Лекция 15. Лекция_15 (1). Лекция 15 Регулирование частоты и активной мощности в энергосистеме План

• Название: Лекция 15 Регулирование частоты и активной мощности в энергосистеме План
• Анкор: Лекция 15
• Дата: 24.12.2022
• Размер: 132.5 Kb.
• Имя файла: Лекция_15 (1).doc
• Тип: Лекция; #862213

Лекция № 15
Регулирование частоты и активной мощности в энергосистеме
План.

1. 
   Причины нарушения баланса активной мощности. Отклонение частоты.
   
2. 
   Регулирование частоты вращения турбины.
   
3. 
   Регулирование частоты в энергосистеме.
   

Причины нарушения баланса активной мощности. Отклонение частоты

Качество электроэнергии в большой степени зависит от стабильности частоты в энергосистеме. Если частота снижается незначительно, то наступает новое состояние (баланс) между выработкой и потреблением активной мощности, но уже при сниженных значениях частоты и нагрузки. Значительное отклонение частоты от ее номинального значения (50 Гц) нарушает технологические процессы практически во всех отраслях экономики, в том числе и в электроэнергетике. Снижение частоты приводит к снижению скорости вращения двигателей. Это приводит к снижению их производительности. Например, при снижении частоты на 10% производительность насосов резко снижается, стремясь к нулю.

Снижение частоты вызывает существенный рост реактивной нагрузки потребителей из-за увеличения магнитной индукции в асинхронных двигателях и трансформаторах и приводит к снижению напряжения в электрической сети.

Уменьшение частоты в энергосистеме происходит в тех случаях, когда активная нагрузка в энергосистеме оказывается больше располагаемой мощности электростанций. Изменение частоты при этом происходит одновременно и одинаково во всей энергосистеме.

Причинами нарушения баланса мощности могут быть:

• 
  аварийное отключение генератора;
  
• 
  неожиданный (неплановый) рост потребления мощности. Например, при снижении температуры;
  
• 
  аварийное отключение линии или трансформатора связи.
  

Поясним последнюю причину. Допустим, что есть две системы, которые соединены линией электропередачи (линией связи). Предположим, что в первой энергосистеме производство мощности превышает ее потребление , а во второй – наоборот - При связанной работе обеих систем соблюдается баланс мощности:

Пока обе системы работают объединено (параллельно), баланс мощности выполняется и в обеих системах поддерживается одинаковая частота.

При отключении ЛЭП связи баланс активной мощности в каждой системе нарушается. В первой системе при избытке генерируемой активной мощности частота будет возрастать. Во второй системе при дефиците генерируемой активной мощности частота будет снижаться.

Частота в энергосистеме оценивается по показателю отклонения частоты. Отклонение частоты – это отличие фактического значения частоты от номинального значения, выраженное в Гц или процентах:
.
Допускается нормальное отклонение частоты в пределах Гц и максимальное – Гц для нормального режима работы энергосистемы. В послеаварийных режимах допускается отклонение частоты от + 0,5 Гц до Гц общей продолжительностью за год не более 90 часов. Согласно ПУЭ, возможность снижения частоты ниже 45 Гц должна быть исключена полностью, время работы с частотой менее 47 Гц не превышает 20 с, а с частотой менее 48,5 Гц – не больше 60 с.

Превышение генерации активной мощности над ее потреблением приводит к увеличению частоты. Его можно ликвидировать, снизив выработку мощности генераторами или отключив часть из них. Понижение частоты при , требует мобилизации резерва мощности или автоматической частотной разгрузки (АЧР).

Таким образом, во всех режимах работы энергосистемы должен быть определенный резерв мощности, который реализуется при росте нагрузки. Резерв может быть горячим и холодным. Горячий резерв – это генераторы, работающие мощностью меньше номинальной. Холодный резерв – это остановленные генераторы. Для их ввода в работы требуется значительное время.

Суммарный необходимый резерв мощности складывается из нагрузочного, ремонтного и аварийного.

Нагрузочный резерв предназначен для покрытия случайных колебаний нагрузки сверх учтенной в балансе регулярного максимума нагрузки.

Ремонтный резерв обеспечивает возможность проведения планово-предупредительных ремонтов оборудования электростанций.

Аварийный резерв нужен для замены агрегатов, которые выбыли из строя в результате аварии.

Кроме резерва мощности на электростанциях необходим резерв энергии: на тепловых электростанциях (ТЕС) должен быть обеспечен запас топлива, а на гидроэлектростанциях (ГЭС) – запас воды в водохранилище.

Если резерв мощности на станциях исчерпан, а частота продолжает снижаться, то в действие вступают устройства АЧР. Под действием АЧР отключаются наименее ответственные потребители, и в системе восстанавливается баланс активной мощности. В первую очередь отключаются потребители III категории надежности.

Возможны аварии, когда объем АЧР оказывается малым для удержания частоты в энергосистеме. В таких случаях прибегают к крайним мерам по сохранению собственных нужд электростанций. В этом случае от системы отключают 1-2 генератора и переключают на них питание собственных нужд. Отделение генераторов происходит автоматически с помощью устройств частотного деления. Например, для тепловых электростанций деление происходит при снижении частоты до 46,5 Гц и сохранении такой частоты в течении 2 секунд.

В системе частота регулируется на одной из крупных электростанций системы. Эта станция работает по ориентировочному графику нагрузки. Остальные станции системы работают по заданному графику, исходя из экономического распределения мощности между ними. При необходимости в помощь станции ведущей частоту выделяется еще одно или две станции.

При объединении энергосистем обязанности ведущей частоту возлагаются на наиболее мощную энергосистему. Остальные энергосистемы оказывают только в регулировании частоты и перетоков мощности в линиях межсистемной связи.
Регулирование частоты вращения турбины
В электрической системе, состоящей из ряда станций и нагрузок, различают следующие виды изменения частоты:

• 
  быстрые и средние (мгновенные или текущие). Происходят во время переходных процессов, связанных с изменением скорости вращения генераторов;
  
• 
  относительно медленные, характерные для всей системы.
  

Медленные изменения частоты определяются эквивалентной инерцией всех машин системы, действием регуляторов скорости (АРС) и регуляторов частоты (АРЧ). Регуляторы скорости называют первичными регуляторами частоты. В зависимости от величины возмущения они начинают работать через 0,3-2 с после изменения мощности. Регуляторы частоты – это вторичные регуляторы. Время их действия составляет несколько секунд. Вторичные регуляторы изменяют уставки первичных регуляторов одной или группы станций, которые регулируют частоту в энергосистеме. Они принимают на себя небаланс мощности, возникший в системе. При наличии достаточного резерва мощности частота в системе восстанавливается до номинального значения.

Проанализируем характеристики регуляторов скорости. Используем для этого статические характеристики нагрузки по частоте. Допустим, что (рис. 15.1).

Если на турбине нет регулятора скорости, то ее мощность неизменна (рис. 15.1 а). В этом случае при увеличении мощности нагрузки до Р_н2 частота снижается до значения f₂, а при сбросе нагрузки до Р_н3 частота повышается до значения f₃.

Под действием регуляторов АРС изменяется впуск энергоносителя (воды, пара) в турбину в зависимости от нагрузки. Регуляторы АРС имеют либо астатическую характеристику (рис. 15.1 б), либо статическую характеристику (рис. 15.1 в).

При астатической характеристике после переходного процесса при снижении мощности до Р_н3 или при увеличении мощности до Р_н2 в системе восстанавливается номинальная частота.

Если генератор имеет статическую характеристику (рис. 15.1 в), то при увеличении нагрузки до Р_н2 частота в системе снижается до значения f₂, а затем (после зоны нечувствительности АРС) до значения f₃. Тангенс угола α называется коэффициентом статизма.

Астатическая характеристика – это идеальная характеристика. Реальные генераторы имеют статические характеристики. Чтобы добиться астатического регулирования применяю вторичное регулирование частоты. Под действием вторичных регуляторов изменяются уставки первичных регуляторов частоты. Изменяется впуск энергоносителя в турбину. Это равносильно перемещению статической характеристики параллельно самой себе (рис. 15.1 г). В системе восстанавливается номинальная частота в точке 4.
Регулирование частоты в энергосистеме
Станция, ведущая частоту в энергосистеме, должна удовлетворять двум требованиям:

• 
  ее установленная мощность должна составлять весомую долю в суммарной мощности энергосистемы;
  
• 
  регулировочный диапазон мощности должен быть широким.
  

Наибольшие ограничения по регулированию активной мощности у парогенераторов. Они не допускают снижения нагрузки ниже чем на 40 – 60 % от номинальной мощности. Ограничение связано с возможностью погашения факела пылеугольных топок из-за нарушения нормальной циркуляции теплоносителя. Поэтому, если ведущей частоту является тепловая электростанция, ее установленная мощность должна в 2-3 раза превышать наибольшее увеличение мощности. Регулировочный диапазон гидроэлектростанций практически равен их установленной мощности.

Рассмотрим процесс регулирования частоты.

Допустим, частоту в системе ведет одна электростанция (рис. 15.2). Ее статическая характеристика показана на рисунке справа. Она принимает на себя все изменения потребляемой мощности в системе и изменяет свою мощность в соответствии с этим изменением. Все другие станции энергосистемы представлены обобщенной характеристикой слева на рисунке. Мощность этих станций не изменяется.

Станция ведущая частоту вырабатывает мощность Р_эс1. Остальные станции вырабатывают мощность Р_с1. В системе выполняется баланс мощности в точке 1:
.
При увеличении нагрузки на величину ΔР_п, в первый момент времени частота в системе снижается до величины f₁. Все станции системы принимают на себя дополнительную мощность. Мощность станции ведущей частоту увеличивается до значения Р_эс2, а на остальных станциях до - Р_с2. В системе устанавливается баланс при сниженном значении частоты (при f₂):
;
.




На станции ведущей частоту регуляторы АРС увеличивают впуск энергоносителя в турбину. Это соответствует параллельному перемещению характеристики 1-2. Станция принимает на себя всю дополнительную мощность. Ее мощность становится равной Р_эс3. На остальных станциях мощность снижается до значения Р_с1. В системе восстанавливается номинальная частота и выполняется баланс мощности (точка 3):
.
Если мощности одной станции не хватает, чтобы вести частоту в системе, то ей в помощь выделяется еще одна станция. Рассмотрим, как распределяется дополнительная мощность между двумя станциями. На рис. 15.3 показаны только две станции, которые ведут частоту. Остальные станции системы ведут себя аналогично выше изложенному.

Станции ведущие частоту вырабатывают соответственно мощности Р_эс1 и Р_эс2. В системе выполняется баланс мощности в точке 1:
.
При увеличении нагрузки на величину ΔР_п, в первый момент времени частота в системе снижается до величины f₂.

Обе станции системы принимают на себя дополнительную мощность. Их мощности увеличиваются до значений и . В системе устанавливается баланс при сниженном значении частоты (при f₂):
;
.




На станциях ведущих частоту регуляторы АРС увеличивают впуск энергоносителя в турбину. Это соответствует параллельному перемещению характеристики 1-2 и 1^’-2^’. В системе восстанавливается номинальная частота и выполняется баланс мощности в точке 3.

Чтобы выяснить, как распределилась дополнительная нагрузка между электростанциями, рассмотрим треугольники: Δ 1А3 и Δ 1^’А^’3^’. Углы и равны: и . Для этих треугольников можно записать

и .
Найдем отношение коэффициентов статизма:
.
Таким образом, дополнительная нагрузка распределяется обратно пропорционально коэффициентам статизма.