3.4.2. Регулирование напряжения и реактивной мощности

Как уже отмечалось, характерной особенностью установившегося режима работы ЭЭС является одновременность процессов генерирования и потребления одного и того же количества мощности. Следовательно, в установившемся режиме работы ЭЭС в каждый момент времени соблюдается баланс как активной, так и реактивной мощностей.

По аналогии с (82) уравнение баланса реактивной мощности имеет вид:

(83)

где – суммарная реактивная мощность, генерируемая в ЭЭС; – суммарная потребляемая реактивная мощность; – суммарная реактивная мощность нагрузки потребителей в ЭЭС; – суммарная реактивная мощность собственных нужд электростанций; – суммарные потери реактивной мощности.

Суммарная реактивная мощность нагрузки потребителей определяется на основании данных о расчетных активных нагрузках потребителей и коэффициентах мощности этих потребителей.

Потери реактивной мощности в трансформаторах зависят от их загрузки и достигают при одной трансформации 8...10% от полной передаваемой мощности. Потери реактивной мощности в линиях зависят от их протяженности и загрузки и могут достигать 10% от передаваемой по линиям полной мощности.

Реактивная составляющая нагрузки собственных нужд электростанций определяется по активной мощности собственных нужд с учетом cos ≅ 0,7.

Главное отличие баланса реактивной мощности (83) по сравнению с балансом активной мощности состоит в том, что генерация реактивной мощности осуществляется не только генераторами электростанций, но и высоковольтными воздушными и кабельными ЛЭП (за счет их емкостной проводимости), а также специально устанавливаемыми в ЭЭС источниками реактивной мощности, называемыми компенсирующими устройствами (КУ). С учетом этого, уравнение баланса реактивной мощности можно записать более подробно:

(84)

где – суммарная реактивная мощность, вырабатываемая генераторами электростанций (составляет около 60% от ); – суммарная реактивная мощность, генерируемая ЛЭП; – суммарная реактивная мощность компенсирующих устройств ЭЭС.

Баланс реактивной мощности рассчитывается, как правило, для режима наибольшей нагрузки. После оценки значений всех составляющих баланса реактивной мощности (84) рассчитывается требуемая мощность компенсирующих устройств, которую необходимо разместить в ЭЭС.

Понимание процессов, возникающих при нарушении баланса реактивной мощности, дает статическая характеристика комплексной реактивной нагрузки по напряжению (см. график Q/Q_ном на Error: Reference source not found). Видно, что при изменении напряжения в узле меняется реактивная мощность, потребляемая в этом узле. При уменьшении напряжения приблизительно до минимального значения (на Error: Reference source not found минимум соответствует приблизительно 0,77U_ном) реактивная мощность уменьшается вследствие уменьшения намагничивающей мощности асинхронных двигателей и трансформаторов. При дальнейшем снижении напряжения асинхронные двигатели, составляющие 60…70 % комплексной нагрузки, начнут затормаживаться вследствие уменьшения их вращающегося момента. Потребление реактивной мощности этими двигателями увеличивается. В результате увеличения потребления реактивной мощности увеличиваются потери напряжения в сети, что приводит к дальнейшему уменьшению напряжения на нагрузке. Процесс уменьшения напряжения приобретает лавинообразный характер и носит название лавины напряжения. При такой ситуации асинхронные двигатели останавливаются (опрокидываются). Для предотвращения лавины напряжения применяется форсировка возбуждения синхронных генераторов, синхронных компенсаторов и синхронных двигателей, а также отключение части нагрузки.

Поскольку существует зависимость потребляемой реактивной мощности от напряжения, очевидно, что существует и обратная зависимость между этими величинами. Изменение поступающей в узел нагрузки реактивной мощности вызовет изменение напряжения в этом узле. Следовательно, требуемый уровень напряжения в отдельных узлах электрической сети может быть обеспечен лишь при определенном распределении реактивных мощностей. Всякое отклонение от этого распределения реактивных мощностей вызовет отклонения напряжения в узлах сети от требуемого уровня.

При дефиците реактивной мощности в каком-то узле напряжение в этом узле уменьшается, а при избытке реактивной мощности – увеличивается. В отличие от активной мощности, вырабатываемой на электростанциях, реактивную мощность несложно генерировать в любом узле электрической сети с помощью установки в этом узле источника реактивной мощности.

Полное или частичное покрытие потребности узла нагрузки в реактивной мощности путем установки в этом узле источников реактивной мощности называется компенсацией реактивной мощности. Источники реактивной мощности называются компенсирующими устройствами (КУ). В качестве КУ используются батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели и статические источники реактивной мощности.

Подробно методы регулирования напряжения в сетях передачи и распределения электроэнергии рассматриваются при изучении дисциплины «Качество электроэнергии». Прикладные аспекты регулирования напряжения – см. Лабораторную работу №1 аппаратного практикума и Работы №5, 6 виртуального практикума (часть 2).