автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Регулирование потребления реактивной мощности и энергии с помощью потребителей-регуляторов мощностей в условиях шахт и рудников

г и Од - 1 ДЬН 1998

На правах рукописи

ТЕЛЕГИН Виталий Дмитриевич

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ

С ПОМОЩЬЮ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ -РЕГУЛЯТОРОВ МОЩНОСТИ В УСЛОВИЯХ ШАХТ И РУДНИКОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

кандидат технических наук доцент Я.Э.Шклярский Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Г.С.Хронусов, кандидат технических наук А.Б.Купцов

Ведущее предприятие: Институт «Гипроруда».

Защита диссертации состоится 17 декабря 1998 г. в 15 ч на заседании диссертационного Совета К.063.15.04 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, аудитория № 1201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 17 ноября 1998 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного Совета, доцент

Б.Г.АНИСКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время горные предприятия, включая шахты и рудники (ГП), являются одними из самых крупных потребителей электрической энергии. Этот факт подчеркивается в диррективных материалах РАО "ЕЭС России", подготавливаемых к применению, при регулировании режимами потребления электрической энергии промышленными предприятиями. К области регулирования потреблением электрической энергии предприятиями относится и регулирование реактивной мощности, в чем заинтересованы как энергоснабжающие организации, так и сами потребители. Заинтересованность потребителя заключается в возможности получения скидок за компенсацию реактивной мощности и снятия надбавок за перерасход заявленной реактивной мощности и энергии. Заинтересованность энергоснабжающей организации заключается в выравнивании графика электрических нагрузок системы электроснабжения.

Регулирование реактивной мощности может быть осуществлено с помощью комплекса потребителей-регуляторов мощности (ПР-М). В настоящее время в этой области рассмотрен целый спектр вопросов, связанных с регулированием потребления мощности. Основной акцент в работах сделан на регулирование активной мощности. Что касается реактивной мощности, то предложены основные принципы ее регулирования без четкой связи с регулированием по активной мощности. До сих пор не четко определены виды электрических нагрузок, которые могут быть использованы в качестве потребителей-регуляторов реактивной мощности (ПР-РМ) и классификация видов воздействий на них, позволяющих эффективно регулировать потребление (генерацию) реактивной мощности. Кроме этого, не определена связь между активной и реактивной мощностями потребителей регуляторов мощности в процессе регулирования.

С учетом новых правил оплаты за электрическую энергию, не разработана методика определения регулировочных характеристик и глубины регулирования, с учетом потребления или генерирования, увеличения или уменьшения потребления реактивной

мощности. И наконец, отсутствует методика ранжирования ПР-РМ, с учетом связи режима их работы с потребителями-регуляторами активной мощности (ПР-АМ).

Актуальность исследований, связанных с регулированием реактивной мощности в условиях промышленных предприятий, в частности ГП, подчеркивается работами ведущих ученых в этой области, среди которых можно выделить: Б.Н. Абрамовича, В.В. Алексеева, Б.П. Белых, A.M. Берковского, С.А. Волотковского, Е.П. Ермуратского, Е.Е. Ермуратского, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, О.В. Иванова, В.П. Ильяшова, Б.И. Кудрина, Э.Г. Куренного, Г.С. Кучинского, A.M. Лимитовского, A.B. Ляхомского, Ю.П. Минов-ского, Г.И. Разгильдеева, В.И. Серова, Г.С. Хронусова, В.И. Шуцкого и ряда других видных ученых.

Исходя из изложенного, регулирование потреблением реактивной мощности является актуальной научно-технической задачей. При решении этой задачи должен быть рассмотрен ряд вопросов, включающий классификацию видов нагрузок, которые могут быть использованы в качестве ПР-РМ и виды воздействий на них, ранжирование ПР-РМ и определение их регулировочных возможностей в процессе регулирования во взаимосвязи с ПР-АМ.

Целью диссертационной работы является разработка концепции и методики регулирования потреблением реактивной мощности с помощью комплекса потребителей-регуляторов реактивной мощности в условиях ГП.

Для достижения поставленной цели, в работе решаются следующие задачи:

• На основе анализа электрических нагрузок, применяемых на ГП, определяются их виды, включая категорийность, которые могут быть использованы в качестве ПР-РМ.

• На основе анализа видов воздействий на ПР-РМ, производится их классификация и определяется их эффективность в процессе регулирования потреблением (генерацией) реактивной мощности.

• На основе исследований и анализа известных зависимостей определяется связь в процессе регулирования, между актив-

ной и реактивной мощностями ПР-РМ.

• Определяются регулировочные характеристики, с учетом знака изменения реактивной мощности в процессе регулирования.

• Определяются возможность использования аналитических выражений для отдельных видов нагрузки и узла нагрузки в целом, для формирования регулировочных характеристик ПР-РМ.

• Разрабатывается методика ранжирования ПР-РМ при рассмотрении их в отдельности и в целом узла нагрузки.

Идея работы заключается в уменьшении оплаты за потребление электроэнергии ГП при удовлетворении требований энергосистемы.

Методы исследования. В работе использованы следующие методы исследования: статистический метод исследования случайных процессов, метод планирования эксперимента, метод математического моделирования режимов работы электрической нагрузки, численный метод квантования и определения экстремумов, экспериментальное определение параметров режимов работы электрооборудования и узла нагрузки приборами непосредственной оценки, регистрирующими приборами и счетчиками расхода активной о реактивной мощности.

Научная новизна работы представлена следующими положениями:

• определена связь между активной и реактивной мощностями потребителей-регуляторов в процессе регулирования мощности;

• предложен метод определения регулировочных характеристик ПР-РМ с учетом знака необходимого изменения потребления реактивной мощности приемника или узла нагрузки в целом;

• предложено использование статической характеристики, при определении глубины регулирования ПР-РМ и узла нагрузки;

• предложена методика ранжирования при рассмотрении ПР-РМ для единичных приемников и узла нагрузки в целом.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, близкой сходимостью расчетных и опытных данных.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

• разработаны и внедрены программы по формированию статической характеристики узла нагрузки, содержащего АД, СД и КБ как вместе, так и по отдельности;

• разработана методика определения рангов ПР-РМ;

• разработана классификация основных воздействий на ПР-РМ, при учете взаимосвязи их реактивной и активной мощности, в процессе регулирования;

• разработана методика определения регулировочных характеристик ПР-РМ и определения численным методом значений независимых факторов, обеспечивающих необходимую глубину регулирования узла нагрузки, и разработан пакет программ для ЭВМ;

• разработана методика регулирования реактивной мощности для условий шахт и рудников.

Положения, выносимые на защиту.

1. Концепция определения регулировочных характеристик (глубин регулирования) ПР-РМ с учетом знака регулирования, базирующаяся на математической модели зависимости реактивной мощности узла электрической нагрузки от активной мощности и напряжения узла, а так же от мощности конденсаторной батареи и тока возбуждения синхронного двигателя, входящих в состав нагрузки. Математическая модель реактивной мощности представляет собой статическую характеристику, определяемую для интервала времени, на котором производится регулирование нагрузки.

2. Алгоритм регулирования реактивной мощности узла на-

грузки, основанный на разработанных принципах ранжирования отдельных потребителей-регуляторов или выборе значений численным методом независимых факторов статической характеристики узла нагрузки, обеспечивающих необходимый уровень реактивной мощности в процессе регулирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на VII симпозиуме «Ро<Машо\уе ргоЫету епе^ое1ек1гош'1а 1 екк^отесЬаткЬ (г. Устронь, Польша,

1997), межвузовской научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" (г. Воркута,

1998), Федеральной научно-технической конференции "Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование" (г. Новомосковск, Тульской обл., 1998), а также на семинарах кафедры электротехники и электроснабжения горных предприятий Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре

статьи.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения. пяти глав и заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 84 наименований и 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В автоматизированных системах учета, контроля и регулирования электропотребления (АСКУЭ) предполагается поступление информации о потреблении (генерировании) реактивной мощности, с целью определения скидок и надбавок за ее расход. Для уменьшения надбавок и увеличения скидок, необходимо регулировать потребление (генерацию) РМ в регламентируемые интервалы времени. Регулирование РМ необходимо осуществлять с помощью комплекса потребителей-регуляторов мощности. Этот комплекс может включать в себя основные виды приводов, применяемых на шахтах

7

и рудниках, а именно: асинхронный и синхронный приводы и конденсаторные батареи. В работе проклассифицированы потребители-регуляторы реактивной мощности по видам воздействия на них в процессе регулирования и определены исходные предпосылки регулирования.

В работе проанализированы регулировочные возможности асинхронной и синхронной нагрузок и конденсаторных батарей.

Анализ проведен на основе исследования характеристик и зависимостей указанных нагрузок, что позволило сделать следующие выводы:

• асинхронный привод обладает регулировочной способностью по реактивной мощности (исключая включение-отключение) в пределах 40% от номинальной мощности, при изменении напряжения в допустимых по ГОСТу пределах. Аналитически зависимость РМ от напряжения может быть представлена обобщенной статической характеристикой;

• регулирование потребления (генерации) РМ синхронного привода может осуществляться с помощью изменения тока возбуждения, напряжения и активной мощности двигателя. Известные аналитические зависимости не позволяют создать обобщенную математическую модель потребления (генерации) РМ синхронного двигателя, откуда необходимость в создании математической модели СД в каждом конкретном случае;

• регулирование генерации РМ конденсаторными батареями может осуществляться с помощью включения-отключения отдельных секций КБ, а так же с помощью изменения уровня напряжения на КБ. Зависимость реактивной мощности КБ представляется обобщенной математической моделью. Исходной предпосылкой регулирования РМ на горных

предприятиях является предварительное регулирование по активной мощности. В работе показано, что при таком условии, прогнозным значением потребления (генерирования) РМ будет то значение РМ, которое соответствует плановому значению потребления активной мощности ПР-РМ или узла нагрузки.

Такой подход к регулированию РМ проиллюстрирован су-

точными графиками потребления активной и реактивной мощности, изображенными на рис. 1. Плановое значение РМ на интервале регулирования Д^ определяется системой скидок и надбавок, по договору с энергосистемой.

Для разработки алгоритма методики регулирования РМ необходимо определить:

• закономерности, характеризующие связь между активной и реактивной мощностями ПР-РМ в процессе регулирования РМ;

• концепцию определения регулировочных характеристик ПР-РМ;

• критерии ранжирования отдельных ПР-РМ.

!, час

рис. 1. Суточные ГЭН узла нагрузки 9

Концепция определения регулировочных характеристик (глубин регулирования) ПР-РМ с учетом знака регулирования, базирующаяся на математической модели зависимости реактивной мощности узла электрической нагрузки от активной мощности и напряжения узла, а так же от мощности конденсаторной батареи и тока возбуждения синхронного двигателя, входящих в состав нагрузки. Математическая модель реактивной мощности представляет собой статическую характеристику, определяемую для интервала времени, на котором производится регулирование нагрузки.

В основу определения регулировочных характеристик ПР-РМ было положено два основных принципа:

• связь между потреблением активной и реактивной мощностями ПР-РМ и узла нагрузки, содержащего все виды ПР-РМ;

• знак регулирования реактивной мощности, который равен «+», в случае необходимости повышения потребления РМ и знак «-», в случае необходимости уменьшения потребления РМ.

Предложено для узла нагрузки, содержащего асинхронный двигатель, использовать обобщенную статическую характеристику, которая в факторных единицах, представляется в следующем виде:

= 0.508 + 0.054 иу + 0.442 Ру - 0.052 Ру2 + 0.048 Ру иу, где <3У, Ру - соответственно, реактивная и активная мощности, иу -напряжение в узле нагрузки сети. Оу представляется по отношению к номинальному значению Рун (при иу = 0, в факторных единицах).

Методом планирования эксперимента было проведено лабораторное исследование узла нагрузки, содержащего СД, и снята статическая характеристика. Целью лабораторных исследований являлось определение вида зависимости реактивной мощности СД от активной мощности, напряжения и тока возбуждения. Установлено, что вид статической характеристики СД удовлетворяет степенному многочлену:

Осд = Ь0 + Ь| II + Ь21в + Ь3 Р + Ь4 и2 + Ь51в2 + Ь6 Р2 + Ь7 и 1в + + Ь8иР + Ь91в Р,

где Осд; Р - соответственно, реактивная и активная мощности СД;

и - напряжение на СД; 1в - ток возбуждения СД.

Доверительная вероятность была принята равной 0,95, а максимальная погрешность не превышала 5,2%. Значения коэффициентов для лабораторных исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1.

bo b) b2 ь3 b4 b5 b6 by b8 b9

-0.921 0.298 -1.085 0.326 0.169 -0.102 0.273 I -0.137 -0.096 -0.243

Для конденсаторной батареи предложено использование выражения:

и2 и2

Окб = СЬ + Осг + ••• + СЬ = (Зан утг- + Осгн +

и СН и сн

о и2

+ ... + С?сш "ГГ^ 5

где 9кб - мощность КБ; <3ан - номинальная мощность ¡-ой секции КБ; ис2, иСн2 - соответственно, напряжение и номинальное напряжение КБ.

На основе лабораторных исследований, был получен многочлен, который представляет статическую характеристику узла нагрузки в целом, содержащего асинхронные, синхронный приводы и КБ:

оу = ь0 + ь, и + ь21в + ь3 р + ь4дкб + ь5и2 + ь61в2 + ь7р2 +

+ ь8 ркб2 + ь, и 1в + ь,0 и р + ь„ и окб + ь,21в р +

+ Ь131, РкБ + ЬнРОкБ, где <3у, р - соответственно, реактивная и активная мощности узла нагрузки; и - напряжение в узле нагрузки; 1в - ток возбуждения СД; Окб - мощность подключаемой КБ. С)у представляется по отношению к значению оун (при ру = 1в = окб = иу = 0, в факторных единицах).

' Доверительная вероятность модели была принята равной 0,95, а погрешность для лабораторной модели не превышала 5%. Для лабораторных условий значения коэффициентов приведены в таблице 2.

Для получения статических характеристик разработан пакет программ "Квант" для ЭВМ. Программы позволяют оценить адекватность модели и преобразовать модель с учетом значимости отдельных коэффициентов.

Таблица 2.

Ьо ь, ъ2 ь, ь4 ь5 ьб ь7

-1.108 0.263 -1.316 0.407 -1.182 0.072 - 0.027 0.114

| ь8 ь9 Ью Ьи Ь,2 Ь] з Ь|4

| -0.081 -0.029 0.138 0.021 -0.116 -0.201 0.073

Для исследований статических характеристик в производственных условиях были проведены измерения в узле электрической нагрузки 6 кВ шахты "Ленинградская" ОАО "Ленинградсланец". К исследуемому узлу были подключены асинхронные двигатели, общей мощностью 2200 кВт и синхронный двигатель мощностью 500 кВт. В данном случае за независимые факторы были приняты: активная мощность, напряжение узла нагрузки и ток возбуждения СД. Установлено, что коэффициенты статической характеристики зависят от интервала осреднения по времени функции отклика и независимых факторов. Этот факт объясняется резкопеременным характером нагрузки на горном предприятии. Для определения возможной погрешности в зависимости от интервала осреднения были проведены измерения активной и реактивной мощностей узла, напряжения и тока возбуждения СД по двум подпрограммам:

• регистрирующими приборами для определения статической характеристики без осреднения во времени, т.е. по текущим значениям;

• счетчиками активной и реактивной энергии с осреднением напряжения по регистрирующему прибору и регистрации тока возбуждения СД.

Во втором случае осреднение по времени производилось для интервалов времени 1,2, ...,30 минут.

Все результаты измерений для текущих и осредненных по времени знамений независимых факторов, обрабатывались методом математической статистики. Коэффициенты полинома определялись методом планирования эксперимента. Стабилизация статической характеристики в зависимости от интервала осреднения проиллюстрирована зависимостями, представленными на рис. 2. На первой кривой уо показана погрешность функции отклика (С)у) при различных интервалах осреднения по сравнению с функцией отклика, полученной по текущим значениям. На второй кривой показана наибольшая погрешность коэффициентов полинома статической характеристики, для последующего нарастания интервала осреднения.

На основе анализа обработанных данных были сделаны следующие выводы:

1, мин

рис. 2. Определение погрешности статической характеристики

• значения коэффициентов статической характеристики стабилизируются к интервалу времени осреднения, равному 15 минутам, при нарастающей погрешности в определении коэффициентов полинома статической характеристики не более 0,5%;

• наибольшая погрешность в определении Qy по статическим характеристикам, построенным на основе текущих значений и осредненных на интервале времени 9 минут, составила 12,8%;

• для регулирования реактивной мощностью в узле нагрузки на интервале Atj предпочтительно пользоваться статической характеристикой, снятой с интервалом осреднения по времени, равным Atj.

В работе показано, что регулировочные характеристики отдельных ПР-РМ и узла нагрузки в целом, следует разделять по времени ATj, которые соответствуют либо планируемому увеличению потребления РМ, либо планируемому уменьшению ее потребления (или генерации).

Тогда регулировочная характеристика в общем виде, будет определяться следующим образом:

¿г!+)/ы(кк)А1( рХ(+)/(-)= ы_

J ATj

где - глубина регулирования на i-ом интервале времени по к

воздействиям.

Учитывая результаты анализа аналитических зависимостей реактивной мощности ПР-РМ от независимых факторов, глубина регулирования для узла, содержащего только АД:

С ' = С?АДн (Kf — Kl) ,

и,

где 0АДн - номинальная РМ АД; Kf = --напряжение в o.e. позади

еле регулирования, в случае регулирования "+" и до регулирования,

в случае регулирования "-"; К| = -!— ~ напряжение в o.e. до ре-

^АДн

гулирования, в случае регулирования "+" и после регулирования, в случае регулирования "-"; иАдн - номинальное напряжение АД. Для узла, содержащего только СД:

ГТд'^ = Q>f (Ру, h, Ц) -Qyl (Ру, I., иу),

где индекс f соответствует режиму СД после регулирования со знаком "+", режиму до регулирования со знаком "-", индекс 1 соответствует режиму СД до регулирования со знаком "+" и режиму после регулирования со знаком "—".

Для узла, содержащего КБ:

rV' ' = I QKBhi Kf — QKEIÜ-П К, | где Qkbhi ~ номинальная РМ КБ с i-.м числом секций; Скбш-п - номинальная РМ КБ с i-n-м числом секций; Кг, К| - соответственно подключенным секциям, уровни напряжения на КБ, в o.e.

Глубина регулирования для узла нагрузки, содержащего асинхронные и синхронный приводы и КБ будет иметь вид:

Г(+)/м = Qyf (Ру, IB, Uv, Qkb,)-Qv, (Ру, 1„ Uv, QKBl.„).

Алгоритм регулирования реактивной мощности узла нагрузки.

Для регулирования реактивной мощности были выбраны и обоснованы критерии ранжирования ПР-РМ для двух случаев:

• при рассмотрении отдельных ПР-РМ;

• при рассмотрении узла нагрузки в целом, с использованием статической характеристики узла.

Критерии ранжирования разрабатывались, исходя из создания наибольшего экономического эффекта. Для первого случая, ранг ПР-РМ определяется из следующих критериев:

N N

Ki = —-—- - относительная эффективность регу-

PX(ATj)

лировочной характеристики.

где Эк - положительный экономический эффект при регулировании к-го показателя режима электропотребления (РЭП) предприятия, Эк -то же, отрицательный эффект, на интервале регулирования ДТр

К2 = РХ (АТ,) - регулировочная характеристика ПР-РМ;

^пр-рм(дт)

Кт = со (АТ,) = —Пр_рм--удельное электропотребление ПР-РМ за промежуток времени АТ|,

где \Уапр"рм (АТ]), (}ППР"РМ (АТ|) - соответственно, электропотребление и выпуск продукции ПР-РМ за промежуток времени АТ].

л

ЬС4 =-—--удельные приведенные затраты на регули-

РХ(АТ|)

рование рассматриваемого показателя РЭП предприятия, где Зрег - затраты на регулирование.

К5 = ТреГ - длительность регулирующего воздействия на ПР-РМ.

Кб = Тф0рм - длительность формирования управляющего воздействия на ПР-РМ.

К7 - уровень значимости в выпуске продукции.

При использовании статической характеристики узла нагрузки в целом, в работе предложен численный метод определения значений независимых факторов, обеспечивающих необходимый уровень реактивной мощности. Численный метод основан на квантовании значений независимых факторов статической характеристики, порядок ранжирования при этом будет иметь вид:

1. если при заданном (планируемом) значении С?у получено только одно сочетание независимых факторов, то ранжирование не производится;

2. если при заданном (планируемом) значении 0У получен ряд сочетаний независимых факторов, то:

2.1. если Г| = Г/-) (т.е. необходимо уменьшить потребление, или генерировать реактивную мощность), то выбирается последовательно: максимальное значение <Зкб, максимальное значение 1в, минимальное значение напря-16

жения иу:

2.2. если Г, = Г,^' (т.е. необходимо увеличить потребление реактивной мощности), то выбирается последовательно: минимальное значение 1в, наиближайшее, к номинальному значение напряжения иу, минимальное значение Окн-

Последовательность ранжирования по п.2.1. и п.2.2. объясняется следующими обстоятельствами:

а) наибольшие потери мощности в СД соответствуют наибольшему значению 1в;

б) наименьшими потерями мощности обладают конденсаторные батареи;

в) при поддержании напряжения, близкого к номинальному значению, горно-шахтное оборудование работает с наименьшими потерями мощности.

Для определения значений независимых факторов, обеспечивающих заданный уровень реактивной мощности узла нагрузки, разработан пакет программ "Квант" для ЭВМ.

Сравнение ранжирования по двум методикам показало идентичность полученных результатов.

Па основе полученных выражений для определения регулировочных характеристик и разработанных критериев ранжирования создана методика регулирования реактивной мощности.

При создании методики были приняты следующие допущения (которые оценены в соответствующих разделах):

• активная мощность нагрузки не зависит от напряжения;

• при отсутствии ограничивающего реактора, напряжение узла нагрузки не зависит от изменения реактивной мощности в

этом узле.

Алгоритмы регулирования разработаны для двух случаев:

1. Для узла нагрузки, содержащего отдельные ПР-РМ;

2. Для узла нагрузки, рассматриваемого в целом.

В первом случае алгоритм регулирования потребления РМ (рис. 3) предусматривает:

• Определение статических характеристик ПР—РМ, исходя из интервала регулирования А^ в АСКУЭ предприятия;

• Определение плановых значений активной мощности ПР-РМ (исключая КБ) и напряжения узла на каждом интервале регулирования;

• Определение по статической характеристике каждого ПР-РМ (либо по другим характеристикам и зависимо-

рис. 3. Блок-схема ранжирования ПР-РМ

стям) прогнозных значений реактивной мощности ПР-РМ и узла нагрузки в целом;

• Определение интервалов времени ДТ^ на которых должно быть осуществлено регулирование реактивной мощности одного знака.

• Определение возможных глубин регулирования каждого ПР-РМ на каждом интервале Л^ в пределах ДТ|, с учетом знака регулирования и допустимого изменения напряжения;

• Определение регулировочных характеристик каждого ПР-РМ на интервалах ДТ,;

• Присвоение рангов каждому ПР-РМ по разработанной методике ранжирования;

• Определение уровня напряжения, который необходимо поддерживать в узле нагрузки, в процессе регулирования на интервале ДТ,;

• Формирование регулирующих воздействий на ПР-РМ:

♦ для КБ - исходя из возможной глубины регулирования, при фиксированном уровне напряжения:

♦ для АД - аналогично КБ;

♦ для СД - методом квантования статической характеристики, исходя из определения 1в, при фиксированном уровне напряжения.

Во втором случае алгоритм регулирования потребления РМ предусматривает:

• Определение статической характеристики узла нагрузки, исходя из интервала регулирования Д^ в АСКУЭ предприятия;

• Определение диапазонов изменения независимых факторов;

• Квантование диапазонов изменения независимых факторов;

• Расчет значений РМ по квантованным переменным;

• Определение необходимой глубины регулирования и РХ по расчетным данным;

• Формирование регулирующих воздействий на ПР-РМ, входящих в узел нагрузки, исходя из статической характеристики и ранжирования ПР-РМ.

Данная методика была реализована на шахте "Ленинградская" ОАО "Ленинградсланец".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные работы диссертационной работы заключаются в следующих теоретических и методических положениях:

• На основе анализа существующих зависимостей и полученных статических характеристик отдельных ПР-РМ определены основные виды воздействий, позволяющих эффективно регулировать потребление реактивной мощности во взаимосвязи с регулированием активной мощности. Определены виды степенных полиномов, описывающих статические характеристики отдельных приемников и узла нагрузки в целом. Показано, что интервал времени, при снятии статических характеристик должен совпадать с интервалом регулирования нагрузки. Стабилизация коэффициентов полинома характеристик для условий горных предприятий составляет порядка 15 минут.

• Предложен метод определения регулировочных характеристик ПР-РМ с учетом знака регулирования на интервале ДТ^ основанный на определении глубин регулирования отдельных ПР-РМ и узла нагрузки в целом. При этом глубина регулирования по реактивной мощности: для АД может составить до 40% с помощью изменения уровня напряжения; для КБ - с помощью изменения числа секций и уровня напряжения и может составить 1,1 от номинального значения РМ КБ; для СД - с помощью изменения тока возбуждения и напряжения.

• Разработаны методы ранжирования ПР-РМ при их отдельном рассмотрении и рассмотрении узла нагрузки в

целом. В основу метода ранжирования ПР-РМ положена наибольшая экономическая эффективность от регулирования потребления РМ, причем первым критерием является удельная экономическая эффективность на единицу регулировочной характеристики.

• Разработан алгоритм регулирования потребления РМ, основой которого являются определение регулировочной характеристики и ранжирование ПР-РМ, при условии обеспечения эффективных значений РМ на интервалах регулирования Д^.

Практические результаты работы заключаются в том, что:

• разработаны программы для формирования статических характеристик и численного определения значений независимых факторов, обеспечивающих необходимое значение реактивной мощности в процессе ее регулирования;

• разработаны методики определения рангов ПР-РМ, исходя из наибольшей эффективности регулирования;

• доказана эффективность использования статических характеристик ПР-РМ при определении прогнозных и плановых значений РМ на интервалах регулирования:

• разработана методика определения регулировочных характеристик ПР-РМ с учетом знака регулирования на интервале АТ,.

Разработанные методическая и техническая основы регулирования потребления РМ в условиях шахт и рудников позволяют получить экономический эффект за счет уменьшения надбавок и получения скидок за обеспечение договорных уровней РМ.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы на шахте "Ленинградская" ОАО "Ленинградсланец" составляет 230 тыс. руб., в ценах июля 1998 г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Д. Телегин "Регулировочные характеристики потребителей-регуляторов реактивной мощности" // Сборник трудов мо-

21

лодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета). С-Петербург, 1996.

2. В.Д. Телегин, ЯЗ. Шклярский "Новый подход к регулированию реактивной мощности" // Сборник трудов межвузовской научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения", г. Воркута, 1998.

3. В.Д. Телегин "Регулирование реактивной мощности в узле нагрузки" // Федеральная научно-техническая конференция "Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование". Тезисы докладов, г. Новомосковск, Тульской обл., 1998.

4. V. Telegin "Regulowanie moc^ Ыеггщ b gcrnictwie" // VII medzynarodowy sympozjum "Podstawowe problemy energoelektroniki i elektromechaniki", Ustroií, Polska, 17-20.03.1997.

РИЦ СПГГИ. 13.11.98. 3.475. T.100 экз.

199026 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

» / , .л

/ с/ е> У г

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

¿¿л / На правах рукописи

Телегин Виталий Дмитриевич

"Регулирование потребления реактивной мощности и энергии с помощью потребителей—регуляторов мощности

в условиях шахт и рудников"

Специальность 05.09.03 — "Электротехнические комплексы и системы, включая их

управление и регулирование"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук;

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Я. Э. Шкллрсюсй

Санкт— Петербург 1998

Содержание

Стр.

Введение .......................................................................................................................4

Глава 1. Регулирование реактивной мощности на горных предприятиях ...........8

1.1. Анализ вопроса регулирования реактивной мощности ..........................8

1.2. Потребители-регуляторы реактивной мощности.................................... 11

Выводы к главе 1 .........................................................................................................21

Глава 2. Связь между активной и реактивной мощностями ПР-РМ.....................23

2.1. Асинхронный двигатель.............................................................................23

2.2. Синхронный двигатель...............................................................................27

2.3. Конденсаторная батарея .............................................................................28

2.4. Принципы регулирования реактивной мощности ...................................32

2.5. Регулировочные характеристики ПР-РМ.................................................35

Выводы к главе 2 .........................................................................................................39

Глава 3. Статические характеристики узла нагрузки.............................................40

3.1. Активный эксперимент...............................................................................41

3.1.1. Моделирование РМ узла нагрузки ............................................................52

3.2. Промышленный (пассивный) эксперимент..............................................56

3.2.1. Моделирование РМ узла нагрузки ............................................................65

3.2.2. Статическая характеристика в зависимости от интервала регулирования..............................................................................................68

3.3. Определение глубины регулирования и регулировочной характеристики узла нагрузки ...................................................................71

3.3.1. Узел нагрузки с АД.....................................................................................71

3.3.2. Узел нагрузки с СД .....................................................................................72

3.2.3. Узел нагрузки с АД, СД и КБ.....................................................................73

Выводы к главе 3 .........................................................................................................73

Глава 4. Ранжирование потребителей-регуляторов реактивной мощности.........75

4.1. Ранжирование ПР-РМ при рассмотрении их нагрузки по-отдельности ............................................................................................75

4.2. Ранжирование ПР-РМ при наличии статических характеристик

узла нагрузки в целом..................................................................................79

Выводы к главе 4 .........................................................................................................85

Глава 5. Выбор параметров ПР-РМ при регулировании

реактивной мощности.................................................................................87

5.1. Алгоритмы и блок-схемы алгоритмов программ "Квант" .....................87

5.1.1. Множественный корреляционный и регрессионный анализ..................88

5.1.2. Метод планирования эксперимента ..........................................................88

5.1.3. Исследование функции на экстремум методом квантования.................89

5.2. Определение значений независимых факторов для

заданного уровня РМ..................................................................................94

5.3. Промышленный эксперимент ....................................................................98

Выводы к главе 5 ......................................................................................................... 102

Заключение...................................................................................................................104

Список литературы...................................................................................................... 106

Приложение №1. Программа измерений электрической мощности на

шахте "Ленинградская" ................................................................ 113

Приложение №2. Акт внедрения результатов диссертационной работы............... 115

Приложение №3. Листинг пакета программ "Квант" .............................................. 116

Приложение №4. Пример счета на ЭВМ по программе "Квант"............................ 135

Введение

В настоящее время горные предприятия, включая шахты и рудники (ГП), являются одними из самых крупных потребителей электрической энергии. Этот факт подчеркивается в диррективных материалах РАО "ЕЭС России", подготавливаемых к применению, при регулировании режимами потребления электрической энергии промышленными предприятиями [73]. К области регулирования потреблением электрической энергии предприятиями относится и регулирование реактивной мощности [1, 4, 5, 9, 11, 20], в чем заинтересованы как энергоснабжающие организации, так и сами потребители. Заинтересованность потребителя заключается в возможности получения скидок за компенсацию реактивной мощности и снятия надбавок за перерасход заявленной реактивной мощности и энергии. Заинтересованность энергоснабжающей организации заключается в выравнивании графика электрических нагрузок системы электроснабжения [14, 16].

Регулирование реактивной мощности может быть осуществлено с помощью комплекса потребителей-регуляторов мощности. В этом смысле, основополагающим трудом является монография Г.С. Хронусова [71], включающая целый спектр вопросов, связанных с регулированием потребления мощности. Основной акцент в работе сделан на регулирование активной мощности. Что касается реактивной мощности, то в работе предложены основные принципы ее регулирования без четкой связи с регулированием по активной мощности. Круг малоизученных вопросов можно очертить следующим образом:

• отсутствует четкое определение видов электрических нагрузок (включая их ка-тегорийность), которые могут быть использованы в качестве потребителей-регуляторов реактивной мощности (ПР-РМ);

• отсутствует классификация основных видов воздействий на ПР-РМ, позволяющих эффективно регулировать потребление (генерацию) реактивной мощности;

• не определена физическая связь между активной и реактивной мощностями по-

требителей регуляторов мощности в процессе регулирования;

• не дано четкое определение регулировочных характеристик и глубины регулирования, с учетом потребления или генерирования, увеличения или уменьшения потребления реактивной мощности;

• отсутствует разработка подхода к формированию регулировочных характеристик ПР-РМ;

• отсутствует методика ранжирования ПР-РМ, с учетом связи режима их работы с потребителями-регуляторами активной мощности (ПР-АМ).

В очерченной области, как в отечественной, так и в зарубежной науке, имеется немало достижений. Среди ученых, внесших наибольший вклад в решение вопросов по компенсации и регулированию реактивной мощности, а так же вопросов, связанных с этой проблемой можно выделить: Б.Н. Абрамовича, В.В. Алексеева, Б.П. Белых, A.M. Берков-ского, Г.А. Багаутдинова, С.А. Волотковского, С.М. Гамазина, JI.B. Гладилина, Е.П. Ерму-ратского, Е.Е. Ермуратского, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, О.В. Иванова, В.П. Ильяшо-ва, В.М. Квятковского, Б.И. Кудрина, Э.Г. Куренного, Г.С. Кучинского, A.M. Лими-товского, A.B. Ляхомского, Ю.П. Миновского, Г.Г. Пивняка, A.B. Праховник, Е.М. Проскурякова, Г.И. Разгильдеева, В.М. Рачек, В.Г. Соболева, В.И. Серова, A.A. Федорова, Г.С. Хронусова, В.В. Шевченко, В.И. Шуцкого и ряд других видных ученых.

На основе результатов, полученных в работах указанных авторов и на основе работы, проведенной автором, была сделана попытка решить поставленные вопросы по актуальной теме, - регулирование реактивной мощности (энергии) на горных предприятиях, и в частности на рудниках и шахтах.

Работа выполнена на кафедре электротехники и электроснабжения горных предприятий Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета).

Целью диссертационной работы является разработка концепции и методики регули-

рования потреблением реактивной мощности с помощью комплекса потребителей-регуляторов реактивной мощности в условиях ГП.

Идея работы заключается в уменьшении оплаты за потребление электроэнергии ГП при удовлетворении требований энергосистемы.

Для достижения поставленной цели, в работе решаются следующие задачи:

• На основе анализа электрических нагрузок, применяемых на ГП, определяются их виды, включая категорийность, которые могут быть использованы в качестве ПР-РМ.

• На основе анализа видов воздействий на ПР-РМ, производится их классификация и определяется их эффективность в процессе регулирования потреблением (генерацией) реактивной мощности.

• На основе исследований и анализа известных зависимостей определяется связь в процессе регулирования, между активной и реактивной мощностями ПР-РМ.

• Определяются регулировочные характеристики, с учетом знака изменения реактивной мощности в процессе регулирования.

• Определяются возможность использования аналитических выражений для отдельных видов нагрузки и узла нагрузки в целом, для формирования регулировочных характеристик ПР-РМ.

• Разрабатывается методика ранжирования ПР-РМ при рассмотрении их в отдельности и в целом узла нагрузки.

Решение указанных задач предусматривает выполнение большого комплекса работ: обработка статистических данных, полученных в лабораторных условиях и в реальных электросетях; разработка математических моделей зависимости реактивной мощности узла нагрузки от факторов, влияющих на ее величину; анализ литературных источников; разработка и отладка пакета программ на ЭВМ; оценка погрешности на основе теории случайных процессов и т.п.

Научная новизна работы представлена следующими положениями:

• определена связь между активной и реактивной мощностями потребителей-регуляторов в процессе регулирования мощности;

• предложен метод определения регулировочных характеристик ПР-РМ с учетом знака необходимого изменения потребления реактивной мощности приемника или узла нагрузки в целом;

• предложено использование статической характеристики, при определении глубины регулирования ПР-РМ и узла нагрузки;

• предложена методика ранжирования при рассмотрении ПР-РМ для единичных приемников и узла нагрузки в целом.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, близкой сходимостью расчетных и опытных данных.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

• разработаны и внедрены программы по формированию статической характеристики узла нагрузки, содержащего АД, СД и КБ как вместе, так и по отдельности;

• разработана методика определения рангов ПР-РМ;

• разработана классификация основных воздействий на ПР-РМ, при учете взаимосвязи их реактивной и активной мощности, в процессе регулирования;

• разработана методика определения регулировочных характеристик ПР-РМ и определения численным методом значений независимых факторов, обеспечивающих необходимую глубину регулирования узла нагрузки, и разработан пакет программ для ЭВМ;

• разработана методика регулирования реактивной мощности для условий шахт и рудников.

Глава 1.

Регулирование реактивной мощности на горных предприятиях

Ниже приводится анализ существующих директивных материалов, регламентирующих потребление (генерацию) реактивной мощности (энергии) и оплату за нее. Кроме этого, анализируется состояние вопроса компенсации реактивной мощности и ее регулирование на горных предприятиях. Предлагается регулировать потребление реактивной мощности на основе комплекса потребителей-регуляторов реактивной мощности, перечень которых и их регулировочные способности, определены для условий горных предприятий.

1.1. Анализ вопроса регулирования реактивной мощности

Регулирование реактивной мощности на предприятиях горной промышленности, и в частности, на рудниках и шахтах (ГП), является в настоящее время важной задачей. Это вытекает из следующих положений.

Из приоритетных направлений энергетической стратегии России, закрепленных в официальных документах, выделены: цели и средства реализации энергетической стратегии; региональная энергетическая политика; научно-техническая и экономическая политика [73].

Правовые, экономические и организационные основы реализации вышеуказанных направлений закреплены законом Российской Федерации "Об энергосбережении и повышении эффективности использования топлива и энергетики", а также нормативными документами РАО "ЕЭС России" [18, 52, 73]. Выполнение решений, заложенных в отраслевых документах, приведет к поэтапному внедрению всех уровней интегрированной автоматизированной системы управления "ИОАСУ-Энергия". В рамках этой системы приоритетным следует считать создание автоматизированных систем контроля и учета электропотребления (АСКУЭ) в первую очередь на предприятиях по добыче и переработке полезных ископаемых.

АСКУЭ "потребителя" - система сбора информации от счетчиков по каждому контролируемому соединению, обработке ее на диспетчерском пункте промышленного предприятия и отдельного потребителя.

Среди информации, которая должна поступать в АСКУЭ "потребителя" [73] предполагается следующая (таблица 1.1.1)

Таблица 1.1.1

Вид информации Периодичность передачи Назначение

Максимальная реактивная мощность (усредненная) на получасовых интервалах в часы больших нагрузок электрической сети за рабочие дни месяца 1 раз в месяц Определение скидок (надбавок) за компенсацию реактивной мощности

Расход реактивной электроэнергии с начала текущего месяца на конец суток 1 раз в сутки Технический учет, суточная ведомость

Расход реактивной электроэнергии за прошедший месяц: в часы больших нагрузок; в часы малых нагрузок; всего 1 раз в месяц Определение скидок (надбавок) за компенсацию реактивной мощности

Расход реактивной электроэнергии за прошедший месяц 1 раз в месяц Определение скидок (надбавок) за компенсацию реактивной мощности

Очевидно, что АСКУЭ подразумевает регулирование, учет и контроль реактивной мощности и реактивной электроэнергии, что вытекает из «Инструкции о порядке расчетов за электрическую и тепловую энергию», введенной с 1 января 1994 г. [36].

С 1 января 1996 г. в «Инструкцию о порядке расчетов за электрическую и тепловую энергию» [78] внесены изменения, касающиеся применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной мощности.

Существенным моментом в действующей Инструкции является то, что при условии наличия договора с энергосберегающей организацией, регламентируются периоды потреб-

ления или генерации реактивной мощности (энергии). В эти периоды определяются скидки и надбавки за реактивную мощность (энергию). Основой оплаты являются экономические значения реактивных мощности и энергии (СЬ, которые могут определяться двумя методами расчета: нормативным и оптимизационным.

Отсюда стратегию компенсации реактивной мощности можно представить следующим образом:

1. Удовлетворение требований энергосистемы;

2. Уменьшение оплаты за реактивную мощность и энергию предприятия;

3. Уменьшение потерь активной мощности в сети предприятия от уменьшения реактивной составляющей тока.

Кроме этого, регулирование потреблением или генерацией реактивной мощности или энергии может быть необходимым в любые регламентируемые интервалы времени суток. Здесь речь идет о времени максимума нагрузки и времени минимума нагрузки. Отсюда следует, что регулирование реактивной мощности предприятия необходимо осуществлять на протяжении всех суток, исходя из договорных обязательств перед энергосистемой.

В сетях ГП основными потребителями являются асинхронные приводы (см. далее). При наличии участковых трансформаторных подстанций, и при условии резкопеременной нагрузки и недогруженности двигателей, средневзвешенный ср на шинах подземных подстанций составляет порядка 1 [38, 76, 77], что, очевидно, не удовлетворяет энергоснаб-жающую организацию и само предприятие. Уменьшение tg ср до нормированных в настоящее время значений может уменьшить потери в сети более, чем на 40%. Это следует из того, что потери в сети пропорциональны квадрату тока [63, 64, 68]:

12~Р2 + (}2 (1.1.1)

Анализ состояния компенсации реактивной мощности на ГП России показал, что она находится на неудовлетворительном уровне.

Объясняется это двумя основными обстоятельствами:

1. Отсутствие синхронных двигателей в подземных условиях;

2. Отсутствие в условиях России конденсаторных батарей (КБ) во взрывобезопас-ном исполнении.

Отсюда следует, что задача компенсации и уменьшения реактивной мощности является актуальной. Причем в представленной работе решение этой задачи предполагается не только традиционными методами (применение конденсаторных батарей и синхронных двигателей) [46, 47, 48], но и другими, на основе использования различных видов