Регулирующий эффект нагрузки потребителей

Наряду с генерирующими установками в регулировании мощности и частоты принимает также и нагрузка энергосистемы [11].

При отклонении частоты и напряжения в сети от нормы, потребление как активной так и реактивной мощности изменяется. Это явление получило название регулирующего эффекта нагрузки или явлением самовыравнивания.

Регулирующий эффект активной нагрузки по частоте выражается в меговаттах на герц или в % изменения суммарной нагрузки системы на 1 % отклонения частоты, а по напряжению в МВт на киловольт или в % изменения суммарной нагрузки на 1 % изменения напряжения.

Регулирующий эффект неодинаков для различных систем и в различные часы суток для одной и той же системы и зависит от состава потребителей. С этой точки зрения потребители могут быть разбиты на три категории.

К первой категории относятся потребители с нагрузкой, имеющей характер активного сопротивления (эл. печи, осветительные и бытовые нагревательные приборы). Активная мощность потребителей этой категории не зависит от частоты и при изменении частоты их нагрузка остается постоянной:

P₁ = const

В этом случае dP₁ / df = 0

Ко второй категории относятся синхронные и асинхронные электродвигатели с постоянным моментом на валу (двигатели металлообрабатывающих станков, барабанных углеразмольных мельниц, подъемных кранов и др.), активная мощность которых меняется пропорционально первой степени частоты. В этом случае момент на валу двигателя остается постоянным M₂ = const. Нагрузка на валу двигателя пропорциональна моменту и скорости вращения:

P₂ = M₂  (1.8)

где – угловая скорость вращения, с^-1

В этом случае изменение мощности прямо пропорционально относительному изменению частоты

= (1.9)

где ,– соответственно нагрузка и частота при начальном, исходном режиме; P₂ , f- текущая нагрузка и частота.

Асинхронные двигатели, приводящие в движение механизмы вентиляторного типа (вентиляторы, дымососы, центробежные и лопастные водяные насосы), относятся к третьей категории потребителей. Момент сопротивления таких механизмов изменяется в зависимости от значения статического напора с полуторной, второй, третьей и даже четвертой степенью частоты (n). Соответственно мощность двигателей этой категории изменяется пропорционально второй, третьей, четвертой или пятой степени частоты. В этом случае, мощность на валу двигателя зависит от частоты

=(1.10)

Тогда нагрузку потребителя можно определить по выражению:

(1.11)

В результате суммарного (от разных потребителей) действия регулирующего эффекта по частоте в большинстве наших энергосистем каждому процентупонижения частотысоответствует уменьшение активной нагрузки на1,5-2,5 %:

Регулирующий эффект активной нагрузки по напряжению также приводит к уменьшению потребления активной мощности в системе на 0,5% (при большом наличии в составе нагрузки асинхронных и синхронных двигателей, активная мощность которых почти не зависит от напряжения) и на 2,0-2,5 % (при большом количестве в составе нагрузки потребителей первой категории, сильно зависящих от напряжения) на 1 % понижения напряжения;

; (1.12)

Здесь – показатель степени, равный для ламп накаливания 1,6, для печей – 2,0, и в среднем= 1,8. Следовательно, на 1 % понижения напряжения изменение потребляемой мощностисоставляет приблизительно 1,8 %.

Если в системе одновременно с понижением частоты наблюдается и понижение напряжения, то результирующий регулирующий эффект активной нагрузки будет

, (1.13)

где – доли потребителей всех категорий в общей нагрузке, где,P_f и P_U – средневзвешенный регулирующий эффект активной нагрузки по частоте и напряжению.

В дифференциальной форме результирующий регулирующий эффект активной нагрузки по частоте и напряжению будет иметь вид:

(1.14)

Результирующий регулирующий эффект по частоте и напряжению в большой степени зависит от состава потребителей энергетической системы, удельного веса различных групп токоприемников и характера их работы. Регулирующий эффект неодинаков для различных систем и в различные часы суток в одной и той же системе, завися от состава потребителей. Различное сочетание потребителей в энергосистемах и обусловливает неодинаковость регулирующих эффектов их нагрузки и соответственно неодинаковое их поведение при отклонениях частоты и напряжения от нормы.

1.7.4. Саморегулирование системы «турбина – нагрузка»

При регулировании частоты в системе регулирующий эффект наряду с изменением нагрузки потребителей возникает и саморегулирующий эффект системы «турбина-нагрузка».

Под саморегулированием понимают свойство системы «турбина-нагрузка» приходить к устойчивому режиму после скачка нагрузки (сброс-наброс) без вмешательства регуляторов. Как известно, моментно-угловая характеристика турбины имеет отрицательный угловой коэффициент, т.е. уменьшение частоты вращения (частоты электрического тока) сопровождается повышением вращающего момента турбины ( как паровой так и гидравлический).

Легко убедиться, что при изменении нагрузки появляющийся на валу турбины ускоряющий или тормозящий момент приводит к повышению или соответственно к понижению частоты вращения и система «турбина-нагрузка» быстро приходит к новому устойчивому режиму при повышенной или пониженной частоте. При этом эффект саморегулирования системы частично определяется повышением (понижением) крутящего момента на валу турбины и частично – понижением (повышением) момента сопротивления нагрузки:

М_сист=М_турб+М_нагр. (1.15)

Эффект саморегулирования обычно оценивается по изменению мощности турбоагрегата при снижении частоты тока:

Р_сист=Р_турб+Р_нагр, (1.16)

Регулирующий эффект турбины обеспечивает поддержание постоянной мощности:

Р_турб = М const, (1.17)

Если не учитывать небольшого изменения расхода пара в турбину и питательной воды в котел при изменениях частоты; эти изменения расхода дают небольшое увеличение мощности турбины при понижении и уменьшение мощности при повышении частоты.

Эффект саморегулирования измеряют в мегаваттах на герц или в процентах изменения суммарной мощности системы на 1 % изменения частоты в системе:

k_с=Р_сист/fилиk_c = (Р_сист/ Р_сист) 100. (1.18)

Величину k_cназывают мощностью саморегулирования системы. Как видно, чем сильнее регулирующий эффект нагрузки, тем меньше участие турбины в стабилизации режима, и, наоборот, чем слабее этот эффект, тем больше в саморегулировании участвует турбина. При чисто осветительно-бытовой нагрузке все саморегулирование системы определяется турбиной и размах колебаний частоты становится максимальным.

Обычно для систем городского типа (Ленэнерго, Мосэнерго) мощность саморегулирования находится в пределах 1,5-2,0 %.

Работа электрической станции в режиме саморегулирования вполне реальна при отсутствии резерва мощности в системе. В этом случае недостаток мощности при повышении нагрузки в системе компенсируется частично за счет понижения частоты до допустимого предела f_допи саморегулирования турбины и нагрузки, и частично за счет отключения потребителей. Отключаемая мощность потребителей

Р_откл=Р –k_c f_доп. (1.19)

Здесь Р- недостаток мощности в системе;k_с=Р_f+k_с.т, гдеР_f– регулирующий эффект нагрузки по частоте;k_с.т– мощность саморегулирования турбины.

Если в системе есть резерв мощности и работа турбин происходит на наклонной части характеристики, изменение нагрузки в системе Р компенсируется главным образом турбинами (Р_турб) и лишь небольшая часть – за счет регулирующего эффекта нагрузки:

Р =Р_нагр+Р_турб=Р_f+k_гf= (Р_f+k_г)f. (1.20)

Здесь k_г – первичная регулирующая мощность турбин (МВт/Гц), характеризующая изменение нагрузки генератора.

После того, как регулятор частоты переместит характеристику первичного регулятора турбины параллельно самой себе, турбина наберет дополнительную мощность, компенсируя действие регулирующего эффекта нагрузки Р_ff, и восстановит в системе нормальную частоту тока.

Регулирование напряжения в сети возбуждением генератора.

Напряжение генератора при изменениях нагрузки поддерживают системой автоматического регулирования возбуждения (АРВ), воздействующей на возбудитель [10]. На вход регулятора напряжения через понижающий трансформатор подают напряжение от шин генератора. Регулятор напряжения сравнивает его с заданным напряжением U. Команда, пропорциональная сигналу рассогласованияUи интегралу от него, после усиления передается регулирующему органу, изменяющему напряжение возбудителя и соответственно ток возбуждения таким образом, чтобы в нужную сторону изменить э.д.с. генератора и напряжение на его шинах. Малые значения динамических постоянных систем АРВ, измеряемые десятыми и даже сотыми долями секунд, позволяют во многих случаях пренебречь ими по сравнению с динамическими постоянными других элементов блока, при этом напряжение считается неизменным в течение всего периода перехода блока от одного режима к другому.

Задачи АРВ в современных условиях значительно шире поддержания постоянного напряжения на шинах генератора. Регулирование возбуждения в аварийных и послеаварийных режимах может увеличивать устойчивость параллельной работы электростанций. При этом появляется возможность сохранения устойчивости системы при нагрузках, которые были бы невозможны без регулирования возбуждения. АРВ сделало возможной работу отдельных генераторов и станций в асинхронном режиме. Для решения этих задач в аварийных условиях применяют форсировку возбуждения. Наибольшее применение нашла релейная форсировка.

1.8. Оперативное диспетчерское управление

Общая характеристика оперативного управления

Объединение электростанций в энергосистемы и дальнейшее объединение энергосистем в Единую Энергетическую Систему России способствует повышению надежности электроснабжения потребителей, обеспечивая за счет использования резерва мощности отдельных энергосистем их взаимопомощь. В результате этого повышается живучесть энергообъединения, которая существенно выше, чем живучесть отдельной энергосистемы и тем более отдельной электростанции. Вместе с тем аварийная ситуация, возникающая в одной из энергосистем, если не будут приняты меры по ее локализации, может, распространяясь последовательно на соседние энергосистемы, охватить все энергообъединение в целом [6]. Все это и наличие единого параметра, такого как частота, потребовали в свое время создания единого центра оперативного управления режимами работы Единой энергетической системы, энергообъединений и электростанций.

Оперативное диспетчерское управление режимами работы энергосистем организуется по иерархической системе и имеет следующие уровни управления:

• ЦДУ ЕЭС России;

• объединенные диспетчерские управления (ОДУ) объединенных энергетических систем (ОЭС);

• оперативно-технологическая часть управления энергосистем, включающая центральные диспетчерские и технологические службы – АО-энерго, в частности пункты управления электростанций и предприятий (районов) электрических и тепловых сетей.

Функции управления распределены между собой диспетчерским персоналом разных уровней в соответствии с требованиями обеспечения оптимального управления энергосистемами в нормальных режимах и быстрейшей ликвидации аварийных ситуаций.

Основное оборудование энергосистем, а также средства управления (релейная защита, автоматика, связь) находятся в оперативном управлении или в оперативном ведении диспетчера того или другого уровня. В оперативном управлении диспетчера находится оборудование, операции с которым требуют координации действий подчиненного оперативного персонала; такие операции производятся только по распоряжению диспетчера. В оперативном ведении диспетчера находится оборудование, состояние или режимы которого имеют значение для данного уровня управления. но не требуют координации действий подчиненного персонала.

Система диспетчерского управления, осуществляет непрерывное оперативное управление режимами, обеспечивает удовлетворение потребности в электрической энергии и тепле, покрытие максимальных нагрузок, бесперебойность электроснабжения, надежность работы ЕЭС, объединенных энергосистем, энергосистем и их основных элементов, соблюдение установленных норм качества электроэнергии (частота в ЕЭС и уровни напряжения в основных сетях) и тепла, максимальную экономичность работы ЕЭС (объединенной энергосистемы) в целом при рациональном использовании энергоресурсов, скорейшее устранение нарушений параллельной работы ЕЭС.