Režimi opterećenja elektroenergetskih sustava i optimalna raspodjela opterećenja između elektrana
Način na koji se energija troši, a time i opterećenje sustava je neravnomjerno: ima karakteristične fluktuacije unutar jednog dana, kao i sezonske fluktuacije unutar godine dana. Ove fluktuacije uglavnom su određene ritmom rada poduzeća - potrošača električne energije, povezanim s ovim ritmom života stanovništva, u manjoj mjeri - geografskim čimbenicima.
Općenito, dnevni ciklus uvijek karakterizira veće ili manje smanjenje potrošnje noću, za godišnji ciklus — u ljetnim mjesecima. Dubina ovih fluktuacija opterećenja ovisi o sastavu korisnika.
Poduzeća koja rade 24 sata dnevno, osobito s prevladavanjem kontinuiranih tehnoloških procesa (metalurgija, kemija, ugljenokop), imaju gotovo isti način potrošnje.
Poduzeća iz metaloprerađivačke i strojograđevne industrije, čak i uz trosmjenski rad, imaju primjetne fluktuacije u potrošnji energije povezane s uobičajenim smanjenjem proizvodne aktivnosti tijekom noćnih smjena. Pri radu u jednoj ili dvije smjene noću uočava se naglo smanjenje potrošnje energije. Osjetno smanjenje potrošnje bilježi se iu ljetnim mjesecima.
Još oštrije oscilacije u potrošnji energije karakteristične su za poduzeća prehrambene i lake industrije, dok je najveća neravnomjernost potrošnje uočena u sektoru kućanstava.
Način opterećenja sustava odražava sve ove fluktuacije u potrošnji energije u zbrojenom i, naravno, donekle izglađenom obliku. Uvjeti opterećenja obično se prikazuju u obliku rasporeda opterećenja.
Na dnevnom grafikonu na apscisi su sati, a na ordinati opterećenja u MW ili % maksimalnog opterećenja. Maksimalno opterećenje najčešće pada u večernjim satima, kada se rasvjeta superponira na potrošnju energije proizvodnje. Zato se maksimalna točka nešto pomiče unutar godine.
Vrhunac opterećenja je u jutarnjim satima, što odražava maksimalnu proizvodnu aktivnost. U poslijepodnevnim satima, opterećenje se smanjuje, noću se naglo smanjuje.
Na apscisu godišnjih grafikona nanose se mjeseci, a na ordinatu mjesečne količine kilovat-sata ili mjesečna vršna opterećenja. Maksimalno opterećenje pada na kraju godine — zbog prirodnog prirasta tijekom godine.
Neravnomjeran način punjenja, s jedne strane, raznolikost opreme za proizvodnju energije i njezinih pogonskih i tehničko-ekonomskih karakteristika, s druge strane, predstavljaju složen zadatak za osoblje sustava za optimalnu raspodjelu opterećenja između stanica i proizvodnih jedinica.
Proizvodnja električne energije ima svoju cijenu. Za toplinske stanice — to su troškovi goriva, uz održavanje servisnog osoblja, popravke opreme, odbitke amortizacije.
Na različitim stanicama, ovisno o njihovoj tehničkoj razini, snazi, stanju opreme, specifični trošak proizvodnje jednog Vt • h je različit.
Opći kriterij za raspodjelu opterećenja između stanica (i unutar stanice između blokova) su minimalni ukupni operativni troškovi za proizvodnju određene količine električne energije.
Za svaku postaju (svaku jedinicu) troškovi se mogu prikazati u funkcionalnom odnosu prema načinu naplate.
Uvjet za minimum ukupnih troškova, a time i uvjet za optimalnu raspodjelu opterećenja u sustavu, formuliran je na sljedeći način: opterećenje mora biti raspoređeno tako da se uvijek održava jednakost relativnih koraka stanica (jedinica).
Gotovo relativne korake stanica i jedinica pri različitim vrijednostima njihovih opterećenja unaprijed izračunavaju dispečerske službe i prikazuju se kao krivulje (vidi sliku).
Relativne krivulje rasta
Vodoravna linija odražava raspodjelu ovog opterećenja koja odgovara optimalnom stanju.
Optimalna raspodjela opterećenja sustava između stanica ima i tehničku stranu.Jedinice koje pokrivaju varijabilni dio krivulje opterećenja, posebno oštre gornje vršne vrijednosti, rade u uvjetima opterećenja koji se brzo mijenjaju, ponekad uz svakodnevna zaustavljanja i pokretanja.
Moderno moćno jedinice parne turbine nisu prilagođeni takvom načinu rada: potrebno im je mnogo sati da se pokrenu, rad u režimu promjenjivog opterećenja, posebno s čestim zaustavljanjima, dovodi do povećanja nesreća i ubrzanog trošenja, a povezan je i s dodatnom prilično osjetljivom prekomjernom potrošnjom goriva.
Stoga se za pokrivanje "vrhova" opterećenja u sustavima koriste jedinice drugog tipa koje su tehnički i ekonomski dobro prilagođene režimu rada s oštro promjenjivim opterećenjem.
Idealne su za ovu namjenu hidroelektrane: pokretanje hidrauličke jedinice i njezino puno opterećenje zahtijevaju jednu do dvije minute, nisu povezani s dodatnim gubicima i tehnički su prilično pouzdani.
Hidroelektrane projektirane za pokrivanje vršnih opterećenja grade se s dramatično povećanim kapacitetom: time se kapitalna investicija smanjuje za 1 kW, čime se može usporediti sa specifičnom investicijom u snažne termoelektrane i osigurava potpunije korištenje vodnih resursa.
Budući da su mogućnosti izgradnje hidroelektrana u mnogim područjima ograničene, gdje topografija područja omogućuje postizanje dovoljno velikih padova, crpno-akumulacijske hidroelektrane (CHE) grade se za pokrivanje vršnih opterećenja.
Jedinice takve stanice obično su reverzibilne: tijekom sati kvara sustava noću rade kao crpne jedinice, podižući vodu u visoko postavljenom rezervoaru. Tijekom sati punog opterećenja rade u načinu rada za proizvodnju električne energije napajanjem vode pohranjene u spremniku.
Naširoko se koriste za pokrivanje vršnih opterećenja plinskih turbinskih elektrana. Za njihovo pokretanje potrebno je samo 20-30 minuta, podešavanje opterećenja je jednostavno i ekonomično. Troškovi vršnih GTPP-ova također su povoljni.
Pokazatelji kvalitete električne energije su stupanj stalnosti frekvencije i napona. Održavanje konstantne frekvencije i napona na danoj razini od velike je važnosti. Kako se frekvencija smanjuje, brzina motora se proporcionalno smanjuje, stoga se smanjuje učinkovitost mehanizama koje oni pokreću.
Ne treba misliti da povećanje frekvencije i napona ima blagotvoran učinak. Povećanjem frekvencije i napona naglo rastu gubici u magnetskim krugovima i zavojnicama svih električnih strojeva i uređaja, povećava se njihovo zagrijavanje i ubrzava se trošenje. Osim toga, promjena u frekvenciji i stoga u broju okretaja motora često prijeti odbacivanjem proizvoda.
Konstantnost frekvencije osigurava se održavanjem jednakosti između efektivne snage primarnih motora sustava i ukupnog suprotnog mehaničkog momenta koji nastaje u generatorima međudjelovanjem magnetskih tokova i struja. Ovaj moment proporcionalan je električnom opterećenju sustava.
Opterećenje sustava se stalno mijenja.Ako se opterećenje povećava, moment kočenja u generatorima postaje veći od efektivnog momenta glavnih motora, postoji opasnost od smanjenja brzine i frekvencije. Smanjenje opterećenja ima suprotan učinak.
Za održavanje frekvencije potrebno je sukladno tome promijeniti ukupnu efektivnu snagu glavnih motora: povećanje u prvom slučaju, smanjenje u drugom. Stoga, kako bi se kontinuirano održavala frekvencija na danoj razini, sustav mora imati dovoljnu opskrbu ekstremno mobilnom energijom u stanju pripravnosti.
Zadaća regulacije frekvencije dodjeljuje se određenim postajama koje rade s dovoljnom količinom slobodne, brzo mobilizirane snage. Hidroelektrane se najbolje mogu nositi s tim odgovornostima.
Za više informacija o značajkama i metodama kontrole frekvencije pogledajte ovdje: Regulacija frekvencije u elektroenergetskom sustavu