Определение параметров компенсатора реактивной мощности дискретного типадля электротехнического комплекса «берег-судно»

В рыночных экономических условиях автоматизированные испытания судовых электростанций судов различного назначения в отрасли водного транспорта проводят с использованием промышленной электрической сети судостроительного или судоремонтного предприятия [1]. При строительстве, достройке, испытаниях, ремонте судов речного и морского транспорта для обеспечения энерго- и ресурсосбережения создаются на основе электрической сети судостроительно – судоремонтного предприятия электротехнические комплексы «берег - судно» или «берег - док» [2]. Эти современные электротехнические комплексы «берег - судно» или «берег - док», используя промышленную электрическую сеть судостроительно – судоремонтного предприятия, реализуют системные испытания по энергосберегающей технологии [3].

Система электроснабжения современного судоремонтного предприятия представляет собой сложный комплекс устройств для передачи, преобразования, распределения электрической энергии и оперативно-диспетчерского управления ими, служащий для обеспечения производства различными (по роду тока, уровням напряжения и частоты) видами электроэнергии на всех этапах постройки и ремонта судов, кораблей, плавсредств, обеспечения вспомогательного производства и объектов инфраструктуры предприятия. Как правило, системы электроснабжения судоремонтных предприятий не имеют собственных генерирующих мощностей, чем обусловлена необходимость приобретения 100% потребляемой электроэнергии у поставщиков на оптовом или розничном рынках электроэнергии и мощности.Последнее обстоятельство делает предприятия в значительной мере зависимыми от условий, диктуемых энергоснабжающей организацией в части финансовых и технических вопросов их взаимодействия, регулируемых рядом нормативных документов, таких как Гражданский кодекс РФ, Федеральный закон РФ «Об электроэнергетике», Правила и нормы оптового рынка электроэнергии, нормативные документы РАО «ЕЭС России», договор купли-продажи электроэнергии, и другие. Действующая сегодня система взаимоотношений поставщика и потребителя электроэнергии диктует последнему необходимость наличия возможностей оперативного регулирования параметров электропотребления как по активной, так и по реактивной составляющим потребления, с одной стороны, и корректного установления плановых объемов потребления на заданные расчетные периоды времени, с другой стороны. Необходимо отметить, что неверное установление плановых объемов потребления (следствием чего является отклонение от них фактических величин потребления) влечет применение к потребителю крупных штрафных санкций.

Кроме того, управление режимами электроснабжения судоремонтного предприятия необходимо осуществлять с целью поддержания характеристик и режимов работы отдельных элементов системы электроснабжения в рамках нормативных параметров во избежание нарушения их нормального функционирования, предупреждения и локализации аварий, повышения общего качества оперативно-диспетчерского управления энергосистемой.

Вместе с тем, исследования систем электроснабжения и организации работы энергослужб судоремонтных предприятий выявили ряд серьезных проблем, а именно:

а) отсутствие обоснованных методик определения величин плановых объемов потребления электроэнергии и мощности;

б) отсутствие возможностей оперативного контроля параметров электропотребления и контроля с накоплением данных за определенный промежуток времени, что делает невозможным проверку объемов, предъявляемых энергоснабжающей организацией;

в) отсутствие возможности контроля и учета параметров электропотребления и параметров качества электроэнергии отдельных потребителей, в том числе объектов обеспечения постройки, ремонта и испытания кораблей и судов;

г) отсутствие устройств компенсации реактивной мощности, работающих в автоматическом режиме и обладающих необходимыми точностью и быстродействием;

д) как следствие, отсутствие реальных возможностей управления режимами электроснабжения на требуемом уровне.

Из сказанного выше следует, что для комплексного решения проблемы повышения качества управления режимами электроснабжения судоремонтного предприятия требуется разработка системы учета и контроля параметров электропотребления, разработка методики определения величин плановых объемов потребления мощности, разработка автоматизированных устройств для компенсации реактивной мощности, обладающих высокой точностью и быстродействием.

Проблема компенсации реактивной мощности в сетях крупных потребителей электроэнергии обретает в последнее время все большую актуальность, при этом можно выделить два основных комплекса способствующих этому причин. Во-первых, действующие тарифы на электроэнергию для промышленных потребителей предполагают систему скидок и надбавок к базовым тарифам за потребление (генерацию) реактивной мощности, что напрямую связано с режимами работы компенсаторов реактивной мощности у потребителя. Во-вторых, сложность и разветвленность систем электроснабжения крупных судостроительно-судоремонтных предприятий, разнообразие видов нагрузок и режимов их работы делают целесообразным применение децентрализованных систем компенсации реактивной мощности (как правило, на уровне трансформаторной подстанции или отдельной группы мощных потребителей). Наконец, проведенные исследования систем электроснабжения нескольких крупных судостроительных (судоремонтных) предприятий Северо-Западного региона показали, что большинство узлов нагрузки и центров питания либо вообще не оснащены устройствами компенсации реактивной мощности, либо имеющиеся компенсаторы по разным причинам могут работать только в режиме ручного регулирования мощности, что совершенно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к системам компенсации реактивной мощности [4,5].

Для решения выше обозначенных проблем предлагается использовать компенсатор реактивной мощности дискретного типа (КРМ ДТ) [6,7].

Упрощенная структура КРМ ДТ показана на рис. 2.1. Силовая часть компенсатора состоит из четырех секций конденсаторных батарей (КБ 1, КБ2, КБ3,КБ4) с соотношением мощностей 1:2:4:8, при этом конденсаторы каждой секции включены треугольником. Каждая из секций конденсаторов подключается к сети посредством последовательно соединенных с ними бескон­тактных коммутаторов, выполненных на основе IGBT-транзисторов (ТК1, ТК2, ТКЗ, ТК4). Такая организация силовой части КРМ позволяет, во-первых, значительно сократить количество коммутационно-защитной аппа­ратуры, во-вторых, обеспечить 15 (с нулевым уровнем — 16) ступеней регу­лирования реактивной мощности компенсатора, обеспечивая достаточно плавное изменение мощности при широком диапазоне регулирования.

шины питания нагрузки

Рис.2.1. Структура КРМ ДТ

Важнейшей особенностью предлагаемого компенсатора реактивной мощности по сравнению с применяемыми в настоящее время устройствами является то, что с целью исключения бросков тока в КБ при коммутациях, подключение конденсаторов к сети происходит не в произвольный момент времени, а в момент равенства мгновенного напряжения сети и остаточного напряжения на конденсаторах. Диаграмма, поясняющая работу КРМ ДТ и показывающая изменение величины реактивной мощности устройства, при­ведена на рис. 2.2.

Силовая часть компенсатора состоит из четырех секций КБ, мощности которых относятся друг к другу как 1:2:4:8. Такое построение силовой схемы статического транзисторного коммутатора (СТК) позволяет сократить количество коммутационной аппаратуры при достаточно широком диапазоне регулирования мощности конденсаторной батареи (КБ) [6,7].

 

В этой таблице нужно поменять значения кВАр ставим свое по заданию, например 620. Изменяем все значения. 620/540/460/380/300/220/160/80 (<<пример)

Рис. 2.2. Диаграммы, поясняющие работу компенсатора реактивной мощности дискретного типа

Поскольку полная реактивная мощность проектируемой установки со­ставляет 550 кВАр, мощность одной ступени регулирования определяется следующим образом:

ΔQ = 550/15= 36,67кВАр.

 

Мощности первой, второй, третьей и четвертой секций конденсаторной батареи соответственно равны:

 

Q₁ = 36,67 кВАр;

Q₂ = 73,34 кВАр;

Q₃ = 146,68 кBAp;

Q₄= 293,36 кВАр.

Суммарная емкость конденсаторов одной секции конденсаторной батареи определяется из выражения [7]:

Q= .

Отсюда получаем соответственно:

= ;

 

С₂ = 1764 мкФ;

С₃ = 3528 мкФ;

С₄ = 7056 мкФ.

Таким образом, емкости конденсаторов, подключенных в каждую фазу одной секции соответствующих ступеней будут равны:

 

С _ав1= с _вс1 = с _са1 = 294 мкФ;

С _АВ2 = С_ВС2 = С_СА2 = 588 мкФ;

С _АВ3 = С_ВС3 = С_СА3= 1176 мкФ;

С _АВ4 = С_ВС4 = С_СА4 = 2352 мкФ.

 

Фазные токи секций батарей конденсаторов определим как:

;

;

140,4 A;

.

Тогда линейные токи каждой из секции будут равны:

IЛ1 = Ф1 = 60,8 А;

IЛ2 = 121, 6 А;

IЛ3 = 243,2 А;

IЛ4 = 486,4 А.

На основании приведенных выше расчетов целесообразно применить косинусные конденсаторы марки КЭС1-0,66-40-2У1. Емкость одного такого конденсатора равна С=292 мкФ. Таким образом, в каждой фазе первой секции содержится по одному конденсатору, второй секции - по два параллельно соединенных конденсатора, третьей секции - по четыре и четвертой секции - по восемь конденсаторов.

Для коммутации батарей конденсаторов предлагается применять вместо тиристоров IGВТ-транзисторы. Управление транзисторными ключами существенно отличается от управления тиристорами. Транзистор является полностью управляемым ключом, его можно открывать и закрывать в любые моменты времени, поэтому система управления должна быть точно синхронизирована с сетью и выдавать команды ключу не только на включение, но и на выключение [7].

IGВТ -транзисторы обладают достаточно малым временем переключения. Это позволяет с высокой точностью переключать транзисторы в моменты перехода тока конденсаторов через ноль, а также включать транзисторные ключи в момент времени, когда мгновенное значение напряжения питающей сети и остаточное напряжение на конденсаторе будут равны по величине. Последнее условие, как указывалось выше, позволяет избежать возникновения переходных процессов в КБ при ее подключении к сети.

Выбор силовых транзисторов производится по максимальному напряжению между коллектором и эмиттером и номинальному току через транзистор. Амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером на закрытомIGBT-транзисторе может достигать значения:

U_Tm = 2 U_a = 2 U = 2 380 = 1075B.

Это возможно, если конденсатор был заряжен до амплитудного значения напряжения сети. Таким образом, транзистор должен выдерживать эту разность потенциалов с некоторым запасом.

В рассматриваемом компенсаторе реактивной мощности предлагается использовать силовые IGBT-транзисторные модули фирмы MITSUBISHI. Однако это не исключает возможности использования силовых модулей других производителей, имеющие такие же основные параметры, как приведенные ниже для IGBT-модулей MITSUBISHI. Каждый модуль (рис. 2.3) содержит два IGBT-транзистора (коллектор одного из транзисторов соединен с эмиттером другого) и два защитных диода, включенных между эмиттером и коллектором транзисторов, т.е. в одном модуле расположены все компонен­ты для построения транзисторного ключа.

О Э2

О Э1

Рис. 2.3. Принципиальная схема IGBT-модуля

Для коммутации четвертой, самой мощной секции используется модуль CM400DU-24F со следующими параметрами:

• максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_кэm=1200 В,

• постоянный ток через коллектор-эмиттер 1_кэм = 400 А,

• управляющее напряжение U_3э =±20В,

• типовое падение напряжения на открытом транзисторе U_кэ0 = 1,8 В,

• входная емкость модуля С_вх= 160 нФ,

• эквивалентный входной заряд Q_BX= 4400 нК,

• максимальное время включения t_BKJI= 650 нс,

• максимальное время выключения t_BbIKЛ= 1300 нс,

• максимальный входной ток утечки I_вх.у= 80 мкА,

• максимальный ток через закрытый транзистор 1_кэ.т= 2 мА.

Для коммутации третьей секции подходит модуль CM200DU-24H, для коммутации второй секции - модуль CM100DU-24H и для первой - модуль CM50DU-24H. Основные параметры выбранных IGBT-модулей представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Параметры применяемых IGBT-модулей

Тип модуля	Uкэm B	Iкэm А	Uзэ B	Uкэ0 B	Cвх нФ	Qвх нК	tвклнс	tвыклнс	Iвх.у мкА	Iкэ.т мА
CM400DU-24F				1,8
CM200DU-24H			±20	2,4
CM100DU-24H				2,5					0,5
CM50DU-24H				2,3	8,2				0,5

 

Компенсатор реактивной мощности в общем случае подключается к шинам низкого (0,4 кВ) напряжения трансформаторной подстанции (ТП). Следует обеспечить возможность простого отключения его от шин ТП при возникновении необходимости (при ремонте, профилактическом обслуживании и др). Кроме того, необходимо обеспечить защиту от коротких замыканий в силовой части компенсатора [5, 7].

Исходя из данных требований каждая секция компенсатора должна быть подключена к шинам ТП с помощью кабелей через автоматический выключатель.

Выбор сечения жил кабеля должен производиться по рабочему току, протекающему через кабель. В данном случае через жилы кабеля протекают линейные токи конденсаторных батарей. Длина кабеля должна быть по возможности небольшой, чтобы падение напряжения на нем было минимально, так как реактивная мощность конденсатора пропорциональна квадрату на­пряжения на его обкладках.

При выборе автоматических выключателей учитывают: номинальный ток; уставку по току и по времени срабатывания; коммутационную способность; вид расцепителя (электромагнитный, тепловой, комбинированный).

Для подключения конденсаторных батарей возможно использование трехфазных автоматов переменного тока серии A3100 с электромагнитным расцепителем, время срабатывания у которых равно 4 мс.

Параметры автоматических выключателей и кабелей, используемых для подключения секций компенсатора приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Параметры кабелей и автоматических выключателей

Наименование присоединения	Iл, А	Марка кабеля	Количество и сечение жил, мм	Тип автомата	I ном.авт, A
Секция 1	60,8	АВВГ	3x35	A3124
Секция 2	121,6	3x95	A3134
Секция 3	243,2	3x300	A3144
Секция 4	486,4	2 (3 х 300)	A3144

 

Комплексное решение проблемы управления режимами электроснабжения судостроительно-судоремонтного предприятия за счёт разработки методики установления плановых параметров потребления активной мощности, с одной стороны, и разработки устройств компенсации реактивной мощности, с другой стороны, позволяет добиться повышения технико-экономических показателей работы энергохозяйства предприятия в отрасли водного транспорта.

На основе проведённых исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления электроснабжением судоремонтного предприятия. В результате выполненных исследований получены аналитические соотношения, позволяющие выбрать параметры статического полупроводникового компенсатора реактивной мощности с учётом характеристик питающей сети судостроительно-судоремонтного предприятия.

Разработана математическая модель компенсатора реактивной мощности дискретного типа, адекватно отражающая реальные электромагнитные процессы режима компенсации реактивной мощности в сетях электроснабжения судоремонтного предприятия.

Теоретические результаты подтверждаются математическим моделированием, выполненным на ПЭВМ в среде MatLab-Simulink. Достоверность теоретических положений подтверждена практическим использованием и экспериментальным исследованием опытных образцов компенсаторов реактивной мощности дискретного типа.

На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований с целью решения проблемы компенсации реактивной мощности в электрических сетях судоремонтного предприятия предлагается использовать статический полупроводниковый (транзисторный вместо тиристорного) компенсатор реактивной мощности дискретного типа.