Regulacija frekvencije u elektroenergetskom sustavu

U elektroenergetskim sustavima u svakom trenutku mora se proizvesti tolika količina električne energije koja je u danom trenutku potrebna za potrošnju, jer je nemoguće stvoriti rezerve električne energije.

Frekvencija je uz napon jedna od glavnih pokazatelji kvalitete električne energije... Odstupanje frekvencije od normale dovodi do poremećaja u radu elektrana, što u pravilu dovodi do izgaranja goriva. Smanjenje frekvencije u sustavu dovodi do smanjenja produktivnosti mehanizama u industrijskim poduzećima i do smanjenja učinkovitosti glavnih jedinica elektrana. Povećanje frekvencije također dovodi do smanjenja učinkovitosti jedinica elektrane i povećanja gubitaka u mreži.

Trenutno, problem automatske regulacije frekvencije pokriva širok raspon pitanja ekonomske i tehničke prirode. EES trenutno provodi automatsku regulaciju frekvencije.

Utjecaj frekvencije na rad opreme elektrane

Sve jedinice koje izvode rotacijsko kretanje izračunate su na način da se njihova najveća učinkovitost ostvaruje tri puta od jedne vrlo specifične brzine vrtnje, odnosno kod nazivne. Trenutno su jedinice koje izvode rotacijsko gibanje najvećim dijelom povezane s električnim strojevima.

Proizvodnja i potrošnja električne energije odvija se uglavnom na izmjeničnu struju; stoga je većina blokova koji izvode rotacijsko gibanje povezana s frekvencijom izmjenične struje. Doista, baš kao što frekvencija alternatora koju stvara alternator ovisi o brzini turbine, tako i brzina mehanizma kojeg pokreće AC motor ovisi o frekvenciji.

Odstupanja frekvencije izmjenične struje od nazivne vrijednosti različito utječu na različite vrste agregata, kao i na različite uređaje i aparate o kojima ovisi učinkovitost elektroenergetskog sustava.

Parna turbina i njezine lopatice projektirane su na način da se osigura najveća moguća snaga osovine pri nazivnoj brzini (frekvenciji) i besprijekornom unosu pare. U tom slučaju smanjenje brzine vrtnje dovodi do pojave gubitaka za udar pare na lopaticu uz istodobno povećanje momenta, a povećanje brzine vrtnje dovodi do smanjenja momenta i povećanja momenta. udar na stražnju stranu oštrice. Najekonomičnija turbina radi na nazivna frekvencija.

Osim toga, rad na smanjenoj frekvenciji dovodi do ubrzanog trošenja lopatica rotora turbine i drugih dijelova.Promjena frekvencije utječe na rad mehanizama vlastite potrošnje elektrane.

Utjecaj frekvencije na rad potrošača električne energije

Mehanizmi i sklopovi potrošača električne energije mogu se podijeliti u pet skupina prema stupnju ovisnosti o frekvenciji.

Prva grupa. Korisnici čija promjena frekvencije nema izravan utjecaj na razvijenu snagu. To uključuje: rasvjetu, elektrolučne peći, otpor propuštanja, ispravljače i trošila koja se njima napajaju.

Druga grupa. Mehanizmi čija snaga varira proporcionalno prvoj potenciji frekvencije. Ovi mehanizmi uključuju: strojeve za rezanje metala, kuglične mlinove, kompresore.

Treća skupina. Mehanizmi čija je snaga proporcionalna kvadratu frekvencije. To su mehanizmi čiji je moment otpora proporcionalan frekvenciji u prvom stupnju. Ne postoje mehanizmi s točnim momentom otpora, ali određeni broj posebnih mehanizama ima moment koji se približava tome.

Četvrta skupina. Mehanizmi momenta ventilatora čija je snaga proporcionalna kubu frekvencije. Takvi mehanizmi uključuju ventilatore i pumpe bez ili sa zanemarivim statičkim otporom.

Peta skupina. Mehanizmi čija snaga u većoj mjeri ovisi o frekvenciji. Takvi mehanizmi uključuju pumpe s velikim statičkim otporom (npr. napojne pumpe elektrana).

Učinkovitost zadnje četiri skupine korisnika opada s opadajućom učestalošću i raste s povećanjem učestalosti. Na prvi pogled se čini da je za korisnike korisno raditi s povećanom frekvencijom, ali to je daleko od slučaja.

Osim toga, kako se frekvencija povećava, okretni moment asinkronog motora se smanjuje, što može uzrokovati zastoj i zaustavljanje uređaja ako motor nema rezerve snage.

Automatska regulacija frekvencije u elektroenergetskom sustavu

Svrha automatske regulacije frekvencije u elektroenergetskim sustavima prvenstveno je osiguranje ekonomičnog rada stanica i elektroenergetskih sustava. Učinkovitost rada EES-a ne može se postići bez održavanja normalne vrijednosti frekvencije i bez najpovoljnije raspodjele opterećenja između paralelno radnih jedinica i elektrana EES-a.

Za regulaciju frekvencije opterećenje se raspoređuje na nekoliko paralelnih radnih jedinica (stanica). Istovremeno, opterećenje se raspoređuje među jedinicama na takav način da se s manjim promjenama opterećenja sustava (do 5-10%) ne mijenja način rada ogromnog broja jedinica i stanica.

S promjenjivom prirodom opterećenja, najbolji način rada bit će onaj u kojem glavni dio blokova (stanica) nosi opterećenje koje odgovara uvjetu jednakosti relativnih koraka, a male i kratke fluktuacije opterećenja pokrivaju se promjenom opterećenje malog dijela iz jedinica.

Kada raspodjeljuju opterećenje između jedinica koje rade paralelno, nastoje osigurati da sve rade u području najveće učinkovitosti. U tom slučaju osigurava se minimalna potrošnja goriva.

Jedinice zadužene za pokrivanje svih neplaniranih promjena opterećenja, tj. regulacija frekvencije u sustavu mora ispunjavati sljedeće zahtjeve:

• imaju visoku učinkovitost;

• imaju ravnu krivulju učinkovitosti opterećenja, tj. održavaju visoku učinkovitost u širokom rasponu varijacija opterećenja.

U slučaju značajne promjene opterećenja sustava (primjerice, njegovo povećanje), kada cijeli sustav prijeđe u način rada s većom vrijednošću relativnog pojačanja, upravljanje frekvencijom prenosi se na takvu stanicu u čija je veličina relativnog dobitka bliska onoj sustava.

Frekvencijska postaja ima najveći regulacijski raspon unutar svoje instalirane snage. Uvjete upravljanja je lako implementirati ako se kontrola frekvencije može dodijeliti jednoj postaji. Još jednostavnije rješenje dobiva se u slučajevima kada se regulacija može dodijeliti jednoj jedinici.

Brzina turbina određuje frekvenciju u elektroenergetskom sustavu, pa se frekvencija kontrolira djelovanjem na regulatore brzine turbine. Turbine su obično opremljene centrifugalnim regulatorima brzine.

Za regulaciju frekvencije najpogodnije su kondenzacijske turbine s normalnim parametrima pare, dok su protutlačne turbine potpuno neprikladne vrste turbina za regulaciju frekvencije, jer njihovo električno opterećenje u potpunosti određuje korisnik pare i gotovo je potpuno neovisno o frekvenciji u sustavu.

Nepraktično je povjeriti zadatak regulacije frekvencije turbinama s velikim usisima pare, jer, prvo, imaju (vrlo mali raspon regulacije, a drugo, neekonomične su za rad s promjenjivim opterećenjem.

Da bi se održao potreban regulacijski raspon, snaga frekvencijske regulacijske stanice treba biti najmanje 8 - 10% opterećenja u sustavu kako bi postojao dovoljan regulacijski raspon. Područje regulacije termoelektrane ne može biti jednako instaliranoj snazi. Stoga snaga kogeneracije, koja podešava frekvenciju, ovisno o vrsti kotlova i turbina, treba biti dva do tri puta veća od potrebnog raspona podešavanja.

Najmanja instalirana snaga hidroelektrane za stvaranje potrebnog raspona regulacije može biti znatno manja od toplinske. Za hidroelektrane regulacijski raspon obično je jednak instaliranoj snazi. Kada frekvenciju kontrolira hidroelektrana, ne postoji ograničenje stope povećanja opterećenja počevši od trenutka pokretanja turbine. Međutim, regulacija frekvencije hidroelektrana povezana je s dobro poznatom komplikacijom upravljačke opreme.

Osim tipa stanice i karakteristika opreme, na odabir kontrolne stanice utječe i njezin položaj u električnom sustavu, odnosno električna udaljenost od centra opterećenja. Ako se stanica nalazi u središtu električnog opterećenja i povezana je s trafostanicama i drugim stanicama sustava preko moćnih dalekovoda, tada, u pravilu, povećanje opterećenja regulacijske stanice ne dovodi do kršenja statička stabilnost.

Nasuprot tome, kada se kontrolna stanica nalazi daleko od središta sustava, može postojati rizik od nestabilnosti.U tom slučaju, regulacija frekvencije mora biti popraćena kontrolom kuta divergencije e vektora. itd. c. sustav i stanica za upravljanje ili kontrolu prijenosne snage.

Glavni zahtjevi za sustave upravljanja frekvencijom reguliraju:

• parametri i granice prilagodbe,

• statička i dinamička greška,

• brzina promjene opterećenja bloka,

• osiguranje stabilnosti regulatornog procesa,

• sposobnost reguliranja zadanom metodom.

Regulatori trebaju biti jednostavni u dizajnu, pouzdani u radu i jeftini.

Metode regulacije frekvencije u elektroenergetskom sustavu

Rast elektroenergetskih sustava doveo je do potrebe za regulacijom frekvencije nekoliko blokova jedne stanice, a potom i više stanica. U tu svrhu koriste se brojne metode koje osiguravaju stabilan rad elektroenergetskog sustava i kvalitetu visoke frekvencije.

Primijenjeni način upravljanja ne smije dopustiti povećanje granica odstupanja frekvencije zbog grešaka koje se javljaju u pomoćnim uređajima (uređaji za raspodjelu aktivnog opterećenja, telemetrijski kanali, itd.).

Metoda regulacije frekvencije je neophodna kako bi se osiguralo održavanje frekvencije na zadanoj razini, bez obzira na opterećenje jedinica za upravljanje frekvencijom (osim, naravno, ako se ne koristi njihov cijeli raspon upravljanja), broj jedinica i stanica za upravljanje frekvencijom. , te veličina i trajanje odstupanja frekvencije.… Metoda upravljanja također mora osigurati održavanje zadanog omjera opterećenja regulacijskih jedinica i istovremeni ulazak u proces regulacije svih jedinica koje kontroliraju frekvenciju.

Metoda statičkih karakteristika

Najjednostavnija metoda dobiva se podešavanjem frekvencije svih jedinica u sustavu, kada su potonje opremljene regulatorima brzine sa statičkim karakteristikama. U paralelnom radu blokova koji rade bez pomaka regulacijskih karakteristika, raspodjela opterećenja između blokova može se pronaći iz jednadžbi statičkih karakteristika i jednadžbi snage.

Tijekom rada promjene opterećenja značajno premašuju navedene vrijednosti, stoga se frekvencija ne može održavati unutar navedenih granica. Kod ovog načina regulacije potrebno je imati veliku rotirajuću pričuvu raspoređenu po svim jedinicama sustava.

Ovaj način ne može osigurati ekonomičan rad elektrana, jer se, s jedne strane, ne može iskoristiti puni kapacitet ekonomičnih jedinica, as druge strane, opterećenje svih jedinica se stalno mijenja.

Metoda s astatičkom karakteristikom

Ako su sve ili dio jedinica sustava opremljene regulatorima frekvencije s astatičkim karakteristikama, tada će teoretski frekvencija u sustavu ostati nepromijenjena za bilo kakve promjene opterećenja. Međutim, ova metoda upravljanja ne rezultira fiksnim omjerom opterećenja između frekvencijski reguliranih jedinica.

Ova se metoda može uspješno primijeniti kada je upravljanje frekvencijom dodijeljeno jednoj jedinici.U tom slučaju, snaga uređaja treba biti najmanje 8 — 10% snage sustava. Nije važno ima li regulator brzine astatičku karakteristiku ili je uređaj opremljen regulatorom frekvencije s astatičkom karakteristikom.

Sve neplanirane promjene opterećenja percipira jedinica s astatičkom karakteristikom. Budući da frekvencija u sustavu ostaje nepromijenjena, opterećenja na ostalim jedinicama sustava ostaju nepromijenjena. Kontrola frekvencije jedne jedinice u ovoj metodi je savršena, ali se pokazuje neprihvatljivom kada je kontrola frekvencije dodijeljena više jedinica. Ova metoda se koristi za regulaciju u elektroenergetskim sustavima male snage.

Metoda generatora

Metoda glavnog generatora može se koristiti u slučajevima kada je, prema uvjetima sustava, potrebno prilagoditi frekvenciju više jedinica na istoj stanici.

Na jednom od blokova, koji se naziva glavni, ugrađen je regulator frekvencije s astatičkom karakteristikom. Na ostalim blokovima, koji također imaju zadatak regulacije frekvencije, ugrađeni su regulatori opterećenja (ekvilajzeri). Njihova je zadaća održavati zadani omjer između opterećenja glavne jedinice i ostalih jedinica koje pomažu regulirati frekvenciju. Sve turbine u sustavu imaju statičke regulatore brzine.

Metoda imaginarnog etatizma

Zamišljena statička metoda primjenjiva je i na regulaciju s jednom i više stanica.U drugom slučaju moraju postojati dvosmjerni telemetrijski kanali između postaja koje podešavaju frekvenciju i kontrolne sobe (prijenos indikacije opterećenja od postaje do kontrolne sobe i prijenos automatske naredbe od kontrolne sobe do stanice). ).

Na svaki uređaj uključen u regulaciju ugrađen je regulator frekvencije. Ova regulacija je astatična s obzirom na održavanje frekvencije u sustavu i statična s obzirom na raspodjelu opterećenja između generatora. Osigurava stabilnu raspodjelu opterećenja između modulirajućih generatora.

Podjela opterećenja između frekvencijski upravljanih uređaja postiže se pomoću uređaja za aktivnu raspodjelu opterećenja. Potonji, sažimajući cjelokupno opterećenje upravljačkih jedinica, dijeli ga između njih u određenom unaprijed određenom omjeru.

Metoda imaginarnog statizma također omogućuje reguliranje frekvencije u sustavu od više postaja, a pritom će se poštovati zadani omjer opterećenja kako između postaja tako i između pojedinih jedinica.

Metoda sinkronog vremena

Ova metoda koristi odstupanje sinkronog vremena od astronomskog vremena kao kriterij za regulaciju frekvencije u elektroenergetskim sustavima s više stanica bez upotrebe telemehanike. Ova se metoda temelji na statičkoj ovisnosti odstupanja sinkronog vremena od astronomskog vremena, počevši od određenog trenutka u vremenu.

Pri normalnoj sinkronoj brzini rotora turbogeneratora sustava i jednakosti zakretnih momenata i momenata otpora, rotor sinkronog motora okretat će se istom brzinom. Ako se na os rotora sinkronog motora postavi strelica, ona će pokazivati ​​vrijeme na određenoj skali. Postavljanjem odgovarajućeg zupčanika između osovine sinkronog motora i osi kazaljke, moguće je postići da se kazaljka okreće brzinom sata, minute ili sekundne kazaljke na satu.

Vrijeme prikazano ovom strelicom naziva se sinkrono vrijeme. Astronomsko vrijeme se izvodi iz točnih izvora vremena ili iz standarda frekvencije električne struje.

Metoda za simultanu kontrolu astatičkih i statičkih karakteristika

Suština ove metode je sljedeća. U elektroenergetskom sustavu postoje dvije regulacijske stanice od kojih jedna radi po astatičkoj karakteristici, a druga po statičkoj s malim statičkim koeficijentom. Za mala odstupanja od stvarnog rasporeda opterećenja iz kontrolne sobe, sve fluktuacije opterećenja će percipirati stanica s astatičkom karakteristikom.

U tom će slučaju kontrolna stanica sa statičkom karakteristikom sudjelovati u regulaciji samo u prijelaznom načinu rada, izbjegavajući velika odstupanja frekvencije. Kada je raspon podešavanja prve postaje iscrpljen, druga postaja ulazi u podešavanje. U tom će slučaju nova vrijednost stacionarne frekvencije biti drugačija od nominalne.

Dok prva stanica kontrolira frekvenciju, opterećenje baznih stanica ostat će nepromijenjeno. Kada se prilagodi drugom stanicom, opterećenje baznih stanica će odstupiti od ekonomskog.Prednosti i nedostaci ove metode su očiti.

Metoda upravljanja zaključavanjem napajanja

Ova se metoda sastoji u tome da svaki od elektroenergetskih sustava uključenih u interkonekciju sudjeluje u regulaciji frekvencije samo ako je odstupanje frekvencije uzrokovano promjenom opterećenja u njemu. Metoda se temelji na sljedećem svojstvu međusobno povezanih energetskih sustava.

Ako je u bilo kojem elektroenergetskom sustavu došlo do povećanja opterećenja, tada smanjenje frekvencije u njemu prati smanjenje zadane snage izmjene, dok u drugim elektroenergetskim sustavima smanjenje frekvencije prati povećanje zadane snage izmjene.

To je zbog činjenice da svi uređaji koji imaju karakteristike statičke kontrole, pokušavajući održati frekvenciju, povećavaju izlaznu snagu. Dakle, za elektroenergetski sustav u kojem je došlo do promjene opterećenja predznak odstupanja frekvencije i predznak odstupanja snage razmjene se podudaraju, ali u drugim elektroenergetskim sustavima ti predznaci nisu isti.

Svaki elektroenergetski sustav ima jednu upravljačku stanicu u kojoj su ugrađeni frekvencijski regulatori i relej za blokadu razmjene.

Također je moguće ugraditi u jedan od sustava regulator frekvencije blokiran relejem za razmjenu snage, au susjednom elektroenergetskom sustavu - regulator snage zamjene blokiran relejem frekvencije.

Druga metoda ima prednost u odnosu na prvu ako regulator izmjenične struje može raditi na nazivnoj frekvenciji.

Kada se opterećenje u elektroenergetskom sustavu promijeni, znakovi odstupanja frekvencije i snage razmjene se podudaraju, upravljački krug nije blokiran, a pod djelovanjem regulatora frekvencije opterećenje blokova ovog sustava se povećava ili smanjuje. U drugim elektroenergetskim sustavima predznaci odstupanja frekvencije i snage razmjene su različiti i stoga su upravljački krugovi blokirani.

Regulacija ovom metodom zahtijeva postojanje televizijskih kanala između trafostanice iz koje polazi spojni vod prema drugom elektroenergetskom sustavu i stanice koja regulira frekvenciju ili razmjenski protok. Metoda upravljanja blokadom može se uspješno primijeniti u slučajevima kada su elektroenergetski sustavi međusobno povezani samo jednom vezom.

Metoda frekvencijskog sustava

U međusobno povezanom sustavu koji uključuje nekoliko elektroenergetskih sustava, kontrola frekvencije se ponekad dodjeljuje jednom sustavu, dok drugi kontroliraju prijenosnu snagu.

Metoda unutarnjeg etatizma

Ova metoda je daljnji razvoj metode blokiranja kontrole. Blokada ili pojačanje djelovanja regulatora frekvencije ne provodi se pomoću posebnih energetskih releja, već stvaranjem statizma u prijenosu (razmjeni) snage između sustava.

U svakom od paralelno djelujućih energetskih sustava raspoređena je po jedna regulacijska stanica na kojoj su ugrađeni regulatori koji imaju statizam u razmjeni snage. Regulatori reagiraju i na apsolutnu vrijednost frekvencije i na snagu izmjene, pri čemu se potonja održava konstantnom, a frekvencija jednaka nominalnoj.

U praksi, u elektroenergetskom sustavu tijekom dana opterećenje ne ostaje nepromijenjeno, ali promjene prema rasporedu opterećenja, broj i snaga generatora u sustavu te navedena snaga razmjene također ne ostaju nepromijenjeni. Stoga statički koeficijent sustava ne ostaje konstantan.

S većim proizvodnim kapacitetom u sustavu, on je manji, a s manjom snagom, naprotiv, statički koeficijent sustava je veći. Stoga traženi uvjet jednakosti koeficijenata etatizma neće uvijek biti ispunjen. To će rezultirati činjenicom da će se pri promjeni opterećenja u jednom elektroenergetskom sustavu uključiti frekvencijski pretvarači u oba elektroenergetska sustava.

U elektroenergetskom sustavu gdje je došlo do odstupanja opterećenja, pretvarač frekvencije će djelovati cijelo vrijeme u jednom smjeru tijekom cijelog procesa regulacije, pokušavajući kompenzirati nastalu neravnotežu. U drugom elektroenergetskom sustavu rad regulatora frekvencije bit će dvosmjeran.

Ako je stat koeficijent regulatora u odnosu na snagu izmjene veći od stat koeficijenta sustava, tada će na početku procesa regulacije upravljačka stanica ovog elektroenergetskog sustava smanjiti opterećenje, čime će se povećati snaga izmjene, a nakon toga povećati opterećenje kako bi se vratila zadana vrijednost snage izmjene na nazivnoj frekvenciji.

Kada je stat koeficijent regulatora u odnosu na snagu razmjene manji od stat koeficijenta sustava, regulacijski slijed u drugom elektroenergetskom sustavu bit će obrnut (prvo će se povećati prihvaćanje pogonskog faktora, a zatim će smanjenje).