Regulacja częstotliwości w systemie elektroenergetycznym

W systemach elektroenergetycznych w każdej chwili musi być wyprodukowana taka ilość energii elektrycznej, jaka jest potrzebna do jej zużycia w danym momencie, ponieważ nie ma możliwości tworzenia rezerw energii elektrycznej.

Częstotliwość wraz z napięciem jest jednym z głównych wskaźniki jakości energii... Odchylenie częstotliwości od normy prowadzi do zakłócenia pracy elektrowni, co z reguły prowadzi do spalania paliwa. Spadek częstotliwości w systemie prowadzi do spadku wydajności mechanizmów w przedsiębiorstwach przemysłowych i do spadku wydajności głównych jednostek elektrowni. Wzrost częstotliwości prowadzi również do spadku sprawności bloków elektrowni i wzrostu strat sieciowych.

Obecnie problematyka automatycznej regulacji częstotliwości obejmuje szeroki zakres zagadnień o charakterze ekonomicznym i technicznym. System elektroenergetyczny przeprowadza obecnie automatyczną regulację częstotliwości.

Wpływ częstotliwości na pracę urządzeń elektrowni

Wszystkie jednostki wykonujące ruch obrotowy są obliczane w taki sposób, aby ich najwyższa sprawność realizowana była trzykrotnie od jednej bardzo określonej prędkości obrotowej, a mianowicie od nominalnej. Obecnie jednostki wykonujące ruch obrotowy są w większości podłączone do maszyn elektrycznych.

Produkcja i zużycie energii elektrycznej odbywa się głównie za pomocą prądu przemiennego; dlatego większość bloków wykonujących ruch obrotowy związana jest z częstotliwością prądu przemiennego. Rzeczywiście, tak jak częstotliwość alternatora generowanego przez alternator zależy od prędkości obrotowej turbiny, tak prędkość mechanizmu napędzanego silnikiem prądu przemiennego zależy od częstotliwości.

Odchylenia częstotliwości prądu przemiennego od wartości nominalnej mają różny wpływ na różne typy jednostek, a także na różne urządzenia i aparaty, od których zależy sprawność systemu elektroenergetycznego.

Turbina parowa i jej łopatki są zaprojektowane w taki sposób, aby zapewnić maksymalną możliwą moc na wale przy znamionowej prędkości (częstotliwości) i bezproblemowym dopływie pary. W tym przypadku zmniejszenie prędkości obrotowej prowadzi do powstania strat na uderzenie pary na łopatkę przy jednoczesnym wzroście momentu obrotowego, a zwiększenie prędkości obrotowej prowadzi do zmniejszenia momentu obrotowego i zwiększenia uderzenie w tylną stronę ostrza. Najbardziej ekonomiczna turbina pracuje przy częstotliwość nominalna.

Ponadto praca ze zmniejszoną częstotliwością prowadzi do przyspieszonego zużycia łopatek wirnika turbiny i innych części.Zmiana częstotliwości wpływa na działanie mechanizmów zużycia własnego elektrowni.

Wpływ częstotliwości na wydajność odbiorców energii elektrycznej

Mechanizmy i jednostki odbiorców energii elektrycznej można podzielić na pięć grup w zależności od stopnia ich zależności od częstotliwości.

Pierwsza grupa. Użytkownicy, u których zmiana częstotliwości nie ma bezpośredniego wpływu na rozwijaną moc. Należą do nich: oświetlenie, elektryczne piece łukowe, upływy rezystancyjne, prostowniki i zasilane nimi obciążenia.

Druga grupa. Mechanizmy, których moc zmienia się proporcjonalnie do pierwszej potęgi częstotliwości. Mechanizmy te obejmują: maszyny do cięcia metalu, młyny kulowe, sprężarki.

Trzecia grupa. Mechanizmy, których moc jest proporcjonalna do kwadratu częstotliwości. Są to mechanizmy, których moment oporu jest proporcjonalny do częstotliwości w pierwszym stopniu. Nie ma mechanizmów z dokładnie takim momentem oporu, ale wiele mechanizmów specjalnych ma moment zbliżony do tego.

Czwarta grupa. Mechanizmy momentu obrotowego wentylatora, których moc jest proporcjonalna do sześcianu częstotliwości. Takie mechanizmy obejmują wentylatory i pompy o zerowym lub znikomym oporze statycznym.

Piąta grupa. Mechanizmy, których moc w większym stopniu zależy od częstotliwości. Do takich mechanizmów należą pompy o dużej wysokości podnoszenia oporów statycznych (np. pompy zasilające elektrownie).

Wydajność ostatnich czterech grup użytkowników spada wraz ze spadkiem częstotliwości i wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że praca ze zwiększoną częstotliwością jest korzystna dla użytkowników, ale jest to dalekie od przypadku.

Ponadto wraz ze wzrostem częstotliwości moment obrotowy silnika indukcyjnego maleje, co może spowodować utknięcie i zatrzymanie urządzenia, jeśli silnik nie ma rezerw mocy.

Automatyczna regulacja częstotliwości w systemie elektroenergetycznym

Celem automatycznej regulacji częstotliwości w systemach elektroenergetycznych jest przede wszystkim zapewnienie ekonomicznej pracy stacji i systemów elektroenergetycznych. Sprawności pracy systemu elektroenergetycznego nie da się osiągnąć bez zachowania normalnej wartości częstotliwości oraz bez najkorzystniejszego rozdziału obciążenia między pracujące równolegle jednostki i elektrownie systemu elektroenergetycznego.

Aby regulować częstotliwość, obciążenie jest rozdzielane na kilka równoległych jednostek roboczych (stacji). Jednocześnie obciążenie jest rozdzielane między jednostki w taki sposób, że przy niewielkich zmianach obciążenia systemu (do 5-10%) tryb pracy ogromnej liczby jednostek i stacji nie zmienia się.

Przy zmiennym charakterze obciążenia najlepszym trybem będzie taki, w którym główna część bloków (stacji) przenosi obciążenie odpowiadające warunkowi równości skoków względnych, a małe i krótkie wahania obciążenia są pokrywane zmiennymi obciążenie małej części z jednostek.

Rozkładając obciążenie pomiędzy pracujące równolegle jednostki, starają się, aby wszystkie pracowały w obszarze najwyższej sprawności, przy minimalnym zużyciu paliwa.

Jednostki, których zadaniem jest pokrycie wszystkich nieplanowanych zmian obciążenia, tj. regulacja częstotliwości w systemie musi spełniać następujące wymagania:

• mieć wysoką wydajność;

• mieć płaską krzywą wydajności obciążenia, tj. utrzymać wysoką sprawność w szerokim zakresie zmian obciążenia.

W przypadku znacznej zmiany obciążenia systemu (np. jego wzrostu), gdy cały system przejdzie w tryb pracy z większą wartością wzmocnienia względnego, sterowanie częstotliwością jest przekazywane do takiej stacji w których wielkość względnego wzmocnienia jest zbliżona do wielkości systemu.

Stacja częstotliwości ma największy zakres regulacji w ramach zainstalowanej mocy. Warunki sterowania są łatwe do wdrożenia, jeśli sterowanie częstotliwością można przypisać do pojedynczej stacji. Jeszcze prostsze rozwiązanie uzyskuje się w przypadkach, gdy regulację można przypisać do pojedynczej jednostki.

Prędkość turbin determinuje częstotliwość w systemie elektroenergetycznym, więc częstotliwość jest kontrolowana poprzez działanie na regulatory prędkości turbiny. Turbiny są zwykle wyposażone w regulatory prędkości odśrodkowej.

Najbardziej odpowiednie do regulacji częstotliwości są turbiny kondensacyjne o normalnych parametrach pary Turbiny przeciwprężne są zupełnie nieodpowiednimi typami turbin do regulacji częstotliwości, ponieważ ich obciążenie elektryczne jest całkowicie określane przez użytkownika pary i jest prawie całkowicie niezależne od częstotliwości w systemie.

Powierzanie regulacji częstotliwości turbinom o dużych ssaniach pary jest niepraktyczne, ponieważ po pierwsze mają one bardzo mały zakres regulacji, a po drugie są nieekonomiczne przy pracy z obciążeniem zmiennym.

Aby utrzymać wymagany zakres regulacji, moc stacji regulacji częstotliwości powinna wynosić co najmniej 8 - 10% obciążenia w systemie, tak aby zakres regulacji był wystarczający. Zakres regulacji elektrociepłowni nie może być równy mocy zainstalowanej. Dlatego też moc elektrociepłowni, która dopasowuje częstotliwość w zależności od rodzaju kotłów i turbin, powinna być 2-3 razy większa od wymaganego zakresu regulacji.

Najmniejsza zainstalowana moc elektrowni wodnej, aby stworzyć niezbędny zakres regulacji, może być znacznie mniejsza niż moc cieplna. Dla elektrowni wodnych zakres regulacji jest zwykle równy zainstalowanej mocy. Gdy częstotliwość jest regulowana przez elektrownię wodną, ​​nie ma ograniczeń co do tempa wzrostu obciążenia począwszy od momentu uruchomienia turbiny. Jednak regulacja częstotliwości w elektrowniach wodnych wiąże się z dobrze znaną komplikacją urządzeń sterujących.

Oprócz rodzaju stacji i charakterystyki wyposażenia, na wybór stacji sterującej ma wpływ jej lokalizacja w instalacji elektrycznej, czyli odległość elektryczna od centrum obciążenia. Jeżeli stacja znajduje się w środku obciążenia elektrycznego i jest połączona z podstacjami i innymi stacjami systemu za pomocą linii energetycznych dużej mocy, to z reguły wzrost obciążenia stacji regulacyjnej nie prowadzi do naruszenia stabilność statyczna.

I odwrotnie, gdy stacja kontrolna znajduje się daleko od centrum systemu, może wystąpić ryzyko niestabilności.W takim przypadku regulacji częstotliwości musi towarzyszyć kontrola kąta rozbieżności wektorów e. itp. c. system i stanowisko do zarządzania lub sterowania przesyłaną mocą.

Główne wymagania dotyczące systemów kontroli częstotliwości regulują:

• parametry i granice regulacji,

• błąd statyczny i dynamiczny,

• szybkość zmian obciążenia bloku,

• zapewnienie stabilności procesu regulacyjnego,

• możliwość regulacji określoną metodą.

Regulatory powinny być proste w konstrukcji, niezawodne w działaniu i niedrogie.

Metody regulacji częstotliwości w systemie elektroenergetycznym

Rozwój systemów elektroenergetycznych doprowadził do konieczności regulacji częstotliwości kilku bloków jednej stacji, a następnie kilku stacji. W tym celu stosuje się szereg metod zapewniających stabilną pracę systemu elektroenergetycznego oraz jakość wysokich częstotliwości.

Zastosowany sposób sterowania nie może dopuszczać do zwiększenia limitów odchyłki częstotliwości na skutek błędów występujących w urządzeniach pomocniczych (aktywnych urządzeniach dystrybucji obciążenia, kanałach telemetrycznych itp.).

Sposób regulacji częstotliwości jest niezbędny, aby zapewnić utrzymanie częstotliwości na zadanym poziomie, niezależnie od obciążenia jednostek kontroli częstotliwości (chyba, że ​​wykorzystany jest oczywiście cały ich zakres regulacji), liczby jednostek i stacji kontroli częstotliwości oraz wielkość i czas trwania odchylenia częstotliwości.… Sposób sterowania musi również zapewniać utrzymanie zadanego stosunku obciążenia jednostek sterujących i jednoczesne wejście w proces regulacji wszystkich jednostek sterujących częstotliwością.

Metoda charakterystyk statycznych

Najprostszą metodę uzyskuje się poprzez regulację częstotliwości wszystkich jednostek w systemie, gdy te ostatnie są wyposażone w regulatory prędkości o charakterystyce statycznej. W pracy równoległej bloków pracujących bez przesuwania charakterystyk sterowania rozkład obciążeń pomiędzy blokami można znaleźć ze statycznych równań charakterystycznych oraz z równań mocy.

Podczas pracy zmiany obciążenia znacznie przekraczają określone wartości, dlatego nie można utrzymać częstotliwości w określonych granicach. Przy tej metodzie regulacji konieczne jest posiadanie dużej rezerwy rotacyjnej rozłożonej na wszystkie jednostki systemu.

Metoda ta nie może zapewnić ekonomicznej pracy elektrowni, ponieważ z jednej strony nie jest w stanie wykorzystać pełnej mocy ekonomicznych jednostek, az drugiej strony obciążenie wszystkich jednostek stale się zmienia.

Metoda o charakterystyce astatycznej

Jeżeli całość lub część jednostek systemu jest wyposażona w regulatory częstotliwości o charakterystyce astatycznej, to teoretycznie częstotliwość w systemie pozostanie niezmieniona przy wszelkich zmianach obciążenia. Jednak ta metoda sterowania nie skutkuje stałym stosunkiem obciążenia między jednostkami sterowanymi częstotliwością.

Metodę tę można z powodzeniem zastosować w przypadku przyporządkowania regulacji częstotliwości do pojedynczego urządzenia.W takim przypadku moc urządzenia powinna wynosić co najmniej 8 — 10% mocy systemu. Nie ma znaczenia, czy regulator prędkości ma charakterystykę astatyczną, czy urządzenie jest wyposażone w regulator częstotliwości o charakterystyce astatycznej.

Wszystkie nieplanowane zmiany obciążenia są postrzegane przez jednostkę o charakterystyce astatycznej. Ponieważ częstotliwość w systemie pozostaje niezmieniona, obciążenia innych jednostek systemu pozostają niezmienione. Sterowanie częstotliwością pojedynczej jednostki w tej metodzie jest doskonałe, ale okazuje się niedopuszczalne, gdy sterowanie częstotliwością jest przypisane do wielu jednostek. Metoda ta stosowana jest do regulacji w systemach elektroenergetycznych małej mocy.

Metoda generatora

Metodę generatora nadrzędnego można zastosować w przypadkach, gdy w zależności od warunków systemowych konieczne jest dostosowanie częstotliwości kilku jednostek na tej samej stacji.

Regulator częstotliwości o charakterystyce astatycznej jest zainstalowany na jednym z bloków, zwanym głównym. Regulatory obciążenia (korektory) są zainstalowane na pozostałych blokach, które są również obciążone zadaniem regulacji częstotliwości. Ich zadaniem jest utrzymywanie określonego stosunku między obciążeniem jednostki nadrzędnej a innymi jednostkami, które pomagają regulować częstotliwość. Wszystkie turbiny w systemie posiadają statyczne regulatory prędkości.

Metoda wyimaginowanego etatyzmu

Wyimaginowana metoda statyczna ma zastosowanie zarówno do regulacji jednostanowiskowej, jak i wielostanowiskowej.W drugim przypadku między stacjami dostosowującymi częstotliwość a dyspozytornią muszą istnieć dwukierunkowe kanały telemetryczne (transmisja wskazania obciążenia ze stacji do dyspozytorni oraz transmisja automatycznego rozkazu z nastawni do dyspozytorni ).

Regulator częstotliwości jest zainstalowany na każdym urządzeniu biorącym udział w regulacji. Regulacja ta jest astatyczna ze względu na utrzymanie częstotliwości w systemie i statyczna ze względu na rozkład obciążeń pomiędzy generatorami. Zapewnia stabilną dystrybucję obciążeń pomiędzy modulującymi generatorami.

Podział obciążenia między urządzeniami sterowanymi częstotliwościowo odbywa się za pomocą aktywnego urządzenia do podziału obciążenia. Ten ostatni, podsumowując całe obciążenie jednostek sterujących, dzieli je między nie w określonym z góry stosunku.

Metoda etatyzmu urojonego umożliwia również regulację częstotliwości w systemie kilku stacji, przy jednoczesnym zachowaniu zadanego stosunku obciążenia zarówno między stacjami, jak i między poszczególnymi jednostkami.

Metoda czasu synchronicznego

Metoda ta wykorzystuje odchylenie czasu synchronicznego od czasu astronomicznego jako kryterium regulacji częstotliwości w wielostanowiskowych systemach elektroenergetycznych bez użycia telemechaniki. Metoda ta opiera się na statycznej zależności odchylenia czasu synchronicznego od czasu astronomicznego, począwszy od pewnego momentu w czasie.

Przy normalnej prędkości synchronicznej wirników turbogeneratorów układu i równości momentów obrotowych i momentów oporu wirnik silnika synchronicznego będzie się obracał z tą samą prędkością. Jeśli strzałka zostanie umieszczona na osi wirnika silnika synchronicznego, pokaże czas w określonej skali. Umieszczając odpowiednią przekładnię między wałem silnika synchronicznego a osią wskazówki, można wprawić wskazówkę w ruch obrotowy z prędkością wskazówki godzinowej, minutowej lub sekundowej zegara.

Czas pokazany tą strzałką nazywany jest czasem synchronicznym. Czas astronomiczny pochodzi z dokładnych źródeł czasu lub ze wzorców częstotliwości prądu elektrycznego.

Metoda jednoczesnej kontroli charakterystyk astatycznych i statycznych

Istota tej metody jest następująca. W systemie elektroenergetycznym występują dwie stacje kontrolne, jedna z nich pracuje według charakterystyki astatycznej, a druga według charakterystyki statycznej z małym współczynnikiem statycznym. Przy niewielkich odchyleniach od rzeczywistego rozkładu obciążenia z dyspozytorni, wszelkie wahania obciążenia będą odbierane przez stację o charakterystyce astatycznej.

W takim przypadku stacja sterująca o charakterystyce statycznej będzie uczestniczyć w regulacji tylko w trybie przejściowym, unikając dużych odchyleń częstotliwości. Kiedy zakres regulacji pierwszej stacji zostanie wyczerpany, druga stacja przechodzi do regulacji. W takim przypadku nowa wartość częstotliwości stacjonarnej będzie inna niż nominalna.

Podczas gdy pierwsza stacja kontroluje częstotliwość, obciążenie stacji bazowych pozostanie niezmienione. Przy regulacji przez drugą stację obciążenie stacji bazowych będzie odbiegać od ekonomicznego.Zalety i wady tej metody są oczywiste.

Metoda zarządzania blokadą zasilania

Metoda ta polega na tym, że każdy z systemów elektroenergetycznych wchodzących w skład połączenia uczestniczy w regulacji częstotliwości tylko wtedy, gdy odchylenie częstotliwości jest spowodowane zmianą obciążenia w nim. Metoda opiera się na następującej właściwości połączonych systemów energetycznych.

Jeżeli w jakimkolwiek systemie elektroenergetycznym wzrosło obciążenie, to spadkowi w nim częstotliwości towarzyszy spadek danej mocy wymiennej, podczas gdy w innych systemach elektroenergetycznych spadkowi częstotliwości towarzyszy wzrost danej mocy wymiennej.

Wynika to z faktu, że wszystkie urządzenia, które mają charakterystykę kontroli statycznej, próbując utrzymać częstotliwość, zwiększają moc wyjściową. Zatem dla systemu elektroenergetycznego, w którym nastąpiła zmiana obciążenia, znak odchyłki częstotliwości i znak odchyłki mocy wymiany są zgodne, ale w innych systemach elektroenergetycznych znaki te nie są tożsame.

Każdy system elektroenergetyczny posiada jedną stację sterowniczą, w której zainstalowane są regulatory częstotliwości oraz przekaźnik blokujący moc giełdy.

Możliwe jest również zainstalowanie w jednym z systemów regulatora częstotliwości blokowanego przez przekaźnik giełdy mocy, aw sąsiednim systemie elektroenergetycznym - regulatora mocy giełdy blokowanego przekaźnikiem częstotliwości.

Druga metoda ma przewagę nad pierwszą, jeśli regulator mocy AC może pracować z częstotliwością znamionową.

Gdy zmienia się obciążenie w systemie elektroenergetycznym, znaki odchyleń częstotliwości i moc wymiany pokrywają się, obwód sterowania nie jest blokowany, a pod działaniem regulatora częstotliwości obciążenie bloków tego systemu wzrasta lub maleje. W innych systemach elektroenergetycznych znaki odchyłki częstotliwości i mocy wymiany są inne, w związku z czym obwody sterujące są zablokowane.

Regulacja tą metodą wymaga obecności kanałów telewizyjnych między podstacją, z której odchodzi linia łącząca do innego systemu elektroenergetycznego, a stacją regulującą częstotliwość lub przepływ wymiany. Metoda sterowania blokowaniem może być z powodzeniem stosowana w przypadkach, gdy systemy elektroenergetyczne są połączone ze sobą tylko jednym łączem.

Metoda systemu częstotliwości

W połączonym systemie, który obejmuje kilka systemów elektroenergetycznych, regulacja częstotliwości jest czasami przypisana do jednego systemu, podczas gdy inne kontrolują przesyłaną moc.

Metoda etatyzmu wewnętrznego

Metoda ta jest dalszym rozwinięciem metody blokowania sterowania. Blokowanie lub wzmacnianie działania regulatora częstotliwości nie odbywa się za pomocą specjalnych przekaźników mocy, ale poprzez tworzenie etatyzmu w przesyłanej (wymienianej) mocy między systemami.

W każdym z pracujących równolegle systemów elektroenergetycznych przydzielona jest jedna stacja regulacyjna, na której zainstalowane są regulatory posiadające etatyzm w zakresie mocy wymiany. Regulatory reagują zarówno na bezwzględną wartość częstotliwości, jak i moc wymiany, przy czym ta ostatnia jest utrzymywana na stałym poziomie, a częstotliwość jest równa nominalnej.

W praktyce w systemie elektroenergetycznym w ciągu doby obciążenie nie pozostaje niezmienione, ale zmiany zgodnie z harmonogramem obciążenia, liczba i moc generatorów w systemie oraz określona moc giełdowa również nie pozostają niezmienione. Dlatego współczynnik statyczny układu nie pozostaje stały.

Przy większej mocy wytwórczej w systemie jest ona mniejsza, a przy mniejszej mocy wręcz przeciwnie, współczynnik statyczny systemu jest wyższy. Dlatego wymagany warunek równości współczynników etatyzmu nie zawsze będzie spełniony. Spowoduje to, że przy zmianie obciążenia w jednym systemie elektroenergetycznym zaczną działać przetwornice częstotliwości w obu systemach elektroenergetycznych.

W systemie elektroenergetycznym, w którym wystąpiło odchylenie obciążenia, przetwornica częstotliwości będzie działać cały czas w jednym kierunku podczas całego procesu regulacji, starając się skompensować powstałą nierównowagę. W drugim systemie elektroenergetycznym praca regulatora częstotliwości będzie dwukierunkowa.

Jeżeli współczynnik stat regulatora w stosunku do mocy wymiany jest większy od współczynnika stat systemu, to na początku procesu regulacji stacja regulacji tego systemu elektroenergetycznego zmniejszy obciążenie, zwiększając tym samym moc wymiany, a następnie zwiększyć obciążenie, aby przywrócić ustawioną wartość mocy wymiany przy częstotliwości znamionowej.

Gdy współczynnik stat regulatora względem mocy wymiany będzie mniejszy od współczynnika stat układu, sekwencja regulacji w drugim systemie elektroenergetycznym zostanie odwrócona (najpierw wzrośnie akceptacja czynnika napędowego, a następnie zmniejszenie).