5.7. Баланс реактивной мощности

Баланс реактивной мощности влияет на уровни напряжения системы. Необходимо поддерживать его, исходя из заданных уровней напряжения в определенных узлах системы. Уравнение баланса имеет вид:

(5.14)

где реактивная мощность генераторов электростанций, мощность компенсирующих устройств, зарядная мощность линий электропередач, реактивная мощность нагрузки потребителей, потери реактивной мощности.

Приближенно можно оценить влияние каждой составляющей по (5.16). 60% , мощность синхронных компенсаторов (СК) и батарей статических конденсаторов (БСК) –20%, 20% (в сетях с напряжением выше 110 кВ), 20 –30%, причем в трансформаторах и автотрансформаторах теряется до 75 % этой величины. Основными потребителями реактивной мощности являются промышленные предприятия, причем до 75 % потребляют асинхронные двигатели, до 20% потребляют трансформаторы предприятий, потери составляют 10%. Баланс реактивной мощности поддерживается установками системы и потребителями. Обычно баланс реактивной мощности регулярно не планируется, но намечаются специальные мероприятия по его поддержанию и это также важнейшее условие нормального электроснабжения. В энергосистеме имеются рабочие и резервные реактивные мощности на станциях и подстанциях.

При снижении приходной части баланса происходит снижение уровней напряжения и наоборот. Напряжение является одним из показателей качества электроэнергии, следовательно, регулируя баланс реактивных мощностей необходимо поддерживать определенные уровни напряжения. Баланс реактивной мощности поддерживается в локальных зонах системы, а не по всей системе. Это связано с тем, что передавать реактивную мощность на большие расстояния не выгодно, так как передача реактивной мощности сопровождается потерями активной мощности и чем больше расстояние передачи, тем больше потери.

Агрегаты ГЭС легко переводятся из режима генератора в режим синхронного компенсатора, и поэтому ГЭС является мобильным источником реактивной мощности. Но практически все работающие генераторы системы генерируют реактивную мощность в зависимости от напряжения.

5.8. Резервы мощности

Резервы мощности необходимы для обеспечения надежности электроснабжения потребителей. Общий резерв мощности складывается из следующих видов резерва: нагрузочного, аварийного, ремонтного и государственного (народнохозяйственного):

Р_рез = Р_нх + Р_нагр +Р_ав + Р_рем . (5.15)

Нагрузочный резерв мощности.

Нагрузочный резерв предназначен для покрытия резких случайных колебаний нагрузки. Резкие толчки нагрузки могут быть при работе крупных прокатных станов, при трогании с места поездов электрофицированных железных дороги др. На графиках нагрузки обычно показываются осредненные мощности за 0,5-1 часа. В действительности мгновенные значения мощности имеют вид “пилоообразной кривой”, как это показано на рисунке 5.8. В электрической системе все процессы протекают на электронном уровне и балансы мощности должны поддерживаться на таком уровне. Следовательно, энергосистема должна иметь дополнительную мощность для покрытия случайных увеличений нагрузки. Это – нагрузочный резерв.

Случайные нагрузки заранее неизвестны. Опыт работы энергосистем дает диапазон случайных нагрузок – 1-3% максимальной нагрузки системы. Чем больше система, тем меньше относительная величина случайных изменений нагрузки. Энергосистемы обычно достаточно точно знают величины случайных изменений нагрузки.

Наиболее опасны случайные толчки нагрузки в момент прохождения максимума системы, поэтому величина нагрузочного резерва определяется в зависимости от максимальной нагрузки. При максимальных нагрузках мощности станций используются наибольшим образом. Для того чтобы покрывать случайное увеличение нагрузки, необходим горячий резерв мощности. Нагрузка меняется мгновенно, а самый быстрый пуск, пуск агрегата ГЭС, осуществляется за 2-5 мин. Следовательно, агрегаты нагрузочного резерва должны быть включены в сеть и только тогда они смогут покрывать случайные толчки нагрузки, причем загрузка агрегатов должна производиться автоматически и быстро.

Рисунок 5.8 - Иллюстрация понятия «нагрузочный резерв»

С внезапными изменениями нагрузки связана частота системы и нагрузочный резерв называют также частотным.

Выбор величины частотного резерва – оптимизационная задача.

Аварийный резерв мощности.

Аварийный резерв это мощность, которая заменяет отключившиеся в результате аварии агрегаты или станции. Нельзя заранее предусмотреть, когда произойдет авария. Авария – случайное событие.

Имеется методика выбора аварийного резерва с учетом случайных показателей возникновения различных аварий с агрегатами системы [4,9]. Ее суть заключается в сопоставлении затрат на установку резерва и ущербы от недоотпуска энергии (рисунок 5.9). Ущерб зависит от вероятностей аварий и мощностей отключаемых агрегатов. Понятие « ущерб» теоретическое, в практике оценить ущерб очень трудно, а по существу – невозможно. Эта величина зависит от того, какие потребители отключаются, и что для них значит перерыв электроснабжения. Особенно сложно это сейчас, при коммерческих ценах на продукцию потребителей.

Наиболее вероятным является событие, при котором отключается один агрегат, менее вероятным является одновременное отключение двух агрегатов, еще меньше вероятность отключения трех агрегатов (таблица 5.3). Соответственно и уменьшается ущерб. Вероятность одновременного отключения трех агрегатов очень мала, поэтому дальнейшее увеличение числа аварийно отключившихся агрегатов рассматривать не целесообразно. Ущерб падет, а затраты на установку каждого резервного агрегата сохраняются. Они линейно возрастают при увеличении числа агрегатов.

Эта методика содержит много условностей. Считается, что все агрегаты имеют одинаковую вероятность отключения, у всех одинаковая мощность и др.

Таблица 5.3 - Характер роста ущерба от недоотпуска электроэнергии при авариях.

Число аварийно одновременно отключившихся агрегатов	Вероятность события	Недоотпуск мощности	Недоотпуск энергии	Ущеб у потребителей от недоотпуска энергии
Один - 1	р1	N	Э1	У1
Два – 2	р2<р1	2N	Э2	У2
Три – 3	р3<р2	3N	Э3	У3

N

Рисунок 5.9 - Выбор мощности аварийного резерва

В практике используются величины, полученные на основании эксплуатационного опыта. Аварийный резерв меняется в широких пределах от 5 до 30 % мощности работающих агрегатов. Чем он больше, тем выше надежность. Аварийный резерв должен быть не меньше мощности самого крупного агрегата станций системы.

Держать в горячем состоянии все агрегаты аварийного резерва экономически невыгодно, поэтому этот резерв имеет - четыре очереди использования.

Первая очередь – горячий резерв, для обеспечения надежной работы системы при случайных авариях. Величина этой мощности 3 – 5% и она определяется из условия сохранения бесперебойности электроснабжения, частоты и напряжения. Наиболее рационально размещать его на ГЭС либо на агрегатах ТЭС, которые работают с неполной мощностью.

Вторая очередь - холодный резерв, который включается в работу достаточно быстро примерно за время 1 – 3 мин. Оборудование этого резерва должно быть подготовлено к пуску: электрическая схема собрана, котел находиться в рабочем состоянии и др. Эта часть резерва может размещаться и на ГЭС и на ТЭС.

Третья очередь – резерв включается в течение 2 – 6 часов и на это время мощность потребителей ограничивается. Этот резерв размещается на « холодных» агрегатах. Например, может потребоваться пуск котла.

Четвертая очередь - это часть резерва предназначена для длительной замены оборудования на время его аварийно - восстановительного ремонта. Чаще всего он размещается на ТЭС.

Содержание резерва требует затрат. Аварийный резерв требует энергоресурса. На ГЭС необходимо иметь всегда аварийный запас воды в водохранилище, а на ТЭС – запас топлива. На резерв относятся также амортизационные отчисления, часть заработной платы.

Размещение и выбор величины аварийного резерва – важнейшая оптимизационная задача.

Ремонтный резерв мощности.

На каждой электростанции в течение определенного времени агрегаты выводятся в ремонт. Плановые ремонты оборудования можно проводить только тогда, когда нагрузка энергосистемы снижается. Тогда на электростанциях появляется свободная мощность. На годовом графике максимальных нагрузок это соответствует провалу нагрузки (рис.5.9). В такие периоды проводятся капитальные ремонты оборудования, длительность которых доходит до месяца и более.

Провал нагрузки дает ремонтную площадь Fрем. Для проведения ремонтов требуется площадь

F_треб. = SР_агр Т_рем. (5.16)

Если F_рем > F_треб, то ремонтный резерв не требуется. Если Fрем < Fтреб, то требуется дополнительная мощность - ремонтный резерв Р_{рем.рез} (рисунок 5.10)

.

Ррем. рез

Рисунок 5.10 - Ремонтный резерв системы

Величина ремонтного резерва Р_рем._рез зависит от формы графика годовых максимальных нагрузок и от мощностей агрегатов электростанций и времени их ремонта. При значительном сезонном провале нагрузки ремонтный резерв может не потребоваться. Размещение ремонтного резерва является экономической задачей. На ГЭС роль ремонтного резерва для своих агрегатов может иметь сезонная мощность или специально установленные “лишние” агрегаты, которые заменяют агрегаты, находящиеся в ремонте. Для ремонта агрегатов ТЭС устанавливается, если есть необходимость, системный резерв мощности на одной или нескольких станциях.

Ремонтный резерв устанавливается только в том случае, если без него нельзя провести планово-предупредительные ремонты оборудования станций. Текущие ремонты проводятся регулярно и сводятся к ревизиям оборудования и устранению дефектов, которые не требуют разборки агрегатов. Обычно текущие ремонты проводятся в дни с пониженной нагрузкой, например, в выходные дни. На ТЭС всегда предусматривается резерв для проведения текущих ремонтов в размере 4 – 8% от установленной мощности станции. На ГЭС такой необходимости в ремонтном резерве нет, поскольку почти весь год ГЭС не работает полной мощностью.

Резерв для проведения капитальных ремонтов устанавливается тогда, когда в период летнего провала нагрузки тепловые станции не могут в полном объеме провести требуемые ремонты.

Размещение ремонтного резерва и составление графика проведения планово- предупредительных ремонтов – оптимизационная задача.

Народно-хозяйственный резерв мощности.

Этот резерв предназначен для покрытия возможного повышения эектропотребления выше планируемого уровня. Его величина 1 – 2% от плановой величины электропотребления.

Балансы мощности и энергии ЭЭС составляются с учетом размещения всех видов резервов на электростанциях.