Энергосистема как объект регулирования

Энергосистема как объект регулирования

Нарушение баланса между суммарной мощностью первичных двигате­лей (турбин) и суммарной активной нагрузкой энергосистемы с учетом по­терь приводит к изменению частоты, которая одинакова во всех точках син­хронно работающей энергосистемы. Действительно, в соответствии с зако­ном сохра­нения энергии суммарная мощность турбин ∑ Р _т расходуется на покрытие ак­тивной электрической нагрузки ∑ Р _н, потерь активной мощности на электро­станциях и в электрических сетях ∑ Р _пот, а также на изменение кинетической энергии W _к вращающихся агрегатов энергосистемы:

, (5.1)

где ,

– суммарный момент инерции вращающихся агрегатов энергосистемы;

–угловая скорость ( при частоте f = 50 Гц).

В установившемся режиме , так как имеет место баланс мощно­стей:

.

Этот баланс непрерывно нарушается. Небаланс мощностей Р _нб возни­кает при набросе или сбросе нагрузки, а также при аварийном отключении отдель­ных агрегатов, что приводит к изменению частоты в энергосистеме, поскольку из (5.1) следует,что

.

Регулирующий эффект нагрузки по частоте ∑ Р _н(f) способствует стабили­зации частоты, но этого не достаточно. Регулирование частоты в нормальных режимах осуществляется изменением суммарной мощности турбин путем из­менения впуска энергоносителя (пара, газа, воды) в каждую турбину, участ­вующую в регулировании. Изменение мощностей турбин (активных мощно­стей генераторов) должно осуществляться так, чтобы не нарушались ограни­чения по допустимым значениям перетоков мощности электропередач, дого­ворные условия между энергообъединениями и усло­вия наивыгоднейшего распределения активных нагрузок между агрегатами, электростанциями и энергосистемами. Таким образом, регулирование час­тоты неразрывно связано с регулированием активных мощностей по не­скольким критериям.

Требования к регулированию частоты и активной мощности

Отклонение частоты от номинального значения f _ном=50 Гц, т.е.

, является общесистемным показателем качества электрической энергии, в отличие от отклонения напряжения.

Конструктивные параметры вращающихся агрегатов, как производя­щих, так и потребляющих электрическую энергию, рассчитываются таким образом, чтобы при номинальной частоте КПД был максимальным. Откло­нение час­тоты от номинального значения ухудшает их экономические пока­затели.

Наиболее существенно отклонения частоты сказываются на работе са­мих электростанций: изменение производительности механизмов собст­венных нужд, приводом которых являются электродвигатели (питательных насосов, циркуляционных насосов, дымососов, вентиляторов), нарушает режим работы парогенератора и турбины; изменение частоты вращения турбин вызывает рост потерь и ускоряет износ рабочих лопаток. Все это приводит к снижению экономических показателей работы электростанций.

У вращающихся токоприемников с изменением частоты ухудшается КПД, изменяется производительность, что в ряде случаев отражается на технологи­ческом процессе (текстильное производство, металлопрокатка и др.)

Для отдельных элементов ЭЭС заметное снижение экономичности и из­менение производительности наступает при отклонении частоты

Однако точность поддержания частоты в пределах 1÷2% совершенно не­достаточна для обеспечения экономичной и надежной работы энергосис­темы в целом. Объясняется это тем, что при изменении частоты значительно и по-разному меняются нагрузки генераторов вследствие различных харак­теристик первичных регуляторов турбин (см. п.5.6). Обычно относительный статизм пер­вичных регуляторов турбин

где – относительные отклонения частоты энерго­системы и мощности агрегата.

При относительное отклонение мощности агре­гата

Такие, даже кратковременные, перераспределения нагрузок приводят к частым отклонениям режима энергосистемы от экономически наивыгодней­шего, а следовательно, к пережогу топлива в целом по энергосистеме.

Поэтому по стандарту организации «СТО СО–ЦДУ ЕЭС 001–2005» нор­мально допустимые отклонения частоты от 50 Гц должны быть не более ± 0,05 Гц (что меньше, чем по ГОСТ 13109-97).

Требования к регулированию активной мощности:

· поддержание заданных на каждый промежуток времени плановых зна­чений суммарных внешних перетоков мощности энергосис­темы;

· быстродействующее предотвращение перегрузки транзитных свя­зей – слабых линий и сечений;

· наивыгоднейшее распределение активных нагрузок.

 

Активной мощности

Общие сведения

В многофункциональной системе автоматического регулирования час­тоты и активной мощности (САРЧМ) исполнительными устройствами яв­ляются регуляторы турбин, воздействующие через регулирующие органы турбин на изменение расхода энергоносителя (пара, газа, воды).

Каждая турбина оборудована быстродействующим автоматическим ре­гу­лятором частоты вращения (АРЧВ). Уравнение характеристики регу­лиро­вания – закон регулирования АРЧВ (в рабочем диапазоне мощности, без учета зоны нечувствительности по частоте) для каждого i -го агрегата имеет вид

(5.6)

где – установившиеся отклонения частоты и активной мощности гене­ратора от предшествующего значения; в рабочих режимах у всех генера­торов синхронно работающей энергосистемы одинаковы

– коэффициент статизма регулирования частоты по активной мощ­ности; – статизм регулирования – обычно находится в диапазоне 0,02÷0,06 и может устанавливаться равным нулю.

Для управления активной мощностью генератора с коррекцией по час­тоте применяют автоматические регуляторы мощности – АРМ (п.5.6.2). За­кон ре­гулирования АРМ i -го агрегата имеет вид

(5.7)

где – отклонение фактической мощности от задаваемой ус­тавки +;

– коэффициент коррекции по частоте ();

– отклонение частоты за верхнюю или нижнюю границу зоны нечувст­ви­тельности.

Частота в единой энергосистеме, распределение активной нагрузки ме­жду генераторами, электростанциями, районными и объединенными энерго­систе­мами, перетока мощности по линиям зависят от совместного действия регуля­торов всех агрегатов (турбина–генератор). Совместная согласованная работа АРЧВ и АРМ для выполнения требований к регулированию частоты и актив­ной мощности (п.5.2) может обеспечиваться методами, аналогич­ными рас­смотренным в п.3.2.

 

Метод ведущего агрегата

Этот метод отличается от предыдущего тем, что к регулированию час­тоты привлекаются, помимо ведущего агрегата с астатической настройкой АРЧВ, еще несколько ведомых агрегатов регулирующей электростанции с регулято­рами мощности АРМ. Ведомым агрегатам автоматически задается уставка мощности пропорционально мощности ведущего агрегата Р ₁:

,

, i = 2… n.

Под действием АРМ:

Приращение нагрузки энергосистемы воспринимается ведущим и ве­домыми агрегатами:

,

откуда

.

Энергосистема как объект регулирования

Нарушение баланса между суммарной мощностью первичных двигате­лей (турбин) и суммарной активной нагрузкой энергосистемы с учетом по­терь приводит к изменению частоты, которая одинакова во всех точках син­хронно работающей энергосистемы. Действительно, в соответствии с зако­ном сохра­нения энергии суммарная мощность турбин ∑ Р _т расходуется на покрытие ак­тивной электрической нагрузки ∑ Р _н, потерь активной мощности на электро­станциях и в электрических сетях ∑ Р _пот, а также на изменение кинетической энергии W _к вращающихся агрегатов энергосистемы:

, (5.1)

где ,

– суммарный момент инерции вращающихся агрегатов энергосистемы;

–угловая скорость ( при частоте f = 50 Гц).

В установившемся режиме , так как имеет место баланс мощно­стей:

.

Этот баланс непрерывно нарушается. Небаланс мощностей Р _нб возни­кает при набросе или сбросе нагрузки, а также при аварийном отключении отдель­ных агрегатов, что приводит к изменению частоты в энергосистеме, поскольку из (5.1) следует,что

.

Регулирующий эффект нагрузки по частоте ∑ Р _н(f) способствует стабили­зации частоты, но этого не достаточно. Регулирование частоты в нормальных режимах осуществляется изменением суммарной мощности турбин путем из­менения впуска энергоносителя (пара, газа, воды) в каждую турбину, участ­вующую в регулировании. Изменение мощностей турбин (активных мощно­стей генераторов) должно осуществляться так, чтобы не нарушались ограни­чения по допустимым значениям перетоков мощности электропередач, дого­ворные условия между энергообъединениями и усло­вия наивыгоднейшего распределения активных нагрузок между агрегатами, электростанциями и энергосистемами. Таким образом, регулирование час­тоты неразрывно связано с регулированием активных мощностей по не­скольким критериям.

Требования к регулированию частоты и активной мощности

Отклонение частоты от номинального значения f _ном=50 Гц, т.е.

, является общесистемным показателем качества электрической энергии, в отличие от отклонения напряжения.

Конструктивные параметры вращающихся агрегатов, как производя­щих, так и потребляющих электрическую энергию, рассчитываются таким образом, чтобы при номинальной частоте КПД был максимальным. Откло­нение час­тоты от номинального значения ухудшает их экономические пока­затели.

Наиболее существенно отклонения частоты сказываются на работе са­мих электростанций: изменение производительности механизмов собст­венных нужд, приводом которых являются электродвигатели (питательных насосов, циркуляционных насосов, дымососов, вентиляторов), нарушает режим работы парогенератора и турбины; изменение частоты вращения турбин вызывает рост потерь и ускоряет износ рабочих лопаток. Все это приводит к снижению экономических показателей работы электростанций.

У вращающихся токоприемников с изменением частоты ухудшается КПД, изменяется производительность, что в ряде случаев отражается на технологи­ческом процессе (текстильное производство, металлопрокатка и др.)

Для отдельных элементов ЭЭС заметное снижение экономичности и из­менение производительности наступает при отклонении частоты

Однако точность поддержания частоты в пределах 1÷2% совершенно не­достаточна для обеспечения экономичной и надежной работы энергосис­темы в целом. Объясняется это тем, что при изменении частоты значительно и по-разному меняются нагрузки генераторов вследствие различных харак­теристик первичных регуляторов турбин (см. п.5.6). Обычно относительный статизм пер­вичных регуляторов турбин

где – относительные отклонения частоты энерго­системы и мощности агрегата.

При относительное отклонение мощности агре­гата

Такие, даже кратковременные, перераспределения нагрузок приводят к частым отклонениям режима энергосистемы от экономически наивыгодней­шего, а следовательно, к пережогу топлива в целом по энергосистеме.

Поэтому по стандарту организации «СТО СО–ЦДУ ЕЭС 001–2005» нор­мально допустимые отклонения частоты от 50 Гц должны быть не более ± 0,05 Гц (что меньше, чем по ГОСТ 13109-97).

Требования к регулированию активной мощности:

· поддержание заданных на каждый промежуток времени плановых зна­чений суммарных внешних перетоков мощности энергосис­темы;

· быстродействующее предотвращение перегрузки транзитных свя­зей – слабых линий и сечений;

· наивыгоднейшее распределение активных нагрузок.