В электроэнергетической системе

Регулирование частоты в электроэнергетической системе осуществляют несколько электростанций. Для простоты вначале рассмотрим энергосистему небольшой мощности, в которой регулирует частоту только одна станция. Эта станция, балансирующая по частоте, воспринимает на себя все изменения потребляемой мощности в системе. Она изменяет свою нагрузку на ту же величину, на которую изменяется суммарная потребляемая мощность системы. При этом выполняется баланс активной мощности и мощность остальных станций в системе неизменна. На рис.5.1,а изображены характеристики станции, регулирующей частоту (прямая с точками 1, 2 справа от оси ), и остальных станций системы, которые частоту не регулируют (прямая с точками 1^!, 2^! слева от оси ).

а)

б)

Рис.5.1 Регулирование частоты в энергосистеме:

а – одной электростанцией; б – двумя электростанциями.

При суммарной потребляемой нагрузке все станции системы работают при номинальной частоте . Станция, регулирующая частоту, имеет нагрузку Р₁, нагрузка остальных станций системы равна Р_с1. Уравнение баланса (5.1) имеет следующий вид:

. (5.4)

При увеличении суммарной потребляемой нагрузки на величину частота в системе снижается до величины . Баланс мощности запишется следующим образом:

. (5.5)

При снижении частоты в системе персонал или вторичные регуляторы частоты станции, регулирующей частоту, увеличат пропуск энергоносителя в турбину. Это соответствует параллельному перемещению характеристики 12 и установлению в системе номинальной частоты в точке 3 рис.5.1,а. Регулирующая станция принимает на себя все увеличение нагрузки:

,

. (5.6)

Изменение потребляемой мощности может быть больше, чем диапазон регулирования Р станции, ведущей частоту. Тогда регулировать частоту должны две или более станций. Рассмотрим распределение мощности между двумя станциями, ведущими частоту в системе (рис.5.1,б). При нагрузке частота в системе номинальная; станция 1 имеет нагрузку , станция 2 - :

. (5.7)

При увеличении нагрузки на прирост мощности распределится между станциями в соответствии со статическими характеристиками. При первичном регулировании частота понизится до . На станциях 1 и 2 нагрузки соответственно вырастут на и станут равными , . Запишем уравнение баланса мощности для этого случая:

. (5.8)

При вторичном регулировании статические характеристики перемещаются вверх параллельно самим себе, так что частота в системе становится номинальной. Из треугольников А^!1^!2^! и А12 на рис.5.1,б можно убедиться, что изменения мощностей станций обратно пропорциональны коэффициентам статизма их регуляторов скорости:

, (5.9)

где - коэффициенты статизма статических характеристик регуляторов скорости, равные тангенсам угла наклона α этих характеристик.

Понятие об оптимальном распределении

Активных мощностей

Энергетическая система объединяет электростанции различного типа, каждая из которых имеет несколько генераторов. Обычно суммарная мощность установленных генераторов превышает нагрузку энергосистемы. При этом возникает вопрос о распределении активной нагрузки между электростанциями и отдельными генераторами.

Естественное распределение мощности между станциями обратно пропорциональное коэффициентам статизма их регуляторов скорости (5.9), не учитывает требования экономичности или оптимальности режима. Режим энергосистемы, обеспечивающий наименьшие народнохозяйственные затраты, называют оптимальным. При определении оптимального режима надо учитывать технико-экономические показатели оборудования электростанций, стоимость топлива и потери мощности в электрической сети.

В качестве критерия оптимального распределения активных мощностей между тепловыми электростанциями у нас в стране принимают минимум суммарного расхода топлива в энергосистеме В_Σ при соблюдении баланса мощности (5.1).

Для каждой электростанции и отдельного генератора существует расходная характеристика, определяющая зависимость расхода топлива В от мощности Р. Рассмотрим две электростанции с различными расходными характеристиками (рис.5.2,а,б).

Для простоты будем считать эти характеристики непрерывными. При одинаковой мощности станция 1 расходует меньше топлива, чем станция 2. В то же время расходная характеристика станции 1 более крутая, т.е. эта станция увеличивает расход топлива на единицу роста нагрузки больше, чем станция 2. В режиме 1 мощность станции 1 составляет , станции 2 – . Расход топлива станции 1 равен (рис. 5.2,а), станции 2 – (рис.5.2,б). На рис.5.2,в приведены суммарный расход топлива в энергосистеме и суммарная мощность станций .

При уменьшении нагрузки станции 1 на расход топлива снизится на величину и станет равным (рис.5.2,а). При увеличении нагрузки станции 2 на расход топлива увеличится на и станет равным (рис.5.2,б). Режим 2 соответствует мощностям станций и , причем их сумма та же, что и в режиме 1.

Для одной конкретной системы значения мощностей и расходов топлива станций и системы в обоих режимах в относительных единицах приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 Мощности и расходы топлива в двух режимах

№ режима
	=2,5	=3,5	=6	=2	=3,25	=5,25
	=1,5	=4,5	=6	=1,5	=3,5	=5

а) б)

в) г)

Рис.5.2 Распределение активной мощности между

электростанциями: а, б – расходные характеристики

электростанций 1 и 2; в – суммарный расход топлива

в режимах 1 и 2; г – размещение мощностей различных

электростанций на графике нагрузок энергосистемы.

Режимы 1 и 2 при одинаковой суммарной мощности станций различаются суммарным расходом топлива. При = оказывается, что > . Увеличение на мощности станции 2 и уменьшение на привело к снижению , так как > .

Отношение / является важным технико-экономическим показателем станции. Предел этого отношения

(5.10)

называется относительным приростом расхода топлива.

Станция, у которой меньше значение , меньше увеличивает расход топлива при росте нагрузки, следовательно, надо сначала загружать эту станцию. Очевидно, наименьший расход топлива или оптимальное распределение нагрузки будут при условии равенства относительных приростов:

. (5.11)

Перераспределение нагрузок по условию (5.11) осуществляется воздействием на устройства изменения уставок регуляторов скорости турбин либо вручную, либо автоматически.

На рис.5.2,г приведен суммарный график нагрузки энергосистемы. Распределение нагрузки между различными электростанциями производят, учитывая особенности их технологического режима. В нижней – базовой – части графика нагрузок работают те электростанции, мощность которых по условиям работы оборудования регулироваться не может. Это гидроэлектростанции (ГЭС) без водохранилищ либо ГЭС с водохранилищами, которые должны вырабатывать мощность, определенную санитарным пропуском воды, а также теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и атомные станции (АЭС). В полупиковой части графика работают конденсационные электростанции (КЭС), а в верхней – пиковой части – ГЭС с водохранилищами и гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

Электростанции, работающие в пиковой части графика нагрузки, регулируют активную мощность, т.е. загружаются позже других и разгружаются раньше. Это маневренные станции, регулирующие частоту и обменные потоки мощности с другими энергосистемами. Они должны иметь достаточный диапазон регулирования и надежное оборудование с хорошо работающей системой вторичного регулирования частоты.

Баланс реактивной мощности

И его связь с напряжением

При выработке и потреблении энергии на переменном токе равенству вырабатываемой и потребляемой электроэнергии в каждый момент времени отвечает равенство вырабатываемой и потребляемой не только активной, но и реактивной мощности:

, (5.12)

, (5.13)

где - генерируемые активная и реактивная мощности станций за вычетом собственных нужд; - активная и реактивная мощности потребителей; - суммарные потери активной и реактивной мощностей в сетях; - суммарное потребление активной и реактивной мощностей.

Уравнения (5.12) и (5.13) являются уравнениями балансов активной и реактивной мощностей. Баланс реактивной мощности по всей системе в целом определяет некоторый уровень напряжения. Напряжения в узловых точках сети электрической системы в той или иной степени отличаются от среднего уровня, причем это отличие определяется конфигурацией сети, нагрузкой и другими факторами, от которых зависит падение напряжения. Баланс реактивной мощности для всей системы в целом не может исчерпывающе определить требования, предъявляемые к мощности источников реактивной мощности. Надо оценивать возможность получения необходимой реактивной мощности как по системе, так и по отдельным её районам.

Необходимость в оценке баланса реактивной мощности возникает прежде всего при проектировании подсистемы регулирования напряжения – реактивной мощности АСДУ (автоматизированной системы диспетчерского управления). В ряде случаев оценка изменений условий баланса производится и в практике эксплуатации, например при вводе новых регулирующих устройств, установленных мощностей электростанций, изменениях схемы сети.

Нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети. Если генерируемая реактивная мощность становится больше потребляемой ( > ), то напряжение в сети повышается. При дефиците реактивной мощности ( < ) напряжение в сети понижается. Для пояснения указанной связи напомним, что, например, емкостный ток линии на холостом ходу (см. рис.4.2,б) повышает напряжение на её конце. Соответственно избыток генерируемой реактивной мощности приводит к повышению, а её недостаток – к понижению напряжения.

В дефицитных по активной мощности энергосистемах уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Недостающая для выполнения баланса активная мощность передается в такие системы из соседних энергосистем, в которых имеется избыток генерируемой мощности. Обычно энергосистемы дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме.