Повышение компенсации реактивной мощности промышленными (или коммунальными) потребителями электроэнергии

Аннотация. В представленной статье рассматриваются ключевые способы повышения компенсации реактивной мощности коммунальными или промышленными потребителями электрической энергии.
Актуальность данной темы исследования предопределена тем, что преобразователи и приемники электрической энергии, которые имеют место в конструкции обмотки, потребляют не только активную, но и реактивную мощность. В рамках передачи по структурным элементам системы электроснабжения реактивной мощности (РМ), которая необходима для преобразования электрической энергии, возникают потери активной мощности, что компенсируется фактическим потребителем.
Одновременно с этим, альтернативой дополнительной плате за электрическую энергию выступает установка в сети предприятия источников реактивной мощности (ИРМ).
В качестве цели исследования выступает комплексный анализ повышения компенсации реактивной мощности промышленными потребителями электрической энергии. Предмет исследования - реактивная мощность промышленных потребителей. В качестве задач исследования выступают:
- анализ назначения компенсации реактивной мощности;
- анализ последствий отсутствия компенсации;
- изучение способов повышения компенсации реактивной мощности.
Методология исследования: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических машин, теории вероятности.
Annotation
The article describes the main ways to increase the consumption of reactive power by industrial (or municipal) electricity consumers.
The relevance of the chosen research topic is that the receivers and converters of electricity, which have windings in their construction (electric motors, transformers, etc.), consume not only active power, but also reactive power. When transmitting reactive power (RM) power supply system elements that are objectively necessary for power conversion, they incur active power losses for which the enterprise-consumer pays for it. An alternative to an additional charge for electricity is the installation of a reactive power source (IRM) network in an enterprise.
The aim of the study is to study the increase in reactive power compensation by industrial (or municipal) electricity consumers.
The subject of study is the reactive power of industrial (or utility) consumers.
Objectives of the study:
- study the purpose of reactive power compensation;
- analysis of the consequences of the absence of reactive power compensation;
- consideration of ways to increase reactive power compensation by industrial (or municipal) electricity consumers.
Research Methodology: The methods used in the theory of electrical circuits, the theory of electrical supply systems for electrical systems, the theory of electrical machines, the theory of probability.
Ключевые слова: реактивная мощность, источники реактивной мощности, электроэнергия, преобразование электроэнергии, активная мощность, индуктивная мощность.
Key words: reactive power, sources of reactive power, electric energy, electric power conversion, active power, inductive power.
Введение
На современном этапе развития вопросы, непосредственно связанные с компенсацией реактивной мощности достаточно остро обсуждается как с потребителями, так и с энергетиками.
Указанная проблема возникла одновременно с применением в практической деятельности переменного тока, в том числе, трехфазного тока. Так, в рамках включения в цепь индуктивной или емкостной составляющей нагрузки, например, двигателя или промышленной печи, между источником и электроустановкой возникает обмен потоками энергии, суммарная мощность которого равна 0. Одновременно с этим, в данном случае наблюдаются дополнительные потери активной энергии, а также потеря напряжения и снижение пропускной способности электрической сети. В связи с тем, что полностью избежать данных явлений не представляется возможным, объективной необходимостью является их минимизация.
Известно, что в зависимости от того, каков тип оборудования, нагрузка дифференцируются на емкостную нагрузку, индуктивную и активную. Так, активная составляющая мощности достаточно полезно используется на практике, трансформируясь в световую, механическую и иные виды энергии. Одновременно с этим, реактивная составляющая мощности какой-либо полезной работы не выполняет и используется в целях создания магнитных полей в индуктивных приемниках. В данном случае электроэнергия, которая запасается в том или ином индуктивном элементе, будет распространяться по сети, но в активных элементах рассеиваться не будет. Для электроэнергии в данном случае характерны колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно).
Стоит отметить, что активная мощность будет вырабатываться исключительно генераторами электрических станций. В свою очередь, реактивная мощность будет вырабатываться генераторами электрических станций, в частности, синхронными двигателями станций в режиме перевозбуждения, а также устройствами компенсирующего типа (например, батареями конденсатора).
Передача реактивной мощности от генератора по электрической сети к конечному потребителю порождает в сети затраты активной мощности в виде потерь. Более того, данная передача дополнительно будет загружать элементы электрической сети, тем самым, снижая их общую пропускную способность. В целях компенсации реактивной мощности будут применяться различные устройства на базе статических, либо синхронных элементов. Отметим, что компенсация реактивной мощности в сети потребителя позволяет достичь сразу нескольких целей. Во-первых, существенно снизить плату поставщику электроэнергии. Во-вторых, уменьшить токовые нагрузки структурных элементов системы электроснабжения, тем самым, обеспечивая расширение производства. И, наконец, в-третьих, это позволяет уменьшить качество электроэнергии за счет уменьшения отклонений напряжения от нормальных номинальных значений.
Методология (методы)
Для написания работы применялись методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, методы теории вероятности и теории электрических машин.
В результате проведенного исследования были сформулированы задачи, решение которых позволяет существенно повысить компенсацию реактивной мощности промышленными потребителями электрической энергии.
Рассматривая последствия отсутствия компенсации реактивной мощности, стоит отметить следующее. В случае, если компенсация подобного рода отсутствует, наступают следующие последствия:
- У трансформаторов при уменьшении cosφ существенно уменьшается пропускная способность по активной мощности на фоне увеличения реактивной нагрузки;
- Увеличение полной мощности при снижении cosφ порождает возрастание тока и, как следствие, потери мощности, пропорциональные квадрату тока;
- Увеличение тока нуждается в повышении сечений кабелей и проводов, а также повышает возрастание капитальных затрат на электрические сети;
- Увеличение тока при снижении cosφ порождает увеличение потери напряжения во всех звеньях энергосистемы, что, в свою очередь, порождает понижение напряжения у потребителей;
- На промышленных предприятиях понижение напряжения почти всегда нарушает нормальную работу электрических приемников.
Так, в указанных случаях будет снижаться частота вращения электродвигателей, что неуклонно приводит к общему снижению производительности рабочих машин. Как следствие, будет уменьшаться производительность электрической печи, ухудшаться качество сварки, уменьшается пропускная способность заводских электрических сетей. Представляется вполне естественным, что данные факторы неизменно порождают ухудшение качества выпускаемой продукции.
На практике объективная необходимость в повышении компенсации реактивной мощности промышленными потребителями будет определяться как технологическими, так и экономическими потребителями.
Результаты
В настоящее время энергоснабжающие компании нередко призывают потребителей к установке устройств, предназначенных для компенсации реактивной мощности, та как это необходимо для минимизации потерь мощности в сети.
В общем виде действие всех компенсирующих устройств базируется на том, что на участке цепи с емкостной и индуктивной нагрузкой будет устанавливаться дополнительный источник реактивной мощности. Как следствие, обмен потоками энергии, о котором шла речь выше, будет происходить между данным источником и устройством на сравнительно небольшом участке цепи, не проходя по основным цепям. В связи с этим, в них не возникают какие-либо негативные последствия.
Сегодня выделяют следующие разновидности компенсирующих установок:
- Конденсаторные батареи. Указанные устройства используются в целях выдачи реактивной мощности в систему. Снижение перетоков реактивной мощности от генератора к нагрузке в сети порождает снижение потерь активной энергии и снижение потерь напряжения.
- Статистические тиристорные компенсаторы. Данные устройства вполне могут работать как на потребление реактивной мощности, так и на ее выдачу. Как правило, в электрических цепях они используются в целях оптимизации режима работы для общего повышения пропускной способности и устойчивости линий электропередач. Также они применяются в целях стабилизации напряжения в узлах нагрузки и уменьшения потерь электроэнергии и повышения ее качества.
- Шунтирующие реакторы. Данные устройства используются в целях компенсации емкостной реактивной мощности, которая генерируется протяженными слабонагруженными линиями передач.
- Фильтрокомпенсирующие устройства. Устройства данного вида необходимы для снижения гармонических искажений напряжения и компенсации реактивной мощности нагрузок потребителей в сети электроснабжения промышленного потребителя.  
- Синхронный компенсатор будет представлять собой синхронную машину, которая работает в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирует в сеть реактивную мощность. Данные устройства применяются в целях регулирования энергетических систем, а также для поддержания напряжения, снижения потерь электроэнергии в сети, увеличения пропускной способности и обеспечения общей устойчивости энергосистемы. 
На современном этапе развития наиболее целесообразным вариантом практической реализации устройств, предназначенных для компенсации реактивной мощности, является применение так называемых «тонких» преобразователей переменного тока (Thin AC Converter, TACC).
В рамках подключения ТАСС к существующим конденсаторам в целях коррекции коэффициента мощности, на практике реализуется устройство, которое именуется динамичным конденсатором или безинвенторным активным фильтром. Устройство представляет собой батарею конденсаторов, которое подключается к сети с помощью полупроводникового АС/АС преобразователя.
Наибольший интерес для практической реализации УКРМ представляет схема, основанная на buck-преобразователе (рис. 1). Стоит отметить, что по своим свойствам «динамический конденсатор» подобен СТАТКОМу. Одновременно с этим, на фоне отсутствия накопителя энергии в рамках звена постоянного тока, управление каждой фазой в данном случае осуществляется без взаимодействия с иными фазами.
Рис.1. Схема однофазного «динамического конденсатора» на основе buck-преобразователя
Эффективность использования конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на рис.2.
INCLUDEPICTURE "http://www.matic.ru/images/stat/st_rkrm1.gif" \* MERGEFORMATINET
Рис.2. Эффективность использования конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности
СД – синхронные электродвигатели; НКБ – конденсаторные установки низкого напряжения; ВКБ - конденсаторные установки высокого напряжения.
Из рис.2 прямо следует, что в рамках необходимости компенсации реактивной мощности величиной до QВН целесообразно отдать предпочтение НКБ, а при больших значениях – ВКБ.
Подключение конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на рис.3.
INCLUDEPICTURE "http://www.matic.ru/images/stat/st_rkrm2.gif" \* MERGEFORMATINET
Рис.3. Подключение конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности
В варианте с ВКБ стоит принимать во внимание затраты, которые предопределены дополнительными потерями электрической энергии, которые вызваны передачей РМ QВ через линию и трансформатор.
Стоит отметить, что функция указанных затрат будет иметь квадратичный характер и находиться в прямой зависимости от того, каково активное сопротивление линии и трансформатора. Дополнительные затраты в данном аспекте увеличивают стоимость варианта с ВКБ (пунктир на рис. 2) и соответственно значение QВН.
Заключение и выводы
В результате проведенного исследования можно заключить, что в рамках проведения мероприятий, направленных на энергосбережение, в первую очередь должны рассматриваться механизмы по компенсации реактивной мощности непосредственно в индукционных приемниках энергии или у потребителей. Обусловлено это тем, что реактивная мощность, в то числе, активная, принимается в расчет при установлении тарифа за электроэнергию и фактически ее оплачивает потребитель.
В рамках распределительных сетей коммунально-бытовых потребителей, которые содержат однофазную нагрузку, устройства, предназначенные для компенсации реактивной мощности, будут применяться не так часто, однако расход в жилом секторе существенно увеличивается. Как следствие, установка данных устройств, не теряет своей актуальности.
Представляется, что установки по компенсации реактивной мощности существенно оптимизируют финансовые составляющие. Более того, они содействуют поддержанию рабочего состояния оборудования, используемого в текущей деятельности.
Список литературы:
Атабеков Г.И., Теоретические основы электротехники [Текст]: учебное пособие. – М.: Лань, 2019-592 с.;
Веприк Ю.Н. Выбор оптимальных мест установки компенсирующих устройств в электрических сетях [Текст] / Ю.Н. Веприк // Вестник национального технического университета. – 2011. - № 41. - С.36-41;
Евстифеев, И. В. О применении повышающих коэффициентов к тарифам за потребление реактивной мощности [Текст] / А. В. Кузнецов, И. В. Евстифеев // Электрика. – 2008. – № 8. – C. 3-6.
Евстифеев, И. В. О повышении эффективности компенсации реактивной мощности [Текст] / А. В. Кузнецов, И. В. Евстифеев // Энергоэффективность: опыт, проблемы, решения. – 2007. – С. 37-40.
Пак В.Е., Султанов Р.А., Реактивная мощность и ее влияние на напряжение в электрической сети [Текст] / В.Е. Пак // Проблемы науки. – 2019. - № 2. – С.208-211;
Тарабин И.В., Скоков Р.Б., Компенсация реактивной мощности как метод повышения качества электрической энергии и сокращения потерь на примере данных «МРСК СИБИРИ» [Текст] / И.В. Тарабин // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-22. – С. 4876-4879.