Лекция 8

ТЕМА. ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ И МОЩНОСТИ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ

Цель лекции – изучение переходных процессов при изменении частоты и роль АЧР в сохранении устойчивости.

План лекции:

1. Изменения частоты при набросе мощности

2. Статические характеристики системы при изменении частоты

3. Динамические характеристики системы при изменении частоты

1. Изменение частоты при набросе мощности

В электрической системе, состоящей из ряда станций и нагрузок, можно различать изменения частоты:

а) быстрые и средние (мгновенные или текущие), происходящие во время переходного процесса, связанные с изменением скорости генераторов, возникающие под влиянием небалансов вращающих моментов на валах генераторов;

б) относительно медленные (средние значения), характерные для всей системы в целом, определяющиеся эквивалентной инерцией всех машин системы и действием регуляторов скорости и регуляторов частоты.

Быстрые изменения. При балансе момента (мощности) на валу каждого генератора электрической системы, т. е. при M_k = M_мехk, где k = 1, 2, ... , n, и вращении ротора каждого k-го генератора со скоростью ω_k = ω₀ все э.д.с., напряжения и токи изменяются с единой частотой f₀ = ω₀/(2π).

Однако во время работы системы появляется расхождение в изменениях мощности, потребляемой нагрузкой, и мощности, отдаваемой генераторами: появляется небаланс момента ΔМ = M_мех — M на валу каждого генератора, изменение его скорости Δω_k = ω_k –ω₀ = dδk/dt и соответственно мгновенной частоты Af_k = f_k—f₀

На этой первой стадии переходного электромеханического процесса ни регуляторы скорости, ни регуляторы частоты еще не действуют.

Распределение между станциями системы дополнительной нагрузки, появившейся в результате возмущения, происходит в первый момент в соответствии с величинами э.д.с. и относительной удаленностью станции от места возмущения (т. е. величиной взаимной проводимости между э.д.с. станции и точкой приложения возмущения). Затем генераторы начинают замедляться в соответствии с величинами полученных набросов мощности и инерционностью агрегатов, причем машины, получившие наибольший относительный наброс, замедляются наиболее интенсивно, что приводит к увеличению взаимных углов и перераспределению дополнительной нагрузки между станциями.

Таким образом, на первой стадии процесса происходит снижение (или повышение) средней частоты в системе, при этом возникают качания генераторов относительно друг друга и одновременно за счет синхронных связей происходит выравнивание мгновенных значений частоты отдельных станций.

Медленные изменения. При снижении частоты на величину, выходящую за пределы зоны нечувствительности регуляторов скорости (первичные регуляторы), последние вступают в действие, перераспределяя дополнительную нагрузку в соответствии с величинами, обратными статизму регуляторов. В зависимости от величины возмущения регуляторы вступают в работу через 0,3—2 с после наброса мощности.

На последней стадии процесса влияние оказывают наиболее медленно действующие регуляторы частоты (вторичные регуляторы), которые изменяют уставки первичных регуляторов одной или группы станций, регулирующих частоту, в результате чего последние принимают на себя небаланс мощности, возникший в системе. При этом частота в системе при наличии достаточного резерва мощности восстанавливается до нормального значения.

Время действия применяемых в настоящее время регуляторов частоты составляет несколько десятков секунд. Поэтому процесс регулирования частоты можно считать очень медленным по отношению к электромеханическому процессу и действию регуляторов скорости, на основании чего эти процессы в ряде случаев можно рассматривать раздельно.

Таким образом, при математическом описании процесса изменения частоты в системе после появления в ней какого-либо небаланса мощности АР приходится выделить:

1) относительно быстрые электромагнитные и электромеханические процессы, при которых ни регуляторы скорости, ни регуляторы частоты не действуют;

2) электромеханические процессы средней скорости, происходящие при действии регуляторов скорости;

3) медленные процессы, происходящие при действии регуляторов частоты.

Однако выделение трех стадий и раздельное рассмотрение процессов с учетом только наиболее характерных для данной стадии факторов можно проводить лишь условно.

При рассмотрении второй и третьей стадий переходного процесса можно исходить из предположения, что установившееся отклонение частоты связано с отклонением мощности соотношением

к - где коэффициент пропорциональности имеет размерность МВт/Гц.

Рис. 1. Характер изменения частоты в системе при набросе мощности (ΔPc) в точке 0 схемы: а — схема системы: б — векторная диаграмма; в—зависимость /=р(г)г /о — исходное значение частоты; !„ — установившееся значение часто­ты (после наброса); /,, /2, /3 — частоты, замеренные в точках /, 2, 3 системы

Иногда его называют энергией регулирования. Чем больше k, тем меньше отклонение частоты при данном изменении мощности. Величину, обратную k, называют статизмом агрегата — 1/k = b. Появляющиеся при изменениях нагрузки мгновенные изменения частоты сначала различны для каждого генератора. После переходного процесса они становятся одинаковыми: . Суммарное изменение мощности в системе можно представить как, где k — суммарная энергия регулирования.

Распространение изменения частоты по системе происходит по сложному закону, математическое выражение которого здесь рассматриваться не будет.

Характер «выравнивания» частоты, изменение ее значений в отдельных точках системы после возмущения зависят главным образом от параметров элементов, входящих в систему. Представление о процессе выравнивания можно получить, рассматривая рис. 15.1, где показаны значения частоты, замеренные в разных точках системы после возмущения. Очевидно, что в начале процесса и в конце его частота (/о. / оо) одинакова во всех точках системы. В действительности это постоянство — только условное допущение. В системе, в ее установившемся режиме непрерывно происходят малые возмущения (изменяются нагрузки, мощности генераторов под действием случайных толчков и регуляторов скорости или ручного регулирования) и непрерывно изменяется частота. Примерный характер таких изменений частоты показан на рис. 15.2.

Колебания суммарной нагрузки системы P_s вызывающие изменения частоты электрических систем, можно разделить на три группы.

Быстрые колебания имеют период 1—3 с и амплитуду меньше 0,001 P_SH системы. Эти колебания в основном зависят от малых перемещений рото­ров генераторов, т. е. от электромеханических процессов в генераторах системы. Колебания частоты, вызванные колебаниями нагрузки, обычно составляют сотые доли герц (0,01—0,02 Гц).

Средние колебания суммарной нагрузки имеют период колебаний порядка десятков секунд (10—30 с) и амплитуду 0,01 P_s„. Эти колебания вызываются нерегулярными изменениями мощности, происходящими в процессе работы потребителей электрической системы (тяга, печи и др.). Колебания частоты, вызванные этими колебаниями нагрузки, достигают десятых долей герца (0,1—0,2 Гц).

Медленные колебания происходят с периодом порядка минут и десятков минут. Они вызваны изменениями суммарной нагрузки, связанными с временем суток, атмосферными явлениями, технологией производства и изменениями условий быта (включение плиток, печей и т. д.).