В недавно утвержденной «Энергетической стратегии» Российской Федерации на период до 2035 года (распоряжение правительства РФ № 1523-р от 09.06.2020) в гл. III констатируется, что имеющийся в стране потенциал энергосбережения на момент разработки документа достигает трети всего объема энергопотребления, а значит пока организационно-технические мероприятия по этому направлению недостаточно эффективны.
В принципе, в сфере электроэнергетики и сегменте потребительских сетей низкого и/или низкого среднего напряжения пока наивно было ожидать сколь значимого прорыва, поскольку уже не один десяток лет «стереотипом» технических мероприятий муниципальных, ведомственных, отраслевых и федеральных программ энергосбережения были:
- внедрение энергоэффективного освещения или частотно-регулируемых приводов двигателей,
- компенсация реактивной мощности (редко).
Однако интеграция энергосберегающих светильников, 6-ти и даже 12-ти импульсных ШИМ-преобразователей с высоким коэффициентом мощности по факту приводила к существенному, а порой и критическому засорению сетей гармоническими и интергармоническими возмущениями, что априори вызывает:
- негативные изменения параметров качества электроэнергии (ПКЭ),
- дестабилизирует энергоснабжение,
- выводит силовое оборудование из оптимальных условий эксплуатации с повышением энергопотребления, степени износа и аварийности.
В свою очередь, традиционные и сравнительно недорогие автоматические релейные установки компенсации реактивной мощности, фигурирующие в превалирующем числе проектов разработки, модернизации, расширения силовых потребительских сетей, в условиях быстроизменяющихся нелинейных нагрузок оказываются не просто неэффективными, но и условно негативными в плане обеспечения стабильности нормированных показателей качества электроэнергии.
Обусловлено это тем, что технически обоснованная малым ресурсом и скоростью срабатывания контакторов задержка коммутации ступеней приводит к профициту в сети емкостных токов (с конденсаторов) при включении и индуктивных (от нагрузки) при отключении конденсаторных батарей и, соответственно, всем негативам пере- и недокомпенсации.
Кроме того, практически любая релейная установка компенсации реактивной мощности из-за малой скорости отклика на изменения параметра регулирования — по мощности УКМ или УКРМ, напряжению УКН или току УКТ — de facto несовместима с интеллектуальными АСУ ТП цифровых сетей, а попеременные набросы емкостных и индуктивных токов при коммутации ступеней негативно влияют на передачу информационных сигналов по сетям Profibus, Modbus или Industrial Ethernet, без которых нереально провести цифровую трансформацию объекта.
Энергосбережение и энергетическая эффективность в силовых потребительских сетях
Теоретически, добиться максимально возможного энергосбережения на объекте можно полной автоматизацией производственно-технологических процессов, на что сегодня ориентируют отраслевую экономику президент РФ в «Доктрине энергетической безопасности» и правительство России в «Энергетической стратегии».
В отношении силовой сети речь идет и об оптимизации режимов работы нагрузки, и о нивелировании всех возможных сетевых загрязнений, искажающих параметры качества электроэнергии, в том числе, реактивной мощности на фундаментальной частоте, мощности гармоник, интергармоник, искажений тока, напряжения и т. д., что, в совокупности, определено международным стандартом IEEE 1459-2010 и рассматривается в пакете отечественных стандартов по электромагнитной совместимости.
Вместе с тем, для эффективной работы АСУ ТП любой архитектуры и масштаба необходимы «свободные от загрязнений» и электромагнитно совместимые силовые сети, в которых силовое оборудование управляется на местах быстродействующими интеллектуальными контроллерами, работающими в связке с программным обеспечением аппаратного комплекса Data-центров. Косвенно это подтверждается перечнем технологического оборудования приложения к «Энергетической стратегии», где указано, что статические компенсаторы, конвертеры, выпрямители и иные типы преобразователей должны быть построены на базе полупроводниковых компонентов, а значит, как минимум, тиристоров, но лучше биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT), имеющие широкий интервал рабочих частот и мощностей.
Таким образом, на смену автоматическим релейным конденсаторным установкам приходят тиристорные, совместимые с цифровыми сетями, однако и они не могут решить проблему загрязнения сети гармониками и интергармониками, поскольку работают исключительно на фундаментальной частоте.
Справка
Здесь речь не идет о конденсаторных модулях, батареях или одно-двухступенчатых неуправляемых (неавтоматических) релейных установках компенсации реактивной мощности, которые в отличие от автоматических УКРМ вполне разумно использовать в любых, в том числе, цифровизованных сетях, однако:
- только для «срезания» постоянной «фоновой» реактивной мощности на предприятиях с круглосуточным режимом работы части нелинейной нагрузки;
- исключительно в пакетах с УКРМТ и с пассивными фильтрами гармоник (например, дросселями) для исключения рисков резонанса, или в связках с УКРМТ и активным фильтром гармоник (АФГ).
Активные фильтры гармоник в решении проблем энергосбережения
Пока в сетях низкого, до 1 кВ, и низкого среднего напряжения активные фильтры гармоник (Аctive filter harmonic — AFG) остаются единственным необходимым и достаточным техническим средством очистки от гармонических искажений, а в «урезанных» версиях с маркетинговым лейблом «генераторов реактивной энергии» (Static var generator — SVG) — от набросов реактивных токов на фундаментальной частоте вне зависимости от их характера (индуктивных или емкостных).
Безусловно, из-за высокой цены мощных IGBT-транзисторов в силовых блоках АФГ вряд ли есть смысл использовать SVG вместо более доступных финансово УКРМТ или катушек индуктивности для компенсации реактивных токов (соответственно) индуктивного или емкостного характера. Вместе с тем, АФГ «широкой полосы» с невысокой мощностью на фундаментальной частоте мог бы устранять недостатки тех же тиристорных УКРМТ в аспекте пере- или недокомпенсации при коммутации ступеней, а на частотах гармоник, вплоть до 50-го порядка, выполнять свою главную функцию — нивелировать токи искажений оперативным и дозированным набросом противофазных токов той же амплитуды и частоты.
Сделать АФГ еще более доступным финансово можно благодаря установке максимально близко к источнику гармонических возмущений и/или использованию вместе с АФГ пассивных L-C-фильтров, настроенных на гармоники низких порядков. Поэтому сегодня оптимальными по цене и (условно) полными решениями проблем искажения параметров качества электроэнергии могут стать сборки УКРМТ+АФГ+L-C-фильтр, проектирование которых должно выполняться только по результатам энергоаудита объекта с полным анализом пакета ПКЭ современными приборами-анализаторами.
