Кучумов Леонид Александрович Профессор кафедры «Электрические системы и сети» СанктПетербургского государственного политехнического университета Заведующий электротехнической лабораторией ЗАО «НПФ «Энергосоюз», г. Санкт-Петербург Особенности выполнения компенсации реактивной мощности (КРМ) в системах электроснабжения Тел/факс: (812) 320-00-99 E-mail: [email protected] www.energosoyuz.spb.ru Санкт-Петербург 2008 г. 1 Нормативно-технические документы по компенсации реактивной мощности и их применение при выполнении КРМ • Вот уже несколько десятков лет политика Минтопэнерго России и энергосистем сводится к тому, что заботы о компенсации реактивной мощности переданы потребителям электроэнергии. Энергосистемы практически нигде в электрических сетях, находящихся на своем балансе, не проектируют установку новых компенсирующих устройств (кроме реакторов на дальних линиях электропередачи и управляемых компенсаторов на Выборгской вставке постоянного тока). Ранее введенные в эксплуатацию синхронные компенсаторы и мощные системные КБ на напряжение (10-110) кВ под угрозой отключения по причине сильного износа и плохих технико-экономических характеристик. Обеспечение требуемого баланса реактивных мощностей и связанных с ними уровней напряжения стараются увязать за счет выставления всем подключенным к узлам нагрузки потребителям специальных «условий» по потреблению реактивной мощности и энергии. • Основной документ, регламентирующий взаимоотношения энергосистем и электропотребителей называется «Правила применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной мощности», введенный с 01.01.94 с изменениями 01.01.96. В настоящий момент времени этот документ считается недействительным, поскольку он не был зарегистрирован в Минюсте России. Но основные положения новой редакции этого документа, находящегося на подписи в Минюсте, повторяют вышеупомянутый 2 документ, и поэтому их следует принимать во внимание при рассмотрении вопроса о балансе реактивных мощностей промышленных предприятий. РАО ЕЭС. Совещание 11.10.2006. Зам. техн. директора – Главный технический инспектор В.К. Паули обозначил четыре проблемы: Повышенные перетоки реактивной мощности в линиях электропередачи распределительных электрических сетей Предельная загрузка линий электропередачи и трансформаторных подстанций и присоединение новых потребителей Q Возникновение дефицита реактивной мощности в узлах нагрузки Неоправданно высокие потери в распределительных электрических сетях, наносящие ущерб электросетевому бизнесу 3 Для начала осуществления процессов по организации компенсации реактивной мощности необходимо: 1. Активизировать выполнение требований приказа РАО «ЕЭС России» от 25.10.2005 №703 «О лицензировании деятельности по продаже электрической энергии и обязательной сертификации электрической энергии в электрических сетях общего назначения». 2. Оценить оснащенность приборами контроля и учета реактивной мощности в электрических сетях и доукомплектовать. 3. Определить места обязательной компенсации реактивной мощности у потребителей по фактическим уровням напряжения и соотношениям активной и реактивной мощности в линиях электропередачи, достигших предельных допустимых значений по фактической токовой загрузке в часы максимумов, а также по фактам уровней загрузки трансформаторов и автотрансформаторов. 4. Оценить и оформить балансы реактивной энергосистем и энергосистемам в целом. мощности по узлам 4 Специальные программы «Реактивная мощность» должны предусматривать: внесение в договора электроснабжения (поставки электрической энергии) условий о выполнении потребителями требований ранее выданных технических условий на присоединение в части поддержания указанных в них значений сos φ (tg φ) или внесение в договора электроснабжения (поставки электрической энергии) условий о взаимных мерах по обеспечению качества электрической энергии, при этом потребитель обязуется (обязывается) выдерживать заданные электросетевой компанией параметры соотношения потребляемых активной и реактивной мощности, как это и требует «Типовой договор энергоснабжения одноставочного (двуставочного) абонента»; проведение совместно с потребителями инвентаризации и ревизии имеющихся у потребителей источников компенсации реактивной мощности и принятие всех мер по их вводу в работу, как одного из требований выданных технических условий на присоединение; установку устройств компенсации реактивной мощности в энергоузлах распределительных сетей, имеющих высокую загруженность линий электропередачи реактивной мощностью; проведение семинаров с участием руководителей и специалистов электросетевых компаний, включая муниципальные сети и сети потребителей, и представителей потребителей на тему «Реактивная мощность и ее значение в надежности и экономике электроснабжения» с целью повышения заинтересованности внедрения систем компенсации реактивной мощности. 5 «Реактивная мощность» и нормативные документы В соответствии с постановления Правительства РФ «Об утверждении правил розничного рынка электроэнергии и мощности и порядка ограничения потребителей» от 31.08.2006 № 530 (пункт 4) в течение 3 месяцев должен быть разработан, утверждаемый Минпромэнерго России: «Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергоприемников (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах оказания услуг по передаче электрической энергии (договорах электроснабжения)». Приказом ОАО РАО «ЕЭС России» от 20.04.2006 №284 разработка данного документа поручена БЕ «Сети» и ОАО «ФСК ЕЭС» совместно с ЦУР и ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС» В данный документ должно быть в обязательном порядке внесено требование о выдерживании потребителями значений tg φ не более 0,4, или сos φ не менее 0,93. 6 Основные эффекты при применении КРМ (формулы получены при условии UКРМ = U0) • 1) Увеличение передаваемой активной мощности по линии, пропускная способность которой ограничена нагревом 2 ( 1 tg 0 ) P P0 (1 tg 2 КБ ) • 2) Снижение потерь мощности 2 1 tg КБ ΔP I ΔP0 I 02 1 tg 20 2 2 ΔP0 ΔP tg 20 tg 2 КБ tg 20 (2QКБ / Q0 QКБ / Q02 ) 2 ΔP0 1 tg 0 1 tg 20 • 3) Увеличение передаваемой активной мощности по линии при сохранении тех же падений напряжений ΔPдоб x QКБ r 7 Особенности оптимизации электрических режимов систем электроснабжения по критерию минимального электропотребления 1. Традиционные энергосберегающие мероприятия 2. Эффекты, связанные с выполнением компенсации реактивной мощности 3. Факт существенных изменений потребления мощности и энергии при изменении напряжений мало связан с выполнением дополнительной полезной работы 4. Оптимизация напряжения в сетях электропотребителей позволяет достичь экономии энергии, соизмеримой и большей по сравнению с известными мероприятиями по снижению потерь электроэнергии 8 9 Классическая теория КРМ (U=const) Узел учета ЭЭ Uсист RC tg Rэп δPc 7 12% З U Qэ δPэп 3 5% P+jQ Q P З Qкб ЗКБ З Зпотерь З min (в часы max ) кб з КБ уд U 2 Qэ 2 R CP Qэ зКБ уд (1 tg 2 ) ; tgэ P 2 P CP Qэ P C P P Зпотерь Q PЭП P P PC PЭП относитель ные потери мощности в питающей сети; CP a b T расч руб кВт год стоимость потерь мощности; a руб кВт год, b руб кВт ч ставки тарифа; зКБ уд руб квар удельные затраты на КБ; зКБ уд (1 tg 2 ) Компенсация не выгодна при P P , гран 2 CP tg P гран 3 5% 10 Оптимизационный метод расчета экономических значений реактивной мощности Qэ и энергии WQэ в нагрузочных узлах • 1. По специализированным программам рассчитываются потокораспределения активной и реактивной мощностей в часы суточного максимума нагрузки и определяются значения Qэ и WQэ в точках учета электроэнергии. • 2. В основе метода заложен для каждого нагрузочного узла расчет степени влияния изменения реактивной мощности в узле ΔQузла на изменение суммарных активных потерь в сети Δ(ΔPΣ): Q узла Δ(ΔPΣ ) ΔQ • узла квар 3.Дополнительно полезно оценивать коэффициент σP узла, характеризующий допустимость подключения в узле дополнительной активной нагрузки. σ P узла Δ(ΔPΣ ) • (0,02 0,6) кВт ΔPузла (0,05 0,6) кВт кВт 4. О причинах нереализованности оптимизационного метода. 11 Нормативный метод расчета экономических значений реактивной мощности Qэ и энергии WQэ в нагрузочных узлах 1. Компенсирующие устройства преимущественно в сетях потребителей за их счет. tg э 2. Qэ Pфакт tg б K U, кВ 0,4 35 110 220 tgб 0,3 0,4 0,5 0,6 K=0,6 – Восточная Сибирь K=0,9 – Ленэнерго K=1,3 – Татэнерго K=1,5 – Мосэнерго K=1,8 – Сахалин, Магадан, Камчатка WQэ k λ tg э WP факт ; k λ k зап 3. Графическая иллюстрация определения Qэ и WQэ Q WQэ Qmax Qнат(t) 4. Графическая иллюстрация типовых распределений по узлам коэффициентов Q , кВт квар Qузла 0,6 WQэ 0,4 Qэ 0,2 QКБ 0 24 часа Для промышленных потребителей необходим учет Qфакт, WQпотр, WQген. 0 Упорядоченная последовательность узлов Nузлов Оплата по ставке 8% тарифа превышений Qфакт над Qэ и WQфакт над WQэ. Оплата по ставке 12% за WQген . 12 Представление потребляемой мощности как функции напряжения UЦП R сети экв X сети экв U U 0(1 U ) P 0 (1 K P ,U U ) jQ 0 (1 K Q ,U U ) Pпотр+jQпотр Обозначения U U 0(1 U ); U U ; U0 P / P 0 K P ,U [0.2 ... 1.5]; U /U 0 Q / Q 0 K Q ,U [2 ... 3]. U /U 0 Запись потребляемой мощности : P потр P 0 K P ,U UP0 P потерь(U ); Q потр Q 0 K Q ,U UQ0 Q потерь(U ). 13 Опыт по определению регулирующих эффектов активной (P) и реактивной (Q) нагрузок 6800 11200 P P 6600 11000 U 10800 U, B U 6200 10600 6000 10400 5800 10200 5600 16:25 Р, кВт 6400 10000 16:26 16:27 16:28 16:29 16:30 Время, час:мин 6800 2000 6600 1600 1200 U U, B U 6200 800 6000 Q, квар 6400 400 Q Q 5800 0 5600 16:25 -400 14 16:26 16:27 16:28 Время, час:мин 16:29 16:30 Формулы для расчета потерь активной мощности KP,U=0 и KQ,U=0 P 0 (1 tg 2 0) P 0 Q 0 R сети экв ; R сети экв P потерь0 2 2 U0 U0 2 2 2 P 0 (1 tg 2 0) R сети экв P потерь0 (1 2U ); P потерь(U ) 2 2 U 0 (1 U ) U U /U 0; tg 0Q 0 / P 0 2 KP,U0 и KQ,U0 P потерь(U ) P потерь0 U 2 R сети экв U0 2 P 2 0 ( K P ,U 1) Q 0 ( K Q ,U 1) 2 2U 2 P потерь0 .1 K 1 tg ( K 1 ) ; P ,U 0 Q ,U 2 1 tg 0 Потребляемая (оплачиваемая) мощность : P потр P 0 (1 K P ,U U ) P потерь(U ) 15 Потери и потребление активной мощности после подключения КБ UЦП R сети экв X сети экв U U 0(1 U ) P 0 (1 K P ,U U ) jQ 0 (1 K Q ,U U ) Pпотр+jQпотр Q бк tg 0Q 0 / P 0 ; tg Q 0 Q КБ Р0 Увеличение напряжения при подключении КБ с мощностью QКБ : U КБ Q КБ X сети экв U0 2 ; Потери мощности после подключени я КБ : Pп о тер ь КБ P 0 (1 tg 2 ) 2P 0 U K P ,U 1 tg 0tg ( K Q ,U 2) tg 2 ; КБ 2 2 1 tg 0 1 tg 0 Потребляемая (оплачиваемая ) мощность P потр P 0 (1 K P ,U U КБ ) PпКБ о терь 16 Пример оптимизации электрического режима при регулирующих эффектах KP,U=1.5, KQ,U=3.0 Центр питания ВЛ Тр-р 110/6кВ 121кВ КЛ 6кВ Тр-р 6/0.4кВ Нагрузка на стороне 0,4кВ Uнг 6кВ Uу. Ф. Pпотр+jQпотр Номер режима 25МВА Напряжение в нагрузочном узле Uнг, В 1000кВА Напряжение на конце удаленного фидера Uу.ф., В КЛ 0,4кВ Потребление мощности в центре питания Потери активной мощности P, МВт Q, МВар ΔP, МВт Нагрузка удаленного фидера 0,4кВ Изменение параметров режимов 1 – исходный 399 376 18,6 12,5 0,787 – 2 – оптимизированный без КРМ 383 361 17,5 11 0,675 По отношению к режиму 1 δP=–6%; δQ=–12% δ(ΔP)=–14% 0,597 По отношению к режиму 2 δP=7,5%; δQ=–79% δ(ΔP)=–12% 0,537 По отношению к режиму 2 δP=–2%; δQ=–86% δ(ΔP)=–21% 3 – 100%-ная КРМ в режиме 2 без регулирования напряжения 4 – 100%-ная КРМ в режиме 2 с оптимизацией напряжения 405 384 385 363 18,8 17,3 2,38 1,59 17 Пример расчета исходного режима по программе «RASTR» 18 О математической модели Ватьёганского месторождения ООО«ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» 19 Схема сети 35кВ Ватьёганского месторождения ПС-110/35/6кВ "Зенит" ЗРУ-6кВ КНС-8 ПС-110/35/6кВ "Фотон" ЗРУ-6кВ ПС-110/35/6кВ "Ватьёганская" ЗРУ-6кВ ПС-110/35/6кВ "Айка" ЗРУ-6кВ КНС-3 ПС № 48 ПС № 46 ПС № 59 ПП-1 35 кВ Фотон 51 – 1,2 Ватьеганская 39 - 1, 2 Айка - 1, 2 Айка 54 - 1, 2 ПС № 60 ПС № 62 ПС № 37 (Ёганойл) Ватьеганская - 1, 2 Фотон – 1,2 Зенит-1,2 КНС 9-1,2 КНС-1 ЦПС ПП-5 35 кВ ПС №29 ПС № 54 ПС № 56 ПС № 52 ПС № 57 ПС № 42 ПС № 41 ПС № 40 ПП-4 35 кВ ПС № 53 ПС № 44 ПС № 43 ПС № 51 ПС № 58 ПС № 50 ПП-2 35 кВ ПС № 45 ПП-6 35 кВ ПП-3 35 кВ ПС № 39 ПС № 47 ПС № 38 ПС № 34 20 ГТЭС 6 х 12 МВт Графический редактор программы «RASTR» На рисунке отображен фрагмент системы электроснабжения Ватьёганского месторождения (изображена ПС-46 и все питающиеся от нее кустовые подстанции 6/0,4кВ). 21 Расчет различных режимов с использованием математической модели 1. Нормальный режим работы По модели можно оценить режимные параметры (потребляемую из внешней сети мощность, загрузку линий электропередачи, уровни напряжений) и при необходимости скорректировать их, провести установку устройств компенсации реактивной мощности и оценить их эффективность. 2. Аварийные и ремонтные режимы работы В модели можно объединить сети 35кВ четырех сетевых подстанций 110/35/6кВ в произвольном сочетании, отключить любую линию или трансформатор, объединить разные секции одной подстанции и провести расчет нового режима. 3. Режимы работы с различными схемами генерации на новой электростанции Шесть блоков ГТЭС в модели могут работать каждый на свою линию электропередачи или могут быть произвольно объединены для совместной работы на меньшее число линий. Мощность каждого генератора можно плавно регулировать в рамках его технических характеристик. 22 К определению резонансной частоты при подключении КБ О выборе ступеней КБ в сетях 6-10кВ QступКБ S Т ном 2 nрез u к* 23 24 Пример измерения высших гармоник и переходных процессов при подключении КБ на подстанции 35 кВ 4 МВА 6 кВ 900 квар 25 Пример измерения высших гармоник и переходных процессов при подключении КБ на подстанции Рис.9. Регистрограммы изменения фазных напряжений и токов на вводе 6 кВ Рис.10. Регистрограммы изменения активной и реактивной мощностей на вводе 6 кВ трансформатора Т1 подстанции 35/6 кВ №34 в опытах включения/отключения КБ-6 кВ трансформатора Т1 подстанции 35/6 кВ №34 в опытах включения/отключения КБ-6 кВ мощностью 900 квар. мощностью 900 квар. 26 Пример измерения высших гармоник и переходных процессов при подключении КБ на подстанции Рис.13. Регистрограммы изменения коэффициентов искажения синусоидальности напряжения на вводе 6 кВ трансформатора Т1 подстанции 35/6 кВ №34. Рис.14. Регистрограммы изменения величины высших гармоник в токах фаз «А» и «С» на вводе 6 кВ трансформатора Т1 подстанции 35/6 кВ №34. 27 Пример измерения высших гармоник и переходных процессов при подключении КБ на подстанции Осциллограммы изменения фазных напряжений и токов в сети 6 кВ в опыте включения КБ-6 кВ. Общая длительность осциллограммы 20 мс (1 период). 28 Схемы ступенчаторегулируемой КБ, устойчивой к резонансным явлениям UВН UВН SТС 1 ступень uk = 0,12 2 ступень QКБ/SТС = 5,8% nрез = 12 3 ступень 4,5% SТС 6-10 кВ 4 ступень 13,7% 1 ступень 28% uk = 0,06 2 ступень QКБ/SТС = 11,6% nрез = 12 Qступени 1+ 2 = 10,3% nрез = 9 0,4 кВ 3 ступень 9% 26,5% Qступени 1+ 2 = 20,6% nрез = 9 Qступени 1+2+3 = 24% nрез = 6 Qступени 1+2+3 = 47,1% nрез = 6 Qступени 1+2+3+4 = 52% nрез = 4 Qступени S т ном 1 n 2рез uk Строгая последовательность переключений ступеней 29 ОАО «АЛНАС» Республика Татарстан Осциллограммы фазных напряжений и токов в момент пуска индукционной печи IFM-4/5 30 Спектры гармоник напряжения в сети 6кВ, питающей индукционную печь IFM-4/5 31 Выводы и рекомендации 1. Выдвигаемые энергосистемой разумно обоснованные условия КРМ в узлах нагрузки потребителей подлежат обязательному выполнению. 2. Вопросы размещения в сетях 6-10 или 0,4кВ, выбор мощности, числа ступеней и законов регулирования УКРМ решаются с привлечением специалистов и организаций, способных проводить соответствующие оптимизационные расчеты. 3. Необходимо иметь представление (результаты измерений) о регулирующих эффектах нагрузки по напряжению КР, U и КQ, U во всех нагрузочных узлах. Эти данные следует использовать при проведении расчетов изменения уровней электропотребления и активных потерь после установки УКРМ. 32 4. Поскольку при выполнении КРМ напряжения в узлах нагрузки увеличиваются и, соответственно, увеличивается уровень электропотребления активной мощности, необходим обязательный контроль и регулирование напряжения во избежание реально возможных парадоксов увеличения платы за электроэнергию после установки УКРМ . Энергосистема должна способствовать осуществлению мероприятий по соответствующей перестройке уровней напряжения. 5. Дискретность РПН и ПБВ обычно не позволяет после установки УКРМ уменьшить электропотребление на расчетную величину снижения потерь электроэнергии. Тем не менее, при грамотно организованной перестройке карты напряжений в узлах нагрузки понесенные затраты на УКРМ окупаются в сроки до 1,5-3 лет вследствие высоких цен на электроэнергию. 33 Последующие слайды частично отражают материалы исследований, проводимых в ЭТЛ ЗАО «НПФ «Энергосоюз» при обследованиях промышленных предприятий (в основном, это перечень направлений исследований) 34 Кучумов Леонид Александрович Профессор кафедры «Электрические системы и сети» СанктПетербургского государственного политехнического университета, Заведующий электротехнической лабораторией ЗАО «НПФ «Энергосоюз», г. Санкт-Петербург Цикл сообщений по теме Расчетно-экспериментальные исследования в области качества, надежности и экономичности работы систем электроснабжения Санкт-Петербург 2008 г. 35 Разделы сообщений 1. Основные проблемы поддержания качества электроэнергии в системах электроснабжения 2. О программах, применяемых для расчета показателей качества электроэнергии 3. Особенности потоков мощностей и учета электроэнергии в электрических сетях с нелинейной и несимметричной нагрузкой 4. Об опыте проведения энергообследований предприятий с акцентом на анализ показателей качества электроэнергии 5. Особенности оптимизации электрических режимов систем электроснабжения по критерию минимального электропотребления, особенности выполнения компенсации реактивно мощности 6. Специфические вопросы режимов сетей 6-10кВ при возникновении однофазных замыканий 7. Измерения коммутационных перенапряжений в сетях 6-10кВ при 36 работе вакуумных выключателей Об опыте проведения энергообследований промышленных предприятий с целями разработки мероприятий по улучшению качества напряжения, сбережения электроэнергии и повышения надежности работы систем электроснабжения 37 Проводились энергетические обследования и измерения на предприятиях: • • • • • • • • • • • • • ОАО «Северсталь»; ОАО «Аммофос», ОАО «Череповецкий Азот»; ОАО «Кировский завод»; ОАО «Ижорские заводы»; ЦКБ «Кондопога»; ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»; ОАО «Киришинефтеоргсинтез»; Алюминиевые заводы: Саянский ,Волховский, Надвоицкий, Кандалакшский; ГУП «Водоканал» (Санкт-Петербург); ОАО «Алнас» (Татария); ОАО «Ленэнерго»; ОАО «Кольская ГМК»; ОАО «Амурметалл» и др. 38 Основные цели энергетических обследований: • Оценка эффективности работы электрооборудования и электрических режимов системы электроснабжения • Разработка предложений, направленных на снижение потребления оплачиваемой электроэнергии • Разработка мероприятий, направленных на повышение надежности и качества электроснабжения • Составление энергопаспорта предприятия в части, касающейся электрохозяйства 39 Основные направления работ при энергетических обследованиях предприятий: 1. Расчетно-экспериментальный анализ режимов электропотребления и генерации активной и реактивной мощностей предприятия в целом и его подразделений 2. Анализ договоров электроснабжения с энергосистемой и разработка предложений по его коррекции в интересах предприятия 3. Расчетно-экспериментальное определение степени зависимости активной и реактивной нагрузок предприятия от напряжения. Оценка возможного эффекта от оптимизации уровней напряжений. 40 4. 5. Анализ режимов работы существующих компенсирующих устройств (КБ, СД, генераторов) и потерь в них при выработке реактивной энергии. Обоснование условий, исключающих штрафные санкции энергосистемы за невыполнение условий потребления реактивной мощности и энергии. Измерения и анализ показателей качества электроэнергии (ПКЭ). Исследование режимов работы электроприемников, влияющих на ПКЭ. Разработка математических моделей для последующего анализа и оптимизации ПКЭ и добавочных активных потерь. Оптимизация условий компенсации реактивной мощности в узлах с нелинейной, несимметричной и резкопеременной нагрузкой. Исследование резонансных явлений на высших гармониках. Разработка предложений по минимизации ущербов при нарушении ПКЭ. 41 6. Оценка КПД электроприводов мощных насосов и вентиляторов, а также экономически оправданных путей повышения эффективности их работы, например за счет замены рабочих колес. Определение электроприводов, для которых эффективно применение частотного регулирования. 7. Анализ режимов нейтралей сетей 6-10-35 кВ и ущербов, связанных с однофазными замыканиями на землю. Разработка предложений по совершенствованию режимов нейтралей, условий работы защит нулевой последовательности и применению средств ограничения перенапряжений. Точные измерения токов замыкания и настроек дугогасящих реакторов безопасным для оборудования методом (без опытов металлического замыкания). 42 8. Анализ существующих систем технического и коммерческого учетов электроэнергии, а также систем мониторинга за потреблением различных энергоносителей на предмет соответствия современным требованиям. Разработка соответствующих рекомендаций. 9. Составление технического отчета, включающего перечень энергосберегающих мероприятий с оценкой достигаемого экономического эффекта, который обычно эквивалентен (1-5)% от величины оплачиваемой электроэнергии. 10. Составление энергопаспорта в части, относящейся к электрохозяйству предприятия. 43