7. Способы представления электрических нагрузок и источников при расчетах установившихся режимов

   1. Статические характеристики нагрузок

Выработка и потребление электроэнергии в электрических системах зависят от параметров качества электроэнергии  частоты в сети f и напряжения U на шинах электростанции или потребителя. При отклонениях частоты и напряжения от номинальных значений меняются величины нагрузок в узлах электрической сети. Зависимости активных и реактивных мощностей потребителей от частоты и напряжения, построенные при медленном изменении f и U, называются статическими характеристиками нагрузки. Виды этих характеристик зависят от типа потребителей (асинхронных и синхронных двигателей, потерь мощности в сети, осветительной нагрузки и т. д.).

Для расчета параметров установившегося режима системообразующей и распределительной сетей в первую очередь представляют интерес статические характеристики нагрузок по напряжению, причем не отдельных электроприемников, а их совокупностей, т. е. характеристики узлов нагрузки [1, 4].

Для узлов нагрузки, включающих потребителей разного вида, строятся обобщенные статические характеристики.

Примерный состав комплексной нагрузки [1, табл. 33].

Исходя из характерного состава комплексной нагрузки, можно получить зависимости мощности от напряжения. Их вид изображен на рис. 8.1.

Примерный состав комплексной нагрузки [1, табл. 33]

Потребители	Состав, %
Мелкие асинхронные двигатели............................	34
Крупные асинхронные двигатели..........................	14
Освещение................................................................	25
Выпрямители, инверторы, печи, нагревательные приборы...............................................................	10
Синхронные двигатели...........................................	10
Потери в сетях..........................................................	7
Итого....................................................................	100

В каждом конкретном случае статические характеристики нагрузки можно получить в результате проведения испытаний, меняя напряжение на шинах подстанции и выполняя замеры мощности потребления.

Познакомьтесь со статическими характеристиками различных нагрузок самостоятельно [1, с. 108—123].

Статические характеристики нагрузки позволяют определить степень снижения мощности нагрузки при снижении напряжения на шинах потребителя. Это явление получило название регулирующего эффекта нагрузки по напряжению. Количественно регулирующий эффект нагрузки определяется производными и. Чем больше эти значения, тем сильнее зависит величина нагрузки от напряжения на шинах потребителя.

Для типовых статических характеристик при напряжениях, близких к номинальному, регулирующий эффект комплексной нагрузки следующий:

; .

Здесь мощности и напряжения выражены в относительных единицах.

2. Представление нагрузок в расчетных схемах электрических сетей

Расчет параметров установившихся режимов электрических сетей производится при наличии схемы замещения сети, включающей все элементы энергосистемы: генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, нагрузку. При выполнении таких расчетов нагрузка может быть наиболее точно учтена с помощью статических характеристик конкретных потребителей. Однако для большинства расчетов такой подробный учет нагрузки затруднителен вследствие отсутствия точных данных о составе потребителей. В подавляющем большинстве случаев пользуются обобщенными статическими характеристиками для комплексной нагрузки. Алгоритм и пример расчета установившегося режима с использованием статических характеристик приведены в § 8.4 и 8.5.

Учет статических характеристик нагрузки несколько усложняет расчет режима электрической сети, поэтому такие расчеты проводятся только в тех случаях, когда отказ от их учета приводит к заметным искажениям результатов.

При расчетах рабочих установившихся режимов электрических сетей нагрузка обычно представляется неизменными активной и реактивной мощностями при колебаниях напряжения в узле подключения нагрузки. Такое представление нагрузки соответствует замене действительных характеристик нагрузки постоянной величиной (рис. 8.2, прямые 3, 4). Как видно из рисунка, такая идеализация является весьма грубой и может быть использована лишь при небольших отклонениях напряжения от номинальных значений. Обычно допустимые ГОСТом отклонения напряжений не превышают 5% от номинального.

Алгоритм расчета разомкнутой сети при задании нагрузки постоянными мощностями рассмотрен в гл. 6 и 7 настоящего пособия.

Представление нагрузки постоянной мощностью можно считать точным в проектных расчетах при использовании прогнозных значений нагрузок узлов. При расчетах режимов электрической сети со значительными изменениями напряжения в узлах сети и необходимостью учета нелинейного характера зависимости мощностей нагрузок от напряжения нагрузки представляются постоянными сопротивлениями и. На рис. 8.3 показана схема замещения нагрузки при параллельном (а) и последовательном (б) соединениях и. Сопротивления выбираются так, чтобы потери мощностей в них соответствовали нагрузкам потребителей. При параллельном соединении

; , (8.1)

при последовательном —

; . (8.2)

При представлении нагрузки постоянным сопротивлением мощность меняется прямо пропорционально квадрату напряжения (см. рис. 8.2, кривая 5). Хотя представление нагрузки постоянной мощностью имеет не меньшую погрешность, чем ее представление постоянным сопротивлением, как видно из рис. 8.2, в расчетах последний способ используют реже. Это объясняется тем, что для «тяжелых» электрических режимов, характеризующихся пониженными напряжениями, задание нагрузки постоянным сопротивлением дает неоправданно оптимистичный результат.

Известен также способ представления нагрузки в узле в виде неизменного тока. Однако при этом также допускается заметная погрешность, так как не учитывается зависимость тока от напряжения в узле. Большее распространение нашло представление нагрузки в смешанном виде: постоянным сопротивлением (проводимостью) и неизменным током (рис. 8.4), при этом мощность нагрузки можно записать следующим образом:

. (8.3)

Разлагая векторы по координатным осям ,и совмещая вещественную ось с вектором, можно получить аналитические выражения зависимости мощностей от напряжения:

; , (8.4)

где

; ;;. (8.5)

Оптимальное приближение коэффициентов (8.5) можно подобрать на рабочем диапазоне статических характеристик, используя метод наименьших квадратов [2]. Отсюда легко выявляются значения компонентов тока и сопротивления.

Указанный способ представления нагрузок целесообразно применять для расчета режимов сложных схем электрических систем при использовании метода уравнений узловых напряжений. Он позволяет учесть статические характеристики нагрузок при одновременном сохранении линейности решаемой системы уравнений.