12 СТАТИЧЕСКИЕ КОМПЕНСАТОРЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) являются перспективным средством рациональной компенсации реактивной мощности в силу присущих им положительных свойств, таких, как быстродействующее регулирование, подавление колебаний напряжения, симметрирование нагрузок и т. д. Поэтому в настоящее время уделяется большое внимание их разработке и освоению как в нашей стране [Н, 15, 18 и др.], так и за рубежом [17]. Следует учесть, что СКРМ в отличие от вращающихся компенсаторов РМ могут быть выполнены на любое напряжение без ограничения.
Одним из первых таких компенсаторов является СКРМ, представляющий собой сочетание управляемого реактора с вращающимся магнитным полем и конденсаторов [14]. Индуктивное сопротивление реактора можно плавно регулировать подмагничиванием постоянным током.
Управляемый реактор может быть включен с обычной БК по одной из следующих схем: параллельно, последовательно и по смешанной параллельно-последовательной схеме.
На рис. 44, а показана схема параллельного соединения СКРМ, а на рис. 44,6 — кривые зависимостей реактивных мощностей элементов в этой схеме и общей РМ от индуктивного сопротивления управляемого реактора.
Из кривых рис. 44, б видно, что при помощи СКРМ можно обеспечить любое значение РМ в системе электроснабжения.
Статические компенсаторы реактивной мощности способны не только компенсировать избыточную РМ, но и выдавать ее электроприемникам.
Рис. 44. Статический компенсатор реактивной мощности: а — схема параллельного соединения статического компенсатора; б — кривые зависимости РМ элементов схемы от индуктивного сопротивления реактора
Кроме того, эти устройства могут осуществлять плавное и оптимальное распределение напряжений, обеспечивая тем самым снижение их потерь в распределительных электросетях.
Статические компенсаторы реактивной мощности превосходят синхронные компенсаторы по технико-экономическим показателям. Например, при экономическом сопоставлении СКРМ и синхронных компенсаторов для номинальной мощности 30 MB-А выявлено, что расчетные затраты для СКРМ на 10—15 % меньше затрат для синхронного компенсатора.
Некоторый недостаток СКРМ можно усмотреть в наличии комбинации линейного элемента (емкости) с нелинейным элементом (индуктивностью), которая может привести к возникновению нежелательных феррорезонансных явлений и к нарушению устойчивости работы схемы электроснабжения. Для устранения этих явлений следует включать в схему СКРМ дополнительные балластные активные сопротивления, что приведет к усложнению и удорожанию, либо применять специальные защитные схемы.
Другим видом СКРМ является тиристорный компенсатор реактивной мощности типа ТК-125-380 номинальной мощностью 125 кВар на номинальный ток 190 А для установки в электросетях 380 В [15]. Силовая часть данного компенсатора представляет собой два параллельно включенных трехфазных управляемых моста, нагрузками которых являются изолированные обмотки дросселя, размещенные на крайних стержнях Ш-образного сердечника.
При испытании СКРМ типа ТК-125-380 выявилось их главное преимущество — плавное автоматическое регулирование ими РМ и стабилизация напряжения сети системой управления тиристором. Тиристорный компенсатор может работать в режимах регулирования cos φ (более целесообразно было бы выбрать режим регулирования непосредственно РМ) или регулирования напряжения.
Несмотря на то что данный компенсатор требует некоторой доработки (например, отстройки силовой схемы компенсатора от нарушений симметрии напряжения, улучшения удельных массо-габаритных показателей, кВар/кг и кВар /дм3, принятия в качестве параметра регулирования реактивной мощности или реактивный ток), целесообразность его применения в распределительных электросетях 380 В, особенно с резкопеременным потреблением РМ, не вызывает сомнения.
В МЭИ разработан СКРМ ступенчатого регулирования БК в электросетях с резкопеременной несинусоидальной нагрузкой, например & системе электроснабжения тиристорного электропривода экскаватора ЭКГ-20. В схеме СКРМ каждая секция БК в составе фильтров пятой и седьмой гармоник включена через индивидуальные трехфазные тиристорные выключатели {18] на шины различных обмоток пятиобмоточного трансформатора привода. Данная схема позволяет ограничить колебания напряжения и коэффициента его несинусоидальности до нормативных значений.
За рубежом разработан компенсатор РМ в сетях переменного тока с электронным регулированием [17], который содержит блок измерения реактивной мощности, воспринимающий сигналы от трансформатора тока и трансформатора напряжения, и исполнительный блок, воздействующий на коммутационные ключи отдельных секций БК. В электронном измерительном блоке посредством тактирования полупериодами напряжения двух ключей, введенных в цепь тока, обеспечивается получение проекций вектора тока на прямой и инвертированный вектор напряжения, что позволяет, в частности, измерять потребляемую активную и реактивную мощности, а также угол нагрузки.
Исполнительный блок осуществляет включение и отключение секций БК по мере поступления импульсов от специального тактового генератора.
В [17] приведены результаты исследования зависимости потерь и стоимости индуктивных устройств компенсаторов РМ от их мощности и класса напряжения, необходимые для обоснованного выбора СКРМ. Дан анализ видов и схем включения в сеть регулируемых СКРМ, приведена сравнительная зависимость их параметров от мощности и класса напряжения. Выявлено, что относительные (на единицу мощности) стоимость С и потери АР равны:
(28)
где С0 — коэффициент, значения которого в зависимости от вида электрооборудования находятся в пределах 0,6—2,8 руб/кВар; Р0 — коэффициент, значения которого в зависимости от вида электрооборудования находятся в пределах 3,2—12 Вт/кВар; U — класс напряжения, кВ; Sном — номинальная мощность, MB-А.
Для дальнейшего совершенствования схем СКРМ необходимо разработать технические требования к единой серии реакторов для компенсации реактивной мощности и к фильтровым реакторам, определить области их применения и типы исполнения.
Большой интерес представляет применение тиристоров в комплекте с обычной КУ, где тиристоры используются в качестве переключающей аппаратуры (выключателей) взамен электромеханических контакторных выключателей. Данный вид тиристорных выключателей, разработанный в МЭИ [18], обладает высоким быстродействием, повышенным сроком службы и позволяет выбрать наилучший момент включения и отключения БК. Их использование особенно целесообразно в промышленных электросетях с резкопеременной нагрузкой.
Тиристорный выключатель представляет собой два встречно включенных между собой тиристора или тиристор с диодом, соединенных последовательно с БК. Поскольку включение тиристора в такой схеме происходит в момент равенства мгновенных значений напряжения на БК и напряжения сети, то автоматически исключается основная причина возникновения бросков тока, что является принципиальной положительной особенностью таких бесконтактных выключателей.
Другой положительной особенностью тиристорных выключателей является возможность очередного включения БК без предварительного разряда конденсаторов, так как БК включается в сеть разряженной, что особенно важно в условиях быстродействующего регулирования реактивной мощности.
В работе [18] дан анализ различных схем исполнения тиристорных выключателей БК, определены области их применения в промышленных электросетях и дана оценка экономической эффективности рассмотренных схем. Показано, что удельные капиталовложения на тиристорные выключатели равны 2—3 руб/кВар, что составляет 25—40 % удельных капиталовложений на БК. Следует отметить, что тиристорные выключатели являются основным рабочим элементом рассмотренных выше СКРМ.
Таким образом, тиристорные выключатели являются перспективной переключающей аппаратурой для КУ, допускают многократное переключение в условиях любых режимов ее работы, обеспечивают высокое быстродействие и имеют еще целый ряд положительных особенностей по сравнению с релейно-контакторной электромеханической аппаратурой.
Особенно целесообразно применение тиристорной переключающей аппаратуры в мощных электроустановках с резкопеременным характером нагрузки, например в дуговых электропечах. Дуговые печи имеют свою явно выраженную специфику работы, отражающуюся на балансе РМ в энергосистемах. Дуга, горящая между электродом и скрапом, крайне неустойчива. Это обстоятельство приводит к периодическим колебаниям как реактивной нагрузки в электросети, так и напряжения, что и создает неустойчивую работу электроприемников.
Как правило, для таких энергоемких токоприемников, как дуговые электропечи, применяются установки индивидуальной компенсации реактивной мощности, которые с целью ограничения значительных токов при включении БК оборудуют специальными реакторами. Наряду с этим при включении электропечных БК возникают большие перенапряжения, достигающие 200—270 % фазного напряжения [19] Опасны и повторные включения, когда перенапряжения возрастают еще больше. Кроме того, в цепи БК — реактор электропечных установок имеется еще и нелинейная индуктивность печных трансформаторов, что вызывает опасность возникновения феррорезонансных явлений.
В работе [19] представлены различные варианты схем включения БК электропечных установок; дан их анализ; определена степень компенсации реактивной мощности каждой такой схемы; показано, как влияет схема включения той или иной БК на изменение (увеличение или снижение) трансформаторной мощности печного агрегата; даны области применения рассмотренных схем.
В работе {19] приведена схема автоматической компенсации реактивной мощности дуговых электропечей с помощью управляемых КУ и с тиристорными переключателями, дан анализ их режимов и рабочих характеристик. Показано, что регулируемые тиристорами конденсаторы сами по себе не генерируют высших гармоник, однако ток дуговой печи, особенно в период расплава шихты, значительно искажается (в частности, возникает третья гармоника). Для обеспечения благоприятных условий эксплуатации регулируемых тиристоров конденсаторы подключены к шинопроводу напряжением 20 кВ через трансформатор со вторичным напряжением 1 кВ, соединенный по схеме «треугольник — треугольник». Такая схема КУ с тиристорным переключением оказалась пригодной для подавления помех в сетях, вызванных колебанием напряжения от работы дуговых электропечей. Кроме того, ее применение позволило расширить диапазон регулирования и повысить скорость компенсации реактивной мощности.
Положительными особенностями КУ с тиристорным переключением для компенсации реактивной мощности дуговых печей являются компенсации колебаний реактивной мощности и стабилизация напряжения на первичной обмотке печного трансформатора, в результате чего имеется возможность увеличить активную нагрузку на печь. Такое увеличение производительности печи заметно возмещает затраты на компенсацию ее РМ.
Регулируемые КУ такого типа используются в Швеции, и их применение позволило наряду с повышением энергетических показателей сократить время плавки на 13,5 %.
Следует учесть отрицательные последствия влияния резкопеременного характера нагрузки рассмотренных выше и им подобных электроприемников не только на качество напряжения в сетях энергосистемы (в частности, его колебания, несинусоидальность и несимметрию), но и на непрекращающиеся переходные режимы КУ и возможную их перегрузку по току.
В этих случаях важную роль приобретают вопросы выбора числа секций КУ в системе автоматического ступенчатого регулирования. Малое число секций КУ снижает точность соответствия в каждый момент времени между мощностью нагрузки и мощностью КУ, а возрастание числа секций КУ связано с большими издержками из-за увеличения количества переключающей аппаратуры.
В МЭИ {20] разработана методика выбора оптимального числа секций КУ для осуществления ступенчатого регулирования реактивной мощности в промышленных электросетях с дуговыми сталеплавильными печами. В основу решения такой оптимизационной задачи был положен метод минимизации целевой функции расчетных затрат от улучшения качества регулирования реактивной мощности КУ при увеличении числа секций КУ. За показатель качества регулирования были приняты уменьшение потерь электроэнергии от перетоков РМ в питающей сети и стабилизация уровня напряжения на шинах потребителя.
В результате расчетов на ЭВМ ЕС-1020 было выявлено, что при увеличении количества регулируемых секций КУ:
математическое ожидание мощности, генерируемой регулируемыми секциями КУ возрастает, что приводит к росту дополнительных издержек от потерь активной мощности в конденсаторной установке;
повысилась точность регулирования реактивной мощности и, следовательно, уменьшилась стоимость потерь электроэнергии в питающей сети, вызванных перетоками нескомпенсированной РМ нагрузки,
снизилось математическое ожидание потерь напряжения за счет повышения точности регулирования, а следовательно, увеличилась производительность печей.
На базе полученных закономерностей, задаваясь различными значениями числа секций регулируемой КУ, можно построить зависимость расчетных затрат в функции числа этих секций и выбрать оптимальный вариант КУ с автоматически регулируемыми секциями, которым соответствуют наименьшие затраты.
В ряде случаев возникает проблема автоматической компенсации реактивной мощности в узле нагрузки, особенно при работе энергоемких технологических потоков с переменной нагрузкой, таких как мощные механизмы с регулируемым приводом от двигателей постоянного тока (ДПТ) или синхронных двигателей (СД). Примером таких энергоемких потребителей являются непрерывные широкополосные станы горячей прокатки, имеющие ДПТ, которые подключены к управляемым ионным или тиристорным преобразователям.
Во ВНИИ электроприводе разработана замкнутая система автоматического регулирования по реактивной мощности на шинах высокого напряжения с использованием СД, оснащенных тиристорными возбудителями с автоматическим регулированием возбуждения [21]. За основу работы схемы взято исходное положение о том, что наиболее рациональным режимом работы в узле нагрузки является режим полной компенсации реактивной мощности (cos<p=l). Для измерения реактивной мощности в данной схеме использованы специальные датчики реактивного тока разработки ВНИИ электропривода.
В [21] подробно описан принцип действия такого автоматического регулятора и наглядно показано, как данная схема улучшает работу электросети в узле нагрузки и позволяет более полно использовать резерв РМ синхронных двигателей, так как в узле нагрузки СР выбираются, как правило, с запасом мощности, для компенсации реактивной мощности.
Применение тиристорного возбуждения СД и АВР обеспечивает высокое быстродействие системы и устойчивую работу СД при имеющих место резких колебаниях активной нагрузки, а также значительно улучшает работу сети и ионных электроприводов.
При анализе рассмотренных способов и средств компенсации реактивной мощности основное внимание было уделено КУ и тиристорным регуляторам в силу присущих им достоинств, отмеченных выше Однако из этого не следует делать выводы о нецелесообразности и неприемлемости других способов компенсации реактивной мощности. При выборе компенсирующих устройств для обеспечения рациональной компенсации реактивной мощности и точного выполнения соответствующих заданий энергосистемы необходимо учитывать РМ синхронных двигателей СД, работающих в режиме перевозбуждения, для
сетей как до 1000 В, так й свыше 1000 В, а также учитывать РМ, генерируемую воздушными и кабельными линиями.
Максимальная реактивная мощность, которую может генерировать СД, определяется по известному выражению, кВар -
(29)
где амах — наибольшая допустимая перегрузка СД по реактивной мощности, зависящая от типа СД, степени его активной нагрузки и относительного напряжения (значение этого коэффициента табулировано в [1]);. Рном, фном — номинальные мощность, кВт, угол ф и КПД двигателя.
Реактивная мощность воздушных и кабельных линий пропорциональна квадрату напряжения сети и длине линии; --среднее значение РМ воздушных и кабельных линий приведено в справочных данных.
