КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ КАК ЭФФЕКТИВНОЕ СРЕДСТВО РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ПАУЛИ В. К. Д.т.н., к.э.н., профессор

Передача электрической энергии от генераторов к потребителям является сложным физическим процессом многократного преобразования энергии и требует наличия в процессе этого преобразования различных форм поддержания электрических и магнитных полей, а следовательно, наличия как активной, так и реактивной составляющих мощности передачи (преобразования). Выработка реактивной мощности не требует непосредственного расхода топлива, но ее передача по сети вызывает затраты активной энергии в виде потерь электрической энергии и дополнительно загружают элементы электрической сети, снижая их общую пропускную способность. В связи с этим увеличение выдачи реактивной мощности генераторами с целью доставки ее потребителю нецелесообразно.

Наиболее целесообразна система распре­деленной компенсации реактивной мощ­ности в точках преобразования энергии, вклю­чая объекты потребления электроэнергии. Компенсация реактивной мощности - одно из наиболее эффективных средств рационально­го использования электроэнергии.

Рисунок 1 демонстрирует эффект компен­сации реактивной мощности, осуществленной непосредственно у нагрузки. В первом случае величина полной подводимой (пос­тавляемой из сети) мощности и величина потребляемой энергоприемником мощности равны, во втором случае требуется меньшая величина подводимой мощности, так как ре­активная составляющая скомпенсирована местной установкой.

В большинстве практических случаев про­сматривается техническая и экономическая целесообразность полной или близкой к ней компенсации реактивной мощности с регу­лированием по основному параметру - ре­активной мощности. Такое регулирование, как правило, совпадает с регулированием по напряжению. Возможные источники компен­сации реактивной мощности:

синхронные компенсаторы; синхронные двигатели, работающие в режи­ме перевозбуждения;

косинусные конденсаторы (конденсаторные установки);

статические тиристорные компенсаторы и др.

Выбор и размещение устройств компенса­ции реактивной мощности в электрических сетях производятся исходя из необходимости обеспечения требуемой пропускной способ­ности сети в нормальных и послеаварийных режимах при поддержании необходимых уров­ней напряжения и запасов устойчивости на­грузки потребителей.

Наиболее оптимальное решение - компен­сация реактивной мощности потребителями. Уменьшение потерь активной электроэнер­гии, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуата­ционной технологией энергосбережения в электрических сетях и технологией повышения эффективности использования электро­энергии (мощности) у потребителей.

Эффективное экономическое регулиро­вание реактивной мощности направлено также на обеспечение качества электричес­кой энергии (уровня напряжения) на грани­це: электрическая сеть общего пользова­ния - электрическая сеть (электроустановки) потребителей. Данный параметр - один из главных показателей качества электричес­кой энергии, установленных ГОСТ 13109-97 (Электрическая энергия. Совместимость тех­нических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения). В со­ответствии с данным стандартом отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения со следующими нормами:

нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10 % от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721-77 и ГОСТ 21128-83 (номинальное напряжение);

нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией между энергоснабжающей организацией и потребителем с учетом необходимости выполнения норм настоящего стандарта на выводах приемников электрической энергии.

Экономические интересы как сетевых пред­приятий, так и предприятий-потребителей в настоящее время требуют особого внимания к компенсации реактивной мощности пос­редством компенсирующих устройств. Это и надежность электроснабжения потребителей, и надежность электрических сетей и энерго­систем. Компенсация реактивной мощности - одно из наиболее доступных, эффективных и простых способов энергосбережения как для потребителя, так и для электросетевой компа­нии, а также снижения себестоимости выпус­каемой потребителями продукции. Это, в об­щем и целом, и понималось и обеспечивалось, в первую очередь благодаря действовавшим нормативам.

Однако начало перехода электроэнерге­тики России на путь конкурентных рыноч­ных отношений повлекло за собой измене­ние нормативной базы в сфере энергетики. Как показало время, в некоторых случаях это оказалось не совсем оправданно. После отмены приказом Минэнерго России от 10.01.2000 № 2 «Правил пользования элект­рической и тепловой энергией» потребители электрической энергии перестали участво­вать в поддержании коэффициента мощнос­ти и компенсации реактивной мощности на шинах нагрузок (из баланса ЕЭС России вы­пало свыше 50 тыс. МВАр устройств компен­сации реактивной мощности потребителей). Поторопились и отменили важную функцию потребителей электрической энергии в обес­печении устойчивости работы энергосистем за счет поддержания напряжения в узлах и на шинах нагрузок и компенсации реактив­ной мощности далеко до ввода замещающе­го механизма - рыночного!

Достаточно наглядно все вышеуказанные недостатки проявились и привели к аварии в энергосистемах Москвы, Московской и Калуж­ской областей, происшедшей 25 мая 2005 года. Этому, безусловно, способствовало наличие также и ряда других недостатков, но при над­лежащей компенсации реактивной мощности потребителями не было бы снижения напря­жения и перегрузки линий электропередачи и, соответственно, не были бы созданы условия для аварии. Если бы реактивная мощность у потребителей Московской энергосистемы была скомпенсирована, майской аварии 2005 года могло бы и не быть. Скорее всего, ее и не было бы, потому что не было бы такой загрузки реактивной мощностью и, соответс­твенно, дополнительного провиса отключив­шихся линий электропередачи, напряжение в узлах нагрузок было бы выше, генераторы не перегрузились бы из-за форсировки возбуж­дения с целью увеличения выдачи реактивной мощности, так как она не потребовалась бы, а значит, хватило бы времени на загрузку пуска­емого оборудования и т.д.

Промышленные потребители с отме­ной вышеуказанного документа потеряли экономический стимул на обеспечение ими tg ф (cos ф) своей нагрузки в заданных преде­лах. Это привело к:

возрастанию потоков реактивной мощности в линиях электропередачи межсистемных и системообразующих электрических сетей и систем электроснабжения потребителей - распределительных электрических сетей;

возникновению дефицита реактивной мощности в узлах нагрузки и, как следствие, снижению напряжения на шинах нагрузок и подстанций распределительных электрических сетей и снижению запаса статической устойчивости нагрузки по напряжению;

увеличению до предельно допустимых значений токов полной нагрузки линий электропередачи и трансформаторных подстанций и ограничению их пропускной способности по активной мощности из-за необоснованной их загрузки реактивной мощностью.

Возрастание потоков реактивной мощности в системообразующих и распределительных сетях происходит также из-за несоответствия схемнорежимных решений изменениям струк­туры потребления и стихийно складывающему­ся распределению прирастающей нагрузки по системе электроснабжения - распределитель­ной электрической сети без учета потребления реактивной мощности присоединяемыми или наращивающими мощности потребителями электрической энергии. За последнее десяти­летие структура потребления сильно изменилась, доля индуктивной нагрузки возросла, что особенно заметно в городских сетях.

Несмотря на то, что на выработку реак­тивной мощности активная мощность, а сле­довательно и топливо, непосредственно не расходуется, ее передача по сети вызывает затраты активной энергии, которые покрыва­ются активной энергией генераторов (за счет дополнительного расхода топлива). Кроме того, передача реактивной мощности загружа­ет электрические сети и установленное в ней оборудование, отнимая некоторую часть их пропускной способности. Негативный резуль­тат от вышеуказанных недостатков проявляет­ся также в следующем:

нарастает число случаев отключения потребителей и увеличиваются размеры отключаемых нагрузок защитами при снижении напряжения во время коротких замыканий в электрических сетях и циклов (режимов) АПВ или АВР в электрических сетях, что говорит о не- достаточной устойчивости нагрузки к внешним возмущениям в связи с отсутствием запаса по напряжению на шинах присоединения;

во многих регионах страны энергосистемы имеют ряд своих энергорайонов с весьма высокой вероятностью введения в действие в максимумы нагрузок графиков аварийного отключения потребителей из-за перегрузки линий электропередачи и трансформаторно- го оборудования подстанций как распределительных электросетевых компаний, так и под- станций единой национальной электрической сети (ЕНЭС), в том числе и необоснованными потоками реактивной мощности;

преждевременный дефицит активной мощности в ряде узлов и в целых регионах из-за существенного роста потерь активной мощности в электрических сетях и предельной загрузки линий электропередачи избыточными потоками реактивной мощности не только ухудшили технико-экономическую эффективность электросетевого бизнеса, но и привели к сдерживанию присоединения новых потребителей или увеличению мощности присоединенных.

Указанные выше обстоятельства также являются одной из причин сдерживания присоединения к действующим системам электроснабжения новых потребителей или препятствуют увеличению присоединенной мощности потребителей, расширяющих производство и наращивающих производс­твенные мощности из-за неоправданной (технически и экономически) дополнитель­ной загруженности линий электропередачи и трансформаторных подстанций и распре­делительных пунктов потоками реактивной мощности, поставляемой потребителям от генераторов электростанций. Как и почему это происходит, наглядно демонстрируют формулы, приведенные на рисунке 2.

По указанным на рисунке 2 причинам уве­личивать реактивную мощность, выдаваемую генераторами (с целью доставки к потреби­телю), нецелесообразно, а производить и вы­давать реактивную мощность нужно именно там, где она больше всего нужна. Практика такого производства широко распростране­на во всем мире и известна под термином «компенсация реактивной мощности». Ком­пенсация реактивной мощности - одно из на­иболее эффективных средств рационально­го использования электроэнергии. При этом необходимо исходить из того, что не сущес­твует задачи поставки реактивной мощности потребителю (за исключением бытовых пот­ребителей - населения). Это демонстрирует схема, приведенная на рисунке 3.

В недавнем историческом прошлом при про­ектировании электроэнергетических систем брались реальные значения tg , которые при­нимались: для шин напряжением 6-10 кВ по­нижающих подстанций tg ср = 0,4 (соэф = 0,93), для шин 35, 110 и 220 кВ - соответственно 0,5; 0,55 и 0,6 (соs ф = 0,9; 0,88; 0,86), что действи­тельно так и было, потому что промышленные потребители в то время были обязаны выдер­живать нормативные значения устанавливае­мых соs ф. К тому же до 2000 года действовала система скидок/надбавок к плате за электро­энергию в зависимости от фактического соs ф, что стимулировало потребителей снижать пот­ребление реактивной мощности из энергосис­темы. Поэтому необходимая по техническим соображениям реактивная мощность состав­ляла в то время 0,4-0,6 квар на 1 кВт суммар­ной активной нагрузки.

В современных же условиях для сетей с но­минальным напряжением 35 кВ и выше общее потребление реактивной мощности Qп прибли­женно оценивается в размере 1 кВар на 1 кВт суммарной активной нагрузки Р_нЕ. При этом доля потерь реактивной мощности составляет 30-50 % в зависимости от характеристик пот­ребителей, числа ступеней трансформации и протяженности сетей.

В связи с этим возникает необходимость установки в энергосистемах дополнитель­ных (в узлах нагрузок или непосредственно у промышленных потребителей) источников ре­активной мощности, которые обеспечили бы компенсацию избыточной реактивной нагруз­ки энергосистем. Вместе с тем удовлетворе­ние баланса реактивной мощности лишь по условиям надежности не отвечает критерию максимальной экономической эффективнос­ти функционирования электроэнергетических систем. Экономически целесообразная мощ­ность компенсирующих устройств, как прави­ло, превышает их мощность, необходимую по техническим ограничениям.

При этом установка устройств компенса­ции реактивной мощности непосредственно у потребителя улучшает технико экономические показатели системы электроснабжения, так как при этом уменьшаются потоки реактивной мощности во всех элементах сети от источ­ников питания до потребителей. Это, в свою очередь, приводит к снижению потерь элект­роэнергии и, следовательно, к уменьшению затрат на их возмещение в структуре баланса, что наглядно демонстрирует приведенный на рисунке 4 пример расчета компенсации реак­тивной мощности.

Нормализация напряжения в распредели­тельных сетях - это не только взаимосвязь процессов повышения надежности и соци­ального имиджа электросетевых копаний, но и повышение технико-экономической эффек­тивности бизнеса. Из-за массовости распре­делительных сетей потери в них составляют большую долю суммарных потерь в энергосистемах и ЕЭС России в целом, поэтому даже небольшое снижение потерь дает ощутимый экономический эффект.

Существует перечень действующих доку­ментов, так или иначе регламентирующих со­отношения активной и реактивной мощностей (коэффициент мощности) в различных сетях: «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» (РД 34.20.185-94 или СО 153-34.20.185-94), «Методические указания по проектированию развития энергосистем» (СО 153-34.20.118-2003), «Указания по выбору средств регулирования напряжения и компен­сации реактивной мощности при проектирова­нии электроснабжения сельскохозяйственных объектов и электрических сетей сельскохо­зяйственного назначения» (РД 34.20.112 или СО 153-34.20.112). Согласно этим докумен­там для потребителей на напряжении 6-10 кВ коэффициент реактивной мощности должен быть не выше tg ф = 0,4. Мы же сегодня на­блюдаем массово у потребителей tg ф от 0,8 до значений, намного превышающих 1,0.

Поэтому явно назрела задача по нормали­зации потоков реактивной мощности и напря­жения, в которую должны быть вовлечены все субъекты баланса реактивной мощности, и в первую очередь - потребители. Первые шаги в данном направлении благодаря предприня­тым ОАО РАО «ЕЭС России» мерам начина­ют осуществляться - вышло постановление Правительства РФ от 31.08.2006 № 530 «Об утверждении правил розничного рынка элект­роэнергии и мощности и порядка ограничения потребителей». Указанным постановлением утверждены изменения «Правил не дискри­минационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг» (утвержденные ранее постановлением Прави­тельства Российской Федерации от 27 дека­бря 2004 года № 861), согласно которым:

а) потребители услуг - покупатели электрической энергии должны соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности, определенной в договоре в соответствии с порядком, утвержденным Минпромэнерго России;

б) в случае несоблюдения потребителем услуг, установленных договором значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, кроме случаев, когда это явилось следствием выполнения диспетчерских команд или распоряжений субъекта оперативно-диспетчерского управления либо осуществлялось по соглашению сторон, он устанавливает и обслуживает устройства, обеспечивающие регулирование реактивной мощности, либо оплачивает услуги по передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа (цены) на электрическую энергию, поставляемую ему по договору электроснабжения, с учетом соответствующего повышающего коэффициента.

в) при участии в регулировании реактивной мощности по согласованию с сетевой организацией при улучшении заданных значений tg ф потребитель оплачивает услуги по передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа (цены) на электрическую энергию, поставляемую ему по договору энергоснабжения с учетом понижающего коэффициента, устанавливаемого в соответствии с методическими указаниями, утверждаемыми федеральным органом исполнительной власти по тарифам - ФСТ.

Согласно постановлению разработан и ут­вержден приказом министра промышленнос­ти и энергетики Российской Федерации от 22 февраля 2007 года № 49 «Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энерго-принимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электричес­кой энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (до­говорах электроснабжения)» (далее - «Порядокрасчета...»), который 22 марта 2007 года заре­гистрирован Министерством юстиции Российс­кой Федерации (регистрационный № 9134).

«Порядок расчета...» разработан в соот­ветствии с:

а) пунктом 4 Постановления Правительства Российской Федерации от 31 августа 2006 года № 530 «Об утверждении правил функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики»;

б) утвержденными Постановлением Правительства Российской Федерации от 31 августа 2006 года № 530 изменениями пункта 14.1 «Правил не дискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг», утвержденных Постановлением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2004 года № 861.

«Порядок расчета.» устанавливает требо­вания к расчету значений соотношения пот­ребления активной и реактивной мощности, определяемых при заключении договоров об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоров электроснабжения) в от­ношении потребителей электрической энер­гии, присоединенная мощность которых более 150 кВт (за исключением граждан потребителей, использующих электрическую энергию для бытового потребления, и приравненных к ним в соответствии с нормативными правовы­ми актами в области государственного регули­рования тарифов групп (категорий) потребите­лей (покупателей), в том числе многоквартир­ных домов, садоводческих, огороднических, дачных и прочих некоммерческих объединений граждан).

Согласно «Порядку расчета...» значения соотношения потребления активной и ре­активной мощностей (tg ф) определяются в виде предельных значений коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети, соблюдение которых обеспечивается покупателями электрической энергии (мощ­ности) - потребителями услуг по передаче электрической энергии посредством соблю­дения режимов потребления электрической энергии (мощности) либо использования ус­тройств компенсации реактивной мощности. При этом значение коэффициента реактив­ной мощности, генерируемой в часы малых суточных нагрузок электрической сети, уста­навливается равным нулю. В случае участия потребителя по соглашению с сетевой орга­низацией в регулировании реактивной мощности в часы больших и (или) малых нагру­зок электрической сети, в договоре электро­снабжения определяются также диапазоны значений коэффициентов реактивной мощ­ности, устанавливаемые отдельно для часов больших (tg ф_б) и/или малых (tg ф_м) нагрузок электрической сети и применяемые в пери­оды участия потребителя в регулировании реактивной мощности.

Указанные характеристики в соответствии с «Правилами не дискриминационного до­ступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг», утвержден­ные ранее постановлением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2004 года № 861 (с изменениями и дополнениями в редакции постановления Правительства РФ от 31.08.2006 № 530 «Об утверждении правил розничного рынка электроэнергии и мощности и порядка ограничения потребите­лей»), определяются:

сетевой организацией для потребителей, присоединенных к сетям напряжением 35 кВ и ниже;

сетевой организацией совместно с соответс­твующим субъектом оперативно-диспетчерско­го управления для потребителей, присоеди­ненных к сетям напряжением выше 35 кВ.

«Порядок расчета.» уточняет, что для потребителей, присоединенных к сетям на­пряжением 220 кВ и выше, а также к сетям 110 кВ (154 кВ) в случаях, когда они оказы­вают существенное влияние на электроэнер­гетические режимы работы энергосистем (энергорайонов, энергоузлов), предельное значение коэффициента реактивной мощнос­ти, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети (tg ф _б), а также диапазоны значений реактивной мощности, применяемые в периоды участия потребите­ля в регулировании реактивной мощности, определяют на основе расчетов режимов электрической сети в указанные периоды, выполняемых как для нормальной, так и для ремонтной схем сети.

«Порядок расчета.» устанавливает пре­дельные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших су­точных нагрузок электрической сети, для пот­ребителей, присоединенных к сетям напряже­нием ниже 220 кВ (таблица 1).

Потребители должны соблюдать указанные в таблице 1 предельные значения коэффициен­тов реактивной мощности, кроме случаев, ког­да несоблюдение указанных значений явилось следствием выполнения диспетчерских команд или распоряжений субъекта оперативно-дис­петчерского управления либо осуществлялось по соглашению сторон в случае привлечения потребителя к участию в регулировании реак­тивной мощности.

«Порядок расчета.» не содержит значений понижающих и повышающих коэффициентов к стоимости услуг по передаче электрической энергии. Данные коэффициенты определяются в соответствии с методическими указаниями, утверждаемыми федеральным органом испол­нительной власти по тарифам - ФСТ России.

ВЫВОДЫ

1. Уменьшение в распределительных сетях балластных потоков реактивной мощности за счет ее компенсации у потребителя или на конечных подстанциях электросетевых компаний:

позволит (при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей) снабжать дополнительных потребителей. А это обес­печит в определенной степени прирост потребления активной мощности без увели­чения ее вырабатывания в узле (регионе) или без увеличения ее перетока из других энергосистем;

позволит самому потребителю прирастить свои производственные мощности без увели­чения потребления из сети;

позволит присоединить потребителя там, где ранее было отказано, или там, где компенсация реактивной мощности позволит это сделать;

улучшит техникоэкономическую эффективность систем электроснабжения как электросетевых компаний, так и самих потребителей;

повысит устойчивость электроэнергетических систем, систем электроснабжения и на- грузки потребителей при снижении и провалах напряжения в сети.

2. Снижение в электрических сетях потерь активной мощности, вызванных потоками ре- активной мощности, разгрузка линий электропередачи и трансформаторного оборудования существенно отодвинут момент наступления дефицита электрической энергии, а возможно, даже и не допустят его. Будет поддержан ресурс мощности ЕЭС России до момента ввода новых генерирующих мощностей - процесс, который уже начал широкомасштабно разворачиваться после завершения структурной фазы реформирования отрасли.