CC BY
10Н.В. Савина, А.В. Резниченко
ВЛИЯНИЕ СМЕШИВАЕМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
In this article influence of blendability of the electric loadings is estimated on the indexes of the total graph of knot loadings and expedience of adjusting of power of compensating device.
Задача компенсации реактивной мощности (КРМ) в системах электроснабжения занимает важное место в общем комплексе вопросов повышения эффективности передачи, распределения и потребления электрической энергии. Правильное решение задачи в значительной степени предопределяет экономию денежных и материальных ресурсов, повышение качества электроснабжения. Это весьма важно в условиях рынка.
КРМ напрямую влияет на прибыль сетевых распределительных компаний, так как от нее зависят уровень потерь электроэнергии в сетях, значение напряжений в узлах сети и соответствие требованиям по качеству электроэнергии, управляемость и устойчивость режимов работы сетей. Можно сказать, что принятые уровни и средства компенсации в итоге влияют на надежность и устойчивость сети в целом.
При КРМ часто стоит вопрос о том, какие компенсирующие устройства необходимо применять - регулируемые или нет. Целесообразность использования регулируемых средств КРМ определяется графиками электрической нагрузки. Анализ графиков электрической нагрузки позволяет оценить необходимость регулирования мощности компенсирующего устройства и выбрать его способ.
Целью данной работы является оценка влияния смешиваемости электрических нагрузок на показатели суммарного графика узла нагрузки и целесообразность регулирования мощности компенсирующего устройства.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) систематизация видов КРМ;
2) анализ типовых графиков электрических нагрузок потребителей и влияния их смешиваемости на вероятностные характеристики применительно к суммарным графикам электрической нагрузки;
3) анализ целесообразности регулирования средств КРМ в зависимости от формы графика электрической нагрузки.
Основными источниками реактивной мощности в электрических сетях являются генераторы электростанций и синхронные компенсаторы. Генерируемая этими источниками реактивная мощность передается в промышленные, городские и сельские распределительные сети.
По техническим и экономическим соображениям целесообразна компенсация реактивной мощности на месте ее потребления. Большая роль при этом отводится новым техническим средствам, позволяющим улучшить энергетические характеристики: повысить коэффициент мощности (cos$) до заданных значений, уменьшить содержание гармоник в питающем напряжении. Кроме того, КРМ позволяет уменьшить потери напряжения, обеспечив желаемые уровни напряжения в узлах; и увеличить пропускную способность элементов сети.
В связи с этим различают продольную и поперечную компенсации. Продольная осуществляется за счет врезанной в линию конденсаторной установки (КУ), поперечная выполняется путем установки КУ в узлах нагрузки. На первый вид КРМ характеристики графиков электрической нагрузки, их форма не влияют, а второй вид напрямую зависит от графика электрической нагрузки в узле или в ветви схемы.
По способу осуществления поперечная КРМ делится на централизованную и индивидуальную.
При индивидуальной компенсации КУ подключается непосредственно к электроприемнику. Индивидуальная компенсация наиболее эффективна, когда большая часть реактивной мощности потребляется небольшим числом нагрузок за достаточно длительное время.
Централизованная КРМ предусматривает установку КУ либо на шинах центров питания, либо в узлах нагрузок потребителей и обеспечивает более эффективное их использование, позволяет снизить затраты на установку КУ в сети в целом.
Анализ стоимости КУ регулируемого и нерегулируемого типов показал, что различие в цене таких устройств одной номинальной мощности весьма существенно (в несколько раз).
Для поперечной КРМ применяются следующие типы КУ: батареи конденсаторов (БК); статические источники реактивной мощности (ИРМ); статический тиристорный компенсатор (СТК); синхронный компенсатор (СК); шунтирующий реактор (ШР); многофункциональные устройства, компенсирующие реактивную мощность и низкое качество электроэнергии (в дальнейшем - многофункциональные устройства).
Таким образом, характеристика видов и способов КРМ позволяет сделать вывод, что поперечная КРМ, выполненная КУ емкостного или индуктивно-емкостного типа, чувствительна к графикам электрической нагрузки.
Для правильного выбора типа КУ и решения вопроса о необходимости установки регулируемых, нерегулируемых и многофункциональных КУ необходимо проанализировать суточные графики электрических нагрузок.
Суточный график активной нагрузки электрической сети характеризует совокупность нагрузок всех потребителей. Если электрическая сеть имеет преобладающую бытовую нагрузку, то вечерний максимум значительно больше утреннего. В сетях с преобладанием промышленной нагрузки имеются два явно выраженных максимума: утренний и вечерний, причем утренний, как правило, больше. На конфигурацию суточного графика нагрузки влияют естественная освещенность и температура воздуха.
Суточные графики реактивной нагрузки электрической сети в основном определяются токами намагничивания и рассеяния асинхронных двигателей, а также потерями реактивной мощности в линиях и трансформаторах. На суммарные суточные графики реактивной нагрузки оказывают влияние режимы работы линий напряжением 220 кВ и выше, перетоки мощности в другие системы, общий уровень компенсации реактивной мощности в сети. Следовательно, наблюдается взаимосвязь графиков электрической нагрузки по реактивной мощности и установившимся режимом.
Суммарные суточные графики электрических нагрузок, зависящие от состава электроприемников, необходимы для: Вестник АмГУ (Вып. 43, 2008)
определения нагрузок электрических сетей, трансформаторов и суммарной величины электрической нагрузки потребителя или сетевой компании;
определения коэффициента мощности на отдельных трансформаторах и в целом по объекту;
определения колебаний напряжения в случае резкопе- ременной нагрузки; определения показателей графиков электрической нагрузки (коэффициента формы, коэффициента максимума, коэффициента заполнения и т.д.).
Суточные графики нагрузки позволяют правильно оценить режим работы электрооборудования и объекта в целом, выявить узкие места и резервы, установить оптимальный режим их работы.
Графики электрических нагрузок строятся на основе информации о режимах потребления электроэнергии отдельных потребителей в течение определенного периода и характеризуются вероятностными характеристиками электрической нагрузки. К ним относятся:
максимальная мощность (Р ), т.е. средняя мощность в период получасового максимума нагрузки энергосистемы;
средняя мощность (Р) - математическое ожидание возможных значений нагрузки в течение анализируемого временного периода;
эффективная мощность (Р_.,~ Р..) — математическое ожидание квадратов мощности за анализируемый временной период;
минимальная мощность (Р ,) - среднее значение нагрузки в часы минимума нагрузок энергосистемы.
Распределительные сетевые компании оперируют с суммарными графиками электрических нагрузок по ПС, которые строятся по дням контрольных замеров и формируются составом потребителей на каждый час суток.
В рассматриваемом случае построение графиков электрической нагрузки необходимо, чтобы определить влияние доли нагрузок различных потребителей на суммарный график электрической нагрузки подстанции, а также оценить целесообразность регулирования мощности КУ и выбора принципа регулирования.
Для анализа смешиваемости графика электрической нагрузки потребителей в суммарном графике сетевой ПС в качестве объекта исследования выбраны
равномерный график, график, имеющий максимум в дневное время суток, и график с максимумом в вечернее время суток. Этим условиям соответствуют графики электрической нагрузки следующих потребителей: цветная металлургия (рис. 1), машиностроение (рис. 2) и городской массив (рис. 3). Зима: PWBriaiKBart
0 1 2 3 4 5 5 ?? Я 1011 12 131415 1617 18 19 2Я И 22 23 24 , чж Лето:
PlM0rJ.Q|W8ap) I— эз
S 1 i ! < S I П 9 10 4 12 1314 17 1819 SO Й 23» X и
Рис. 1. Суточные графики электрической нагрузки, потребитель - цветная
металлургия.
Зима:
p-l.ffiTj.CIMB*,
е—г-*—™.....................—.—
0 1 2 3 4 S S 7 В 9 10 11 12 «3 14 15 1617 1819 ТВ П 72 23 2* Лето:
Р (МВт]. Q (МВар)
« И JM U П 101« 1213 1415 18 iM8 «9 Ж Я 2174 Я и.с
Рис. 2. Суточные графики электрической нагрузки, потребитель -
машиностроение. оима:
F N3^ QiMSapl
а 1 г з в Лето:
Р (МВт) S |УВ«)
is ;1 »г is й 1$ч.е t? iaisзв» ма» , 04л [
О 1 2 3 * S К ? 8 9 10 11 1213 М ^ 16 U 18 18 20 21 22 23 24 1 те
Рис. 3. Суточные графики электрической нагрузки, потребитель - городской массив.
В результате проведенного анализа получено: график электрической нагрузки цветной металлургии имеет равномерный характер в течение суток, колебания нагрузки незначительны. В графике электрической нагрузки машиностроения скачки наблюдаются с 8 до 11 часов (утренний максимум), с 13 до 16 часов и ярковыраженный провал с 11 до 13 часов; городская нагрузка отличается большой неравномерностью в течение суток. Как видно из представленных графиков, нагрузка меняется случайным образом, поэтому целесообразно произвести анализ вероятностных характеристик исследуемых графиков.
Расчет вероятностных характеристик и построение графиков суммарной электрической нагрузки выполнялись с помощью программного комплекса «Расчет сети». В качестве примера для расчета принимаем суммарную мощность подстанции - 80 МВт, в структуру которой входит нагрузка вышеперечисленных потребителей. Измене
ние нагрузки каждого потребителя производится в диапазоне от 0% до 100% поочередно.
С помощью полученных вероятностных характеристик были определены следующие показатели графиков электрической нагрузки: коэффициент формы, коэффициент максимума и коэффициент заполнения.
Коэффициент формы определяется как отношение среднеквадратической мощности к средней мощности: К=Рск/Рср. (1)
Коэффициент максимума представляет собой отношение максимальной мощности к средней мощности:
Коэффициент заполнения' определяется следующим образом: 30 20 10
0 Н--11 1 И1 1 1 11--1-! 1Г ! Г 1 1 Г I
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
• Для определения влияния смешиваемости нагрузки рассматриваемых потребителей на суммарный график электрической нагрузки подстанции необходимо изменить процентный состав нагрузки каждого потребителя.
В результате проведенных расчетов были получены зависимости вероятностных характеристик от процентного состава каждого потребителя: цветная металлургия (рис. 4), машиностроение (рис. 5) и городская нагрузка (рис. 6).
Сравнительный анализ вероятностных характеристик при 100% нагрузке каждого в отдельности потребителя в общем ее составе по подстанции в целом представлен в таблице.
В качестве примера, показывающего влияние смешиваемости нагрузки на вероятностные характеристики, рассмотрим изменение нагрузки потребителя «Машино-Рср, МВт 74 -
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 00% 100% Рмах, МВт Рмах, МВт PMiri, МВт
20-----------------------------------------
Ю------------------------------------------
0 Т! 111 Г—111111111 11--1 1 Г
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Рис. 4. Зависимости вероятностных характеристик от процентного состава
потребителя «Цветная металлургия».
Рмт, МВт
Рис. 5. Зависимости вероятностных характеристик от процентного состава потребителя «Машиностроение».
Рис. 6. Зависимости вероятностных характеристик от процентного состава
потребителя «Городская нагрузка».
Сравнительный анализ вероятностных характеристик
Вероятностные ха-рактери-стики Потребители
цветная металлургия машиностроение город
Реп, МВт 75,87 71,53 57,33
Рек, МВт 75,89 71,74 60,4
Р,ах, МВт 79,86 82,1 94,57
P„im МВТ 71,88 60,97 20,1
строение». Постепенное увеличение этой нагрузки приводит к получасовому увеличению потребления мощности, причем конфигурация графика не меняется. В результате изменяются вероятностные характеристики электрической нагрузки: Р кР увеличиваются, а Р - умень-г -> со ск и мах
шается (рис. 5). Коэффициент формы (Кф) и коэффициент максимума (К.) зависят от изменяющихся вероятностных характеристик. Так как Рс> и Ра_ увеличиваются, а Рмах уменьшается, то Кл и Км монотонно убывают.
Анализ полученных результатов позволяет определить, при каком процентном соотношении нагрузки необходимо регулировать мощность КУ. Для этого необходимо построить зависимости коэффициента формы и коэффициента максимума от процентного изменения электрических нагрузок, по которым можно определить необходимость регулирования. Как показали исследования, регулирование мощности КУ целесообразно в тех случаях, когда коэффициент формы суммарного графика электрической нагрузки подстанции больше 1,3, а коэффициент максимума - больше 1,2.
Из графиков для К (рис. 7) и Ки (рис. 8) видно, что значение коэффициента формы для каждого потребителя не превышает 1,3 , а значение коэффициента максимума при изменении процентного состава потребителя «Городские нагрузки» превышает значение 1,2 (рис. 8). Следовательно, необходимо регулировать мощности КУ ка всем диапазоне процентного изменения нагрузки этого потребителя. При изменении процентного соотношения нагрузки цветной металлургии в диапазоне от 0% до 50% нужно регулировать мощности КУ, а от 55% до 100% регулирова-
0,99 -------------------------------------
0,98 -------------------------------------
0,97 , , , , , , , , ,-,-,-, , , , , , , ,
0% 10% 20% 30% 40% 504. 60% 70% 80% 90% 100%
Рис. 7. Зависимость коэффициента формы от процентного состава
потребителей.
0.4.0,2 0
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 60% '00%
Рис. 8. Зависимость коэффициента максимума от процентного состава
потребителей.
ние не требуется; при процентном изменении нагрузки машиностроения в диапазоне от 0% до 65% требуется регулирование, а от 70% до 100% в регулировании нет необходимости.
Таким образом, проведенный анализ суммарных графиков электрических нагрузок на основе динамики изменения вероятностных характеристик, обусловленной смешиваемостью нагрузки, показал следующее:
1) увеличение городской нагрузки в общей структуре электропотребления приводит к неравномерности суммарного графика электрической нагрузки подстанции, обусловленной увеличением максимальной и снижением средней и минимальной мощности. Преобладание общей нагрузки с ровным характером приводит к выравниванию суммарного графика электрической нагрузки и близости вероятностных характеристик;
2) анализ смешиваемости нагрузки позволяет выявить целесообразность регулирования мощности КУ для рассматриваемой ПС. Для формального признака целесообразности такого регулирования найдены граничные значения показателей графиков электрической нагрузки;
3) форма суммарного графика электрической нагрузки определяет оптимальный способ регулирования мощности КУ: либо по времени суток, либо по коэффициенту мощности, либо в следящем режиме по изменению реактивной мощности в течение суток.
1. Бакута В.П., Копырин B.C. Автоматическое управление реактивной мощностью в узле нагрузки системы электроснабжения предприятия // Промышленная энергетика. - 2002. - № 5. - С. 54-57.
2. Ковалев И.Н. Выбор компенсирующих устройств при проектировании электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Электротехнический справочник. - Т. 3 / под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова и др. - 8-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МЭИ, 2002.
