Регулиране на честотата в електроенергийната система

В електроенергийните системи във всеки един момент трябва да се генерира такова количество електроенергия, което е необходимо за потребление в даден момент, тъй като е невъзможно да се създадат резерви от електрическа енергия.

Честотата заедно с напрежението е една от основните показатели за качество на електроенергията… Отклонението на честотата от нормалното води до нарушаване на работата на електроцентралите, което по правило води до изгаряне на горивото. Намаляването на честотата в системата води до намаляване на производителността на механизмите в промишлените предприятия и до намаляване на ефективността на основните блокове на електроцентрали. Увеличаването на честотата също води до намаляване на ефективността на блоковете на електроцентралите и до увеличаване на загубите в мрежите.

Понастоящем проблемът с автоматичното регулиране на честотата обхваща широк кръг въпроси от икономическо и техническо естество. Понастоящем електроенергийната система извършва автоматично регулиране на честотата.

Влияние на честотата върху работата на оборудването на електроцентралите

Всички единици, изпълняващи въртеливо движение, се изчисляват по такъв начин, че тяхната най -висока ефективност се осъществява три от една съвсем определена скорост на въртене, а именно при номиналната. В момента блоковете, извършващи въртеливо движение, в по -голямата си част са свързани с електрически машини.

Производството и потреблението на електрическа енергия се осъществява главно на променлив ток; следователно, по -голямата част от блоковете, извършващи въртеливо движение, са свързани с честотата на променлив ток. Наистина, както честотата на алтернатора, генериран от алтернатора, зависи от скоростта на турбината, така и скоростта на механизма, задвижван от мотора с променлив ток, зависи от честотата.

Отклоненията на честотата на променливия ток от номиналната стойност оказват различен ефект върху различните типове агрегати, както и върху различни устройства и апарати, от които зависи ефективността на електроенергийната система.

Парната турбина и нейните лопатки са проектирани по такъв начин, че максималната възможна мощност на вала се осигурява при номиналната скорост (честота) и безшовния вход на пара. В този случай намаляването на скоростта на въртене води до възникване на загуби за удара на пара върху острието с едновременно увеличаване на въртящия момент, а увеличаването на скоростта на въртене води до намаляване на въртящия момент и увеличаване на удара върху задната страна на острието. Най -икономичната турбина работи при номинална честота.

Освен това работата с намалена честота води до ускорено износване на лопатките на ротора на турбината и другите й части. Промяната на честотата влияе върху работата на механизмите за собствено потребление на електроцентралата.

Влияние на честотата върху работата на потребителите на електроенергия

Механизмите и звената на потребителите на електроенергия могат да бъдат разделени на пет групи според степента на тяхната зависимост от честотата.

Първа група. Потребители, чиято промяна на честотата няма пряк ефект върху развитата мощност. Те включват: осветление, електрически дъгови пещи, течове на съпротивление, токоизправители и натоварване, захранвано от тях.

Втора група. Механизми, чиято мощност варира пропорционално на първата мощност на честотата. Тези механизми включват: металорежещи машини, топкови мелници, компресори.

Трета група. Механизми, чиято мощност е пропорционална на квадрата на честотата. Това са механизми, чийто момент на съпротивление е пропорционален на честотата в първата степен. Няма механизми с точно този момент на съпротива, но редица специални механизми имат момент, приближаващ този.

Четвърта група. Механизми с въртящ момент на вентилатора, чиято мощност е пропорционална на куба на честотата. Такива механизми включват вентилатори и помпи с никакво или незначително статично съпротивление на главата.

Пета група. Механизми, чиято мощност зависи от честотата в по -висока степен. Такива механизми включват помпи с голям статичен напор на съпротивление (например захранващи помпи на електроцентрали).

Ефективността на последните четири потребителски групи намалява с намаляване на честотата и нараства с увеличаване на честотата. На пръв поглед изглежда, че е полезно потребителите да работят с повишена честота, но това далеч не е така.

В допълнение, с увеличаване на честотата, въртящият момент на асинхронния двигател намалява, което може да доведе до спиране и спиране на устройството, ако двигателят няма резерви на мощност.

Автоматичен контрол на честотата в електроенергийната система

Целта на автоматичното управление на честотата в електроенергийните системи е преди всичко да осигури икономична експлоатация на станции и енергийни системи. Ефективността на работата на електроенергийната система не може да бъде постигната без поддържане на нормалната честотна стойност и без най -благоприятното разпределение на товара между паралелните работни блокове и електроцентралите на електроенергийната система.

За регулиране на честотата натоварването се разпределя между няколко паралелни работни блока (станции). В същото време натоварването се разпределя между блоковете по такъв начин, че при незначителни промени в натоварването на системата (до 5-10%), режимът на работа на огромния брой единици и станции не се променя.

При променлив характер на натоварването най -добрият режим ще бъде този, при който основната част от блоковете (станциите) носи товара, съответстващ на условието за равенство на относителните стъпки, а малките и късите колебания на натоварването се покриват чрез промяна на товара на малка част от звената.

Когато разпределят товара между паралелно работещите агрегати, те се стремят да гарантират, че всички те работят в областта на най -високата ефективност.В този случай се осигурява минимален разход на гориво.

Единиците, които имат за задача да покрият всички непланирани промени на товара, т.е. регулиране на честотата в системата, трябва да отговарят на следните изисквания:

• имат висока ефективност;

• имат плоска крива на зависимостта на ефективността от натоварването, т.е. поддържат висока ефективност в широк диапазон от вариации на натоварване.

При значителна промяна в натоварването на системата (например увеличаването му), когато цялата система премине към режим на работа с по -голяма стойност на относителното усилване, честотното управление се прехвърля към такава станция, в която величината на относителната печалба е близка до тази в системата.

Честотната станция има най -големия обхват на управление в рамките на инсталираната си мощност. Условията за управление са лесни за изпълнение, ако честотният контрол може да бъде възложен на една станция. Още по -просто решение се получава в случаите, когато регулирането може да бъде възложено на една единица.

Скоростта на турбините определя честотата в енергийната система, така че честотата се контролира чрез въздействие върху регулаторите на скоростта на турбината. Турбините обикновено са оборудвани с центробежни регулатори на скоростта.

Най -подходящите за регулиране на честотата са кондензационни турбини с нормални параметри на парата.Турбините с обратно налягане са напълно неподходящи видове турбини за честотен контрол, тъй като електрическото им натоварване се определя изцяло от потребителя на пара и е почти напълно независимо от честотата в системата.

Непрактично е да се възлага задачата за регулиране на честотата на турбини с големи изсмуквания на пара, тъй като, първо, те имат (много малък диапазон на управление и, второ, те са неикономични за режим с променлив товар.

За да се поддържа необходимия диапазон на управление, мощността на честотната станция за управление трябва да бъде най -малко 8 — 10% от натоварването в системата, така че да има достатъчен обхват на управление. Обхватът на регулиране на ТЕЦ не може да бъде равен на инсталираната мощност. Следователно мощността на ТЕЦ, която регулира честотата, в зависимост от типовете котли и турбини, трябва да бъде два до три пъти по -висока от необходимия диапазон на регулиране.

Най -малката инсталирана мощност на водноелектрическата станция за създаване на необходимия диапазон на управление може да бъде значително по -малка от топлинната. За водноелектрическите централи обхватът на регулиране обикновено е равен на инсталираната мощност. Когато честотата се контролира от водноелектрическа централа, няма ограничение в скоростта на нарастване на товара, започвайки от момента на стартиране на турбината. Регулирането на честотата на водноелектрическите централи обаче е свързано с добре познатото усложнение на оборудването за управление.

В допълнение към типа станция и характеристиките на оборудването, изборът на контролната станция се влияе от нейното място в електрическата система, а именно електрическото разстояние от центъра на натоварване. Ако станцията се намира в центъра на електрическото натоварване и е свързана с подстанции и други станции на системата чрез мощни електропроводи, тогава, като правило, увеличаването на натоварването на регулиращата станция не води до нарушаване на статична стабилност.

Обратно, когато контролната станция е разположена далеч от центъра на системата, може да съществува риск от нестабилност. В този случай регулирането на честотата трябва да бъде придружено от контрол на ъгъла на дивергенция на e векторите. и т.н. с. система и станция за управление или контрол на предаваната мощност.

Основните изисквания към системите за управление на честотата регулират:

• параметри и граници на регулиране,

• статична и динамична грешка,

• скоростта на промяна в натоварването на блоковете,

• осигуряване на стабилност на регулаторния процес,

• способността за регулиране по даден метод.

Регулаторите трябва да бъдат прости по дизайн, надеждни в експлоатация и евтини.

Методи за управление на честотата в електроенергийната система

Нарастването на електроенергийните системи доведе до необходимостта от регулиране на честотата на няколко блока от една станция, а след това и няколко станции. За тази цел се използват редица методи за осигуряване на стабилна работа на електроенергийната система и високочестотно качество.

Приложеният метод за управление не трябва да позволява увеличаване на границите на отклонение на честотата поради грешки, възникващи в помощните устройства (устройства за разпределение на активни товари, телеметрични канали и др.).

Методът за регулиране на честотата е необходим, за да се гарантира, че честотата се поддържа на дадено ниво, независимо от натоварването на блоковете за управление на честотата (освен ако, разбира се, не се използва целият им диапазон на управление), броя на блоковете и станциите за управление на честотата, и големината и продължителността на отклонението на честотата. … Методът за управление трябва също така да гарантира поддържането на дадено съотношение на натоварване на блоковете за управление и едновременното влизане в процеса на регулиране на всички блокове, които контролират честотата.

Метод на статичните характеристики

Най -простият метод се получава чрез регулиране на честотата на всички блокове в системата, когато последните са оборудвани с регулатори на скоростта със статични характеристики. При паралелна работа на блокове, работещи без изместване на управляващите характеристики, разпределението на натоварванията между блоковете може да се намери от уравненията на статичните характеристики и уравненията на мощността.

По време на работа промените в натоварването значително надвишават посочените стойности, поради което честотата не може да се поддържа в определените граници. При този метод на регулиране е необходимо да има голям въртящ се резерв, разпръснат във всички единици на системата.

Този метод не може да осигури икономична експлоатация на електроцентрали, тъй като, от една страна, не може да използва пълния капацитет на икономичните блокове, а от друга страна, натоварването на всички блокове постоянно се променя.

Метод с астатична характеристика

Ако всички или част от блоковете на системата са оборудвани с честотни регулатори с астатични характеристики, тогава теоретично честотата в системата ще остане непроменена за всякакви промени в товара. Този метод на управление обаче не води до фиксирано съотношение на натоварване между честотно управляваните единици.

Този метод може да се приложи успешно, когато честотното управление е възложено на една единица. В този случай мощността на устройството трябва да бъде най -малко 8 — 10% от мощността на системата. Няма значение дали регулаторът на скоростта има астатична характеристика или устройството е оборудвано с честотен регулатор с астатична характеристика.

Всички непланирани промени на натоварването се възприемат от единица с астатична характеристика. Тъй като честотата в системата остава непроменена, натоварванията върху останалите единици на системата остават непроменени. Контролът на честотата с една единица в този метод е перфектен, но се оказва неприемлив, когато честотният контрол е възложен на няколко единици. Този метод се използва за регулиране в енергийни системи с ниска мощност.

Метод на генератор

Методът на главния генератор може да се използва в случаите, когато според условията на системата е необходимо да се регулира честотата от няколко блока на една и съща станция.

На един от блоковете, наречен главен, е инсталиран честотен регулатор с астатична характеристика. На останалите блокове, които също са натоварени със задачата за регулиране на честотата, са инсталирани регулатори на натоварване (еквалайзери). На тях е възложена задачата да поддържат дадено съотношение между натоварването на водещата единица и останалите единици, които помагат за регулиране на честотата. Всички турбини в системата имат регулатори на статична скорост.

Методът на въображаемия статизъм

Методът на въображаем статизъм е приложим както за регулиране от една станция, така и за регулиране от няколко станции. Във втория случай трябва да има двупосочни телеметрични канали между станциите, които регулират честотата и контролната зала (предаване на индикацията за натоварване от станцията до контролната зала и предаването на автоматична поръчка от контролната зала до станция).

Честотен регулатор е инсталиран на всяко устройство, участващо в регулацията. Този регламент е астатичен по отношение на поддържането на честотата в системата и статичен по отношение на разпределението на натоварванията между генераторите. Той осигурява стабилно разпределение на натоварванията между модулиращите генератори.

Разпределението на натоварването между честотно управляваните устройства се осъществява посредством активно устройство за споделяне на натоварване. Последният, обобщавайки цялото натоварване на блоковете за управление, го разделя между тях в определено предварително определено съотношение.

Методът на въображаемия статизъм също дава възможност за регулиране на честотата в системата от няколко станции и в същото време даденото съотношение на натоварванията ще се спазва както между станциите, така и между отделните единици.

Метод на синхронно време

Този метод използва отклонението на синхронното време от астрономическото време като критерий за честотно регулиране в електроенергийните системи от няколко станции без използването на телемеханика. Този метод се основава на статичната зависимост на отклонението на синхронното време от астрономическото, започвайки от определен момент във времето.

При нормалната синхронна скорост на роторите на турбинните генератори на системата и равенството на моментите на въртене и моментите на съпротивление, роторът на синхронния двигател ще се върти със същата скорост. Ако върху оста на ротора на синхронен двигател е поставена стрелка, тя ще покаже времето в определена скала. Чрез поставяне на подходяща предавка между вала на синхронния двигател и оста на стрелката е възможно да се постигне, че стрелката ще се върти със скоростта на часа, минутата или втората стрелка на часовника.

Времето, показано с тази стрелка, се нарича синхронно време. Астрономическото време се получава от точни източници на време или от стандарти за честота на електрически ток.

Метод за едновременно управление на астатични и статични характеристики

Същността на този метод е следната. В електроенергийната система има две контролни станции, едната от тях работи според астатичната характеристика, а втората според статичната с малък коефициент на статизъм. При малки отклонения на действителния график на натоварване от контролната зала, всички колебания на натоварването ще се възприемат от станция с астатична характеристика.

В този случай контролна станция със статична характеристика ще участва в регулирането само в преходен режим, избягвайки големи отклонения на честотата. Когато диапазонът на регулиране на първата станция е изчерпан, втората станция влиза в регулиране. В този случай новата стационарна честотна стойност ще бъде различна от номиналната.

Докато първата станция контролира честотата, натоварването на базовите станции ще остане непроменено. Когато се регулира от втората станция, натоварването на базовите станции ще се отклонява от икономическото. Предимствата, както и недостатъците на този метод са очевидни.

Метод за управление на заключване на захранването

Този метод се състои в това, че всяка от захранващите системи, включени във взаимовръзката, участва в регулирането на честотата само ако отклонението на честотата е причинено от промяна в натоварването в нея. Методът се основава на следното свойство на взаимосвързани енергийни системи.

Ако натоварването в която и да е електроенергийна система се е увеличило, тогава намаляването на честотата в нея се придружава от намаляване на дадената обменна мощност, докато в други електроенергийни системи намаляването на честотата се придружава от увеличаване на дадената обменна мощност.

Това се дължи на факта, че всички устройства, които имат статични характеристики на управление, опитвайки се да поддържат честотата, увеличават изходната мощност. По този начин за енергийна система, в която е настъпила промяна в натоварването, знакът за отклонение на честотата и знакът за отклонение на обменната мощност съвпадат, но в други енергийни системи тези знаци не са еднакви.

Всяка енергийна система има една контролна станция, където са инсталирани честотни регулатори и блокиращо реле на обменната мощност.

Възможно е също така да се инсталира в една от системите честотен регулатор, блокиран от обменно реле за захранване, а в съседна електроенергийна система — регулатор на обменна мощност, блокиран от честотно реле.

Вторият метод има предимство пред първия, ако регулаторът на обменната мощност може да работи с номинална честота.

Когато натоварването в дадена електроенергийна система се промени, знаците на отклоненията на честотата и обменната мощност съвпадат, управляващата верига не се блокира и под действието на честотния регулатор натоварването на блоковете на тази система се увеличава или намалява. В други енергийни системи знаците за отклонението на честотата и обменната мощност са различни и поради това управляващите вериги са блокирани.

За регулиране по този метод е необходимо наличието на телевизионни канали между подстанцията, от която свързващата линия тръгва към друга електроенергийна система, и станцията, която регулира честотата или обменния поток. Методът за управление на блокиране може успешно да се приложи в случаите, когато захранващите системи са свързани само с една връзка помежду си.

Метод на честотната система

В взаимосвързана система, която включва няколко енергийни системи, честотното управление понякога се възлага на една система, докато другите контролират предаваната мощност.

Метод за вътрешен статизъм

Този метод е по -нататъшно развитие на метода за блокиране на контрол. Блокирането или усилването на действието на честотния регулатор се извършва не чрез специални силови релета, а чрез създаване на статизъм в предаваната (обменна) мощност между системите.

Във всяка от паралелните работещи енергийни системи е разпределена една регулираща станция, на която са инсталирани регулатори, които имат статизъм по отношение на обменната мощност. Регулаторите реагират както на абсолютната стойност на честотата, така и на обменната мощност, докато последната се поддържа постоянна, а честотата е равна на номиналната.

На практика в електроенергийната система през деня натоварването не остава непроменено, но промените в съответствие с графика на натоварване, броя и мощността на генераторите в системата и посочената обменна мощност също не остават непроменени. Поради това коефициентът на статизъм на системата не остава постоянен.

С по -висок генериращ капацитет в системата, той е по -малък и с по -ниска мощност, напротив, коефициентът на статичност на системата е по -висок. Следователно изискваното условие за равенство на коефициентите на статизъм не винаги ще бъде изпълнено. Това ще доведе до факта, че когато натоварването се промени в една електроенергийна система, честотните регулатори и в двете електроенергийни системи ще влязат в действие.

В електроенергийната система, където е настъпило отклонение на натоварването, честотният регулатор ще действа през цялото време в една посока по време на целия процес на регулиране, опитвайки се да компенсира възникналия дисбаланс. Във втората захранваща система работата на честотния регулатор ще бъде двупосочна.

Ако коефициентът на статизъм на регулатора по отношение на обменната мощност е по -голям от коефициента на статизъм на системата, тогава в началото на процеса на регулиране контролната станция на тази електроенергийна система ще намали натоварването, като по този начин ще увеличи обменната мощност , и след това увеличете натоварването, за да възстановите зададената стойност на обменната мощност при номиналната честота.

Когато коефициентът на статизъм на регулатора по отношение на обменната мощност е по -малък от коефициента на статизъм на системата, последователността на управление във втората електроенергийна система ще бъде обърната (първо, приемането на задвижващия фактор ще се увеличи, а след това ще намалее ).