Режим электропотребления, а следовательно, и нагрузки систем неравномерен: он имеет характерные колебания в пределах суток, а также сезонные — в пределах года. Эти колебания в основном определяются ритмом работы предприятий — потребителей электроэнергии, связанным с этим ритмом жизни населения, в меньшей степени — географическими факторами.
В общем для суточного цикла всегда характерно большее или меньшее снижение потребления в ночные часы, для годового — в летние месяцы. Глубина этих колебаний нагрузки зависит от состава потребителей.
Предприятия круглосуточной работы, особенно с преобладанием непрерывных технологических процессов (металлургия, химия, угольная промышленность), имеют почти равномерный режим потребления.
Предприятия металлообрабатывающей и машиностроительной промышленности даже при трехсменной работе имеют заметные колебания электропотребления, связанные с обычным снижением производственной активности в ночные смены. При одно- или двухсменной работе в ночные часы происходит резкое снижение электропотребления. Заметно снижение потребления и в летние месяцы.
Для предприятий пищевой и легкой промышленности характерно еще более резкое колебание электропотребления. Наибольшая неравномерность потребления наблюдается в коммунально-бытовом секторе.
Режим нагрузки системы отражает все эти колебания электропотребления в суммированном и, естественно, несколько сглаженном виде. Нагрузочные режимы представляются обычно в виде графика нагрузки.
На суточном графике по оси абсцисс откладываются часы, по оси ординат — нагрузки в МВт, или в % от максимума нагрузки. Максимальная нагрузка чаще всего приходится на вечерние часы, когда на производственное электропотребление накладывается освещение. Именно поэтому точка максимума несколько перемещается в пределах года.
В утренние часы наблюдается пик нагрузки, отражающий максимум производственной активности. В обеденные часы нагрузка уменьшается, в ночные — резко снижается.
На годовых графиках по оси абсцисс откладываются месяцы, по оси ординат — месячные суммы киловаттчасов, или месячные максимумы нагрузки. Максимум нагрузки приходится на конец года — из-за естественного прироста ее в течение года.
Неравномерность нагрузочного режима, с одной стороны, разнотипность электрогенерирующего оборудования и его эксплуатационных и технико-экономических характеристик, — с другой, ставят перед персоналом системы сложную задачу по оптимальному распределению нагрузки между станциями и генерирующими агрегатами.
Производство электроэнергии связано с издержками. Для тепловых станций — это расходы на топливо, кроме того, на содержание обслуживающего персонала, ремонт оборудования, амортизационные отчисления.
На разных станциях в зависимости от их технического уровня, мощности, состояния оборудования удельная величина издержек на производство одного кВт•ч различна.
Общий критерий при распределении нагрузки между станциями (а в пределах станции между агрегатами) — минимум суммарных эксплуатационных издержек на производство заданного объема электроэнергии.
Для каждой станции (каждого агрегата) издержки можно представить в функциональной связи с нагрузочным режимом.
Условие минимума суммарных издержек и, следовательно, условие оптимума при распределении нагрузок в системе формулируется следующим образом: нагрузка должна распределяться так, чтобы всегда сохранялось равенство относительных приростов станций (агрегатов).
Практически относительные приросты станций и агрегатов при разных значениях их нагрузок заранее вычисляются диспетчерскими службами и изображаются в виде кривых (смотрите рисунок).
Кривые относительных приростов
Горизонтальная линияотражает распределение этой нагрузки, отвечающее условию оптимума.
Оптимальное распределение нагрузки системы между станциями имеет еще и техническую сторону. Агрегаты, покрывающие переменную часть графика нагрузки, особенно острые верхние пики, эксплуатируются в условиях резко меняющейся нагрузки, иногда с ежесуточными остановками — пусками.
Современные мощные паротурбинные агрегаты не приспособлены к такому режиму работы: пуск их требует многих часов, работа в переменном нагрузочном режиме, особенно с частыми остановками, приводит к повышению аварийности и ускоренному износу и, кроме того, связана с дополнительными достаточно чувствительными перерасходами топлива.
Поэтому для покрытия «пиков» нагрузки в системах применяют агрегаты других типов, технически и экономически хорошо приспособленные к остро переменному нагрузочному режиму работы.
Идеальными для этой цели являются гидростанции: пуск гидроагрегата и полная нагрузка его требуют одну-две минуты, не связаны с дополнительными потерями и технически вполне надежны.
Гидростанции, предназначенные для покрытия пиков нагрузки, строятся резко повышенной мощности: это снижает капиталовложения на 1 кВт, делая их соизмеримыми с удельными капиталовложениями в мощные ТЭС, и обеспечивает более полное использование ресурсов водотока.
Так как возможности строительства ГЭС во многих зонах ограничены, там, где топография местности позволяет получить достаточно большие напоры, для покрытия пиков нагрузки строят гидроаккумулирующие гидростанции (ГАЭС).
Агрегаты такой станции обычно обратимые: в часы ночного провала нагрузки системы они работают как насосные агрегаты, подымая воду в высоко расположенное водохранилище. В часы наиболее полной нагрузки они работают в электрогенерирующем режиме, срабатывая запасенную в водохранилище воду.
Широко применяются для покрытия пиков нагрузки электростанции с газовыми турбинами. Пуск их требует всего 20 — 30 минут, регулирование нагрузки просто и экономично. Стоимостные показатели пиковых ГТЭС также благоприятны.
Показателями качества электрической энергии являются степень постоянства частоты и напряжения. Поддержание неизменными на заданном уровне частоты и напряжения имеет большое значение. При снижении частоты пропорционально снижаются обороты двигателей, следовательно, падает производительность приводимых ими механизмов.
Не следует думать, что повышение частоты и напряжения дает полезный эффект. При повышении частоты и напряжения резко увеличиваются потери в магнитопроводах и обмотках всех электрических машин и аппаратов, повышается их нагрев и ускоряется износ. Кроме того, изменение частоты, а значит, и числа оборотов двигателей часто угрожает браком продукции.
Постоянство частоты обеспечивается поддержанием равенства между действующей мощностью первичных двигателей системы и суммарным противодействующим механическим моментом, возникающим в генераторах от взаимодействия магнитных потоков и токов. Этот противодействующий момент пропорционален электрической нагрузке системы.
Нагрузка системы непрерывно меняется. Если нагрузка увеличивается, тормозящий момент в генераторах становится больше действующего момента первичных двигателей, возникает угроза снижения числа оборотов и уменьшения частоты. Снижение нагрузки дает обратный эффект.
Для поддержания частоты необходимо соответственно изменить суммарную действующую мощность первичных двигателей: повысить в первом случае, снизить во втором. Следовательно, для непрерывного поддержания частоты на заданном уровне система должна располагать достаточным запасом высокомобильной резервной мощности.
Задача регулирования частоты возлагается на выделенные для этого станции, работающие с достаточным запасом свободной быстро мобилизуемой мощности. Лучше всего справляются с этими обязанностями гидростанции.
Подробнее про особенности и методы регулирования частоты смотрите здесь: Регулирование частоты в энергосистеме