На большинстве промышленных предприятий есть установки компенсации реактивной мощности (УКРМ). Польза от них очевидна. Можно разгрузить источники и сети от реактивного тока, стабилизировать напряжение, получить более выгодный тариф от электроснабжающей организации и др.

Вместе с тем, во многих электроустановках УКРМ отключены. Чаще всего это объясняется перегревом конденсаторов и коммутационных аппаратов токами высших гармоник (Рис. 1)

Рис. 1. Контакторы конденсаторной установки с признаками повреждения (кликабельно).

Рис. 2. Дроссели конденсаторной установки с признаками повреждения (кликабельно).

Первое, что предлагается сделать для снижения токов высших гармоник – установить в УКРМ входные дроссели. Это помогает, но не всегда. Зачастую сами дроссели оказываются слабым звеном и выходят из строя (Рис. 2).

Другая причина, по которой УКРМ выводят из работы – возникновение резонанса на частотах определенных гармоник при подключении секций конденсаторов. Помимо перегрева оборудования, это чревато дополнительными искажениями напряжения и нарушениями работы ответственных электроприемников.

Рис. 3. Конденсаторная установка с тиристорными ключами для коммутации секций (кликабельно)

Еще один недостаток УКРМ – низкое быстродействие. В «бюджетных» конденсаторных установках коммутация ступеней компенсации выполняется контакторами. Частота переключений ограничивается временем, необходимым для разряда конденсаторов через резисторы. Скорости реакции батареи не всегда достаточно для отслеживания изменений нагрузки и поддержания целевого коэффициента мощности. Кроме того, при работе в повторно-кратковременном режиме сами контакторы оказываются слабым звеном (Рис. 1).

Конденсаторные установки «премиум-класса» (Рис. 3) комплектуются качественными фильтрами, тиристорными ключами для коммутации ступеней, микропроцессорной системой управления, диагностики и защиты. При этом не устраняются проблемы их эксплуатации, в особенности если нагрузки носят резко переменный характер.

На рисунке 4 приведены графики изменения мощности на сборных шинах, к которым подключен электропривод буровой лебедки. Лебедка укомплектована двигателями постоянного тока, запитанными через тиристорные управляемые выпрямители.

Реактивная мощность на сборных шинах компенсируется конденсаторной установкой (8 ступеней по 100 квар каждая) с тиристорными ключами. Ёмкость конденсаторов достаточна для поддержания высокого коэффициента мощности во всех режимах, однако этого не происходит. Несмотря на заявленную высокую скорость переключения ступеней, быстродействия системы компенсации недостаточно.

Рис. 4. Мощность активная (черная линия) и реактивная (зеленая линия) при работе привода буровой лебедки (кликабельно)

При подъёме инструмента наброс активной мощности достигает 1,1 МВт с периодичностью 4 – 5 минут. Реактивная мощность (индуктивная) на вводе питания, вопреки ожиданиям, возрастает до 1000 квар. Это вызывает бросок тока, который в других условиях мог быть снижен (при достаточной скорости генерации реактивной мощности ёмкостного характера).

Далее САУ конденсаторной установки формирует команды на включение секции батареи тиристорами ключами. Реактивная мощность, потребляемая от источника электроэнергии, уменьшается практически до нуля.

При сбросе нагрузки реактивная мощность привода падает, но ступени конденсаторной установки некоторое время остаются подключенными к сети. В результате реактивная мощность на вводе питания оказывается отрицательной (достигает «минус» 500 квар).

Если электроснабжение буровой осуществляется от автономной электростанции, то «заброс» реактивной мощности ёмкостного характера создает риски отключения генераторов защитой и аварийной остановкой с непредсказуемыми последствиями.

Таким образом, компенсация реактивно мощности с применением конденсаторных установок не всегда дает желаемые результаты, а иногда создает риски аварий.

Приведенные выше доводы в целом справедливые и для синхронных компенсаторов. Их быстродействия в переходных режимах недостаточно, перегрев токами высших гармоник может быть значителен и др. Кроме того, применение синхронных компенсаторов требует организации обслуживания вращающихся механизмов и неизбежно влечет дополнительные потери активной энергии.

Активные фильтры хороши для компенсации реактивной мощности как минимум по трем причинам:

• Высокое быстродействие, позволяющее генерировать требуемую реактивную мощность практически мгновенно.
• Способность генерировать реактивную мощность как индуктивного, так и ёмкостного характера.
• Способность длительно работать в электроустановках с высоким содержанием высших гармоник, а также компенсировать высшие гармоники и реактивную мощность одновременно.

Рис. 5. Рис. 5. Активные фильтры навесного исполнения на трансформаторной подстанции (кликабельно)

Активные фильтры достаточно компактны, что важно при их размещении в ограниченных строительных объемах (Рис. 5).

Преимущества активных фильтров в полной мере проявляются в сложных условиях эксплуатации. На рисунке 6 приведена упрощенная схема электроснабжения главных электроприводов буровой установки с активными фильтрами, подключенными на сборные шины напряжением 690 Вольт.

Рис. 6. Структура системы динамической компенсации высших гармоник и реактивной мощности на буровой платформе «Арктическая». (кликабельно)

Силовые модули активных фильтров (16 шт.) размещены в помещении главного распределительного щита на рамной конструкции (Рис. 7).

Рис. 7. Активные фильтры (кликабельно).

Рис. 8. Интерфейс оператора системы компенсации (кликабельно).

Все модули объединены в локальную сеть и работают по схеме «ведущий ведомый». Распределение нагрузки между параллельно работающими силовыми модулями происходит автоматически встроенными контроллерами. Суммарный ток компенсации достигает 1500 А при напряжении 690 В.

Человеко-машинный интерфейс системы динамической компенсации реализован на панели оператора, установленной рядом со щитом управления дизель-генераторами (Рис. 8.). Задачей оператора является включение системы в работу и её отключение по окончании бурения. Требуемый коэффициент мощности на сборных шинах устанавливается при пусконаладке, но может изменяться оператором в случае необходимости.

Рисунок 9 иллюстрирует работу активных фильтров при компенсации реактивной мощности буровой лебедки, нагрузка которой изменяется каждые 30 – 40 секунд.

Рис. 9. Электрические нагрузки при включении привода буровой лебедки с активными фильтрами (кликабельно)

Привод постоянного тока с управляемым выпрямителем работает на упор с низким коэффициентом мощности от 30 до 10 % (синяя линия). Активные фильтры генерируют на сборные шины реактивную мощность ёмкостного характера, тем большую, чем больше ее потребление электроприводом (красная линия). В результате коэффициент мощности на шинах генераторов поддерживается неизменным в соответствии с заданием (зеленая линия).

Рисунок 10 иллюстрирует быстродействие активных фильтров при последовательных пусках привода буровой лебедки. Левая часть графиков (первый пуск) соответствует состоянию активных фильтров «отключено», в правая (второй пуск) – «включено».

Рис. 10. Мощность привода буровой лебедки при отключенных и включенных активных фильтрах (кликабельно)

Сравнивая левую и правую часть, легко увидеть, что активная мощность при пусках привода примерно одинакова и достигает 1900 кВт (красная линия). Реактивная мощность (зеленая линия) при втором пуске, с включенными активными фильтрами, меньше на 750 квар по сравнению с первым пуском, когда фильтры были отключены.

Таким образом, в результате работы активных фильтров полный ток, потребляемый от генераторов автономной электростанции, снижается. Благодаря высокому быстродействию системы, компенсация реактивной мощности осуществляют практически мгновенно и плавно (без ступеней, характерных для работы конденсаторных установок).

Наряду с компенсации реактивной мощности, активной фильтры могут предохранять вспомогательные электроприводы буровой и систему управления от искажений напряжения, возникающих при работе мощных управляемых выпрямителей. Для этого дежурному электромеханику достаточно активировать режим компенсации высших гармоник с панели оператора системы динамической компенсации.

Установка активных фильтров на буровой в 2016 году позволила разгрузить электростанцию от реактивного тока, сократить количество параллельно работающих дизель-генераторов и снизить риски отключения вводных автоматов при бурении на больших глубинах (Литература 1).

Компенсация реактивной мощности при повторно-кратковременных режимах работы электроприёмников.

Тиристорные регуляторы мощности (Рис. 11) применяются, в частности, в нагревательных установках и могут работать в повторно-кратковременном режиме.

Рис. 11. Тиристорный регулятор мощности (100 кВт, 380 В) (кликабельно).

Рис. 12. Осциллограмма входного напряжения (красная линия) и выходного тока (синяя линия) тиристорного регулятора мощности (кликабельно).

В зависимости от настройки режима регулирования, ток через нагрузку периодически включается и отключается (Рис. 12). Активная нагрузка при этом резко изменяется, что отражается на величине полной мощности и коэффициента мощности на вводе 0,4 кВ трансформатора.

Подключенная на сборные шины конденсаторная установка настроена на поддержание целевого коэффициента мощности и старается это сделать, изменяя количество ступеней компенсации. В результате происходит включение и отключение контакторов при токе от 75 до 275 А (Рис. 13). Очевидно, что продолжительная работа батареи приведет к выработке ресурса контакторов и необходимости ремонта.

Рис. 13. Фазные токи УКРМ, подключенной параллельно тиристорному регулятору мощности (кликабельно)

Такой режим компенсации неприемлем для конденсаторных установок, но является штатным для активных фильтров.

Компенсация реактивной мощности в электроустановках со значительными гармоническими искажениями напряжения.

Гармонические искажения напряжения часто возникают вследствие работы нелинейных потребителей в составе электроустановки. В этом случае активные фильтры помогут их устранить и применение конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности вполне логично.

Хуже, если искажения поступают извне, со стороны энергоснабжающей организации, и при этом на объекте существует необходимость компенсировать реактивную мощность. Конденсаторные батареи неизбежно будут перегреваться, а в определенных режимах создавать риски возникновения резонанса и дальнейшего искажения напряжения (Литература 2).

На рисунке 14 черная линия соответствует значениям суммарного коэффициента гармонических составляющих тока Ki (THDi), протекающего через конденсаторную установку. Величина его достигает 60 % при токе первой гармоники 150 А.

Рис. 14. Спектр высших гармоник тока, протекающего через конденсаторную установку (кликабельно)

На этом же рисунке зеленая линия соответствует току 7-й гармоники, которая существенно выше 5-й гармоники и гармоник других порядков. Это указывает на опасность резонанса на частотах, близких к 350 Гц.

В подобных условиях эксплуатация УКРМ может привести к отказам оборудования. Активные фильтры, напротив, обеспечат надежную компенсацию реактивной мощности при любых искажениях напряжения сети. Активные фильтры также могут диагностировать наступления условий резонанса и предотвращать его.

Компенсация пусковых токов электродвигателей.

Популярным способом уменьшение пусковых токов двигателя является снижение подаваемого на обмотку статора напряжения. Сегодня это чаще всего делается посредством тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Устройство плавного пуска на базе ТРН осуществляет импульсно-фазовое управление тиристорами, плавно повышая действующее значение напряжения на статоре двигателя.

Важно отметить, что форма напряжения и тока двигателя при этом сильно отличаются от синусоидальной (Рис. 15).

Рис. 15. Осциллограмма пуска электродвигателя 1000 кВт, 690 В посредством тиристорного устройства плавного пуска. Красная линия – напряжение на статоре. Черная линия – ток статора (кликабельно)

При пуске через ТРН изоляция двигателя испытывает дополнительный стресс, пусковой момент снижается, статор и ротор перегреваются вследствие затяжного разгона привода. Искажения напряжения сети при включении мощных электроприводов могут быть опасными для ответственных электроприемников.

Применение активных фильтров позволяет уменьшить нагрузку на сеть от пускового тока двигателя при отсутствии каких-либо негативных последствий для электрической машины.

На рисунке 16 показан переходный процесс прямого пуска асинхронного двигателя с параллельно подключенным активным фильтром. Пусковой ток электродвигателя (красная линия) определяется только напряжением сети и сопротивлением обмоток. Его значение максимально при трогании ротора и постепенно снижается по мере разгона и уменьшения скольжения. Основная составляющая пускового тока – это реактивный ток (индуктивного характера). Подключив параллельно двигателю активный фильтр, можно стабилизировать коэффициент мощности на присоединении и скомпенсировать поступающую из сети реактивную мощность. Ток, потребляемый из сети (синяя линия), будет значительно меньше.

Рис. 16. Осциллограмма прямого пуска электродвигателя с подключением активного фильтра. Красная линия – ток статора двигателя. Синяя линия – ток, потребляемый от источника электроэнергии (кликабельно)

Важно отметить, что форма напряжения и тока двигателя при этом синусоидальная, момент на валу двигателя соответствует естественной механической характеристике, привод разгоняется быстро и влияние пусковых процессов на сеть незначительно.

Компенсация провалов напряжения на протяженных линиях электропередачи.

Подобные задачи возникают при электроснабжении буровых установок, карьерных экскаваторов и др. Рисунок 17 иллюстрирует характер изменения напряжения на шинах питания главных приводов буровой БУ-3900/225 ЭПКБМ-2 при питании по воздушной ЛЭП протяженностью 12 км.

Рис. 17. Напряжение на шинах питания главных приводов буровой установки при включении бурового насоса и лебедки (кликабельно)

Набросы реактивной мощности превышают 1000 квар и в значительной степени определяют величину полного тока и падение напряжения на сопротивлениях воздушной линии. Провалы напряжения достигают 15 % и более, что приводит к отключению электрооборудования.

Установка активных фильтров на вводе питания буровой позволяет снизить провалы напряжения и уменьшить непроизводительное время в бурении.

Компенсация реактивной мощности ёмкостного характера.

Компенсация реактивной мощности ёмкостного характера может потребоваться, в частности, на объектах с протяженными кабельными линиями. При длине высоковольтного кабеля 60 - 80 км и небольшой активно-индуктивной нагрузке электроприёмников реактивная мощность ёмкостного характера на отходящей линии составит до 1000 квар.

На объектах с автономным электроснабжением возникает ситуация, при которой приходится включать дополнительные электроагрегаты для обеспечения емкостных нагрузок. Первичные двигатели (дизели, газопоршневые машины и др.) при этом работают не экономично, перерасходуют топливо и ресурс. Очевидно, что в подобных ситуациях конденсаторные установки более чем бесполезны.

Напротив, активные фильтры отлично компенсируют реактивную мощность ёмкостного характера, обеспечивают надежную и экономичную работу электростанции.

Повышение устойчивости параллельной работы автономных электростанций.

Параллельная работа автономных электростанций предполагает распределение реактивной мощности всех электроприемников между отдельными генераторами. В установившемся режиме работы однотипных генераторов с одинаковыми системами возбуждения это сделать несложно, но в процессе эксплуатации возникает масса причин, по которым реактивная мощность на сборных шинах может резко увеличиться. Не всегда характеристики систем возбуждения и их настройки таковы, что дополнительная нагрузка распределяется пропорционально между работающими генераторами.

Если один из генераторов примет значительную часть наброса нагрузки электростанции (реактивной), то его ток резко возрастет. Это может привести к отключению генератора защитой и опасному дальнейшему развитию событий.

Применение активных фильтров устраняет первопричину подобных процессов. Мгновенно срабатывающая система компенсации разгружает генераторы от реактивного тока и обеспечивает благоприятное протекание переходных процессов.