Мировой рост цен на энергоносители, увеличение потребления электричества, постоянно повышающиеся требования к надёжности систем электроснабжения – всё это ведёт к тому, что у предприятий появляются новые задачи. Например, по поиску и внедрению технических решений, направленных на повышение энергоэффективности таких процессов, как генерация, передача, распределение и потребление электричества. Именно поэтому особо актуальным становится понятие качества электрической энергии (КЭ). В широком понимании, КЭ это совокупность её свойств, определяющих воздействие на электрооборудование, приборы и аппараты. Качество электроэнергии оценивается такими показателями, как уровни электромагнитных помех в системах электроснабжения по частоте, действующему значению напряжения, форме его кривой и др.

Плохие показатели КЭ приводят ко многим негативным последствиям. Наиболее неприятные для промышленных потребителей:

• отключения и простои технологического оборудования, вызванные авариями и переключениями во внешних сетях;
• прямые убытки, связанные с недовыпуском конечной продукции;
• косвенные убытки из-за возможных ремонтных работ механического оборудования, а также издержек на обслуживание;
• снижение надёжности системы электроснабжения;
• снижение эффективности производства и повышение удельной энергоёмкости единицы конечной продукции;
• уменьшение срока службы электрооборудования.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся проблемы, связанные с КЭ, и способы их решения.

/// ВРЕЗКА. Федеральные законы и государственные программы в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности

• Федеральный закон об энергосбережении и повышении энергетической эффективности от 23.11.2009 № 261-ФЗ;
• Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (утв. РП РФ 13.11.2009 № 1715-р);
• План мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в РФ (утв. РП РФ 01.12.2009 №1830-р);
• Государственная программа по энергосбережению и повышению энергетической эффективности на период до 2020 года (утв. РП РФ 27.12.2010 № 2446-р).

Проблема № 1. Колебания напряжения
Согласно исследованиям EPRI (Electric Power Research Institute), самой распространённой причиной низкого качества электроэнергии (более 92%) являются провалы напряжения. Они могут возникать из-за природных явлений (грозы, урагана, приводящего к обрывам проводов) и технических мероприятий, проводимых на высокой стороне линий электропередач.

«Колебания напряжения в пределах ±5% не влекут за собой негативных последствий. А вот кратковременное прекращение подачи электроэнергии, так называемые скачки напряжения,  или снижение напряжения на величину более 15% может привести к длительному простою технологических линий», – рассказывает Сергей Генералов, главный энергетик компании PROPLEX, ведущего производителя оконных систем.

Решение 1. Использование источников бесперебойного питания (ИБП)
ИБП позволяет поддерживать электроснабжение наиболее важных технологических процессов на предприятии в течение некоторого промежутка времени. Таким образом, можно успеть, например, сохранить программу станка, выключить чувствительное оборудование и т.д.

«Фактически рабочее время аварийного питания зависит от нагрузки и ёмкости накопителей энергии. Например, в источниках бесперебойного питания  PCS 100 UPS-I в роли последних используются суперконденсаторы или свинцовые аккумуляторные батареи со спиральными электродами, а в качестве связующего устройства в установке применяется инвертор. Это позволяет подключенной нагрузке  в случае провалов или пропадания напряжения оставаться в рабочем режиме в течение 30 секунд», – рассказывает Дмитрий Чайка, менеджер по проектам компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.


Рис. 1.Источник бесперебойного питания

Решение 2.  Использование динамических компенсаторов искажения напряжения (ДКИН)
ДКИН представляет собой устройство с двукратным преобразованием напряжения, вход которого подключён к системе электроснабжения. Выход ДКИН через управляемый инвертор и через вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) подключён к нагрузке. Вторичная обмотка ВДТ включена последовательно с нагрузкой, и в ней наводится напряжение, компенсирующее колебания и провалы в системе электроснабжения.

По словам Дмитрия Чайки, динамические компенсаторы искажения напряжения, так же как и ИБП, имеющие в своей основе инвертор, обладают высоким коэффициентом полезного действия (до 99%) и быстродействием. Но в сравнении с источниками бесперебойного питания, компенсаторы искажения напряжения занимают гораздо меньшую площадь. Максимальный размер установки PCS100AVC мощностью 3000 кВА всего 2145×2408×2409 мм (ВхГхШ), в то время как источник бесперебойного питания с аккумуляторными батареями займёт в пять раз больше места. Кроме того, из-за отсутствия накопителей энергии компенсаторы значительно дешевле, чем ИБП, поэтому чаще всего оказываются предпочтительнее для потребителей.


Рис. 2. Динамический компенсатор искажения напряжения

Проблема № 2. Наличие высших гармоник в сети
Качество электроэнергии определяется амплитудой, частотой и наличием искажения формы сигнала, идущего от системы электроснабжения. «В то время как первые две характеристики в значительной мере зависят от электроснабжающей компании, форма волны (напряжения или тока) искажается потребителями.  Ведь в настоящее время большинство типовых нагрузок на предприятиях являются нелинейными, например, работа частотно-регулируемых приводов, выпрямителей, ИБП, компьютеров, энергосберегающих ламп и т.д. Вышеперечисленные устройства потребляют ток источника, не соответствующий форме волны напряжения, в итоге она искажается высшими гармониками», – поясняет Виталий Побокин, главный инженер проектов компании «Электромонтажгрупп». Высшие гармоники являются растущей проблемой для поставщиков и потребителей электроэнергии, так как ведут к:
- снижению эффективности и увеличению энергопотребления;
- перегреву кабелей, электродвигателей и трансформаторов;
- повреждению чувствительного оборудования;
- срабатыванию автоматических выключателей;
- выгоранию предохранителей;
- преждевременному износу оборудования;
- перегреву и выходу из строя конденсаторов;
- появлению сильных токов в нейтральных проводах;
- возникновению резонанса в сети;
- отказу в подключении к электроснабжающим сетям в случае слишком высокого уровня гармоник.

На сегодняшний день самым современным и эффективным решением по компенсации высших гармонических составляющих является использование активных фильтров (АФГ). Они строятся, например, на модулях IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) и цифровых сигнальных процессорах (ЦСП).

Принцип применения АФГ прост: силовая электроника используется для генерирования гармонических токов, в противофазе тока гармоник, вызванных работой нелинейных нагрузок, таким образом, чтобы синусоида сохраняла максимально правильную форму.


Рис. 3. Схема подключения активного фильтра гармоник.

При помощи трансформаторов тока измеряется ток нагрузки, который анализируется ЦСП для определения картины спектра гармоник. Полученные данные используются генератором тока для производства и инжекции в сеть именно такой гармонической величины (по амплитуде, форме и фазе), которая необходима для компенсации искажений нагрузки в следующем цикле синусоиды тока.

Так как активный фильтр работает на основе данных, получаемых от трансформатора, оборудование динамически адаптируется к изменениям в гармониках нагрузки. В связи с тем, что процессы анализа и генерирования контролируются программным обеспечением, устройство легко программируется на компенсацию только отдельных гармоник.

«Помимо своих основных функций, активные фильтры могут выполнять и другие задачи, – рассказывает Дмитрий Чайка. – Например, устройства PQF устраняют пофазную несимметрию и снижают воздействие токов нулевой последовательности. Эта функция особенно полезна там, где используются четырёхпроводные системы: например, в центрах обработки данных, гостиницах, банках и т.п. Также активные фильтры обладают способностью плавной компенсации реактивной мощности».


Рис. 4. Активные фильтры гармоник.

Проблема № 3. Низкий коэффициент мощности
Как известно, электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Первая величина потребляется электроприёмниками, переходя в механическую работу, тепловую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей в элементах сети.

Качество электрической энергии напрямую зависит от активной составляющей нагрузки, которая выражается в значении так называемого коэффициента мощности  или cos φ . Как правило, из-за наличия реактивной составляющей активная мощность не равна полной, поэтому cos φ обычно меньше единицы.

«Низкие значения коэффициента мощности невыгодны энергосетевым компаниям, т. к. из-за этого увеличиваются потери в электрических сетях, – продолжает Сергей Генералов. –  Поэтому при подключении промышленных потребителей их техническими условиями на подключение  обязывают устанавливать у себя устройства компенсации реактивной мощности. Вообще, каждое предприятие в масштабах страны должно заботиться не только об энергоэффективности, но и об экономии электроэнергии».

На предприятиях, где используются станки, компрессоры, насосы, сварочные трансформаторы, электропечи, электролизные установки и прочие потребители энергии с резкопеременной нагрузкой, cos φ постоянно колеблется от 0,5 до 0,8. Для компенсации реактивной мощности в таких условиях, устранения просадок напряжения, вызванных пусковыми режимами мощной нагрузки, и устранения фликера необходимо применять установки компенсации реактивной мощности, например, быстродействующие фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Они представляют собой конденсаторные батареи, последовательно соединенные с фильтровыми реакторами с резисторами или без них.

В качестве примера использования фильтрокомпенсирующих устройств ФКУ Дмитрий Чайка приводит автономные системы электроснабжения буровых установок от дизель-генераторов. По утверждению специалиста, внедрение ФКУ Dynacomp в этом случае позволяет существенно снизить потери и, как следствие, уменьшить потребление дизельного топлива за счёт компенсации реактивной составляющей тока нагрузки, стабилизации напряжения и частичного снижения токов высших гармоник.


Рис. 5. Фильтрокомпенсирующее устройство

Проблема № 4. Необходимость накопления энергии
ГРЭС всегда должны держать в резерве мощности для случаев бросков нагрузок или аварийных отключений генераторов. Решением могут стать устройства хранения энергии (УХЭ), работа которых координируется внешней системой управления электростанции.

«Резерв мощности выгодно иметь и предприятиям – он позволяет при крупных авариях избежать простоя технологических линий, а также повысить энергоэффективность производства», – считает Дмитрий Чайка. В качестве примера устройства хранения энергии специалист привёл оборудование PCS 100 ESS, рассчитанное на широкий диапазон мощностей (от 25 кВА до 20 МВА переменного тока). Такие устройства подключаются на разных уровнях напряжения. Кроме того, система PCS 100 ESS имеет возможность работы в режиме динамического контроля потока мощности, когда генерируется требуемый уровень активной и реактивной мощности. Такой режим позволяет выравнивать график среднесуточного потребления за счёт сглаживания пиковых нагрузок (см. рис. 6), что, в конечном итоге, ведёт к сокращению оплаты за электроэнергию на предприятиях. Если учесть, что стоимость последней для промышленных потребителей может значительно вырасти с 1 июля 2013 г., необходимость применения устройств хранения энергии становится очевидной.


Рис. 6. Выравнивание графика среднесуточного потребления при помощи устройства хранения энергии.

Использование УХЭ выгодно и гарантированным поставщикам электроэнергии – так как внедрение подобного оборудования ведёт к снижению инвестиционных затрат при строительстве новых объектов за счёт компенсации пикового потребления, а также повышает эффективность работы трансформаторных подстанций (ТП).

Например, при строительстве ТП по заявленной мощности потребителей и последующем внедрении со стороны нагрузки, т.е. предприятия, собственной распределённой генерации, увеличиваются потери поставщика (теряется выгода, не окупаются эксплуатационные затраты). Применение УХЭ в пунктах распределения энергии ведёт к снижению доли вынужденной генерации, замене резервных/пиковых традиционных энергоблоков малой и средней мощности (до 50 МВт) и уменьшению стоимости владения. Так, эксплуатационные затраты систем газовой генерации составляют 2000 € в месяц, угольной генерации – 1000 €, а УХЭ – 0 € (без учёта заработной платы обслуживающего персонала).

/// ВРЕЗКА. Области применения устройств хранения энергии

• Улучшение параметров качества электроэнергии, стабилизация частоты и напряжения в системе электроснабжения;
• Увеличение пропускной способности линий при передаче и распределении энергии;
• Выравнивание графиков среднесуточного энергопотребления за счёт параллельной работы с сетью в период пиковых нагрузок;
• Резервирование традиционных централизованных генерирующих мощностей;
• Интеграция возобновляемых источников энергии в существующие системы электроснабжения;
• Реализация гибридных микросетей и автономного электроснабжения с возможностью интеграции в одной системе как традиционных источников энергии (дизельные, газопоршневые электростанции), так и возобновляемых (солнечные панели, ветрогенераторы).

Рис. 7. Устройство хранения энергии

К сожалению, нужно признать, что на сегодняшний день предприятия неохотно внедряют у себя технологии, способствующие повышению эффективности производства за счёт улучшения качества энергии. Но, сэкономив на установке инновационных приборов, повышающих КЭ, придётся закладывать немалые расходы на ремонт технологического оборудования производственных линий. Может снизиться качество выпускаемой продукции, а соответственно, и спрос. Если задуматься обо всех вышеперечисленных факторах, становится очевидным – повышать эффективность и успешность производства необходимо одновременно с улучшением показателей качества поступающей электроэнергии и совершенствованием надёжности системы электроснабжения.