Алгоритм активного управления электропотреблением

• 1.    Введение

• 2.    Активное управление электропотреблением

Моделирование узлов нагрузки промышленных предприятий должно проводиться на базе использования статических характеристик по напряжению, так как они позволяют наиболее полно отобразить характер нагрузки и учесть отклонения напряжения на зажимах электроприемников.

Асинхронные электродвигатели (АД) и трансформаторы потребляют реактивную мощность из сети. Коэффициент мощности незагруженного электродвигателя и силового трансформатора при холостом ходе составляет величину порядка 0.1-0.2. Наиболее резкое снижение коэффициентов мощности трансформаторов наблюдается при снижении нагрузки более чем на 40 %. Низкие значения коэффициента мощности в электроустановках приводят к увеличению потерь электроэнергии на нагрев проводов электрических линий‚ а также обмоток статоров синхронных генераторов и трансформаторов.

Коэффициент мощности повышают естественным способом и искусственной компенсацией ( Лотоцкий ‚ 1964).

К естественным способам относят следующие:

• 1)    Правильный выбор асинхронных электродвигателей в соответствии с их режимами‚ не допуская излишних запасов мощности. Загрузка их должна составлять 75-100 %.

• 2)    Ограничение холостого хода асинхронных двигателей (АД) и сварочных трансформаторов. С этой целью предусматривают устройство для автоматического отключения АД и сварочных трансформаторов на период‚ когда не ведется сварка.

• 3)    Переключение обмотки статора незагруженного АД с треугольника на звезду‚ если обмотки нормально соединены в треугольник и загрузка двигателя меньше 35 % его номинальной мощности.

• 4)    Замена незагруженных трансформаторов трансформаторами меньшей мощности. Такая замена вполне целесообразна‚ когда нагрузка на трансформатор составляет меньше 30 % его номинальной мощности.

К искусственным способам улучшения коэффициента мощности относятся следующие:

• 1)    Установка статических конденсаторов. Конденсаторы могут быть установлены у электродвигателей (индивидуальная компенсация)‚ щитов и на подстанции (групповая компенсация).

• 2)    Использование синхронных генераторов и синхронных двигателей в качестве компенсаторов. Для этих целей используют синхронные генераторы‚ работающие вхолостую с перевозбуждением‚ или синхронные двигатели‚ работающие с перевозбуждением и не несущие нагрузки или нагруженные не на полную мощность.

• 3)    Синхронизация асинхронных двигателей. Для этой цели применяют АД с фазным ротором. Двигатель пускают в ход‚ как обычно‚ пусковым реостатом‚ а затем специальным переключателем включают постоянный ток в обмотку фазного ротора‚ при этом двигатель втягивается в синхронизм и работает как синхронный. Перевозбуждая его, добиваются улучшения коэффициента мощности сети. В качестве источника постоянного тока используют выпрямители или машинные возбудители. Синхронизацию АД экономично применять при их мощности 100 кВт и выше и при активной нагрузке не менее 50 % от номинальной мощности двигателя.

Зачастую эти мероприятия вообще не проводятся либо проводятся плохо, поэтому необходим удобный для потребителя алгоритм управления электропотреблением.

Напряжения‚ подводимые к электроприемникам (ЭП)‚ оказывают влияние на потребляемую ими активную и реактивную мощности‚ а также на выходные технологические параметры‚ определяющие

Живодеров А.А. Алгоритм активного управления электропотреблением производительность оборудования. Расчет электрических режимов распределительных сетей с учетом зависимостей мощностей различных ЭП от напряжения в точках их питания следует производить‚ как отмечается в технической литературе (Карпов, Солдаткина‚ 1970), на базе использования статических характеристик нагрузки (СХН). Согласно ГОСТ 21027-75 "Системы энергетические. Термины и определения", СХН называется зависимость активной или реактивной нагрузки от напряжения при постоянной частоте или от частоты при постоянном напряжении. Обычно применяемое задание нагрузки постоянной активной и реактивной мощностью является лишь одним из возможных вариантов. В зависимости от характера потребителя различают следующие способы учета зависимости нагрузки от напряжения׃

• 1)    Нагрузка задана постоянным активным и реактивным сопротивлением: R = const , X = const . В этом случае мощность является квадратичной функцией от напряжения, и эта зависимость имеет вид׃

P (U ) = U2,   Q (U )=U.

RX

• 2)    Нагрузка задана постоянным током I = const , тогда мощность является линейной функцией от напряжения׃

P (U ) = UI',   Q (U ) = UI", где P и Q – активная и реактивная мощности, I´ и I" – активная и реактивная составляющая тока, соответственно.

• 3)    Нагрузка задана постоянной мощностью Р = const , Q = const , т.е. мощность не зависит от

  напряжения.

  Все варианты задания нагрузки обобщены в виде СХН׃

  
  

  ^Рэп ^{( u} ) = ^РЭП 0

  
  

  к

  
  

  U

  
  

  a_n + a,-- + a.

  01 U ₀

  
  

  U )

  
  

  ■² к U 0

  
  

  _’

  
  

  ^QЭП ^{( u} ) = ^QЭП 0

  
  

  к

  
  

  U bn + b,-- + bn

  01    2

  U ₀

  
  

  U

  
  

  7

  
  

  U 0 7 J

  
  

  _’

  
  
  
  

где индекс 0 обозначает принадлежность к одному и тому же исходному режиму‚ для которого и определяются постоянные коэффициенты а 0 ‚ а 1 ‚ а 2 ‚ b 0 ‚ b 1 ‚ b 2 ‚ входящие в эту зависимость. В литературе можно найти значения этих коэффициентов для некоторых типов ЭП. В качестве исходного режима чаще всего принимается номинальный ( U 0 =U ЭПном ‚ Р 0 =Р ЭПном ‚ Q 0 = Q ЭПном ). Условие Р=Р ном выполняется при а 0 + а 1 + а 2 =1 и b 0 + b 1 + b 2 =1; нагрузка, представленная в виде постоянных сопротивлений, реализуется при а ₀=0, а ₁=0, а ₂=1 и b ₀=0, b ₁=0, b ₂=1; в виде постоянного тока – а ₀=0, а ₁=1, а ₂=0 и b ₀=0, b ₁=1, b ₂=0; в виде постоянной мощности – а 0 =1, а 1 =0, а 2 =0 и b 0 =1, b 1 =0, b 2 =0.

Выражение можно преобразовать‚ рассматривая не полное фактическое напряжение‚ а его отличие от исходного режима: Δ U = U - U ₀. ГОСТ 13109-87 допускает уровни напряжения на зажимах электроприемников общего назначения 0.95U _{ном ном} , поэтому удобнее использовать "спрямленные" линеаризированные зависимости‚ которые получаются при пренебрежении членами второго порядка ( U / U 0 )² в виду их малости из выражения (1):

Р эп ( U ) = Р эп 0 ' 1 + К.

■ A U

РU U

= p

P ЭП 0

^{( 1} - K PU ^{) +} K PU ' —

U ₀

Q эп ( U ) = Q эп 0

1 A U ■ 1+ КQU U

= ^QЭП 0 ■ ^{( 1} - K QU ⁾⁺ K

U

QU U

’ 0 ’

где K PU и K QU – регулирующие эффекты активной и реактивной мощности нагрузки по напряжению:

\ ^РЭП ^РЭП 0 )/ ^РЭП 0

( U - U 0)/ U 0

( б ЭП ^QЭП 0 )/ ^QЭП 0 ( U - U 0)/ U 0

Регулирующие эффекты К_РU ‚ К Q _U связаны с коэффициентами‚ входящими в выражение (1), следующими соотношениями:

К РU = а 1 + 2 а 2 ,

К Q _U = b ₁ + 2 b ₂ .

При линеаризации зависимостей (1) полагаем:

а 0 = 1 - К_Р U ;        а ₁ = К_Р U ;        а ₂ = 0;

b 0 = 1 - К QU ;       b 1 = К QU ;       b 2 = 0.

Электроприемники разного вида‚ подключенные к одним и тем же точкам распределительной сети‚ могут быть сэквивалентированы зависимостью их суммарной активной и реактивной мощности от

напряжения в этом узле:	РНГ ( U ) = РНГ 0 E - 1 + KPU3 ■     ’ L            U 0 J                                             (6) QHr (U ) = QHr№ ■ 1 + KUЭ ■      , НГ \  /   НН1 0 e          QU э   т т   " _             U 0 _
где	nn РНГ G E = ^ РНГ 0 i ;           QH1 G E = ^ QH1 0 i ’ 1=*                                          i = 1                                                                (7) nn K U Э = у Kpu Р ЭП0^ ;     K U Э = У Kou У ЭП0^ . PUЭ         PUi                 QUЭ         QUi i = 1        РНГ 0 i                   i = 1         QH1 0 i

Натурные исследования в действующих электрических сетях говорят о том, что энергослужбы предприятий слабо контролируют уровни напряжения в сетях 6-10 кВ и в сетях 380 В. Значительное время суток напряжения на 3-5 % превышают номинальные значения, что технически допустимо, но экономически расточительно.

Если считать, что регулирующий эффект активной мощности ЭП по напряжению К РU =0.3 ( Сыромятников ‚ 1963), то получается, что уровни напряжения U = (1.03-1.05) U_ном приводят к повышенному потреблению активной мощности (энергии) на 1-1.5 % от потребления при номинальном уровне напряжения. И, наоборот, принудительное поддержание напряжения на минимальном рабочем уровне 0.95 U ном , дает возможность снизить активное энергопотребление на 1.5 % по сравнению с номинальным или на 2.5-3 % по сравнению с потреблением при повышенном напряжении. Еще в большей степени зависит от напряжения потребление реактивной мощности (энергии), так как регулирующий эффект для многих ЭП лежит в диапазоне 2-3.

3. Заключение

Возможность снижения потребления активной и реактивной мощности и энергии из питающей сети за счет поддержания оптимальных уровней напряжения в сети предприятия также должна заинтересовать энергослужбы потребителей.

Для успешного решения предприятием задачи поддержания оптимального напряжения на уровне желаемых величин необходимо знать следующее: 1) данные о схемах и параметрах питающей сети‚ 2) данные о суточных‚ и если нужно‚ сезонных изменениях нагрузки предприятия‚ 3) данные о фактических величинах напряжения на шинах трансформатора со стороны системы и со стороны нагрузки‚ 4) данные о суточных изменениях.