Scenarii de compensare al factorului de putere

Autori: Pop Adrian-Cornel, Czumbil Levente Coordonator: S.l. Dr. Ing. Mat. Dan Doru Micu

ABSTRACT: Acest breviar prezinta un studiu comparativ al metodelor de compensare a factorului de putere intr-o instalatie energetica complexa: globala ,individuala, sectoriala. Instalatia deserveste mai multe receptoare de puteri si destinatii diferite, pentru fiecare dintre acestea fiind disponibili anumiti parametri de caracterizare (puteri, factor de putere). De asemenea, instalatia se considera complet caracterizata in ceea ce privesc conductele electrice. In raport cu criterii tehnice si economice se alege apoi varianta de compensare optima.

1. Introducere

Intr-un circuit electric de curent alternativ sinusoidal apar trei notiuni de putere bine

definite: puterea aparenta, puterea activa si puterea reactiva. Intre puterile P si Q exista o deosebire esentiala, care consta in faptul ca in timp ce

puterea P corespunde unui transport de energie de la sursa la receptor, puterea Q este doar o marime determinata de cantitatea de energie inmagazinata in bobinele, respectiv condensatoarele din circuit:

ϕcos⋅⋅= IUP [W] (1) Termenul ϕcos din expresia puterii active se numeste factor de putere. Factorul de

putere este tot timpul subunitar, fiind cuprins intre 0 si 1 (in valoare absoluta). [1]

2. Cauzele unui factor de putere redus

Reducerea factorului de putere in retelele electrice este determinata de puterile reactive si deformante consumate de diferitele receptoare si chiar de unele elemente ale retelelor.

Receptoarele inductive pot fi impartite in doua grupe importante: • Receptoare inductive, care consuma putere reactiva necesara producerii

campurilor magnetice proprii (motoare asincrone, cuptoare cu arc, echipamente electronice de putere, masini sincrone subexcitate, etc.);

• Receptoare capacitive, care produc putere reactiva (masini sincrone supraexcitate, condensatoare statice, linii electrice aeriene de inalta tensiune sau linii electrice subterane functionand cu sarcina redusa si avand un efect predominant capacitiv).

3. Efectele unui factor de putere redus

Un factor de putere redus are o serie de consecinte negative asupra functionarii sistemului

energetic. Principalele consecinte sunt urmatoarele: • Cresterea pierderilor de putere activa; • Investitii suplimentare; • Cresterea pierderilor de tensiune in retea; • Reducerea capacitatii instalatiior energetice;

2

4. Imbunatatirea factorului de putere prin folosirea mijloacelor naturale Masurile preconizate pentru imbunatatirea factorului de putere trebuie sa conduca la

micsorarea puterii reactive circulate, cat si a puterii deformante din instalatiile electrice. Pe masura ce sistemul energetic contine o configuratie mai complexa, problema realizarii

unui factor de putere cat mai ridicat (peste valoarea neutrala 0.92 sau 0.93) in toate punctele devine deosebit de dificila.

Masurile ce trebuie luate se impart in urmatoarele categorii principale: masuri cu cacarter tehnico-organizatoric si masuri speciale.

Masurile tehnico-organizatorice conduc la marirea factorului de putere prin eliminarea cazurilor si conditiilor care determina scaderea acestuia sub valoarea sa nominala. Ele pot fi realizate cu minim de efort financiar si uman, solicitand insa o atentie deosebita in analizarea si studierea situatiei concrete a fiecarui receptor in parte si a ansamblului de consumatori, precum si a retelei electrice in zona respectiva. In aceasta categorie de masuri intra cele care urmaresc functionarea transformatoarelor electrice la un regim optim din punct de vedere al pierderilor, montarea transformatoarelor de puteri mai mici, marirea coeficientului de incarcare a motoarelor asincrone, limitarea timpului de mers in gol, executarea unor reparatii de calitate la motoarele asincrone, etc.

Tot in aceasta categorie de lucrari se incadreaza si cele legate de punerea la punct a procesului tehnologic in diferite intreprinderi in scopul imbunatatirii regimului energetic al echipamentului si al factorului de putere. Masura priveste utilajul tehnologic si modul de utilizare, intretinere si reparare a acestora. De asemenea intra cele legate de: stabilirea unei configuratii pentru retelele electrice si a unor circulatii de puteri active si reactive care sa conduca la consumuri tehnologice cat mai reduse si la imbunatatirea factorului de putere, coordonarea masurilor in zona pentru imbunatatirea factorului de putere, eleborarea bilantului energiei reactive, organizarea sistemului informational, etc.

Masuri speciale sunt acele masuri care se iau in cadrul planurilor de investitii si care conduc la cresterea factorului de putere general al instalatiilor prin reducerea puterii reactive consumate de receptoare precum si a puterii deformante.

In aceasta categorie de masuri intra montarea de noi surse de energie reactiva in sistemul energetic si la consumatori, montarea de filtre pentru limitarea efectelor date de puterea deformant; trecerea la tensiuni superioare a unor retele si eliminarea dublelor transformari; realizarea de noi linii electrice de transport pentru a evita functionarea celor existente la sarcini ce depasesc zona puterii naturale, etc.

In scopul ridicarii factorului de putere neutral 1λ la valoarea ceruta, dupa ce au fost epuizate toate mijloacele naturale, se va lua in considerare instalarea de surse specializate. Din aceasta categorie fac parte:

• Bateriile de condensatoare, automatizate. • Compensatoarele sincrone.

5. Compensarea instalatiilor cu ajutorul bateriilor de condensatoare Se folosesc in general pentru puteri de compensat ce nu depasesc MVAr⋅50 .

5.1 Calculul bateriei de condensatoare

1.)Puterea reactiva Determinarea puterii reactive a bateriei de condensatoare se face pe baza relatiei

)( 211 ϕϕ tgtgPQc −⋅= (2)

3

La compensarea individuala a transformatoarelor, puterea bateriei va acoperi numai necesarul la mers in gol al acestora

nTc SQ ⋅≤ )2,0...1,0(0 (3) Bateriile comutabile automat pot fi fractionate in mai multe trepte de putere. In acest

mod, bateria se adapteaza la curba de sarcina reactiva, iar consumatorul nu va debita energie reactiva in sistem la sarcini reduse.

2.) Conditii pentru compensarea cu condensatoare

Suprasarcinile maxim admise de condensatoare in regim de durata, in raport cu valorile nominale, sunt :

;3,1 ncMc II ⋅= (4) ;1,1 ncMc UU ⋅= (5)

.43,1 ncMc QQ ⋅= (6) Suprasarcinile pot aparea datorita : variatiilor mari de tensiuni (laminoare, cuptoare cu

arc) ;Armonicilor superioare de curent si tensiune generate de receptoare deformante 5.2 Conectarea si deconectarea bateriilor de condensatoare La comutatia bateriilor apar supracurenti si supratesiuni. Din punct de vedere al acestor

fenomene bateriile de condensatoare pot fi: simple, in cazul in care in apropierea lor nu exista alte baterii care ar putea mari curentul de conectare, si in trepte, al caror curent de conectare este marit in mod apreciabil de condensatoarele conectate la retea.

Instalatia de descarcare trebuie sa asigure scaderea tensiunii sub valoarea maxim admisa VU adm 50= in timpul de descarcare dt de maxim 5 minute la bateriile de MT si de maximum 1

minut la bateriile de JT. [2]

6. Eficienta economica a compensarii puterii reactive

La un consumator, eficienta economica a compensarii puterii reactive poate fi caracterizata prin durata de amortizare a investitiei pentru instalatiile de compesare (recuperarea investitiei se face pe baza economiilor energiei electrice consumate).

7. Exemplu de calcul

Rezistenta liniei cablur

linie nrlr

R⋅

= 0 ][Ω

Reactanta liniei cabluri

linie nrlx

X⋅

= 0 ][Ω

Admitanta liniei lYnrY cablurilinie ⋅⋅= 0 ][S

Pierderile de putere activa linien

linie RU

PP ⋅⋅

=Δ22

2

λ ][kW

Pierderile de putere reactiva linien

linie XU

PQ ⋅⋅

=Δ22

2

λ ][kVAr

Aportul capacitiv al cablurilor 2nc UYQ ⋅= ][kVAr

Tabel 1.Calculul parametrilor liniilor electrice

4

Componenta activa a tensiunii de scurtcircuit

100⋅Δ

=T

Cur S

Pu [%]

Componenta reactiva a tensiunii de scurtcircuit

22rscx uuu −= [%]

Rezistenta echivalenta a transformatorului T

rtrafo S

UuR2⋅

= ][Ω

Reactanta echivalenta a transformatorului T

xtrafo S

UuX

2⋅= ][Ω

Pierderile de putere reactiva in Fe trafoFe Si

Q ⋅=Δ100

0 kVAr

Pierderile de putere activa Tn

FEtrafo RU

PPP ⋅⋅

+Δ=Δ 22

2

λ ][kW

Pierderile de putere reactiva Tn

Fetrafo XU

PQQ ⋅⋅

+Δ=Δ 22

2

λ ][kVAr

Tabel 2.Calculul parametrilor transformatoarelor

In aceasta lucrare ne propunem sa evaluam eficienta masurii de compensare a energiei reactive cu baterii de condensatoare, intr-o instalatie electro-energetica cu o configuratie complexa [Anexa 1]. Pentru aceasta, mai intai se evalueaza puterile consumatorilor in toate nodurile instalatiei, se realizeaza bilanturile electro-energetice la nivel de grupuri de consumatori, pe joasa tensiune, pe medie tensiune, iar in final in statiile de racord adanc de pe inalta tensiune. Pe structura de calcul construita cu ajutorul programului Mathcad, se ruleaza mai multe scenarii de consum. Astfel, se considera un prim caz cand incarcarea transformatoarelor este minima, cateva cazuri intermediare cu incarcari diferite, precum si o incarcare nominala a transformatoarelor, deci a instalatiei in ansamblu. Modelul de calcul implementat in programul Mathcad a fost astfel conceput, incat sa se lucreze convenabil cu rezultate matriciale, usor de initializat si usor de extras. [3] Se mentioneaza ca instalatia electro-energetica analizata este reala, insa au fost adoptate anumite simplificari privind considerarea in exclusivitate a regimului sinusoidal, fara poluatori armonici. Datele numerice privind consumatorii si elementele de retea din instalatie pot fi oricand modificate, astfel incat sa se studieze convenabil diverse scenarii de consumatori si structuri de instalatie, pe configuratia definita. Ne asumam drept contributii constructia programului de calcul al scenariilor de compensare, studierea detaliata a configuratiei instalatiei electro-energetice de forta, analizarea rezultatelor obtinute din prisma variantelor tehnice posibile si a eficientei economice. Mai jos, sunt redate cateva esantioane din rezultatele cuantificate in acest studiu.

Fara compensare Incarcare TRAFO Pa [MW] Pt[MW] ∆P[MW] ∆P [%]

S[17%] 20.835 21.623 0.788 3.644 S[27%] 30.052 31.052 1.000 3.220 S[37%] 48.087 49.396 1.309 2.650 S[47%] 66.123 67.837 1.714 2.527 S[57%] 84.157 86.376 2.219 2.569 S[67%] 102.192 105.015 2.823 2.688

5

S[77%] 120.228 123.753 3.525 2.848 S[87%] 139.063 143.400 4.337 3.024

Compensare individuala Incarcare TRAFO Pa [MW] Pt[MW] ∆P[MW] ∆P [%]

S[17%] 20.835 21.531 0.696 3.233 S[27%] 30.052 30.813 0.761 2.470 S[37%] 48.087 49.059 0.972 1.981 S[47%] 66.123 67.414 1.291 1.915 S[57%] 84.157 85.883 1.726 2.010 S[67%] 102.192 104.467 2.275 2.178 S[77%] 120.228 123.164 2.936 2.384 S[87%] 139.063 142.776 3.713 2.601

Compensare mixta Incarcare TRAFO Pa [MW] Pt[MW] ∆P[MW] ∆P [%]

S[17%] 20.835 21.547 0.712 3.304 S[27%] 30.052 30.855 0.803 2.602 S[37%] 48.087 49.115 1.028 2.093 S[47%] 66.123 67.479 1.356 2.010 S[57%] 84.157 85.971 1.814 2.110 S[67%] 102.192 104.564 2.372 2.268 S[77%] 120.228 123.267 3.039 2.465 S[87%] 139.063 142.885 3.822 2.675

Compensare pe medie PT si SRA Incarcare TRAFO Pa [MW] Pt[MW] ∆P[MW] ∆P [%]

S[17%] 20.835 21.606 0.771 3.568 S[27%] 30.052 31.007 0.955 3.080 S[37%] 48.087 49.331 1.244 2.522 S[47%] 66.123 67.755 1.632 2.409 S[57%] 84.157 86.278 2.121 2.458 S[67%] 102.192 104.901 2.709 2.582 S[77%] 120.228 123.624 3.396 2.747 S[87%] 139.063 143.254 4.191 2.926

Compensare pe medie SRA Incarcare TRAFO Pa [MW] Pt[MW] ∆P[MW] ∆P [%]

S[17%] 20.835 21.615 0.780 3.609 S[27%] 30.052 31.031 0.979 3.155 S[37%] 48.087 49.366 1.279 2.591 S[47%] 66.123 67.799 1.676 2.472 S[57%] 84.157 86.331 2.174 2.518 S[67%] 102.192 104.962 2.770 2.639 S[77%] 120.228 123.693 3.465 2.801 S[87%] 139.063 143.330 4.267 2.977

Tabel 3.Variatia pierderilor in functie de puterea sarcinii

Pa – Puterea activa utila; Pt – Puterea activa totala; ΔP – Pierderi de putere active;

Tabel 4.

Factorul de putere pe bara de 110kV

Tip Compensare λ Fara Compensare 0.727Comp. Individuala 0.962

Comp. Mixta 0.963Comp. pe MT 6kV SRA 0.958Comp. pe MT PT SRA 0.943

6

Tabel 5. Analiza economica

Tabel 6. Pierderi pe tronsoane exprimate in kW

Bibliografie:

[1] Emil Simion, T. Maghiar, Electrotehnica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1981. [2] Andrei C. Cziker, Mircea Chindris, Managementul energiei electrice. Aplicatii, Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca, 2004. [3] Dan Doru Micu, Andrei Ceclan, Metode numerice. Aplicatii in ingineria electrica. Programe si algoritmi Mathcad, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2007.

Comp. Individuala

Comp. Mixta

Comp. Medie PT-SRA

Comp. Medie SRA

UM

Baterii JT 33.590 26.485 0.000 0.000 MVAr Pretul Bateriilor JT 1.680 1.324 0.000 0.000 milRON

Baterii MT 4.190 11.790 37.720 38.055 MVAr Pretul Bateriilor MT 0.272 0.766 2.452 2.474 milRON

Pret Total 1.952 2.090 2.452 2.474 milRON Economie anuala

energie activa 4.972 4.309 0.067 0.027 milRON

Economie anuala energie reactiva

10.77 10.77 10.77 10.77 milRON

Tronson Fara compensare

Comp. Individuala

Castig [%]

Comp. Mixta

Castig [%]

Comp. MT - SRA

Castig [%]

Comp. MT

PT SRA Castig

[%]

IT- SRA1 lin1 73.568 64.471 12.365 64.491 12.338 64.876 11.815 64.863 11.833IT- SRA2 lin1 56.603 55.763 1.484 55.817 1.389 55.776 1.461 55.771 1.470 IT- SRA3 lin1 60.525 57.327 5.284 57.218 5.464 57.411 5.145 57.389 5.181 IT- SRA4 lin1 36.191 30.961 14.451 31.070 14.150 30.980 14.399 30.980 14.399SRA1-PT112 0.008 0.001 83.640 0.001 83.640 0.002 81.550 0.004 49.740SRA2-PT201 0.857 0.384 55.193 0.416 51.459 0.416 51.459 0.722 15.753SRA2-PT204 2.137 0.959 55.124 1.036 51.521 1.036 51.521 1.683 21.245SRA2-PT205 3.052 1.552 49.148 1.654 45.806 1.654 45.806 2.626 13.958SRA2-PT209 2.784 1.388 50.144 1.482 46.767 1.482 46.767 2.480 10.920SRA2-PT210 0.017 0.005 68.235 0.006 65.841 0.002 90.824 0.008 53.335SRA3-PT304 2.776 0.575 79.287 0.547 80.295 0.641 76.909 1.840 33.718SRA3-PT305 2.457 0.958 61.009 0.912 62.882 1.032 57.998 1.814 26.170SRA3-PT307 0.056 0.026 53.571 0.031 44.643 0.028 50.000 0.033 41.071

PT107 - Cons1 5.901 2.854 51.635 2.854 51.635 5.901 0.000 5.901 0.000 PT107 - Cons2 16.463 11.005 33.153 11.005 33.153 16.463 0.000 16.463 0.000 PT107 - Cons4 9.022 4.595 49.069 4.595 49.069 9.022 0.000 9.022 0.000 PT107 - Cons5 14.465 9.751 32.589 9.751 32.589 14.465 0.000 14.465 0.000 PT304 - Cons1 19.470 3.006 84.561 3.006 84.561 19.470 0.000 19.470 0.000 PT304 - Cons2 16.411 7.909 51.807 7.909 51.807 16.411 0.000 16.411 0.000 PT304 - Cons4 6.589 3.939 40.219 3.939 40.219 6.589 0.000 6.589 0.000

Petromar 1 0.613 0.314 48.777 0.613 0.000 0.613 0.000 0.613 0.000 Petromar 2 1.531 0.786 48.661 1.531 0.000 1.531 0.000 1.531 0.000