Регулирование частоты в энергосистеме

В энергетических системах в каждый данный момент должно вырабатываться такое количество электроэнергии, которое необходимо для потребления в данный момент, так как невозможно создание запасов электрической энергии.

Частота наряду с напряжением является одним из основных показателей качества электрической энергии. Отклонение частоты от нормальной ведет к нарушению режима работы электростанций, что, как правило, ведет к пережогу топлива. Понижение частоты в системе ведет к снижению производительности механизмов на промышленных предприятиях и к снижению к. п. д. основных агрегатов электростанций. Повышение частоты ведет также к снижению к. п. д. агрегатов электростанций и к увеличению потерь в сетях.

В настоящее время проблема автоматического регулирования частоты охватывает широкий круг вопросов как экономического, так и технического порядка. В настоящее время в энергосистеме осуществляется автоматическое регулирование частоты.

Влияние частоты на работу оборудования электростанций

Все агрегаты, совершающие вращательное движение, рассчитываются таким образом, чтобы их наивысший к. п. д. имел место три одной вполне определенной скорости вращения, а именно при номинальной. В настоящее время агрегаты, совершающие вращательное движение, в своем подавляющем большинстве связаны с электрическими машинами.

Производство и потребление электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе; поэтому подавляющее большинство агрегатов, совершающих вращательное движение, связано с частотой переменного тока. Действительно, как частота вырабатываемого генератором переменного тока зависит от числа оборотов турбины, так и число оборотов механизма, приводимого во вращение двигателем переменного тока, зависит от частоты.

Отклонения частоты переменного тока от номинального значения по-разному влияют на различные типы агрегатов, а также на различные приборы и аппараты, от которых зависит экономичность работы энергосистемы.

Паровая турбина и ее лопаточный аппарат конструируются таким образом, что при номинальной скорости вращения (частоте) и безударном входе пара обеспечивается максимально возможная мощность на валу. При этом уменьшение частоты вращения приводит к возникновению потерь на удар пара о лопатки с одновременным увеличением момента вращения, а увеличение частоты вращения — к уменьшению момента вращения и увеличению удара по тыльной стороне лопатки. Наиболее экономично турбина работает при номинальной частоте.

Кроме того, работа при пониженной частоте приводит к ускоренному износу рабочих лопаток турбины и других ее деталей. Изменение частоты оказывает влияние на работу механизмов собственного расхода электростанции.

Влияние частоты производительность потребителей электроэнергии

Механизмы и агрегаты потребителей электроэнергии по степени их зависимости от частоты можно разбить на пять групп.

Первая группа. Потребители, у которых изменение частоты не оказывает непосредственного влияния на развиваемую мощность. К ним относятся: осветительная нагрузка, дуговые электропечи, течи сопротивления, выпрямители и нагрузка, питаемая от них.

Вторая группа. Механизмы, мощность которых изменяется пропорционально первой степени частоты. К таким механизмам можно отнести: металлорежущие станки, шаровые мельницы, компрессоры.

Третья группа. Механизмы, мощность которых пропорциональна квадрату частоты. Это механизмы, момент сопротивления которых пропорционален частоте в первой степени. Механизмов с точно таким моментом сопротивления нет, однако ряд специальных механизмов имеет момент, приближающийся к данному.

Четвертая группа. Механизмы с вентиляторным моментом, мощность которых пропорциональна кубу частоты. К таким механизмам относятся вентиляторы и насосы при отсутствии или незначительной величине статического напора сопротивления.

Пятая группа. Механизмы, мощность которых зависит от частоты в более высокой степени. К таким механизмам относятся насосы с большим статическим напором сопротивления (например, питательные насосы электростанций).

Производительность последних четырех групп потребителей уменьшается с понижением частоты и увеличивается с повышением. На первый взгляд кажется, что для потребителей выгодно работать с повышенной частотой, однако это далеко не так.

Автоматическое регулирование частоты в энергосистеме

Целью автоматического регулирования частоты в энергосистемах в первую очередь является обеспечение экономичной работы станций и энергосистем. Экономичность работы энергосистемы не может быть достигнута без поддержания нормального значения частоты и без наивыгоднейшего распределения нагрузки между параллельно работающими агрегатами и станциями энергосистемы.

Для регулирования частоты производят распределение нагрузки между несколькими параллельно работающими агрегатами (станциями). При этом, распределяют нагрузку между агрегатами таким образом, чтобы при незначительных изменениях нагрузки системы (до 5 - 10%) режим работы подавляющего числа агрегатов и станций не менялся.

При переменном характере нагрузки наилучшим режимом будет такой, три котором основная часть агрегатов (станций) несет нагрузку, соответствующую условию равенства относительных приростов, а небольшие и непродолжительные колебания нагрузки покрываются за счет изменения нагрузки небольшой части агрегатов.

При распределении нагрузки между параллельно работающими агрегатами стремятся к тому, чтобы все они работали в области наивысших к. п. д. В этом случае обеспечивается минимальный расход топлива.

Агрегаты, на которые возлагается задача покрывать все внеплановые изменения нагрузки, т. е. регулировать частоту в системе, должны удовлетворять следующим требованиям:

• иметь высокий к. п. д.;

• иметь пологую кривую зависимости к. п. д. от нагрузки, т. е. сохранять высокий к. п. д. в большом диапазоне изменения нагрузки.

При значительном изменении нагрузки системы (например, увеличении ее), когда вся система переходит на режим работы с большей величиной относительного прироста, регулирование частоты передается такой станции, у которой величина относительного прироста близка к таковой в системе.

Частотная станция имеет наибольший регулировочный диапазон в пределах своей установленной мощности. Условия регулирования получаются несложными для практического осуществления, если регулирование частота может быть поручено одной станции. Еще более простое решение получается в тех случаях, когда регулирование может быть поручено одному агрегату.

Число оборотов турбин определяет частоту в энергосистеме, поэтому регулирование частоты осуществляется воздействием на регуляторы скорости турбин. Турбины, как правило, снабжаются центробежными регуляторами скорости.

Наиболее подходящими для регулирования частоты являются конденсационные турбины нормальных параметров пара. Совершенно непригодными типами турбин для регулирования частоты являются турбины с противодавлением, так как их электрическая нагрузка полностью определяется потребителем пара и почти совершенно не зависит от частоты в системе.

Возлагать задачу регулирования частоты на турбины с большими отборами пара нецелесообразно, так как у них, во-первых, (весьма небольшой регулировочный диапазон, а, во-вторых, они неэкономичны для переменного режима нагрузки.

Для поддержания необходимого регулировочного диапазона мощность станции, регулирующей частоту, должна быть не менее 8 - 10% от нагрузки в системе, чтобы она располагала достаточным регулировочным диапазоном. Регулировочный диапазон тепловых электростанций не может равняться их установленной мощности. Поэтому мощность тепловой станции, регулирующей частоту, в зависимости от типов котлов и турбин должна в два-три раза превышать необходимый регулировочный диапазон.

Наименьшая установленная мощность гидростанции для создания необходимого регулировочного диапазона может быть значительно меньше, чем тепловой. У гидростанций регулировочный диапазон, как правило, равен установленной мощности. При регулировании частоты гидростанцией отсутствует ограничение в скорости набора нагрузки, начиная с момента пуска турбины. Однако регулирование частоты гидростанций сопряжено с известным усложнением регулирующей аппаратуры.

Кроме типа станции и характеристик оборудования на выбор регулирующей станции влияет ее место в электрической системе, а именно — электрическая удаленность от центра нагрузки. Если станция расположена в центре электрической нагрузки и связана с подстанциями и другими станциями системы мощными линиями электропередачи, то, как правило, увеличение нагрузки регулирующей станции не приводит к нарушению статической устойчивости.

Наоборот, когда регулирующая станция расположена далеко от центра системы, то может возникнуть опасность нарушения устойчивости. В данном случае регулирование частоты должно сопровождаться контролем угла расхождения векторов э. д. с. системы и регулирующей станции или же контролем передаваемой мощности.

Основные требования, предъявляемые к системам регулирования частоты, регламентируют:

• параметры и пределы регулирования,

• статическую и динамическую погрешность,

• скорость изменения нагрузки агрегатов,

• обеспечение устойчивости процесса регулирования,

• способность регулировать по заданному методу.

Регуляторы должны быть просты по конструкции, надежны в эксплуатации и дешевы.

Методы регулирования частоты в энергосистеме

Рост энергетических систем привел к необходимости регулировать частоту несколькими агрегатами одной станции, а затем и несколькими станциями. Для этой цели используется ряд методов, обеспечивающих устойчивую работу энергосистемы и высокое качество частоты.

Применяемый метод регулирования не должен допускать увеличения пределов отклонения частоты за счет погрешностей, имеющих место во вспомогательных устройствах (устройствах распределения активных нагрузок, каналах телеизмерения и т. п.).

От метода регулирования частоты требуется, чтобы он обеспечивал поддержание частоты на заданном уровне независимо от нагрузки агрегатов, регулирующих частоту (если, конечно, не использован весь их регулировочный диапазон), от числа агрегатов и станций, регулирующих частоту, и от величины и продолжительности отклонения частоты. Метод регулирования должен также обеспечивать поддержание заданного соотношения нагрузок регулирующих агрегатов и одновременность вступления в процесс регулирования всех агрегатов, регулирующих частоту.

Метод статических характеристик

Простейший метод получается при регулировании частоты всеми агрегатами системы, когда последние снабжены регуляторами скорости со статическими характеристиками. При параллельной работе агрегатов, работающих без смещения регулировочных характеристик, распределение нагрузок между агрегатами может быть найдено из уравнений статических характеристик и уравнений мощности.

В эксплуатации изменения нагрузки значительно превышают указанные величины, поэтому частота не может поддерживаться в заданных пределах. При таком методе регулирования необходимо иметь большой вращающийся резерв, рассредоточенный на всех агрегатах системы.

Данный метод не может обеспечить экономичной работы электростанций, так как, с одной стороны, при нем не может быть использована полностью мощность экономичных агрегатов, а с другой стороны, нагрузка всех агрегатов непрерывно меняется.

Метод астатической характеристики

Если все или часть агрегатов системы снабдить регуляторами частоты с астатическими характеристиками, то теоретически частота в системе при любых изменениях нагрузки будет неизменной. Однако при таком методе регулирования не получается фиксированного соотношения нагрузок между агрегатами, регулирующими частоту.

Данный метод может успешно применяться там, где регулирование частоты возлагается на один агрегат. В этом случае мощность агрегата должна быть не менее 8 - 10% от мощности системы. Совершенно безразлично, имеет ли астатическую характеристику регулятор скорости или агрегат снабжен регулятором частоты с астатической характеристикой.

Все внеплановые изменения нагрузки воспринимает агрегат с астатической характеристикой. Так как частота в системе остается неизменной, то нагрузки на остальных агрегатах системы остаются неизменными. Регулирование частоты одним агрегатом по данному методу является совершенным, но оно оказывается неприемлемым, когда Регулирование частоты возлагается на несколько агрегатов. По такому методу осуществляется регулирование в энергосистемах небольшой мощности.

Метод ведущего генератора

Метод ведущего генератора может применяться в тех случаях, когда по условиям системы регулирование частоты необходимо осуществлять несколькими агрегатами одной станции.

На одном из агрегатов, называемом ведущим, устанавливается регулятор частоты с астатической характеристикой. На остальных агрегатах, на которые также возлагается задача регулирования частоты, устанавливаются регуляторы (уравнители) нагрузки. На них возлагается задача поддерживать заданное соотношение между нагрузкой ведущего агрегата и остальными агрегатами, помогающими регулировать частоту. Все турбины системы имеют регуляторы скорости со статическими характеристиками.

Метод мнимого статизма

Метод мнимого статизма применим как для регулирования одной станцией, так и для регулирования несколькими станциями. В последнем случае между станциями, регулирующими частоту, и диспетчерским пунктом должны быть каналы телеизмерения двухстороннего действия (передача показания нагрузки со станции на диспетчерский пункт и передача автоматического приказания с диспетчерского пункта на станцию).

На каждом агрегате, принимающем участие в регулировании, устанавливается регулятор частоты. Такое регулирование является астатическим с точки зрения поддержания частоты в системе и статическим с точки зрения распределения нагрузок между генераторами. Оно обеспечивает устойчивое распределение нагрузок между регулирующими генераторами.

Распределение нагрузки между агрегатами, регулирующими частоту, осуществляется с помощью устройства распределения активных нагрузок. Последнее, суммируя всю нагрузку, приходящуюся на регулирующие агрегаты, делит ее между ними в определенном заданном соотношении.

Метод мнимого статизм позволяет также регулировать частоту в системе несколькими станциями и при этом будет соблюдаться заданное соотношение нагрузок как между станциями, так и между отдельными агрегатами.

Метод синхронного времени

Этот метод использует отклонение синхронного времени от астрономического в качестве критерия для регулирования частоты в энергосистемах несколькими станциями без применения средств телемеханики. В основу данного метода положена статическая зависимость отклонения синхронного времени от астрономического, начиная с некоторого момента времени.

При нормальной синхронной скорости роторов турбогенераторов системы и равенстве моментов вращения и моментов сопротивления ротор синхронного двигателя будет вращаться с одинаковой скоростью. Если на ось ротора синхронного двигателя насадить стрелку, то она в некотором масштабе будет показывать время. Поставив соответствующую передачу между валом синхронного двигателя и осью стрелки, можно добиться, что стрелка будет вращаться со скоростью часовой, минутной или секундной стрелки часов.

Время, показываемое данной стрелкой, и называется синхронным временем. Астрономическое время получают от источников точного времени или от эталонов частоты электрического тока.

Метод одновременного регулирования по астатической и статической характеристике

Сущность данного метода заключается в следующем. В энергосистеме выделяются две регулирующие станции, из них одна работает по астатической характеристике, а вторая — по статической с небольшим коэффициентом статизма. При небольших отклонениях действительного графика нагрузки от диспетчерского все колебания нагрузки будет воспринимать станция с астатической характеристикой.

Регулирующая станция со статической характеристикой в этом случае будет принимать участие в регулировании только в переходном режиме, не допуская больших отклонений частоты. По исчерпании регулировочного диапазона первой станции в регулирование вступает вторая станция. В данном случае новое установившееся значение частоты будет отличным от номинального.

До тех пор, пока частоту регулирует первая станция, нагрузка базисных станций будет оставаться неизменной. При регулировании второй станцией нагрузка на базисных станциях будет отклоняться от экономической. Достоинства, так же как и недостатки, данного метода очевидны.

Метод регулирования с блокировкой по мощности

Данный метод заключается в том, что каждая из энергосистем, входящих в объединение, привлекается к регулированию частоты только в том случае, если отклонение частоты вызвано изменением нагрузки в ней самой. Метод основан на следующем свойстве объединенных энергосистем.

Если в какой-либо энергосистеме увеличилась нагрузка, то в ней уменьшению частоты сопутствует уменьшение отдаваемой обменной мощности, в то время как в остальных энергосистемах уменьшению частоты сопутствует увеличение отдаваемой обменной мощности.

Это объясняется тем, что все агрегаты, имея статические регулировочные характеристики, стремясь поддержать частоту, увеличивают отдаваемую мощность. Таким образом, для энергосистемы, в которой возникло изменение нагрузки, знак отклонения частоты и знак отклонения обменной мощности совпадает, а в остальных энергосистемах эти знаки неодинаковы.

В каждой энергосистеме выделяется одна регулирующая станция, на которой устанавливаются регуляторы частоты и блокирующее реле обменной мощности.

Можно также устанавливать в одной из систем регулятор частоты, блокированный реле обменной мощности, а в соседней энергосистеме - регулятор обменной мощности, блокированный реле частоты.

Второй способ имеет преимущество перед первым, если допускается действие регулятора обменной мощности при номинальной частоте.

При изменении нагрузки в данной энергосистеме знаки отклонения частоты и обменной мощности совпадают, цепь регулирования не блокируется и под действием регулятора частоты увеличивается или уменьшается нагрузка на агрегатах данной системы. В других энергосистемах знаки отклонения частоты и обменной мощности разные и поэтому цепи регулирования заблокированы.

Для регулирования по данному методу требуется наличие телеканалов между подстанцией, от которой отходит соединительная линия в другую энергосистему, и станцией, регулирующей частоту или обменный поток. Метод регулирования с блокировкой может успешно применяться в тех случаях, когда энергосистемы соединены только одной связью друг с другом.

Метод частотной системы

В объединенной системе, включающей несколько энергосистем, регулирование частоты иногда поручается одной системе, а остальные контролируют передаваемую мощность.

Метод внутреннего статизма

Данный метод является дальнейшим усовершенствованием метода регулирования с блокировкой. Блокирование или усиление действия регулятора частоты осуществляется не специальными реле мощности, а путём создания статизма по передираемой (обменной) мощности между системами.

В каждой из параллельно работающих энергосистем выделяется по одной регулирующей станции, на которой устанавливаются регуляторы, имеющие статизм по обменной мощности. Регуляторы реагируют как на абсолютное значение частоты, так и на обменную мощность, при этом последняя поддерживается неизменной, а частота равной номинальной.

Практически в энергосистеме в течение суток нагрузка не остается неизменной, а меняется в соответствии с графиком нагрузки, также не остаются неизменными количество и мощность генераторов в системе и заданная обменная мощность. В силу этого коэффициент статизма системы не остается постоянным.

При большей генерирующей мощности в системе он меньше и при меньшей мощности, наоборот, коэффициент статизма системы больше. Поэтому требуемое условие равенства коэффициентов статизма не всегда будет выполняться. Это приведет к тому, что при изменении нагрузки в одной энергосистеме будут приходить в действие регуляторы частоты в обеих энергосистемах.

В энергосистеме, где возникло отклонение нагрузки, регулятор частоты в течение всего процесса регулирования будет действовать все время в одном направлении, стремясь компенсировать возникший небаланс. Во второй энергосистеме действие регулятора частоты будет двухсторонним.

Если коэффициент статизма регулятора по обменной мощности больше коэффициента статизма системы, то в начале процесса регулирования регулирующая станция данной энергосистемы будет уменьшать нагрузку, способствуя этим самым увеличению обменной мощности, а затем повышать нагрузку, чтобы восстановить заданное значение обменной мощности при номинальной частоте.

Когда коэффициент статизма регулятора по обменной мощности меньше коэффициента статизма системы то последовательность регулирования во второй энергосистеме будет обратной (сначала будет увеличиваться впуск движущего фактора, а затем уменьшаться).