Решение проблемы климата путем повышения энергосбережения и эффективности энергосистем. Почему необходима коррекция коэффициента мощности. Компенсация реактивной мощности, как определяющий критерий повышения эффективности систем электроснабжения.
Глобальные проблемы сохранения стабильного климата на планете могут и должны решаться комплексно путем проведения ряда мероприятий в каждой конкретной стране мира в разных аспектах человеческой деятельности, причем энергосбережение и повышение эффективности энергосистем занимают ключевые позиции в списке проблемных вопросов индустриально развитых стран, в том числе и России. Это и не удивительно, поскольку любая экономия энергоресурсов, в каком бы виде они не поставлялись для потребления (воды, газа, тепловой или электрической энергии), сокращает требуемые объемы выработки, а значит и ежегодное количество выбросов парниковых и вредных газов в атмосферу. Условным исключением остается энергия, получаемая из возобновляемых источников – ветровая, геотермальная, энергия солнца, а одним из главных «поставщиков» выбросов среди трейдеров энергоресурсов – производство электроэнергии, с которой прямо или косвенно связаны выработка и/или поставка и использование воды, газа и тепла для систем инженерно-технического обеспечения.
Снизить объемы вырабатываемой электроэнергии удается не только энергосбережением, но и повышением эффективности энергосистемы — снижением потерь в электросетях в цепочке генерирующие устройства – потребитель, а одним из определяющих критериев энергоэффективности электросетей остается оптимизация коэффициента мощности. Только в Германии по данным расчетов 1999 года за счет коррекции коэффициента мощности путем компенсации реактивной мощности удалось добиться экономии около девяти миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Это эквивалентно выбросам CO2 при выработке электроэнергии в количестве примерно пяти миллионов тонн в год и дало для страны эффект в 4 раза больший, чем полученный за счет реализации программы Green Power (использование энергии из возобновляемых источников).
Именно поэтому в Германии и ряде других стран ЕС поставщики электроэнергии, сетевые организации и потребители, использующие конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности получают государственные преференции, а производство укрм, крм стимулируется предоставлением налоговых льгот и скидок.
Почему необходима коррекция коэффициента мощности.
В электрических цепях переменного (синусоидального) тока в присутствии нагрузки ток опережает по фазе напряжение, если нагрузка емкостная, и отстает от напряжения, если нагрузка индуктивная (двигатели, трансформаторы, сети без нагрузки).
Общий потребляемый нагрузкой ток определяется векторным сложением резистивной IR и индуктивной (реактивной) IL составляющих:
Активная мощность (А) на участке цепи определяется резистивной IR составляющей тока, реактивная (мнимая, неактивная) мощность (Q) — индуктивной (реактивной) IL составляющей тока, а полная мощность (Р) — векторным сложением активной и реактивной мощностей с коэффициентом мощности (cos ɸ), показывающим отношение полной мощности к активной составляющей.
Уменьшение угла ɸ до 0 градусов (или, соответственно, повышение коэффициента мощности cos ɸ до 1) позволяет всю передаваемую мощность сделать активной, т.е. выполняющей полезную работу. Увеличение угла ɸ (снижение коэффициента мощности cos ɸ) увеличивает мнимую реактивную мощность и уменьшает активную (полезную) мощность и при углах, близких к 90 градусов (коэффициент мощности около 0) вся передаваемая полная мощность уходит (условно) на погашение реактивной мощности (создание электрических, магнитных полей). Более наглядно это демонстрирует рис. ниже – физический аналог природы электрической мощности в цепях синусоидального тока.
Видно, что при уменьшении угла (аналог — угол ɸ) приложения тягового усилия лошади (аналог – полная мощность) относительно направления движения судна по реке (аналог – активная мощность) повышается эффективность выполняемой работы за счет уменьшения «невидимого» или мнимого (ненужного, бесполезного) усилия по буксировке судна к берегу.
Здесь нужно понимать:
— выработка, транспортировка и потребление индуктивными или емкостными электроприемниками электрической энергии невозможна без сопутствующих потерь на создание электромагнитных полей (возбуждение генераторов, индуцируемые движением электронов в токопроводах магнитные поля, электромагнитные поля трансформаторов на подстанциях, в электроприборах и т.д.), на что, собственно и уходит мнимая реактивная мощность;
— если потери реактивной мощности не компенсировать, то необходима передача большей полной мощности, а значит – увеличение силы тока в передающих линиях и потерь на сопротивление передаче электроэнергии со всеми негативными последствиями – нагрев, провисание и обрыв проводов в распределительных сетях, снижение пропускной способности сетей, падение сетевого напряжения, ухудшение качества передаваемой электроэнергии. Т.е. упрощенно для обеспечения работы нагрузки генераторной установке необходимо вырабатывать мощность, условно состоящую из двух компонентов, один из которых – реактивная мощность Q, но при компенсации реактивной мощности реактивную составляющую можно уменьшить и сократить общий объем производимой генератором мощности (рис. ниже).
Рис. Поставка мощности от генератора к нагрузке: без компенсации реактивной мощности (слева) и с компенсацией реактивной мощности конденсаторными установками типа укм 58 или аналогичных (справа).
Читать продолжение в статье «Коррекция коэффициента мощности в цепи электростанция — потребитель».
