автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения леспромхозов

т

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Бакшаева Наталья Сергеевна

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕСПРОМХОЗОВ

Специальность - 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.В.Черепанов

Киров, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Актуальность проблемы; цель задачи исследований; методы исследования; научная новизна; практическая ценность; основные положения, выносимые на защиту; сведения о внедрении результатов..................................................................... 5

Глава I. Анализ проблемы компенсации реактивных нагрузок в системах электроснабжения леспромхозов.... 13

1.1 Схемы электроснабжения леспромхозов................ ........... 13

1.2 Характеристика основных потребителей режимов работы электроприемников лесоперерабатывающей отрасли ................ 16

1.3 Методика выбора средств компенсации реактивных нагрузок........................................................................................................................................................................................................18

1.4 Способы и средства компенсации реактивной мощности, применяемые в лесной промышленности.................................. 30

1.5 Автоматизация регулирования мощности компенсирующих устройств............................................................................... 36

1.6 Постановка задачи исследования....................................... 43

Глава И. Исследование графиков электрических нагрузок основного производства лесопромышленных хозяйств и схем электроснабжения............................ 45

2.1 Экспериментальное исследование графиков электрических нагрузок основных производств................................................ 45

2.2 Исследование графиков нагрузок главных приводов

ПЛХ и кранов.......................................................................................................................50

2.3 Статистическая обработка и анализ результатов исследований....................................................................................................................................................................................................54

2.4 Разработка типовой модели схемы электроснабжения..... 68

2.5 Выводы по второй главе..........................................................................................................72

Глава III. Разработка методики выбора оптимальных мощностей компенсирующих устройств и мест их размещения.............................................................. 74

3.1 Определение затрат на компенсацию реактивной мощности при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения................................................................................................... 74

3.2 Выбор критерия оптимизации и метода решения поставленной задачи........................................................................,...... 93

3.3 Математическая модель задачи оптимальной компенсации реактивной мощности в электрических сетях леспромхозов.... 97

3.4 Разработка рекомендаций по компенсации реактивной мощности в электрических сетях леспромхозов............................... 104

3.5 Выводы по третьей главе.................................................... 3 07

Глава IV. Практические рекомендации по компенсации реактивной мощности................................................. 108

4.1 Продольная компенсация реактивной мощности.............. 108

4.2 Выбор способа регулирования генерации реактивной мощности............................................................................................. 125

4.3 Разработка технических требований к регулятору реактивной мощности в лесопромышленных хозяйствах........................ 131

4.4 Разработка программного обеспечения для регулятора реактивной мощности конденсаторных батарей............................... 134

4.5 Практические рекомендации по компенсации реактивной мощности в электрических сетях леспромхозов........................ 140

4.6 Выводы по четвертой главе................................................ 142

Заключение. Основные результаты работы............................ 143

Литература............................................................................... 145

Приложения.............................................................................. 156

П-1. Алгоритм и программа оптимальной компенсации реактивной мощности («Расчет оптимальной компенсации реактивной мощности»).................................................................................. 156

11-2. Программа расчета нагрузки двигателя («Асинхронный

двигатель с фазным ротором»)........................................................... 175

П-3. Описание программы «Расчет индивидуальной компенсации реактивной мощности» ............................................................187

П-4.....................................................................................................206

П-5. Текст и описание программы работы регулятора реактивной мощности конденсаторных батарей...................................... 213

П-6. Применение разработанной методики расчета оптимальной компенсации реактивной мощности лесопромышленных

хозяйств ........................................ ...................................................... 225

П-7. Акт внедрения.................................................................... 229

П-8. Расчет токов короткого замыкания.......................231

П-9. Программа «Исследование работы регулятора реактивной мощности». Результаты исследования фушсций регулирования регулятора реактивной мощности конденсаторных батарей..... 235

П-10. Выражения для расчета градиента, модуля градиента целевой функции затрат и значений переменных на каждом шаге перемещения...................................................................................... 258

ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных вопросов, решаемых на стадии проектирования, при проведении реконструкций и во время эксплуатации систем электроснабжения предприятий, является вопрос компенсации реактивной мощности, правильное решение которого означает большую экономию денежных и материальных ресурсов. Эти проблемы всегда занимали и занимают первостепенное значение в общем комплексе вопросов, решаемых энергетиками предприятий. В условиях рыночной экономики необходим взвешенный, комплексный, продуманный подход к решению этой важной проблемы. Особую актуальность проблема компенсации реактивной мощности приобрела после введения в 1991 г. непосредственной платы за потребление реактивной энергии в часы максимальных нагрузок и ее генерацию в электрическую сеть в часы минимальных (вместо ранее существовавшей системы надбавок и скидок к тарифам на активную электроэнергию). Непрерывный рост тарифов на электроэнергию и цен на компенсирующие устройства требует тщательного анализа их соотношения и новых подходов к оценке целесообразности применения компенсации реактивной мощности в каждом конкретном случае.

При проведении компенсации реактивной мощности предлагается учитывать специфику лесопромышленных предприятий. К числу основных особенностей относятся /1, 3,4, 5/:

1. Большая протяженность питающих линий 10 кВ, достигающая 10-30 км, см. рис. 1.1.

2. Размещение лесопромышленных предприятий на больших площадях, охватывающих многие десятки, а зачастую и сотни квадратных километров.

3. Ограничен срок работы лесопромышленных предприятий, особенно его отдельных участков.

4. Мощность трансформаторных подстанций, как правило, от 63 до 250 кВА. Каждый трансформатор обслуживает значительный район, что требует проводов больших сечений в сетях 380 В. В результате в них обычно расходу-

ется металла в 2-3 раза больше, чем в сетях 10 кВ (распределительных сетях напряжением выше 1000 В).

«а

о

Е

А-70 8.8 км

А-50 32 км

А-70 1.14км

А-70 1.5 км

А-70 0.423 км

А-70 0.337 км

0.636 км

А-70

/-у-^ коммун,- бытовые, \J¡LJ производ.потрсбит.

ТП 7 (ТМ 100)

0.268 км

— нижний склад

п. Тупрупка

..__________

ТП 9 (ТМ 250)

—00— пплс

—_____.______________—

пилоцех

ТП 1 (ТМ 100)

н

_ . I

i

— производ.потребит.

—jwíí—ипл-----______________fj.

ТП2 (ТМ 100)

поселок

да-

| ТП 4 (ТМ 250)

-__.. .. *......—

QQ эл. станция

ТП 3 (ТМ 100) 00-

производ.потребит.

школа коммун.- быт. потр.

,tm

ТП 5 (ТМ 100)

^^^— нижний склад п. Камский

Рис. 1.1. Схема электроснабжения Перервенского леспромхоза.

5. Главная понизительная подстанция присутствует не всегда.

6. Потребителями электроэнергии являются производство и коммунально-бытовая сфера, tq <р оборудования, применяемого в ЛПХ, составляет от

2.3, а с учетом коммунально-бытовой нагрузки он колеблется от 1.2 до 0.8. Коэффициент загрузки трансформаторных подстанций обычно не превышает 0.3 -0.5. Асинхронные двигатели работают с недогрузкой. Широко применяются двигателей с фазным ротором ¡11.

7. Вследствие небольших нагрузок, мощность конденсаторных батарей обычно не превышает 100 - 150 квар.

Следует отметить, что дела с компенсацией реактивных нагрузок на лесопромышленных предприятиях обстоят в большинстве случаев крайне негативно. Выбор темы диссертации связан с тем, что в существующих методах расчета компенсации реактивной мощности для предприятий небольшой мощности не учтена специфика лесопромышленных предприятий, и поэтому они не дают оптимального решения (минимальных затрат).

Актуальность проблемы. Согласно действующим правилам пользования электрической и тепловой энергией промышленное предприятие должно выдерживать определенную величину потребления реактивной мощности, заданную энергосистемой. Невыполнение этого требования влечет за собой значительное увеличение платы за электроэнергию, потерь мощности и снижение качества электроэнергии. Потребление электроэнергии на предприятиях лесной отрасли характеризуется высоким отношением реактивной мощности к активной. Поэтому весьма важно правильное выполнить компенсацию реактивной мощности в условиях лесопромышленного комплекса. В связи с этим реактивной мощности предприятием носит неравномерный характер, поэтому актуальным является и внедрение автоматического регулирования мощности конденсаторных установок. Большое влияние в наше время уделяется вопросам качества электрической энергии. Компенсация реактивной мощности влияет на важнейшие показатели качества электрической энергии - отклонение и колебание напряжения в узлах нагрузки. Поэтому задачу компенсации реактивной мощности нужно решать в комплексе с задачей поддержания напряжения в заданных ГОСТ 13 109 пределах.

Цель работы. Целью работы является: разработка методики выбора устройств компенсации реактивных нагрузок в системах электроснабжения лесопромышленных комплексов, позволяющей получить минимальные затраты на компенсацию реактивной мощности с учетом современной ситуации в экономике и качества электрической энергии.

Научная новизна.

1) Разработана методика оптимальной компенсации реактивных нагрузок, учитывающая: нелинейность зависимости затрат на установку конденсаторных батарей малой мощности, различную постановку задачи компенсации реактивной мощности, индивидуальные требования и дополнительные условия конкретных предприятий.

2) Предложен новый подход к выбору критерия оптимизации. В качестве критерия оптимизации принят не глобальный минимум общесистемных приведенных затрат, а минимум приведенных затрат в условиях конкретного предприятия.

3) Разработана методика выбора соотношения продольной и поперечной компенсации реактивных нагрузок по критерию соответствия колебаний напряжения требованиям ГОСТ 13 109.

Практическое значение работы. Практическое значение работы заключается в следующем.

1) Разработанные методика, алгоритм и программа оптимальной компенсации реактивной мощности могут применяться для расчета компенсации реактивных нагрузок на действующих предприятиях лесного комплекса и в проектной практике для выбора мощностей и мест установки конденсаторных батарей в проектируемых системах электроснабжения предприятий.

2) Полученные результаты и выводы могут быть применены не только для расчета компенсации реактивных нагрузок на лесопромышленных предприятиях, но и на предприятиях небольшой мощности других отраслей промышленности.

3) Практическое использование разработанной методики выбора продольно-поперечной компенсации позволяет уменьшить влияние на качество напряжения электроприемников, работающих с резко переменной нагрузкой.

4) Разработанный на основе современной элементной базы регулятор реактивной мощности конденсаторных батарей не требует настройки в процессе его эксплуатации, црост в обслуживании и может быть применен на любых производственных предприятиях.

Достоверность полученных результатов. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического моделирования электрических сетей системы электроснабжения и математической статистики, ряд положений электротехники и основ электроснабжения. Обоснованность и достоверность научных положений, теоретических выводов, основных результатов и рекомендаций диссертации подтверждены их проверкой в реальных электрических сетях лесопромышленных предприятий, а также сопоставлением результатов расчета с экспериментальными данными.

Реализация результатов работы. Разработанный с участием автора регулятор реактивной мощности конденсаторных батарей внедрен в системах электроснабжения Верхнекамского и Верхневятского леспромхозов. Методика расчета компенсации реактивной мощности применена при решении вопросов компенсации в четырех ЛПХ Кировской области (Верхнекамский, Перервен-ский, Синегорский, Верхневятский ЛПХ) и на АО Стройкерамика г. Йошкар-Ола.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технической и методической конференции «Энергосбережение, энергопотребление и электрооборудование» (Новомосковск, 1994); на научно-технической и методической конференции «Электросбережение, электроснабжение, электрооборудование» (Новомосковск, 1996); на кафедре электроснабжения ВятГТУ; на кафедре Э1Д1 МЭИ.

Основное содержание диссертации опубликовано в шести работах.

Положения. выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований графиков электрических нагрузок основного производства лесопромышленных хозяйств и модели схем электроснабжения леспромхозов: модель схемы электроснабжения без промежуточной трансформации напряжения и модель схемы электроснабжения с промежуточной трансформацией напряжения (схемы с I ГШ и ГРП).

2. Методика и алгоритм расчета поперечной компенсации реактивных нагрузок в сетях электроснабжения леспромхозов, позволяющая получить минимальные затраты на установку конденсаторных батарей.

3. Практические рекомендации по выбору устройств поперечной компенсации реактивных нагрузок в системах электроснабжения леспромхозов.

4. Методика выбора соотношения продольной и поперечной компенсации реактивных нагрузок с учетом технических ограничений.

5. Практические рекомендации по выбору устройств продольно-поперечной компенсации реактивной мощности.

6. Новый подход к выбору критерия оптимизации и определения срока окупаемости с учетом современной ситуации в экономике.

7. Технические требования к регулятору реактивной мощности конденсаторных батарей. Блок-схема, алгоритм работы регулятора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; четырех глав; заключения; списка литературы, включающего 105 наименований; 10 приложений. Общий объем диссертации 155 страниц машинописного текста (включая список литературы), рисунки 136, таблицы 35. Общий объем приложений 143 страницы машинописного текста.

Во введении обосновывается актуальность работ, сформулирована цель диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность, представлены сведения о внедрении работ, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ состояния проблемы компенсации реактивных нагрузок в системах электроснабжения леспромхозов. Отмечается, что дела с

компенсацией реактивных нагрузок на лесопромышленных предприятиях обстоят в большинстве случаев крайне негативно: компенсация реактивной мощности на большинстве предприятий отсутствует (или выполнена в недостаточной степени); конденсаторные батареи, эксплуатируемые в системах электроснабжения леспромхозов, как правило, нерегулируемые. При решении вопросов компенсации реактивной мощности применяется методика расчета для промышленных предприятий, которая не учитывает специфики леспромхозов. Установлено, что существующие методы расчета компенсации реактивной мощности для предприятий небольшой мощности не дают оптимального решения (минимальных затрат). В работе рассмотрены известные способы и средства регулирования генерации реактивной мощности и выявлены следующие недостатки существующих регуляторов, эксплуатируемых в электрических сетях лесопромышленных предприятий. Для существующих регуляторов характерны низкая надежность, сложность настройки и эксплуатации, низкое быстродействие, высокая стоимость и т.д. (автоматические регуляторы, в схемах которых используются электромеханические реле, обладают низкой надежностью; аналоговые регуляторы сложны в подключении, настройке, обслуживании; в цифровые регуляторы заложено большое количество сервисных функций, что снижает надежность работы и в значительной степени усложняет эксплуата