КОМПЕНЗАЦИЈА НА РЕАКТИВНАТА ЕНЕРГИЈА КАЈ ИНДУСТРИСКИ ПОТРОШУВАЧИ И ТЕХНИЧКИ-ЕКОНОМСКИТЕ ПРИДОБИВКИ ОД НЕА

Transcript

1 7. СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 2 4 октомври 2011 Слободан Биљарски,,Елма инг,, Берово Ванчо Сивевски,,Бомекс Рефрактори,, Пехчево Александар Ласков,,Факултет за електротехника и информациски технологии,, Скопје КОМПЕНЗАЦИЈА НА РЕАКТИВНАТА ЕНЕРГИЈА КАЈ ИНДУСТРИСКИ ПОТРОШУВАЧИ И ТЕХНИЧКИ-ЕКОНОМСКИТЕ ПРИДОБИВКИ ОД НЕА КУСА СОДРЖИНА Дистрибутивната мрежа на еден електроенергетски систем напојува потрошувачи чии уреди покрај активна трошат и реактивна моќност. Кај индустриските потрошувачи, според законската регулатива, во сметката покрај надоместокот за потрошена активна енергија постојат и надоместоците за потрошена реактивна енергија како и за вредноста на максимално ангажираната моќност во определен интервал. Во тие случаи сметката за електрична енергија е зголемена за износот на потрошената реактивна енергија и ангажираната моќност. Сите овие трошоци ја формираат вкупната сума за потрошена електрична енергија на месечно ниво за еден потрошувач. Во зависност од видот на инсталираните уреди, намената и режимот на работа на потрошувачот, различна е и процентуалната застапеност на вредностите на потрошените енергии на месечно ниво. Трудот е резултат на веќе реализирани технички решенија за компензација на реактивна енергија. Во него се прикажани начините за компензација на реактивната енергија, пресметките за определување на параметрите на постројката за компензација на реактивна енергија, конкретни изведени технички решенија и придобивките од вградувањето на постројка за компензација на реактивна енергија кај индустриски потрошувач. Прикажана е основната состојба на еден индустриски потрошувач преку трошоците за електрична енергија на месечно ниво. Потоа е изнесен еден пристап за пресметка на параметрите на постројката за компензација. Инсталирана е постројката. По периодот на нејзино прилагодување снимена е новата состојба со потрошувачка на реактивна енергија и прикажани се техничките и економските придобивки од инсталирањето на постројката. Во продолжение на трудот прикажана е и техно-економска анализа за повраток на финансиските средства инвестирани за инсталирање на постројката за компензација. Клучни зборови: активна моќност, реактивна моќност, компензација на реактивна енергија 1 ВОВЕД ВО КОМПЕНЗАЦИЈАТА Индуктивните потрошувачите (монофазни и трифазни асинхрони мотори, трансформатори, пригушници, флуоросцентни светилки, и др.) во текот на работата, од мрежата користат: активна енергија, која се претвара во корисна работа (вртење на осовината на моторот, светлина и т.н, но исто така и реактивна енергија, која се користи за создавање на магнетно поле. B4-074R 1/10

2 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 2/10 За разлика од активната енергија, која потрошувачите ја,,трошат, реактивната енергија,,осцилира помеѓу изворот и потрошувачот. Присуството на реактивна енергија во системот има негативни последици. Покрај тоа што таа не извршува корисна работа, таа дополнително ги оптоварува елементите на електроенергетскиот систем (водови, кабли трансформатори и др.). Вкупната (привидна) моќност на еден потрошувач се пресметува како векторски збир на активната и реактивната моќност. Слика 1.1 Векторски дијаграм на моќности Изгледот на векторскиот дијаграм е прикажан P активна моќност на слика 1.1. Q реактивна моќност Колку е помала реактивната моќност S привидна моќност на потрошувачот, помала е и вредноста на привидната моќност, а со тоа се намалува и cosφ фактор на моќност вредноста на струјата што тече низ елементите од електроенергетскиот систем. Како резултат на тоа можни се: зголемувања на преносниот капацитет на каблите, при исти пресек на кабел може да се пренесе поголема моќност; намалувања на греењето на кабелите, со што се продолжува животниот век на изолацијата на каблите; намалување на падовите на напонот, каде дирекно се влијае врз сигурноста и доверливата работа на уредите. Мерка за присуство на реактивната енергија во системот е факторот на моќност cosϕ. Тој се дефинира како однос на активната и привидната (вкупната) моќност на потрошувачот P[ kw] cosϕ = (1) S[ kva] Максималната вредност на факторот на моќност изнесува cosφ=1, што значи дека привидната моќност е еднаква на активната, односно дека потрошувачот не побарува реактивна енергија. Таков тип на потрошувач се чисто омските потрошувачи (отпорници, грејачи и сијалици со вжарено влакно). Сите други потрошувачи при својата работа освен активна, користат и реактивна енергија. Реактивната енергија има две компоненти, индуктивна и капацитивна, индуктивната компонента се јавува кај потрошувачите кои во себе содржат различни намотки. Во најголем број тоа се асинхроните мотори, кои воедно претставуваат најчести потрошувачи на електрична енергија во индустриските погони; капацитивната компонента се јавува кај потрошувачите кои во себе содржат голем број кондензатори за различна намена. Неповолно е присуството на било кој вид потрошувач (индуктивен или капацитивен) во мрежата. Потрошувачите со индуктивен карактер во однос на потрошувачите со капацитивен карактер се со спротивен предзнак, така што влијанието на потрошувачите со индуктивен карактер се поништува со додавање на потрошувач со капацитивен карактер. Електродистрибутивната компанија за испорака на електрична енергија во Р.Македонија, ЕВН Македонија ја наплатува реактивна енергија на потрошувачите кои истата ќе ја превземаат од дистрибутивната мрежа. Нејзината цена претставува уште една

3 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 3/10 неповолност за нејзиното присуство кај потрошувачите. Месечниот трошок за реактивна енергија може да биде значително висок и тој директно зависи од бројот и големината на потрошувачите на реактивна енергија во погонот, односно од бројот и моќноста на асинхроните мотори во погонот, кои се најчести и најголеми потрошувачи на реактивна енергија. Реактивната енергија потребна за работа на асинхроните мотори може ефикасно да се обезбеди (произведе) во самиот погон. Тоа се обезбедува со додавање на потребен број на кондензаторски батерии, односно со вградување на систем за компензација на реактивна енергија, т.е систем за подобрување на факторот на моќност cosφ или во трудот наречен постројка за компензација на реактивна енергија (ПКРЕ). Кондензаторските батерии од ПКРЕ може да бидат приклучени на мрежата со помош на контактори, начин кој е познат како класичен метод или со помош на енергетска електроника тиристори, начин кој е познат како современ метод. Класичниот метод e доста распространет и наоѓа широка примена во индустријата, додека во поново време значајно место заземаат и современите методи за компензација на рективна енергија. Tие се управувани со помош на електронски уред (Power Factor Controller- PFC) кој представува уред за автоматска регулација на реактивната енергија. Недостаток кај класичниот метод е појавата на комепензација во дискретни чекори. Овде чекорите се дефинираат во зависност од потребата за реактивна енергија на погонот кој се компензира. Од тука и фактот дека неможе да се зборува за фина регулација на компензацијата. Кај постројките за компензација кои пак се управувани со енергетска електроника овој проблем е надминат. Во поново време, поточно со развојот на енергетската електроника, значително е допринесено за модернизација на постојните и изнаоѓање на нови технички решенија за компензација на реактивна моќност. Конструрани се уреди кои користат енергетска електроника - тиристори, а наоѓаат широка примена на полето компензација на реактивната моќност. Во зависност од потребите за реактивна енергија тиристорите приложуваат соодветен напон на кондензаторите кои пак генерираат онолку реактивна енергија колку што е барањето од погоните. Едноставен начин за регулирање на реактансата на еден реактивен елемент е доколку редно со него се поврзе фазен регулатор. Фазниот регулатор представува енергетски претворувач чија улога е да ја намали ефективната вредност на напонот при константна фреквенција и фазниот агол помеѓу напонот и струјата. Овој уред има едноставна конструкција која впрочем е антипаралелна спрега на два тиристора по фаза. Ефективната вредност на напонот овде се регулира со промена на аголот на палење на тиристорите. Со зголемување на аголот напонот опаѓа и обратно (за агол на палење α = 0 се добива номинален напон на напојување). Доколку сериски со фазниот регулатор се поврзе кондензатор се добива статички компензатор на реактивна моќност или скратено SVC (Static Var Compensator) кој е представен на слика 1.2. а) б) Слика 1.2. Изглед на шемата на уредот SVC Со негова помош можно е да се генерира или троши реактивна моќност а постои и можност за фина регулација, затоа што управувањето се врши само со помош на една управувачка големина, агол на палење α. Овој уред е идеален за дистрибутивна мрежа во која

4 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 4/10 оптеретувањата се со променлив карактер (индустриски потрошувачи). Но, SVC не доживеал потполна афирмација поради еден свој недостаток. Тој е мрежно зависен уред, односно производството на реактивна енергија кај него е зависно од квадратот на напонот во јазелот на кој што е тој приклучен. Но развојот на овие уреди не застанува тука. Со мала модификација (надминување на недостатоците на SVC) се добива нов уред, наречен STATCOM (Static Compensator) чија општа шема е прикажана на слика 1.3. Слика 1.3. Општа шема на уредот STATCOM Со модификација на SVC и STATCOM уредите и со нивна комбинација со енергетски трансформатори се формираат уредите, UPFC (Unified Power Flow Controller) и IPFC (Interline Power Flow Controller). Овие уреди вршат компензација на реактивната енергија кај големите преносни системи, тешката индустрија како што се електролачните печки, погоните на електрично заварување, во рударството и слично. Овие видови на компензација нема да бидат разгледувани во трудот. Начинот на кој се обезбедува компензацијата на реактивната енергија со вградување на ПКРЕ е обезбедена реактивна енергија за потрошувачите кои ја користат а таа не поминува низ броилото за реактивна енергија (мерната ќелија) и така дирекно се влијае врз намалување на месечните сметки за струја, а со тоа и на вкупните трошоци за електрична енергија. 2 НАЧИН НА КОМПЕНЗАЦИЈА НА РЕАКТИВНА ЕНЕРГИЈА СО ПРИМЕНА НА КОНДЕНЗАТОРСКИ БАТЕРИИ Со паралелно приклучување на кондензаторска батерија кон потрошувачот (асинхрон мотор), се намалува вредноста на пренесената реактивна енергија преку електроенергетскиот систем. Тоа поволно влијае на намалување на падот на напонот и загубите при пренос на активна енергија и моќност во системот. Според [2] и [4] постојат четири начини за изведба на компензацијата, поединечна, групна, централна и мешовите. Во делот што следи накусо ќе ги објасниме секој од нив. Поединечна компензација Кај поединечната компензација, уредот за компензација (кондензаторска батерија) се приклучува директно на краевите на потрошувачот (мотор), а неговото вклучување и исклучување се врши заедно со потрошувачот. Недостаток на овој тип на компензација е тоа што со исклучување на моторот се исклучува и кондензаторската батерија, а со тоа се оневозможува компензација на реактивна енергија на некој друг потрошувач. Шематскиот приказ на поединечната компензација е прикажан на слика 2.1. Слика 2.1 Шематски приказ на поединечна компензација

5 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 5/10 Групна компензацијa Групната компензацијa е во понапреден чекор од поединечната компензација, бидејќи кај неа се намалени недостатоците во однос на поединечната компензација. Овде кондензаторските батерии се поврзуваат паралелно на група потрошувачи, кои најчесто не работат истовремено. На тој начин се компензира средната вредност на реактивната енергија. Шематскиот приказ на групната компензација е прикажан на слика 2.2. Слика 2.2. Шематски приказ на групна компензација Централна компензација Овој начин на компензација е најчесто применуван начин за компензирање на реактивната енергија (најмногу го користи и Нашата фирма при изведбата на проектите). Кај овој тип на компензација се применува еден цел систем кој се состои од неколку кондензаторски батерии (во зависност од потребата) и автоматски регулатор на реактивната енергија. Овој регулатор ја мери моменталната побарувачка на реактивна енергија од погонот и врз основа на тоа вклучува определен број на кондензатори. Овој систем најчесто се поставува покрај главниот разводен орман каде и се приклучува и ја компензира реактивната енергија на целиот погон. Шематскиот приказ на централната компензација е прикажан на слика 2.3. Слика 2.3. Шематски приказ на централна компензација Мешовита компензација Мешовитата компензација ги обединува сите три претходно наведени начини на компензација. Се применува кај исклучиво големи погони со голем број на мотори, па за одреден дел од погонот со специфични карактеристики се применува соодветниот тип на компензација.

6 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 6/10 3 ОДРЕДУВАЊЕ НА ПОТРЕБНАТА МОЌНОСТ НА СИСТЕМОТ ЗА КОМПЕНЗАЦИЈА НА РЕАКТИВНА ЕНЕРГИЈА Потребната моќност на кондензаторските батерии се одредува на неколку начини: Со познавање на параметрите на потрошувачите во погонот, може да се пресмета нивната реактивна моќност и потоа да се одреди моќноста на кондензаторските батерии; Со примена на специјални мерни уреди, мрежни анализатори, во текот на работа на погонот да се измери реактивната енергија која ја побарува погонот од мрежата, па врз основа на тие мерења да се одреди потребната моќност на кондензаторските батерии; и Врз основа на месечните сметки за потрошена електрична енергија. Со пресметките од потрошената активна и реактивна енергија на месечно ниво, како и ангажирана моќност може да се одреди потребната моќност на кондензаторските батерии за компензација на реактивна енергија. Од овој начин на пресметката за изработка на потребната анализа и потребното решение за вградување на ПКРЕ во погонот едноставно се согледуваат сите параметри на ПКРЕ. Сите тие податоци се потребни за правилна одлука на инвеститорот за прифаќање на понудата за решавање на проблемот со заштеда на електричната енергија. Од тука јасно се видливи како техничките така и финансиските ефекти за самите потрошувачи. Кај сите досегашни искуства и контакти со индустриските потрошувачи во сметките за електрична енергија во позицијата за реактивната енергија постои голема оправданост за реализација односно потреба од вградување на ПКРЕ во нивните погони. Во согласност со Законот за испорака на електрична енергија, корисниците на електрична енергија се должни уште со добивањето на енергетската согласност за користење на електричната енергија од испорачателот, обврзани се да за време на експлоатацијата на погонот, неговиот режим на работење биде со фактор на моќност cosφ 0,95. Од досегашното искуство овој услов мал број на индустриски објекти го исполнуваат а со тоа неминовно се поставува и прашањето за поголема едукација и активности на проблематиката за решавање на компензацијата на реактивна енергија кај веќе постоечкте индустриски објекти од постар вид, каде има сеуште голем дел на застарена техологија и потрошувачи, кои имаат лош фактор на моќност cosφ. Со конкретни примери и решенија кои ги имаме направено во последните 2-3 години ќе презентираме конкретен пример за потврда на погоре изнесените примери и решенија. Во него опфатени се периодите пред вградување, за време на прилагодувањето и периодот после прилагодувањето на ПКРЕ. Прикажани се ефектите од ПКРЕ во наредната година како и финансиските показатели така и технички придобивни од самата компензација. Пресметка на потребната моќност на компензацијата се врши според релациите (2), а се опишани во [1], [2] и [3]. Описот на користените променливи во релациите е даден подолу. A + A W + W Q = ( tgϕ tgϕ ), tgϕ = c v n v n T Av + An Q c - Потребната моќност на уредот за компензација A v - Активна енергија висока тарифа А n - Активна енергија ниска тарифа W v - Реактивна енерија висока тарифа W n - Реактивна енерија ниска тарифа Т - Број на работни саати во пресметковниот период tgϕ 2 е на саканиот cosϕ 2 Досега приложеното е применето врз конкретен случај, кај потрошувач чија месечна потрошувачка на електрична моќност и енергија изнесуваат: A v = 116,000 kwh; А n =132,000 kwh; W v =149,820 kvаrh; W n =160,520 kvarh; Т =392 h. (2)

7 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 7/10 Според релациите (2) го добиваме следново: Wv + Wn tgϕ1 = = = 1,027 за бараниот cosϕ 2 = 0, 95 имаме tgϕ 2 = 0,329 A + A v n Av An Qc = + ( tgϕ1 tgϕ2) = + (1,027 0,329) = 792 0,698 = 553kVar. T 392 Од пресметките добиваме дека е потребно инсталирање на ПКРЕ со чија вредност изнесува Q c = 553kVar. За максимална моќност на ПКРЕ усвојуваме вредност од Q c = 720 kvar, каде е вклучена извесна резерва со вредност од %. По инсталирањето на компензацијата следува период на нејзино прилагодување кон погонот. Во делот што следи графички се прикажани превземените активна и реактивна енергија од мрежата во периодите пред инсталирањето и прилагодувањето на ПКРЕ. Слика 3.1. Приказ на превземена активна и реактивна енергија од мрежа На сликата 3.2. е прикажана состојбата со превземената активна и реактивна енергија од мрежа после периодот на прилагодување. Слика 3.2. Приказ на превземена активна и реактивна енергија од мрежа после компензација Од графичкиот приказ, слика 3.2. се гледа дека после вградувањето на компензацискиот уред, вредноста на превземената реактивна енергија од мрежата е сведена на вредност нула. Со вградување на компензацискиот уред се постигнува и уште еден друг технички ефект, односно растеретување на самите елементи на трафостаницата како на пример

8 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 8/10 трансформаторите, каблите и останатите елементи со што се овозможува приклучување на нови потрошувачи во објектите а со тоа и продолжување на векот на траење на искористувањето на постоечката опрема. Тоа ќе го претставиме за конкретниот случај со чии податоците е направена предходната анализа. Да предпоставиме дека погонот работи со активна моќност Р=770 kw и фактор на моќност пред компензацијата cosϕ 1 = 0, 697. Сакаме да постигнеме фактор на моќност после компензацијата cosϕ 2 = 0, 95. Струјата I 1 пред компензација може да се пресмета според (3) P I1 = = = 1596A. (3) 3 U cosϕ Струјата I 2 после компензацијата изнесува I2 = I1 k2, каде k 2 може да се пресмета според k2 = (cos ϕ1/ cos ϕ2) = 0, 734, или I 2 = ,734 = 1171A. Струјното растеретување е разлика која изнесува I = I1 I2 = = 425A, а е графички прикажaнa на слика 3.3. r Слика 3.3. Приказ на струјно растеретување Така избраното решение за конкретниот случај за кој е направена анализата се однесува на објект кој се напојува со две трафостаници 10/0.4 kv, односно ТС-1, 1х1000kVA, со вграден компензациски блок од 400 kvar со автоматска регулација кој е прикажан на слика 3.4. Слика 3.4 Еднополна шема на ТС1

9 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 9/10 ТС-2, 2х630 kva (кои работат паралено), со вграден компензациски блок од 320 kvar со автоматска регулација кој е прикажан на слика 3.5. Слика 3.5 Еднополна шема на ТС2 Ваквото решение за автоматска регулација на реактивната енергија е оправдано бидејќи мерењето е поставено на високата 10 kv страна во првата трафостаница ТС-1. Двете трафостаници работат независно една од друга, според потребите на вградените потрошувачи за одвивање на технолошки процес. Крајниот и најважен ефект од вградувањето на ПКРЕ за инвеститорот е финансискиот ефект. Сето тоа е поткрепено со анализа на фактурната вредност на електричната енергија во изминатиот период, што се гледа и од дадениот графички приказ за даден период, слика 3.6. Слика 3.6. Приказ на финансискиот ефект од вградувањето на компензацијата Финансискиот ефект од вградувањето на компензацискиот уред на годишно ниво изнесува ,00 денари, а трошоците направени за испорака и монтажата на

10 MAKO CIGRE 2011 B4-074R 10/10 компензациските уреди изнесуваат ,00 денари. Од тука може да се пресмета дека инвестицијата за споменатата компензација се исплатува за 7-8 месеци со што се потврдува економската оправданост на вложените средства во компензацијата и незините ефекти од неа. 4 ЗАКЛУЧОК Цел на трудот е да се прикажат техноекономските придобивки и финансиските ефекти од веќе реализирани ПКРЕ во индустриски потрошувачи. Во трудот се прикажани начините за компензација на реактивната енергија и пресметките за определување на параметрите на ПКРЕ. Исто така е прикажано и конкретно изведено техничко решение и економските придобивки од вградувањето на ПКРЕ кај индустриски потрошувач. Со вградувањето на ПКРЕ кај потрошувачот се забелжани, намалување на сметката за електрична енергија, струјно растеретување на постројките и подобрување на напонските прилики во јазлите. За конкретниот случај, забележана е месечна заштеда и до 134, денари на месечно ниво или околу Висината на струјното растеретување е незанемарлива. Таа во конкретниот случај изнесува 425А. Овој податок за многу сопственици на погони незначи ништо, но за опремата значи многу. Тоа представува продолжување на нејзиниот работен век, доколку таа во моментите пред компензацијата била речиси максимално оптоварена. Дека целта на трудот е постигната говори и фактот за исплатливоста на вградената ПКРЕ. Во конкретниот случај периодот на исплатливост изнесува 7-8 месеци. Вредноста на инвестицијата се исплатува за тој период на име на неплаќање на непревземена реактивна енергија од мрежата, која не се наплатува во сметката. 5 ЛИТЕРАТУРА [1] Ристо Ачковски. Високонапонски мрежи и системи. Електротехнички факултет Скопје, 1995 [2] Драгослав Рајичиќ. Вовед во дистрибутивни системи. Електротехнички факултет Скопје, 1995 [3] Iskra Kondenzatorji. Low voltage power corections. Iskra Slovenija, 2009 [4] Zbignew Hanzelka. Guide for electrical design engineers & Power Quality. AGH University of Science & technology, 2008