6.Автоматическое регулирование частоты.

Частота является важнейшим показателем качества электроэнергии и поддержание ее в пределах номинального значения является существенным экономическим фактором. Причиной отклонения частоты является изменение активной нагрузки системы. Подключение новых потребителей активной мощности увеличивает тормозной момент на валах генераторов и они начинают вращаться с меньшей скоростью, для восстановления скорости, а следовательно, и частоты, необходимо увеличить механический момент турбин, то есть нужно увеличить пуск рабочего тела (пар, вода). В случае статических характеристик регулирования (рис.6.1)

f = P tg= Р Кс

Рис.6.1.

Это выражение и определяет основной закон регулирования частоты, который с учетом разных знаков приращения мощности и частоты можно записать:

f + Р Кс=0.

Физический смысл этого закона заключается в том, что возникшее отклонение частоты может быть ликвидировано соответствующей компенсацией изменения нагрузки за счет изменения впуска рабочего тела в турбины.

6.1. Регулирование частоты методом ведущих станций и агрегатов.

Сущность этого метода сводится к тому, что все генераторы системы разделяют на две группы: базовую и ведущую. Регуляторы базовых генераторов работают по характеристикам с заданным (одинаковым) коэффициентом статизма, а ведущие – по статическим характеристикам, рис.6.2.

Рис.6.2.

Предположим, что в системе при частоте f  базовые генераторы несут нагрузку Р_баз, а ведущие Р_вед. Если в системе произойдет наброс активной нагрузки (аварийно отключилась часть генераторов), то частота снизится до значения f  , наброс нагрузки распределится в соответствии с заданным коэффициентом статизма базовых генераторов и естественным статизмом ведущих (наклонный пунктир на рис.6.2). Это означает, что первоначально наброс нагрузки на базовые генераторы составит Р_баз, а не ведущие Р_вед, то есть базовые теперь будут нести Р_баз, а ведущие – Р_вед. Регуляторы базовых генераторов «Согласны» с новым значением частоты, так как она соответствует характеристикам регулирования, поэтому они в действие не приходят. Регуляторы ведущих генераторов не согласны с частотой f , так как им задан уровень f , поэтому они начинают увеличивать впуск пара в турбины. Роторы генераторов начинают ускоряться, поэтому генераторы начинают набирать (увеличивать) активную мощность. Частота поднимается и базовые генераторы начинают разгружаться, то есть происходит автоматический перевод наброса с базовых на ведущие генераторы. Регулирование закончится, когда частота достигнет значения f , а к этому времени наброс нагрузки на базовые генераторы Р_баз перейдет на ведущие и в итоге весь наброс ляжет на ведущие генераторы и они будут нести мощность Р_вед, а базовые вернутся к нагрузке Р_баз, то есть их нагрузка останется неизменной.

При снижении нагрузки в системе (сброс) в первую очередь будут разгружаться ведущие генераторы. С учетом сказанного выше следует, что ведущие генераторы работают в переменной части графика нагрузки, то есть они будут работать некоторое время с недогрузкой и коэффициент их использования будет меньше, чем у базовых. Это означает, что в число ведущих выгодно выделять менее экономичные, а в число базовых – более экономичные агрегаты.

Преимущество этого метода в простоте, так как никаких специальных связей между станциями и агрегатами не требуется. В то же время ведущие агрегаты имеют разные экономические показатели и может оказаться, что при увеличении частоты будут одинаково загружаться и более экономичные из ведущих и менее экономичные, а это перерасход топлива на выработку электроэнергии. Для уменьшения этого недостатка иногда из группы выделяют более экономичные в подгруппу помогающих со статистическими характеристиками регулирования, но с меньшим наклоном, чем у базовых. Это повышает экономичность регулирования, но не устраняет полностью недостатка, заключающегося в невозможности обеспечения минимальных затрат на выработку электроэнергии.

Вторым недостатком является неучет географии наброса нагрузки. Может оказаться, что наброс нагрузки в одной части системы и потери на передачу энергии перекроют экономию, полученную при ее выработке.

6.2. Метод мнимостатических характеристик.

В этом случае регулирование частоты ведется по закону

f +К_с(Р_гфакт.-  Р_г )=0,

где Р_гфакт- мощность, фактически вырабатываемая генератором в данный момент;

- экономически целесообразный коэффициент долевого участия данного генератора в покрытии суммарной мощности, генерируемой всеми генераторами системы;

 Р_г -экономически целесообразная мощность, требуемая в данный момент от данного генератора.

Коэффициент  определяется экономическими показателями данного агрегата и зависит от относительного прироста расхода топлива (увеличения расхода топлива в тоннах на выработку дополнительного 1МВт электроэнергии за 1 секунду).

Таким образом, регулирование по этому методу ведется с учетом экономических показателей каждого конкретного агрегата энергосистемы и заканчивается при выполнении двух условий: ликвидация отклонения частоты и ликвидация отклонения фактической мощности каждого генератора от заданной. Это позволяет обеспечить минимум затрат на выработку электроэнергии, то есть исключает один из недостатков предыдущего метода.

Практическая реализация этого метода связана с необходимостью в непрерывной информации о суммарной мощности, вырабатываемой всей системой. Такая информация имеется на центральном диспетчерском пункте(ЦДП), следовательно, нужны каналы передачи ее на каждую станцию системы. Это усложняет реализацию.

Недостатком этого метода остается неучет географии наброса нагрузки, а следовательно, этот метод, хотя и обеспечивает минимум затрат на выработку электроэнергии, по-прежнему не обеспечивает общего минимума на выработку электроэнергии.

6.3 Метод централизованного регулирования частоты и мощности с помощью УВМ.

Современные вычислительные машины позволяют по-новому решать проблему регулирования частоты, напряжения и мощности в сложных энергосистемах. На рис. 6.3. условно изображены генерирующие и потребительские узлы с линиями связи (число таковых узлов в реальных системах достигает несколько сотен).

Рис.6.3

Известно, что для расчета потерь в линиях электропередач необходимо находить потокораспределения мощностей. Для этой цели составляется математическое описание системы. Число уравнений, как известно, определяется числом узлов и линий связи. В связи с тем, что необходимо рассчитать активные и реактивные составляющие, члены, входящие в уравнения, будут комплексными. Уравнения, в которые входят генерирующие источники, будут содержать члены, отражающие экономические показатели агрегатов, а экономические показатели нелинейно зависят от нагрузки, поэтому некоторая часть уравнений будет нелинейной. Таким образом, система уравнений, описывающих энергетическую систему, характеризуется следующими особенностями:

• большое число уравнений (несколько сотен) с комплексными членами;

• система содержит нелинейные уравнения.

Для каждого режима нагрузки (потребление в узлах) необходимо определять для каждого генерирующего источника требуемую мощность, при которой затраты на выработку и потери на передачу энергии составляют минимум, то есть необходимо решать задачу оптимизации. Кроме этого, для того, чтобы система управления могла оперативно вмешиваться в текущие режимы, время расчета режимов должно быть достаточно малым (секунды, единицы минут) в противном случае автоматическое управление не обеспечит поставленную задачу.

Уровень развития вычислительной техники уже сейчас позволяет глобальное решение проблемы в пределах крупных энергетических объединений. Как видно из рис. 6.3 с узлов потребления в УВМ поступает информация о потребляемой нагрузке, поэтому при данной топографии сети и готовой программе расчета вычислительный блок рассчитывает экономически целесообразную мощность от каждой станции или даже от каждого агрегата (если они разные на одной станции). Результаты расчета в виде требуемых мощностей передаются на соответствующие станции, где происходит сравнение заданных (требуемых) и фактических мощностей по каждому генератору.

Все турбины, приводящие в движение генератор, имеют центробежные регуляторы скорости вращения, которые в известной мере регулируют и частоту. Однако эти регуляторы имеют недостаточную чувствительность (приходят в действие при отклонении числа оборотов порядка 10%). В связи с этим, для более точного поддержания частоты применяют специальные регуляторы. В качестве примера здесь рассматривается регулятор, содержащий следующие характерные для любых регуляторов органы: измерительный орган, устройство распределения активной нагрузки, силовой орган.

На рис. 6.4 приведена схема измерительного органа, выполненного на дифференциальных магнитных усилителях, которая преобразует отклонение частоты в электрический сигнал, пропорциональный этому отклонению. Напряжение сети трансформируется на вторичные обмотки, одна из которых включена на частотный фильтр (ЧФ).

В данном случае применен Т-образный индуктивно-емкостный фильтр, у которого U_вых при изменении частоты входного сигнала (U_вх), не изменяя величины, изменяет угол () по отношению к входному сигналу (рис.6.5.а).

При f = f_н этот угол равен 90⁰ (достигнуто подбором параметров фильтра). Напряжение U_вх имеет ту же фазу, что и напряжение U₁₂ и U₁₃, поэтому вектор напряжения U₂₄ = U_вых на рис.6.5.б отложен перпендикулярно к U₁₃. При U₄₃ = U₄₁ напряжения, приложенные к выпрямителям В₂ и В₁ одинаковы, поэтому i_у42 = i_у41 – это означает, что в обмотках управления У₁ и У₂ обоих МУ протекают одинаковые токи. Потоки этих обмоток встречные, поэтому результирующее подмагничивание в обоих МУ равно нулю и они оба закрыты (большое сопротивление w_р).Рабочие обмотки обоих МУ питаются от трансформатора ТР. Из схемы видно, что по сопротивлениям R₁ и R₂ в этом случае будут протекать одинаковые токи, то есть i_в1 = i_в2 и U_аб.=0. Так как МУ₁ и МУ₂ не могут быть абсолютно одинаковыми, то i_в1 i_в2, однако равенство их может быть достигнуто за счет подрегулировки напряжения смещения (U_см).

Рис.6.5

При f  f_н согласно рис.6.5.а 90⁰, из рис.6.5.в следует, что U₄₁ U₄₃, следовательно, i_у41  i_у43 , то есть ток в обмотках У₁ обоих МУ больше , чем в обмотках У₂.Так как обмотки обратной связи в обоих МУ включены одинаково, то результирующее подмагничивание в МУ будет согласным с магнитным потоком обратной связи, то есть у МУ₁ будет иметь место режим положительной обратной связи (ПОС) и он будет работать на правой ветви характеристики (открывается).Для МУ₂ в это время имеет место ООС, то есть он практически остается закрытым, поэтому i_в1  i_в2 и на выходе появляется напряжение U_аб, величина которого будет зависеть от степени отклонения частоты. При f  f_н (рис.6.5.г.) U₄₃ U₄₁ ,поэтому МУ₂ оказывается в режиме ПОС (открыт), а МУ₁ – в режиме ООС (закрыт) и i_в2 i_в1 . Величина выходного напряжения U_аб ив этом случае зависит от степени отклонения частоты, но знак его будет обратным в сравнении с предыдущим случаем.

На рис.6.6 приведена схема устройства распределения активной нагрузки (УРАН).Напряжение U_аб , полученное в измерительном органе, подается на силовой орган УРАН-а, который выполнен на дифференциальном магнитном усилителе, аналогичном примененному в измерительном органе.

На выход «СО УРАН» включен двигатель постоянного тока с двумя обмотками возбуждения, которые в данном случае выполняют роль сопротивления R₁ и R₂ .При появлении отклонения частоты, появляется U_аб и двигатель ВД начинает вращаться. Скорость вращения зависит от величины U_аб , а направление от знака U_аб .Вращение двигателя ВД приводит к перемещению муфты М по червяку и изменению напряжения U₂ , подаваемого на обмотки управления С₁ силовых органов регулятора (СОР) всех агрегатов станции. Силовые органы регуляторов выполнены так же в виде дифференциальных МУ и на их выходы подключены двигатели регулирования скорости (ДРС), которые аналогичны двигателю ВД.

При появлении f двигатели ДРС начинают вращаться и изменяют установку центробежного регулятора скорости, который начинает соответственно регулировать впуск пара в турбину.

С помощью напряжений U₂ задается требуемая от данного агрегата мощность. На потенциометры (для каждого агрегата свой потенциометр) подается стабилизированное одинаковое напряжение U_n, поэтому величина U₂ будет зависеть от положения верхнего движка. Если при снижении частоты от данного агрегата требуется большая мощность, то верхний движок его потенциометра следует опустить ниже, тогда при одном и том же положении муфты М, снижаемое напряжение U₂ будет большим. Положение верхнего движка на каждом потенциометре устанавливается (вручную или автоматически) в соответствии с экономическими показателями агрегата (относительный прирост).

Обмотки управления С₁ подключены на измерители мощности (ИМ), поэтому ток в них пропорционален фактической нагрузке генератора. Обмотки С₁ и С₂ включены встречно, поэтому результирующее подмагничивание от них будет иметь место при отклонении фактической мощности генератора от требуемой. Регулирование впуска пара на каждом агрегате закончится только после выполнения двух условий:

f = 0 и Р_г = 0.

ИМ₂

Рисунок 6.6