4.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение основных принципов компенсации реактивных нагрузок (КРН) в промышленных электрических сетях (ПЭС). С этой целью в работе предусмотрено: вычисление общей мощности компенсирующих устройств (КУ) для потребителя, реализация расчетного режима реактивной мощности на лабораторной модели, оценка влияния КРН на режим напряжения и расчет экономического эффекта.
4.2. ВВЕДЕНИЕ
Обмен реактивной мощностью между системой электроснабжения предприятия и электроэнергетической системой (ЭЭС) регламентирован «Правилами пользования электрической и тепловой энергией». Конкретные требования к режиму реактивной мощности каждого из предприятий устанавливаются при ежегодном заключении договора на поставку электроэнергии от электроснабжающей организации. Экономически обоснованные входные реактивные мощности (QЭ1 и QЭ2) предприятия задают дифференцированно, в зависимости от потребляемой мощности и электрической удаленности его от основных источников энергии (электростанций). Числовые значения QЭ1 и QЭ2 определяют в результате расчетов оптимальных режимов работы энергосистемы в периоды ее максимальных (QЭ1) минимальных (QЭ2) нагрузок.
В работе исследуется узел нагрузки, схема замещения которого показана на рис. 7.
 |
Рис. 7
Схема содержит только одну из секций ГПП (правую секцию), поскольку вторая условно считается аналогичной. Граница балансовой принадлежности находится на уровне высоковольтных вводов трансформаторов ГПП. На границе сводятся контрольные балансы активной и реактивной мощностей. Контроль осуществляют на последовательных получасовых интервалах времени при помощи счетчиков энергии с фиксированием максимумов или при помощи специальных автоматизированных информационно-измерительных систем.
В лабораторной модели источниками реактивной мощности являются: электроэнергетическая система (QЭ1, QЭ2) синхронный электродвигатель (QД), конденсаторные установки БК1, БК2 напряжением 10 кВ (QКВ) и БКЗ, БК4 напряжением 0,4 кВ (QКН); потребителями - нагрузка на шинах 10,5 кВ (Q1) и нагрузка ТП (Q2).
Наилучшим (оптимальным) режимом компенсации реактивных нагрузок будет режим, соответствующий минимальной величине годовых расчетных затрат и удовлетворяющий требования электроэнергетической системы. Для нахождения этого режима составляют функцию расчетных затрат (целевая функция) и записывают ограничения. Оптимальными считаются такие мощности компенсирующих устройств, при которых целевая функция принимает минимальное значение в области допустимых решений. Область допустимых решений определяется ограничениями накладываемыми на мощности КУ. Оптимальные мощности КУ в описанной выше постановке задачи рассчитывают с помощью методов математического программирования.
В лабораторной установке моделируется не вся ЭЭС, а только ГПП и одна из цеховых подстанций с питающей ее кабельной линией. Нагрузка Q1 представляет собой суммарную реактивную мощность, потребляемую остальными ТП, число и мощность которых неизвестны. В этих условиях задачу оптимизации размещения КУ можно решать без применения оптимизационных методов, разделив ее на два этапа.
 |
Этап первый. Рассматриваем ТП (рис.8) и определяем QКН
Рис.8
Для определения QКН записывается функция годовых расчетных затрат
(4.1)
где
Е - коэффициент отчислений от капиталовложений (нормативные отчисления, отчисления на эксплуатацию и восстановление оборудования). Численные значения Е следует принять по указанию преподавателя в пределах (0,2... 0,4);
DKН - удельная стоимость конденсаторных установок низкого напряжения (150 руб/квар);
С0 - удельная стоимость потерь активной мощности (задается преподавателем в пределах от 800 до 1200 руб/кВт);
DPн - удельные потери активной мощности в конденсаторных установках низкого напряжения (0,003 кВт/квар);
Rтл - приведенное к напряжению 10 кВ сопротивление трансформатора цеховой ТП и питающей его линии электропередачи, Ом.
Величину этого сопротивления определяем по данным табл. 1 описания лабораторной установки;
U - среднее напряжение на шинах ГПП (10 кВ);
- наибольшая реактивная мощность нагрузки трансформатора Т4 в период максимальной активной мощности нагрузки энергосистемы (для упрощения работы считаем, что трансформатор ТЗ отключен и в расчетах не учитывается) определяется по графику нагрузки Т4, полученному в работе № 1. Период максимума задается преподавателем.
(4.2)
где
DРкз - потери короткого замыкания в трансформаторе, кВт (табл.1);
Sнт - номинальная мощность трансформатора, кВА;
R0 - удельное активное сопротивление линии электропередачи, Ом/км;
l - длина линии электропередачи, км.
Мощность конденсаторной батареи определяется из уравнения:
(4.3)
Расчетное выражение имеет вид
(4.4)
Этап второй. На этом этапе рассматриваем задачу нахождения оптимальных значений Qкв и Qд (рис. 9). Величина нескомпенсированной мощности, передаваемой через трансформатор Т4, показана на схеме как Qт.
 |
Рис.9
Функция годовых расчетных затрат для этого этапа расчетов имеет вид
(4.5)
где
Е, Со - см. выражение (4.1);
DKв - удельная стоимость конденсаторных батарей высокого напряжения (120 руб/квар);
DPкв - удельные потери активной мощности в конденсаторных установках высокого напряжения (0,002 кВт/квар);
К1, К2 - коэффициенты, характеризующие потери активной мощности в СД, зависящие от Qд (K1= 0,011 кВт/квар, К2 = 0.00019 кВт/квар2).
Функция Лагранжа:
(4.6)
где
- реактивная мощность нагрузки на шинах 10 кВ ГПП в период максимальной активной мощности нагрузки ЭЭС.
Мощности Qкв и Qд определяем решением системы уравнений:
(4.7)
Из (4.7) можно получить выражения для расчета Qкв, Qд в общем виде:
(4.8)
(4.9)
С помощью (4.4), (4.8), (4.9) вычисляем необходимые установленные мощности конденсаторных батарей и наибольшую реактивную мощность СД. Отрицательные значения расчетных мощностей свидетельствуют об отсутствии экономической целесообразности использования соответствующего источника реактивной мощности. Его значение принимается равным нулю. Величина Qд не должна превышать допустимых значений по условиям нагрева статора и ротора СД с учетом его загрузки по активной мощности. Проверка СД по условиям нагрева в лабораторной работе не предусмотрена.
Полное использование всех КУ экономически обосновано только в период максимальной нагрузки ЭЭС. При существенно изменяющемся графике реактивной мощности нагрузки необходимо регулирование КУ. В лабораторной установке предусмотрено ручное дискретное регулирование Qд и автоматическое регулирование конденсаторных батарей. Графики регулирования КУ строятся на основании оптимизационных расчетов с учетом требований ЭЭС (QЭ1 , QЭ2). Регулирование КУ должно обеспечить минимальные потери электроэнергии и требуемый уровень качества напряжения.
Для отдельного узла нагрузки, который исследуется в данной работе, оптимизация не требуется. Графики регулирования КУ в этом случае могут быть построены без расчетов. Основой для их построения являются графики реактивной нагрузки на шинах 10 и 0,4 кВ. При построении графиков регулирования следует учесть:
1) в период максимальной активной мощности нагрузки ЭЭС потребление реактивной мощности не должно превосходить величину QЭ1.
2) в период минимальной нагрузки потребляемая реактивная мощность должна быть меньше, чем QЭ2.
4.3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.3.1. Получить у преподавателя следующую исходную информацию:
а) QЭ1, QЭ2;
б) интервалы времени, соответствующие периодам максимума и минимума активной мощности нагрузки ЭЭС;
в) удельную стоимость потерь активной мощности С0.
4.3.2. По формулам (4.4), (4.8), (4.9) определить мощности КУ (два этапа). Полученные значения округлить до ближайших возможных величин, указанных на мнемосхеме лабораторной установки.
Мощность нагрузки взять по графику, полученному в лабораторной работе № 1, прочую необходимую информацию следует взять из табл.1.
4.3.3. Проверить баланс реактивной мощности на шинах ГПП в часы максимума активной нагрузки ЭЭС. В случае необходимости выполнить корректировку мощностей КУ с целью обеспечения баланса.
4.3.4. Построить графики регулирования мощностей конденсаторных батарей (Qкн,Qкв) и синхронного двигателя (Qд). При построении графиков рекомендуется обратить внимание на технико-экономические характеристики и эффективность располагаемых КУ.
4.3.5. Проверить баланс реактивной мощности на шинах ГПП в часы минимума активной нагрузки ЭЭС.
4.3.6. Собрать схему автоматического управления анцапфами Т2 (работа № 3) и мощностями конденсаторных батарей в соответствии с построенными графиками их регулирования. Привести лабораторную модель в исходное рабочее состояние (включить S1, T4, СД; отключить ТЗ, БК1, БК2, БКЗ, БК4).
4.3.7. Включить лабораторный стенд и выполнить следующее:
а) по показаниям счетчиков записать графики изменения активной и реактивной мощностей нагрузок трансформаторов Т2 и T4 с учетом расчетных мощностей КУ и их регулирования;
б) записать с помощью СП напряжение на шинах 0,4 кВ ТП с учетом реализации мероприятий по их улучшению (см. работу № 3).
Запись графиков нагрузок и напряжений (п. «а» и «б») необходимо производить одновременно.
4.3.8. Построить графики нагрузки (Р и Q) с учетом КУ и сравнить их с графиками, полученными в работе № 1.
4.3.9. Построить гистограммы, вычислить математические ожидания и дисперсии напряжений на шинах 10 и 0,4 кВ с учетом КРН. Оценить влияние КУ на режим напряжения, сравнив полученные результаты с соответствующими данными работы № 3.
4.3.10. Оценить экономический эффект КРН на суточном интервале времени в киловатт-часах сэкономленной электроэнергии. Оценку эффекта выполнить сравнением потерь энергии в трансформаторах Т2, T4 и кабельной линии, вычисленных в работе № 1 по графикам нагрузки, не учитывающим КУ и потерь в тех же элементах, но с учетом КУ и их регулирования.
4.3.11. Оформить отчет о лабораторной работе, который должен содержать:
а) таблицу исходных данных для выполнения работы, включая параметры, полученные у преподавателя;
б) расчет мощностей КУ;
в) графики регулирования КУ
г) графики активной и реактивной мощностей нагрузки Т2 и Т4 с учетом КУ;
д) графики изменения напряжений на шинах 0,4 кВ ТП, полученные с помощью самопишущего вольтметра СП;
е) гистограммы напряжений на шинах 0,4 кВ ТП;
ж) расчет экономического эффекта;
з) выводы по результатам работы.
4.4. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
В процессе подготовки к работе необходимо ознакомиться с ее описанием, изучить рекомендованную литературу и соответствующие разделы конспекта лекций. Заготовить бланки для записи показаний приборов и продумать ответы на контрольные вопросы.
4.5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дать понятие реактивной мощности, пояснить ее физический смысл и особенности в сравнении с активной.
2. Чем определяются предельные значения реактивной мощности, которую может выдать в сеть синхронная машина?
3. Дать сравнительную характеристику источников реактивной мощности, используемых в СЭПП.
4. Каким образом реактивная мощность влияет на режим напряжения электрической сети?
5. Требования, предъявляемые ЭЭС к режиму реактивной мощности СЭПП.
6. Как оценивается экономический эффект внедрения расчетного оптимального режима компенсации нагрузок предприятия?
7. С какой целью выполняется регулирование мощностей компенсирующих устройств?
8. Перечислить и пояснить принципы построения графиков регулирования КУ.
9. Почему входные реактивные мощности задаются предприятиям индивидуально?
10. Что понимается под оптимизацией режима компенсации реактивных мощностей нагрузок?
11. Пояснить преимущества и недостатки индивидуальной компенсации реактивной мощности.
Оглавление
Описание лабораторной установки……………………………………3
Лабораторная работа №1………………………………………………10
Лабораторная работа №2………………………………………………14
Лабораторная работа №3………………………………………………17
Лабораторная работа №4………………………………………………20
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам по дисциплине «Системы электроснабжения»
Составители: докт. техн. наук, профессор Кицис С.И.,
канд. техн. наук, доцент Червяков Д.М.,
к.т.н., доцент Власова Е.П.
Подписано к печати Бум.писч. №1
Заказ № Уч.изд.л.
Формат 60/90 1/16 Усл.печ.л.
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
625000, г.Тюмень, ул.Володарского,38
Отдел оперативной полиграфии издательства
«Нефтегазовый университет»
625000, г.Тюмень,ул.Володарского,38