Размещение компенсирующих устройств

Требуемая в ЭЭС суммарная мощность КУ определяется из уравнения баланса реактивной мощности (3.2). Эту мощность необходимо разместить в узлах электрической сети с минимальными затратами. Рассмотрим простейшую схему существующей сети, приведенную на рис. 3.4. От источника питания с напряжением U через сопротивление сети R получает питание нагрузка мощностью S = P + jQ. На шинах нагрузки установлено КУ мощностью Q_к. Оценим влияние КУ на затраты в сеть.

Рис. 3.4. Простейшая схема компенсации реактивной мощности

Выражение для суммарных затрат на передачу мощности к нагрузке при установке КУ будет иметь вид

З=З_к+с_оDР = з_кQ_к+с_о(P²R+(Q – Q_к)²R)/U², (3.6)

где З_к – затраты на КУ;

с_оDР – затраты на покрытие потерь активной мощности в сети;

с_о – стоимость единицы потерянной активной мощности;

з_к – удельные затраты на КУ.

Для определения минимума функции З приравняем к нулю ее производную от переменной Q_к:

dЗ/dQ_к=з_к–2(Q–Q_к)Rc_o/U² = 0. (3.7)

Из (3.7) определяется экономически целесообразная реактивная мощность, передача которой от источника к потребителю отвечает минимуму затрат З

Q_э=Q – Q_к = з_кU²/2Rc_o. (3.8)

Величина Q_э не зависит от активной мощности Р, а зависит лишь от соотношения стоимостных показателей з_к и с_о и параметров сети U и R, по которой передается мощность.

Вопрос о размещении компенсирующих устройств в электрической сети реальной ЭЭС представляет собой сложную оптимизационную задачу. Сложность заключается в том, что электроэнергетические системы являются большими системами, состоящими из взаимосвязанных подсистем. Рассматривать изолированно каждую отдельную подсистему нельзя, поскольку свойства больших систем определяются характером взаимосвязей отдельных подсистем.

При анализе больших систем используется системный подход, согласно которому анализ большой системы выполняется при разделении ее на подсистемы, непосредственно не связанные между собой, но влияющие друг на друга через систему более высокого уровня.

Применительно к рассматриваемому вопросу электрическая сеть представляется разными уровнями, как это показано на рис. 3.5. Верхний уровень – это электрическая сеть напряжением 110 кВ и выше. Эта сложнозамкнутая электрическая сеть, представляемая полной схемой замещения, показана на рис. 3.5 условно, как ЭС1. Реактивные мощности, вырабатываемые генераторами станций Q_ст, компенсирующими устройствами Q_к, линиями электропередачи Q_с, а также реактивные мощности, протекающие по связям с соседними ЭС2 и ЭС3 (Q₁₂, Q₂₁, Q₁₃, Q₃₁), обеспечивают в ЭС1 располагаемую реактивную мощность Q_р1.

Второй уровень – это множество n разомкнутых распределительных сетей напряжением 35 кВ и ниже, присоединенных к n узлам электрической сети верхнего уровня через трансформаторы Т. Эти распределительные сети непосредственно не связаны между собой, но влияют друг на друга через сеть верхнего уровня. Синхронные генераторы, компенсаторы и двигатели в каждой такой распределительной сети представлены одной эквивалентной синхронной машиной G. От распределительных сетей через распределительные трансформаторы Т1 питаются низковольтные потребители P+jQ.

Компенсирующие устройства могут устанавливаться на шинах высшего (Q_кв) и низшего (Q_кс) напряжений трансформаторов Т, а также на шинах 0,4 кВ распределительных трансформаторов Т1 и в самой сети 0,4 кВ (Q_кн). Значения мощностей этих КУ и подлежат определению.

В общем виде задача оптимизации размещения КУ формулируется следующим образом: определить реактивные мощности имеющихся в узлах 6…35 кВ синхронных машин G, мощности КУ в сетях всех напряжений Q_кв, Q_кс и Q_кн, а также значения реактивных мощностей Q_эi (i=1, 2,…n), передаваемых в сети потребителей, при которых обеспечивается минимум суммарных затрат.

Иерархическая структура электрической сети, показанная на рис. 3.5, позволяет решить поставленную задачу по частям, но с учетом взаимодействия между подсистемами разного уровня. В таком системном расчете выделяются два этапа.

Рис. 3.5. Схема размещения КУ в электрической сети

На первом этапе распределительные сети представляются эквивалентными сопротивлениями, за которыми приложены их суммарные нагрузки. Эти сопротивления подключены к n узлам электрической сети верхнего уровня ЭС1. Далее решается задача, аналогичная рассмотренной в начале параграфа. Располагаемая реактивная мощность Q_р1 системы верхнего уровня распределяется между n подсистемами более низкого уровня, т. е. определяются реактивные мощности Q_эi (i=1,2, … n), которые целесообразно передавать из системы верхнего уровня в i-ю распределительную сеть. Критерием такого распределения является минимум суммарных затрат. Расчет выполняется для режима наибольшей нагрузки при выполнении баланса реактивной мощности между системами разного уровня:

Q_эi=Q_р. (3.9)

На втором этапе рассчитывается размещение КУ в распределительных сетях. Расчет выполняется на основе полученных на первом этапе данных без учета системы верхнего уровня. Мощность КУ в каждой i-й распределительной сети (i=1, 2,…n) с суммарной реактивной мощностью Q_i составит

Q_кi=Q_i–Q_эi. (3.10)

В каждой распределительной сети реактивная мощность Q_кi распределяется между синхронными машинами Q_Gi, компенсирующими устройствами в сети выше 1 кВ Q_кci и в сети до 1 кВ Q_кнi. При этом для каждой i-й распределительной сети необходимо выполнение условия

Q_кнi+Q_ксi+Q_Gi=Q_кi. (3.11)

Более подробно задача второго этапа рассматривается в специальных дисциплинах, в частности, в дисциплине «Системы электроснабжения».

Расчеты компенсации реактивной мощности для сетей всех видов выполняются как при проектировании развития электрических сетей, так и в условиях их эксплуатации. При проектировании определяются мощности КУ и решается задача их распределения в электрической сети. Этот вид расчета и рассматривался выше. В условиях эксплуатации определяют оптимальные режимы работы имеющихся КУ в течение суток. Критериями оптимальности в этом случае служат минимум потерь мощности и энергии и соответствие отклонений напряжения допустимым значениям.

Мероприятия организационного характера по обеспечению компенсации реактивной мощности сводятся к заданию для каждой i-й распределительной сети величины реактивной мощности Q_эi, которую экономически целесообразно передавать в эту сеть из сети более высокого уровня. Осуществляется контроль за величиной Q_эi в часы максимума нагрузки и предусматриваются меры экономического воздействия на потребителей за несоблюдение величины Q_эi.