительное применение мощные дуговые и индукционные печи, вентильные электроприводы, выпрямители электролизных установок, высоковольтные электродвигатели и приводы к ним на насосных станциях водоканалов и газоперекачивающих станций. Указанные потребители вносят значительный вклад в общее потребление электроэнергии, приводят к увеличению потребления реактивной мощности и к искажению питающего напряжения.
Качество электроэнергии в России определяется следующими показателями качества электроэнергии (ПКЭ): отклонением напряжения, коэффициентом несинусоидальности напряжения, отклонением частоты, длительностью провала напряжения, импульсным напряжением, коэффициентом п - й гармонической составляющей, коэффициентом обратной и нулевой последовательности, размахом изменения напряжения и дозой колебаний напряжения. Все эти показате-
ли должны находиться в пределах, нормированных ГОСТом 13109 - 97.
В новом российском ГОСТе 51317.3.2 - 99 [1] нормируются показатели энергии, связанные не только с напряжением, но и с потребляемым током. В частности, новый ГОСТ ограничивает состав высших гармонических составляющих потребляемого тока. В связи с этим допустимая величина потребляемого тока оказывается существенно ограниченной, что является неприемлемым для большинства потребителей электроэнергии. Для выхода из этого положения необходимо улучшать форму потребляемого тока, приводя ее в соответствие с требованиями нового ГОСТа.
Как показывают результаты анализа, наибольшее искажение в потребляемый ток вносят потребители коммерческого сектора (офисы), больницы и школы, т.е. такие нагрузки, которые содержат большое количество электронной техники с выпрямительными блоками питания. К ним относятся лампы дневного освещения, нагревательные устройства, компьютеры, кондиционеры и т.д. С другой стороны, эта техника наиболее чувствительна к качеству питающего напряжения. Проблема высших гармоник коснулась и мощных электропотребителей, это связано с тем, что все
1Кулинич Юрий Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры электроподвижного состава, тел.: 89141992499, e-mail: kulinitsch@rambler.ru
Kulinich Yury Mikhailovich, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Electric Rolling-Stock, tel.: 89141992499, e-mail: kulinitsch@rambler.ru
2Духовников Вячеслав Константинович, аспирант, тел.: 89241062165, e-mail: slava_dvk@mail.ru Duhovnikov Vyacheslav Konstantinovich, postgraduate student, tel.: 89241062165, e-mail: slava_dvk@mail.ru
больше и больше электрических приводов становятся регулируемыми. Применение тиристорных схем для управления асинхронными двигателями, а также регулируемых приводов искажает форму тока, причем амплитуды отдельных гармоник достигают 9-13% тока первой гармоники. Поэтому в настоящий момент немаловажное значение играет грамотное использование устройств компенсации реактивной мощности.
Для компенсации реактивной мощности при средних напряжениях широко используются конденсаторные установки среднего напряжения со ступенчатым регулированием реактивной мощности. Они существенным образом компенсируют реактивную мощность, повышают cos ф, но не решают проблему искаженной формы потребляемого тока. Применение конденсаторных установок не является эффективным из-за их большого количества (для достижения необходимого уровня фильтрации включают до 8 фильтрующих цепочек).
Развитие элементной базы силовой электроники и новых методов высокочастотной модуляции привело к созданию в 70-х гг. ХХ в. нового класса устройств, улучшающих качество электроэнергии, - активных фильтров. На рис. 1 показана схема подключения активного фильтра. Активный фильтр состоит из четы-рехквадрантного (4qS) преобразователя, выполненного на базе /GBT-транзисторов V1 - V4, и обеспечивает
формирование на своем выходе тока 1к , компенсирующего отклонение формы тока нагрузки г" от же-
лаемой синусоидальной формы
К = 1 ветствует значение м
i
которой соот-
Рис. 1. Схема подключения активного фильтра
При синусоидальном питающем напряжении и1 = и\fiinat и полной компенсации реактивной
мощности для тока 1 можно записать: I = 1т$>1пю1.
По первому закону Кирхгофа для узла 1 (рис. 1) справедливо выражение
1к (() = - 1н (()
Амплитудное значение 1т потребляемого тока определяется активной мощностью Рн нагрузки, т. е.
при полной компенсации реактивной мощности из сети потребляется синусоидальный ток с амплитудой 1т, совпадающий по фазе с питающим напряжением. Величина высших гармонических составляющих в токе 1, связанная с работой 4дБ-преобразователя, определяется параметром индуктивности Ьк, играющей роль согласующего элемента. Эта индуктивность вос-
и
принимает разность питающего напряжения 1 и напряжения на выходе четырехквадрантного преобразо-
и
вателя 11. Для уменьшения пульсаций входного тока, вызванных переключениями в схеме 4дБ-преобразователя, можно повысить частоту переключений его транзисторов. Современные силовые ЮБТ-транзисторы могут коммутировать токи на частотах 1,5-2,5 кГц, что обеспечивает компенсацию гармоник тока нагрузки до 19-й включительно.
Если разделить потребляемую нагрузкой мгновенную мощность ) = и(V) • 1 (V) на мгновенные активную р(Ц и реактивную составляющие, то ток нагрузки соответственно также можно представить в виде активной 1р и реактивной = 1 - 1к составляющих. При идеальной фильтрации ток активного фильтра 1к =-1ч (V) осуществляет полную компенсацию реактивной составляющей мгновенной мощности д(Ц, связанной со сдвигом основной гармоники тока относительно питающего напряжения и наличием искажений в кривой потребляемого тока.
В структуре системы управления активным фильтром необходимо сформировать сигнал, пропорциональный желаемой форме кривой тока сети ) = 1
р синусоидальной формы, который опреде-р
ляется активной мощностью н, потребляемой нагрузкой. Действующее значение этого тока 1 рассчитывается по формуле
I = рн/и
где
и = um¡42 -
действующее значение питающе-
го напряжения.
Большинство систем управления преобразователями основаны на методе дельта-модуляция (8-модуляция). Этот способ отличает постоянная величина амплитуды высокочастотных колебаний, накладываемых на "гладкие" составляющие токов компенсатора и сетевого тока потребителя. Отклонение от заданной величины тока компенсатора не превышает ±8, при этом в токе присутствуют гармоники, имеющие широкий спектр частот.
В лаборатории ДВГУПС разработано устройство компенсатора реактивной мощности [3] (рис. 2), позволяющее осуществлять повышение коэффициента
мощности как за счет повышения cos ф, так и за счет приближения формы потребляемого тока к синусоидальной. Компенсатор не требует изменения схемы цепи нагрузки, поскольку нагрузка и компенсатор подключаются независимо и параллельно сети (рис. 3).
Рис. 2. Внешний вид устройства
Управление компенсатором представляет собой двухпроцессорную систему, выполненную на базе PIC - контроллеров PIC1 и PIC2. С помощью PIC1 в
I
соответствии с Ik = — осуществляется вычисление
действующего значения тока 1 , потребляемого нагрузкой. Для этого на вход контроллера подаются сигналы напряжения сети (датчик напряжения ДН) и тока нагрузки (датчик тока нагрузки ДТН). Во время АЦП-преобразования в PIC1 текущие значения сигналов тока и напряжения фиксируются с помощью устройств выборки-хранения УВХ1 и УВХ2.
Рассчитанное значение тока 1 передается в порт контроллера PIC2, с помощью которого форми-
Сеть 220 В
руется сигнал заданного значения входного тока i синусоидальной формы. Для этого в память EEPROM PIC2 записана "единичная" синусоида, аппроксимированная 128 значениями. С помощью первого и второго элементов сравнения ЭС1, ЭС2 осуществляется сложение и вычитание соответствующих сигналов токов.
Сигнал заданного значение тока компенсатора Аi через дельта-модулятор управляет переключением /GBT-транзисторов четырехквадрантного преобразователя (4qS), который формирует ток компенсатора. Сигнал тока компенсатора поступает на вход системы управления с выхода датчика тока компенсатора ДТК. Кроме этого, с помощью первого контроллера PIC1 дополнительно производится вычисление текущего значения мощности и коэффициента мощности, которое отображается на двухстрочном матричном индикаторе, установленном на передней панели компенсатора (на рис.3 не показан).
Устройство управляемого компенсатора реактивной мощности монтируется в щиток размерами 30*35*10 см, выпускаемый фирмой АВВ. Вес устройства компенсатора не превышает 2 кг. Оно удостоено серебряной медали на международной выставке-конгрессе (10-13 марта 2009 года, г. Санкт-Петербург) «Высокие технологии, инновации, инвестиции» в номинации «Лучший инновационный проект в области энергосберегающих технологий».
Результаты работы устройства показаны на рис. 4,
из которого следует, что потребляемый из сети ток i имеет синусоидальную форму и совпадает по фазе с
питающим напряжением ^. Благодаря полной компенсации реактивной мощности достигаются высокие энергетические показатели потребителя, в частности, значение коэффициента км = cos^- v « 1.
УВХ2
PIC1 PIC2
w
ДТК
ЭС2
\г
Т
ЦАП
ЭС1
4qS
Ô
A i
Рис. 3. Схема включения компенсатора
к
Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований
Оценим экономическую эффективность от применения однофазного компенсатора реактивной мощности. Стоимость основных комплектующих такого устройства составляет Рс = 6870 руб. с учётом заработной платы. Принимаем в расчете, что однофазный потребитель мощностью 3 кВт работает в течение 20 часов в сутки. За время одного года он остается в работе в течение 7200 ч. При принятой мощности потребителя 3 кВт годовой расход электроэнергии составит 21 600 кВт-ч. При наибольшей стоимости 1 кВт-ч электроэнергии в районах Дальнего Востока в размере 1,69 руб (сентябрь 2009 года) стоимость потребленной в течение одного года электроэнергии составит 36 504 рубля.
При невыполнении требований ГОСТ Р 51317.3.2 - 99 по качеству потребляемого тока к потребителю применяют штрафные санкции, выражающиеся в увеличении тарифа на потребленную электроэнергию. Принимаем в расчете, что увеличение тарифа в этом случае составит 10%, что приведет к дополнительным расходам на оплату электроэнергии в размере РД = 3650 рублей, т.е. за низкое качество потребляемого тока потребитель несет убытки в размере 3650 рублей в год.
Оценим, кроме этого, убытки, связанные с потреблением из энергосистемы несинусоидального тока. Принимаем искаженную форму потребляемого тока в виде прямоугольников. При принятой в расчете мощности потребителя 3 кВт потребляемый из сети с напряжением 220 В ток составит
3000 ,„ ^ .
1т =-= 13,6 А.
220
Величина третьей гармоники составит 13,6/3 = 4,54 А, пятой - 2,73 А и т.д. Действующее значение потребляемого тока с учетом высших гармоник составит
1 = л/^ 1кт =
^ V 13,62 + 4,542 + 2,732 +... = 14,96 А.
При подключении управляемого компенсатора реактивной мощности компенсируются все высшие гармоники, поэтому потребляемый при этом ток составит 13,6 А. Таким образом, включение компенсатора приводит к уменьшению потребляемого тока на 1,36 А.
Рассчитаем эффект от снижения потерь мощности в линии передачи энергии от подстанции до потребителя, обусловленного таким уменьшением потребляемого тока. Примем, что потребитель находится на расстоянии 1 км от подстанции и питается от воздушной ЛЭП, состоящей из алюминиевых проводов
(р = 0,026 Ом• мм2/м) стандартного сечения 16
мм . Сопротивление двухпроводной линии 1,625 • 2 = 3,25 Ом и потери мощности равны 126 Вт.
Годовые потери электроэнергии составят
126 Вт • 20 час• 30 дней -12 мес =
= 907,2 кВт час или РП =1533 рубля.
Таким образом, суммарные убытки, связанные с потреблением несинусоидального тока, составят 5 183 руб.
Срок окупаемости от внедрения компенсатора реактивной мощности, найденный как частное от затрат на изготовление устройства (стоимость компенсатора) к убыткам, которые несет потребитель без подключения компенсатора, составит
Т = -
Рс
6870
= 1,32 года.
РД + РП 3650 +1533
Таким образом, сравнительно небольшая стоимость управляемого компенсатора реактивной мощности и малый срок его окупаемости свидетельствуют о высокой эффективности такой системы.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 51317.3.2 - 99 (МЭК 61000-3-2 - 95) Эмиссия 2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники.
гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). М.: ГОССТАНДАРТ РОССИИ, 1999.
Электрические цепи: учебник .10-е изд. М.: Гардарики, 2000. 638 с.
3. Патент №2383984. Устройство для компенсации реактивной мощности. МПК 7 Н 02 Л 3/18. Кулинич Ю.М. Опубл. в БИ №7 10.03.2010.
