Спосіб регулювання реактивної потужності конденсаторної установки

Винахід відноситься до електроенергетики, а саме - до компенсації реактивної потужності на промислових підприємствах за допомогою конденсаторних установок КУ і може бути використаний як під час експлуатації КУ так і на стадії проектування пристроїв компенсації реактивної потужності. В даний час, як правило, використовуються регульовані КУ з автоматичним перемиканням ступенів регулювання. Управління перемиканням ступенів регулювання КУ здійснюється при цьому регулятором реактивної потужності, що є в більшості випадків складовою частиною КУ. Відомий ряд способів регулювання потужності КУ в основу яких покладено економічні показники роботи електричної мережі. Основною відмітною ознакою того чи іншого способу регулювання є джерело формування сигналу, що управляє перемиканням ступенів регулювання КУ. Управляючий сигнал може формуватися: сумою величин економічних збитків від втрат активної потужності, обумовлених протіканням реактивно потужності, та збитків під відхилення напруги у вузлі [Деклараційний патент України №40180А. Спосіб управління компенсуючим пристроєм / О.С.Яндульський, Ю.В.Щербина, О.І.Курсон, А.В Гнатковський - Опубл. 16.07.2001. Промислова власність. Офіційний бюлетень №6], попередньо одержаним розрахунковим шляхом мінімальним значенням функції сумарної вартості споживання активної та реактивної електроенергії [Мозырский В.И., Вакуленко С.Е. Анализ эффективности работы батарей статических конденсаторов в сетях 0,4 кВ // Промислова електроенергетика та електротехніка. Інформаційний збірник, Вип. 3 (Київ). - 2002. - С. 30-43]. У відомому способі регулювання реактивної потужності КУ [Деклараційний патент України №40180А Спосіб управління компенсуючим пристроєм / О.С.Яндульський, Ю.В.Щербина, О.І.Курсон, А.В.Гнатковський. - Опубл. 16.07.2001. Промислова власність. Офіційний бюлетень №6], який полягає в тому, що сигнал управління компенсувальним пристроєм формується в залежності від сумарної величини економічних збитків від втрат активної потужності, зумовлених протіканням реактивної потужності промислового підприємства в мережі електропостачальної організації, та збитків від відхилення напруги в даному вузлі навантаження (тобто на промисловому підприємстві), зроблено спробу об'єднати економічні інтереси енергопостачальної організації та промислового підприємства в питанні компенсації реактивної потужності. Однак, по-перше, економічні показники роботи промислового підприємства та енергопостачальної організації в принципі не пов'язані між собою, а подруге, зміна напруги в точці розташування КУ (особливо якщо це сторона 0,4кВ) навіть при повному ввімкненні компенсувального пристрою не буде перевищувати 7...10В, що становить лише декілька відсотків від номінальної напруги мережі (це підтверджується як численними розрахунками систем електропостачання, так і досвідом експлуатації відповідних мереж). Отже, враховуючи, що збитків від відхилення напруги в даному вузлі навантаження практично не буде, а економічні інтереси енергопостачальної організації та промислового підприємства не пов'язані, слід визнати, що регулювати реактивну потужність можна лише виходячи або з точки зору енергопостачальної організації, або з точки зору промислового підприємства. У відомому способі регулювання реактивної потужності КУ [Мозырский В.И., Вакуленко С.Е. Анализ эффективности работы батарей статических конденсаторов в сетях 0,4кВ // Промислова електроенергетика та електротехніка, інформаційний збірник, Вип. 3 (Київ). -2002. -С.30-43], запропоновано регулювати реактивну потужність саме з точки зору промислового підприємства. Регулювання потужності КУ повинно забезпечувати мінімальну сумарну вартість споживання активної та реактивної електроенергії при одночасному зниженні встановленої потужності КУ. При цьому джерелом формування сигналу, який управляє вибором ступеня регулювання КУ у кожному усталеному режимі електроспоживання, приймається одержана розрахунковим шляхом величина потужності КУ, що забезпечує мінімальне значення функції сумарної вартості споживання активної та реактивної електроенергії у цих режимах електроспоживання. Вказана функція, що мінімізується, визначається відповідно до діючої нормативної системи оплати за споживану активну та реактивну електроенергію з урахуванням одержаних дослідним шляхом залежностей величин активної Рі та реактивної Qi потужностей, що протікають в місці установлення приладів обліку споживаної електроенергії, від величини потужності КУ Qкі (і - позначення поточного усталеного режиму електроспоживання та відповідного ступеня регулювання КУ). Такий підхід повинен враховувати вплив КУ на параметри електроспоживання. В реальних умовах підімкнення КУ до електричної мережі і збільшення її робочої потужності призводить до деякого підвищення напруги в мережі. Зазначене підвищення напруги, через його незначну величину (декілька відсотків від номінальної напруги в місці установлення КУ) та особливості роботи пристроїв автоматичного регулювання напруги в електричній мережі (дискретності регулювання за допомогою пристрою РПН трансформаторів, наявності зони нечутливості пристроїв регулювання тощо) не викликає спрацьовування цих пристроїв регулювання, тобто залишається нескомпенсованим. Підвищення напруги у свою чергу, призводить до певного зростання споживаної електроприймачами активної та реактивної потужності, зумовленого статичними характеристиками навантаження за напругою Р(U)=[ap+bpU/Uном ]Рном (1) Q(U)=[ap+bpU/Uном +сq (U/U ном )2]Q ном де аp, bp, aq , bq , cq - параметри апроксиміювальних функцій. Деяке підвищення споживання активної потужності підсувається також через наявність п втрат у колах КУ (конденсаторах і живильній лінії). Таким чином, в реальних умовах споживач електроенергії використовуючи КУ, як правило, замість очікуваного зниження оплати за споживану електроенергію має або суттєво менше зниження оплати ніж очікуване, або навіть підвищення оплати у порівнянні з тією, що була 6 за відсутності КУ. Крім того, повна компенсація реактивної потужності у всіх режимах електроспоживання вимагає великої установленої потужності КУ, тобто істотних капіталовкладень та експлуатаційних витрат. Поєднання цього недоліку із зазначеним вище зростанням споживання активної потужності, викликаного роботою КУ, у багатьох випадках зумовлює недоцільність використання традиційних підходів до компенсації реактивної потужності з точки зору економічних інтересів споживача електроенергії власника засобів компенсації (промислового підприємства). Однак, практично реалізувати вказаний спосіб регулювання реактивної потужності конденсаторної установки [Мозырский В.И., Вакуленко С.Е. Анализ эффективности работы батарей статических конденсаторов в сетях 0,4кВ // Промислова електроенергетика та електротехніка. Інформаційний збірник, Вип. 3 (Київ). -2002. -С.30-43.] неможливо в силу таких обставин: 1. Регулятор реактивної потужності для роботи потребує дуже велику кількість вхідної інформації, а саме: активну та реактивну потужності навантаження в даному режимі електроспоживання; потужність КУ в даному режимі електроспоживання; вартості оплати одиниці активної та реактивної електроенергії, зафіксовані в договорі між електропередавальною компанією та споживачем електроенергії; ряд значень номінальних потужностей даної батареї статичних конденсаторів, коефіцієнти статичних характеристик навантаження за напругою (точніше, лінійних залежностей споживаної активної та реактивної потужності підприємства від величини потужності КУ). 2. Без значень реальних коефіцієнтів статичних характеристики навантаження за напругою реалізувати спосіб регулювання потужності КУ неможливо, через те, що в обчислювальному блоці регулятора оптимальна потужність КУ саме обчислюється і саме на підставі вказаних коефіцієнтів. Коефіцієнти ж статичних характеристик навантаження за напругою залежать насамперед від складу споживачів електроенергії, режиму завантаження об'єкта, величини напруги в системі, реактивної потужності даного ступеня регулювання КУ, і в процесі роботи системи електроспоживання можуть змінюватися. Визначити вказані коефіцієнти експериментальне навіть для декількох характерних режимів роботи лише одного підприємства, як це пропонується в даному способі регулювання потужності КУ, нереально, не говорячи вже про можливість визначення цих коефіцієнтів для великої кількості промислових підприємств. 3. Крім того, регулятор реактивно) потужності повинен бути універсальним і повинен працювати також у випадках, коли вплив статичних характеристик навантаження за напругою несуттєвий. Ставиться задача спростити спосіб регулювання потужності КУ, що забезпечує оптимальні показники регулювання реактивної потужності підприємства, зробити даний спосіб універсальним, придатним для практичної реалізації та унезалежити його від параметрів, які неможливо визначити. Розв'язання поставлено задачі реалізується за рахунок того, що в запропонованому способі регулювання реактивно) потужності конденсаторної установки шляхом перемикання її ступенів регулювання згідно винаходу перехід з і-го ступеня регулювання на j-ий ступінь регулювання (i=0, 1, ..., n, де n - кількість ступенів регулювання,) і роботу на j-му ступені при даному електричному навантаженні об'єкта, на якому установлена конденсаторна установка, здійснюють, коли сума активного навантаження об'єкта та повного сумарного економічного еквівалента реактивної потужності для цього ж об'єкта в точці установлення приладів обліку споживаної електричної енергії на j-му ступені регулювання менша ніж на i-му. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками і технічним та економічним результатом полягає в наступному: - необхідна для роботи регулятора реактивно потужності інформація обмежується лише чотирма величинами (активною та реактивною потужністю, споживаною в даний момент часу, питомим сумарним економічним еквівалентом реактивної потужності та нормативним базовим значенням коефіцієнта стимулювання капіталовкладень в засоби компенсації реактивної потужності, причому дві останні величини є фіксованими), - повністю виключається необхідність інформації про статичні характеристики потужності за напругою; - спосіб регулювання реактивної потужності КУ стає простішим, універсальним, безпосередньо придатним для практичної реалізації на будь яких промислових підприємствах оскільки не потребує попередніх досліджень роботи навантаження в різних характерних режимах роботи; - даний спосіб регулювання реактивної потужності КУ гарантує промисловому підприємству мінімально необхідну установлену потужність компенсувальних установок та мінімальну плату за спожиту активну та реактивну електроенергію. Особливістю даного способу регулювання є те, що критерієм оцінки доцільності переходу з одного ступеня КУ на інший в ту чи іншу сторону (тобто джерелом формування сигналу, що управляє перемиканням ступенів регулювання) є сума активного навантаження об'єкта та повного сумарного економічного еквівалента реактивної потужності для цього ж об'єкта в точці установлення приладів обліку споживаної електричної енергії. Вказана сума є фактично еквівалентом споживання активної потужності промисловим підприємством. Технічна сутність запропонованого способу регулювання пояснюються кресленнями, на яких: фіг.1 - приклад блок-схеми регулятора реактивної потужності (блок-схему наведено для випадку, коли місце установлення приладів обліку споживаної електроенергії збігається з межею балансового поділу електричної мережі та розташоване на ошинуванні сторони вищої напруги трансформатора 10(6)/0,4кВ, а КУ підімкнута безпосередньо до шин 0,4кВ цього ж трансформатора); фіг.2 - алгоритм роботи регулятора реактивної потужності за блок-схемою фіг.1. Схема, наведена на фіг.1 складається з блоку 1 фіксації зміни навантаження, блоку 2 переходу до ступеня регулювання і=і +1 та визначення умов переходу до ступеня регулювання і=і -1 або припинення регулювання, блоку 3 переходу до ступеня регулювання і=і -1 та визначення умов припинення регулювання, блоку 4 фіксації трьох останніх значень ступеня регулювання та еквівалента споживання активної потужності. В свою чергу блок 1 (фіг.1) складається з блоку 5 витримки часу та блоку 6 фіксації зміни активного та реактивного навантаження. Блок 2 (фіг.1) складається з блоку 7 формування сигналу на ввімкнення ступеня регулювання і=і +1, блоку 8 ввімкнення ступеня регулювання і=і +1 та блоку 9 вибору подальшого переходу до ступеня регулювання і=і +1, і=і -1 або до припинення регулювання. Блок 3 (фіг.1) складається з блоку 10 формування сигналу на ввімкнення ступеня регулювання і=і-1, блоку 11 ввімкнення ступеня регулювання і=і-1 та блоку 9 вибору подальшого переходу до ступеня регулювання і=і -1 або до припинення регулювання. Блок 4 (фіг.1) складається з блоку 13 розрахунку еквівалента споживання активної потужності та блоку 14 фіксації трьох останніх значень ступеня регулювання та еквівалента споживання активної потужності. Для з'ясування роботи регулятора реактивної потужності розглянемо систему формування плати за споживання активної та реактивної електроенергії (на прикладі одноставкового тарифу) [Методика обчислення плати за перетікання реактивної електроенергії між електропередавальною організацією та її споживачами // Наказ Міністерства палива та енергетики України, №19 від 17.01.2002p.]. Плата за споживання активної електроенергії в і-му режимі електроспоживання визначається: (2) П а,i= Рі × Dt i × T де Рі - активне навантаження підприємства в і-му режимі електроспоживання, кВт, Dt i - тривалість і-го режиму електроспоживання, год; T - фактична середня закупівельна ціна на електроенергію, що склалася за розрахунковий період, грн/кВт.год. Плата за споживання реактивної електроенергії в і-му режимі електроспоживання визначається: (3) Пp,i = П1i + П2i де П1i - основна плата за споживання реактивної електроенергії; П2i - надбавка за недостатнє оснащення електричної мережі споживача засобами компенсації реактивної потужності КРП. Величина П1i визначається як П1i = Qі × D × D ti × T (4) де Qі - реактивне навантаження підприємства (з урахуванням КУ) в і-му режимі електроспоживання, квар; D - питомий сумарний економічний еквівалент реактивної потужності, кВт/квар. Вважаємо при визначенні П1i, що генерація реактивної потужності КУ підприємства заборонена. Величина П2i визначається як П2i = П1i × C баз × (Кф ,і - 1) (5) де Cбаз - нормативне базове значення коефіцієнта стимулювання капітальних вкладень у засоби КРП в К електричних мережах споживача (згідно з [4] Cбаз = 1); ф ,і - коефіцієнт, що залежить від фактичного коефіцієнта К = f ( tg ji ), потужності споживача tgji. Аналіз залежності ф ,і поданої в табличній формі в [Методика обчислення плати за перетікання реактивної електроенергії між електропередавальною організацією та її споживачами // К Наказ Міністерства палива та енергетики України, № 19 від 17.01.2002p.], показує що точне значення ф ,і може бути визначено апроксиміювальною формулою [Мозырскин В.И., Вакуленко С.Е. Анализ эффективности работы батарей статических конденсаторов в сетях 0,4кВ // Промислова електроенергетика та електротехніка. Інформаційний збірник, Вип. 3 (Київ). - 2002. - С.30-43]: ì1 при0 £ tgji £ 0,25, ï ï 2 Кф,і = í1 0625 - 0,5 tg ji + tg ji при0,25 2 . ï î З урахуванням виразів (4) та (5) сумарна плата за споживання реактивної електроенергії /-му режимі електроспоживання визначається: (7) Пр,і = Qi × D × [1 + C баз × (Кф ,і - 1)] × Dt × T В останньому виразі величина Qi × D є фактично повним сумарним економічним еквівалентом реактивної Qi × D × [1 + C баз × (Кф ,і - 1)] потужності підприємства для живильної системи, а величина - повним сумарним економічним еквівалентом реактивної потужності для промислового підприємства. Отже, з урахуванням виразів (2) та (7) сумарна плата за споживання активної та реактивної електроенергії в іму режимі електроспоживання буде пропорційна величині еквівалента споживання активної потужності підприємством (8) Ei = Pi + Qi × D × [1 + C баз × (К ф,і - 1)] а ця величина є сумою активного навантаження підприємства та повного сумарного економічного еквівалента реактивної потужності для цього ж підприємства в точці установлення приладів обліку споживаної електричної енергії. З метою повної компенсації реактивної потужності відбувається послідовне підімкнення додаткових секцій батареї статичних конденсаторів КУ підприємства внаслідок чого величина Qi зменшується і відповідно зменшується другий доданок у рівнянні (8). Однак, при цьому обов'язково на декілька відсотків зростає напруга на шинах 0,4кВ і це підвищення напруги у свою чергу призводить до певного зростання споживаної активної та реактивної потужності, зумовленого статичними характеристиками навантаження за напругою (рівняння (1)). Це в свою чергу призводить до зростання першого доданку в рівнянні (8). Отже, внаслідок регулювання потужності змінюється величина плати за споживану підприємством активну та реактивну електроенергію. Очевидно, що величина реактивної потужності КУ (ступінь регулювання КУ) в і-му усталеному режимі електроспоживання повинна бути такою, щоб забезпечити мінімально можливе значення величини (8). Чисто теоретично можливо взявши першу похідну виразу (8) по величині реактивної потужності КУ, визначити, при якій потужності КУ величина плати за електроенергію буде мінімально можливою і працювати саме на потрібному ступені регулювання. Однак, в процесі експлуатації промислового підприємства, коли всі величини, що впливають на рівняння (8) безперервно змінюються, обчислити оптимальний ступінь регулювання КУ неможливо. Саме тому в процесі регулювання реактивної потужності КУ перехід з і-го ступеня регулювання на j-ий ступінь регулювання (причому i може бути як більше так і менше j) і роботу на j-му ступені при даному електричному навантаженні підприємства, на якому установлена конденсаторна установка, необхідно здійснювати, коли сума активного навантаження підприємства та повного сумарного економічного еквівалента реактивної потужності для цього ж підприємства в точці установлення приладів обліку споживаної електричної енергії на j-му ступені регулювання менша ніж на i-му. Розглянемо блок-схему регулятора реактивної потужності (фіг.1), який реалізує наведений вище спосіб регулювання. Робота даної схеми відбувається згідно із алгоритмом вибору оптимального ступеня регулювання КУ (фіг.2). Вхідною інформацією для регулятора є поточні значення активної та реактивної потужності підприємства в точці установлення приладів обліку електричної енергії, що поступають на блок 5 витримки часу. Також вхідною інформацією є сталі величини питомого сумарного економічного еквівалента реактивної потужності та нормативного базового значення коефіцієнта стимулювання капіталовкладень в засоби компенсації реактивної потужності, що задаються у блоці 13 розрахунку еквівалента споживання активної потужності. У блоці 6 відбувається фіксація зміни навантаження підприємства (якщо така має місце), після чого видається сигнал на блок 7 формування сигналу на ввімкнення ступеня регулювання і=і+1. Після цього з блоку 7 подається сигнал на блок 13 розрахунку еквівалента споживання активної потужності, де і розраховується еквівалент споживання активної потужності для ступеня регулювання і, а також сигнал на блок 8 ввімкнення ступеня регулювання і=і+1. Розрахунок еквівалента споживання активної потужності у блоці 13 здійснюється за виразом (8). Після переходу на ступінь регулювання і=і+1 блок 13 знову здійснює розрахунок еквівалента споживання активної потужності, але вже для ступеня регулювання і=і +1. Блок 14 фіксує три останні значення ступеня регулювання КУ (і-1, і, і+1) та значення еквівалента споживання активної потужності для цих же ступенів (Еі-1, Еі, Еі+1). Сигнали з блоку 8 та 14 поступають на вхід блоку 9 вибору подальшого переходу до ступеня регулювання і=і+1, і=і-1 або до припинення регулювання. Також блок 9 повинен подавати сигнал на припинення регулювання при перекомпенсації реактивної потужності або при виході напруги у місці установлення приладів обліку споживаної електроенергії за межі допустимих значень. Перехід до ступеня регулювання і=і +1 (перехід до блоку 7 формування сигналу на ввімкнення ступеня регулювання і=і +1) здійснюється у випадку, коли еквівалент споживання активної потужності на цьому ступені менше від еквівалента споживання активної потужності на ступені регулювання і. В іншому випадку робиться перевірка на доцільність припинення регулювання (при цьому здійснюється перехід на блок 5 витримки часу) або до переходу на ступінь регулювання і=і -1. Перехід на цей ступінь (на блок 10 формування сигналу на ввімкнення ступеня і=і -1) здійснюється, коли еквівалент споживання активної потужності на ступені регулювання і більший ніж на ступені регулювання і=і -1. З блоку 10 подається сигнал на блок 13 розрахунку еквівалента споживання активної потужності, де і розраховується еквівалент споживання активної потужності для ступеня регулювання і=і -1, а також сигнал на блок 11 ввімкнення ступеня регулювання і=і -1. Після переходу на ступінь регулювання і=і -1 блок 13 знову здійснює розрахунок еквівалента споживання активної потужності, але вже для ступеня регулювання і=і -1. Блок 14 фіксує три останні значення ступеня регулювання КУ та значення еквівалента споживання активної потужності для цих же ступенів. Сигнали з блоку 11 та 14 поступають на вхід блоку 12 вибору подальшого переходу до ступеня регулювання і=і-1 або до припинення регулювання. Також блок 12 повинен подавати сигнал на припинення регулювання при перекомпенсації реактивної потужності або при виході напруги у місці установлення приладів обліку споживаної електроенергії за межі допустимих значень. Перехід до ступеня регулювання і=і -1 (перехід до блоку 10 формування сигналу на ввімкнення ступеня регулювання і=і -1) здійснюється у випадку, коли еквівалент споживання активної потужності на цьому ступені менше від еквівалента споживання активної потужності на ступені регулювання і. В іншому випадку робиться перевірка на доцільність припинення регулювання і здійснюється перехід на блок 5 витримки часу. Запропонований спосіб регулювання реактивної потужності КУ у порівнянні з відомими способами є значно простішим, універсальним, безпосередньо придатним для практичної реалізації на будь яких промислових підприємствах оскільки не потребує попередніх досліджень роботи навантаження в різних характерних режимах роботи. Даний спосіб регулювання реактивної потужності КУ гарантує промисловому підприємству мінімально необхідну установлену потужність компенсувальних установок та мінімальну плату за спожиту активну та реактивну електроенергію.