Показатели и нормы качества электроэнергии. Баланс активной и реактивной мощности и уровень частоты и напряжения в электроэнергетической системе

ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ. БАЛАНС АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И УРОВЕНЬ ЧАСТОТЫ И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ План 1. Нормы основных показателей качества электроэнергии. 2. Влияние частоты на работу оборудования. 3. Первичное регулирование частоты. 4. Вторичное регулирование частоты. 5. Выбор станций для регулирования частоты. 6. Регулирование частоты в послеаварийных режимах. 16.1. Нормы основных показателей качества электроэнергии Формирование принципов регулирования режимов основывается на определенных требованиях к качеству электрической энергии. Такие требования сформулированы в межгосударственном стандарте. Для большинства нормированных показателей качества электроэнергии установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения. При этом за интервал времени измерений не менее 24 ч значения показателя не должны выходить за предельно допустимые значения и с вероятностью 0,95 должны находиться в пределах нормально допустимого значения. Данные требования должны соблюдаться во всех нормальных, ремонтных и послеаварийных режимах, кроме режимов, обусловленных стихийными бедствиями и непредвиденными ситуациями (ураган, землетрясение, наводнение, пожар и т. п.). Качество электроэнергии характеризуется качеством частоты напряжения переменного тока и качеством напряжения. Для оценки качества частоты установлен один показатель – отклонение частоты, под которой понимают медленные плавные изменения частоты (менее одного процента в секунду) относительно ее номинального значения: δf = f − fном. (16.1) Причина появления отклонения частоты заключается в нарушении баланса генерируемой и потребляемой активной мощности в электроэнергетической системе. Действующим стандартом установлено нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты соответственно δfнорм = ± 0,2 Гц и δfпред = ± 0,4 Гц.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -233- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.1. Нормы основных показателей качества электроэнергии Качество напряжения оценивают несколькими показателями, большинство из которых также характеризуется допустимыми значениями (см. таблицу). Рассмотрим основные из них. Таблица 16.1 Нормы основных показателей качества напряжения Нормы качества напряжения нормально предельно допустимые допустимые ±5 ± 10 Показатель качества напряжения Установившееся отклонение напряжения δUy, % Размах изменения напряжения δUt, – Коэффициент искажения синусоидальности напряжения kU, %, при Uном, кВ, 0,38 6–20 35 110–330 В зависимости от частоты повторения 8 5 4 2 12 8 6 3 Коэффициент n-й гармонической составляющей напря- В зависимости жения kU(n), % от напряжения и исполнения сети, номера гармоники Коэффициент несимметрии напряжений по обратной 2 последовательности k2U, % Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой по- 2 следовательности k0U, % Длительность провала напряжения при напряжении до – 20 кВ включительно, Δtп, с 1,5kU(n)норм 4 4 30 К повсеместно используемым показателям относится отклонение напряжения в данной точке сети, под которым понимают медленные плавные изменения напряжения относительно его номинального значения. Они вызываются изменением режима работы подключенных к сети потребителей, включением (отключением) дополнительных потребителей и, как следствие, изменением при этом падения напряжения в элементах сети. Другая причина появления отклонений напряжения заключается в изменении напряжения в центрах питания, т. е. на шинах электростанций или шинах вторичного напряжения понижающих подстанций, к которым присоединены распределительные сети. Отклонение напряжения влияет на работу как непосредственно электроприемников, так и элементов электрической сети. Например, такие наиболее распространенные электроприемники, как асинхронные электродвигатели при отклонении напряжения изменяют скорость вращения, что в ряде случаев может приводить к изменению производительности механизмов, которые приводятся в движение этими электродвигателями. Отрицательные от Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -234- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.1. Нормы основных показателей качества электроэнергии клонения напряжения приводят к снижению освещенности, что может быть причиной уменьшения производительности труда на ряде предприятий, требующих зрительного напряжения. Отклонения напряжения влияют на потери холостого хода и нагрузочные потери в трансформаторах и линиях электропередачи, на зарядную мощность линий. Количественно отклонение напряжения оценивают значением установившегося отклонения напряжения: δU y = U y − U ном U ном ⋅ 100 % . (16.2) Действующим стандартом допустимые отклонения напряжения нормируются на выводах приемников электроэнергии (табл. 16.1), которые могут быть присоединены к сетям до 1000 В, а также непосредственно к сети 6−10 кВ. При этом полагается, что в распределительных сетях 6–110 кВ, в сетях районного и системного значения отклонения напряжения допускаются такими, при которых на выводах электроприемников соблюдаются требования стандарта. Вместе с тем по условию работы изоляции ограничиваются верхние пределы допустимых отклонений напряжения, которые равны: при номинальных напряжениях 6–20 кВ – 20 %, 35–220 кВ – 15 %, 330 кВ – 10 %, 500–750 кВ – 5 %. В условиях эксплуатации невозможно постоянно контролировать отклонения напряжения у каждого электроприемника. Поэтому в системах передачи и распределения электроэнергии устанавливают так называемые контрольные точки, для которых путем расчета устанавливаются допустимые отклонения напряжения. Если в этих наиболее характерных точках напряжения находятся в допустимых пределах, то значит, у большинства потребителей оно также не выходит за допустимые пределы. Контрольные точки обычно выбираются на шинах вторичного напряжения в основных узлах нагрузки, а также на шинах электростанций. Под колебаниями напряжения понимают резкие кратковременные изменения напряжения (со скоростью свыше 1 % в секунду) относительно значения напряжения до наступления изменения. Они вызываются внезапными достаточно большими изменениями нагрузки потребителей, например, пусковыми токами электродвигателей. Колебания напряжения в сети появляются также при питании нагрузки с повторно-кратковременным режимом работы, например сварочных агрегатов (рис. 16.1). При этом из-за изменения тока в сети изменяется падение напряжения и, как следствие, напряжение в узлах сети. Колебания напряжения вызывают мигания ламп и другие нежелательные явления, что в ряде случаев может приводить к повышенной утомляемости людей, снижению производительности труда и др. Они возникают, как правило, в электрических сетях до 1000 В.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -235- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.1. Нормы основных показателей качества электроэнергии I t Рис. 16.1. Изменение тока потребителя с повторно-кратковременным режимом работы Количественно колебания напряжения оцениваются размахом изменения напряжения δU t = U i − U i +1 2U ном ⋅ 100 % , (16.3) где Ui, Ui+1 – значения следующих один за другим экстремумов огибающей амплитудных значений напряжения. Допустимые значения размаха изменения напряжения установлены в зависимости от частоты его появления. С увеличением частоты изменения напряжения допустимое значение размаха уменьшается. Для оценки колебания напряжения используется также такое понятие, как доза фликера, которая характеризуется мерой восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени. При этом под фликером понимается субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения. Несинусоидальность напряжения характеризуется отличием формы кривой напряжения от синусоидальной (рис. 16.2). Ее появление связано с наличием в сети нелинейных элементов. К ним относится перегруженное электромагнитное оборудование (от катушки магнитного пускателя до силового трансформатора), работающее на нелинейной части кривой намагничивания и потребляющее из сети несинусоидальный ток, а также выпрямительные установки промышленных предприятий, электрифицированного железнодорожного транспорта и другие, работающие с другой частотой переменного тока. При наличии несинусоидальности напряжения по элементам сетей протекают токи высших гармоник, которые приводят к ряду отрицательных последствий: дополнительному нагреву проводников линий, генераторов, трансформаторов, двигателей; повреждению силовых конденсаторных батарей; ложным срабатываниям ряда релейных зашит и автоматики и др.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -236- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.1. Нормы основных показателей качества электроэнергии u t Рис. 16.2. Несинусоидальность напряжения Несинусоидальность напряжения количественно оценивается коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения (табл. 16.1), как результат i-го наблюдения, по формуле 40 kUi = ∑ U (2n )i n =2 U ном ⋅ 100 % , (16.4) где U(n)i – действующее значение напряжения n-й гармоники для i-го наблюдения. Кроме тока, нормируется коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения (табл.): kU ( n )i = U ( n )i U ном ⋅ 100 % . (16.5) Нормально допустимые значения kU(n)норм устанавливаются в зависимости от номинального напряжения сети, исполнения сети (трехфазная или однофазная) и номера гармоники (нечетные, в т. ч. кратные 3 и не кратные 3 или четные) (см. таблицу). Чем выше номинальное напряжение, тем меньше допустимый уровень гармоник. Допустимый уровень гармоник находят по формуле KU(n)пред = 1,5UU(n)норм. Несимметрия напряжений характеризуется различием значений напряжения в разных фазах. Она обусловлена неравномерным присоединением однофазных электроприемников по фазам и случайным одновременным включением и отключением некоторой части однофазного электроприемника (вероятностная симметрия). В результате подключения неодинаковой нагрузки к разным фазам в какой-то момент времени падения напряжения в фазах оказываются различными. Следствием этого являются различия напряжений фаз в узлах сети (рис. 16.3). Несимметрия значительна в сетях, имеющих крупные однофазные электроприемники, например, электровозы в сетях  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -237- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.1. Нормы основных показателей качества электроэнергии с тяговыми подстанциями, а также в сетях до 1000 В с коммунально-бытовой нагрузкой. UA UC UВ Рис. 16.3. Трехфазная система несимметричных напряжений Несимметрия напряжения вызывает появление токов обратной и нулевой последовательности. Эти токи создают дополнительные потери мощности в элементах сети (линиях, трансформаторах) и асинхронных электродвигателях, вызывая их дополнительный нагрев. Несимметрия нагрузок может приводить к недопустимым отклонениям напряжения в отдельных фазах. Несимметрия напряжений количественно характеризуется следующими показателями: коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности при i-м наблюдении: k2Ui = U 2(1)i U ном ⋅ 100 % , (16.6) коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности при i-м наблюдении: k0Ui = U 0(1)i U ном ⋅ 100 % , (16.7) где U2(1)i – действующее междуфазное значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i-м наблюдении; U0(1)i – действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты; Uном – номинальное междуфазное напряжение. Упомянем также некоторые другие показатели качества напряжения. Провал напряжения – резкое снижение напряжения ниже уровня 0,9Uном с последующим восстановлением до этого уровня. Причина появления провалов напряжения заключается в электрической сети. Ясно, что продолжительные короткие замыкания недопустимы из-за чрезмерных токов по элементам сети, невозможности нормального функционирования электроприемников при сниженном напряжении. Поэтому провал количественно оценивается длительностью провала напряжения (рис. 16.4):  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -238- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.1. Нормы основных показателей качества электроэнергии Δtп = tк – tн, (16.8) где tн и tк – начальный и конечный моменты времени провала напряжения. U Uном δUп Uмин Δtп t Рис. 16.4. Провал напряжения Нормами устанавливается предельно допустимое значение длительности провала напряжения. При этом длительность автоматически устраняемого провала напряжения не нормируется и определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики. Глубина провала напряжения (рис. 16.4) δU п = U ном − U мин ⋅ 100 % U ном также не нормируется. Качество напряжения рекомендуется также оценивать импульсным напряжением, которое связано с грозовыми и коммутационными импульсами, а также коэффициентом временного перенапряжения, оценивающим временные перенапряжения, возникающие при различных нарушениях в сетях. Предельно допустимые значения указанных показателей не нормируются. 16.2. Влияние частоты на работу оборудования Изменение частоты переменного напряжения влияет на режимы работы электроприемников. Основными потребителями электроэнергии являются двигатели переменного тока. Отклонение частоты ухудшает работу электродвигателей, изменяется частота вращения, потребляемая ими активная и реактивная мощность. Вместе с тем изменение частоты слабо влияет на работу печной и осветительной нагрузки. Степень влияния отклонения частоты различна для разных видов момента сопротивления электродвигателя. Наибольшую опасность отклонение частоты создает для нормальной работы оборудования электрических станций. Уменьшается производительность механизмов, преодолевающих статический напор, например питательных насосов для собственных нужд, преодолевающих при работе высокое давление со стороны котельного агрегата. Кроме того, отклонение частоты от номинального значения нарушает эконо-  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -239- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.2. Влияние частоты на работу оборудования мичное распределение нагрузок между отдельными агрегатами и станциями, поскольку возникающие приросты мощностей не всегда оптимальны. Для энергосистемы в целом зависимость активной Р и реактивной Q мощности от частоты приведена на рис. 16.5. Эти зависимости называют статическими характеристиками нагрузки по частоте. При снижении частоты из-за дефицита генерируемой в системе активной мощности потребители уменьшают свою нагрузку, стремясь поддерживать частоту на прежнем уровне. Степень изменения нагрузки при изменении частоты, количественно оцениваемую производной Рис. 16.5. Зависимость активной dP / df , называют регулирующим эф- и реактивной мощности от частоты фектом нагрузки. Для обеспечения безаварийной и экономичной работы электрических станций, сетей и электроприемников к качеству частоты предъявляют серьезные требования и оценивают его по отклонению частоты, отклонению электрического времени и колебанию частоты. Под отклонением частоты понимают алгебраическую разность между фактическим значением частоты и ее номинальным значением при медленных изменениях: Δf = f − f Н , или Δf % = f − fН ⋅ 100 . fН Действующие нормы качества электроэнергии допускают отклонение частоты в нормальных режимах энергосистемы в пределах ± 0,2 % (± 0,1 Гц). Оценку длительных односторонних отклонений частоты производят по отклонению электрического времени. Под электрическим временем понимают интеграл относительной частоты по времени: tа f tЭ = ∫ d tа , f 0 Н где tа – время, отсчитываемое по астрономическим часам. Соответственно за отклонение электрического времени от астрономического принимают интеграл отклонения относительной частоты по времени: tа Δf ΔtЭ = tЭ − tа = ∫ d tа f Н  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций (16.9) -240- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.2. Влияние частоты на работу оборудования Электрическое время отсчитывают по электрическим часам, представляющими собой синхронный электродвигатель, вращение которого через кинематическую систему передается часовым стрелкам. Ход таких часов совпадает с астрономическими часами, если в сети поддерживается номинальная частота. Сравнивая показатели электрических и астрономических часов, можно судить о точности поддержания нормальной частоты за длительный отрезок времени. В энергосистеме возможны также кратковременные быстрые изменения частоты, называемые колебанием частоты. Колебания частоты не должны превышать 0,2 Гц сверх допустимых отклонений частоты. В любой момент времени в энергосистеме соблюдается баланс активных мощностей: ∑ PГ = ∑ PП −∑ ΔP , (16.10) где ∑ PГ – суммарная мощность генераторов электрических станций; ∑ PП – мощность потребителей энергосистемы, включая собственные нужды электростанций; ∑ ΔP – суммарная мощность потерь в электрических сетях. При любой частоте мощность, генерируемая электростанциями, равна потребляемой мощности. При этом номинальная частота в энергосистеме свидетельствует о том, что генерируемая мощность достаточна для покрытия нормальной потребности электроприемников. Пониженная частота по сравнению с номинальной указывает на дефицит генерируемой мощности, а повышенная – на избыток мощности электростанций. Рассмотрим характер изменения частоты при резких нарушениях баланса активных мощностей. Для энергосистем более важным является случай снижения частоты. Резкое снижение частоты происходит при внезапном выходе из строя генерирующей мощности и отсутствии резерва либо при аварийном отключении нагруженных межсистемных линий и разделении системы на несинхронные части с дефицитом мощности. Пусть в начальный момент времени номинальной частоте в системе соответствует нагрузка потребителей Р1н, равная нагрузке всех генераторов P1Г (рис. 16.6). Положим, что при этом все генераторы загружены полностью и резерв активной мощности в системе отсутствует. Пусть теперь по какой-то причине в момент времени t1 (точка 1) возник дефицит генерируемой активной мощности, равный Р1Г – Р2Г (точка 3). Он приведет к нарушению баланса, и нагрузка потребителей по частотной статической характеристике будет стремиться восстановить его при пониженной частоте.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -241- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.2. Влияние частоты на работу оборудования Если бы мощность станций не зависела от частоты, то процесс пошел бы по кривой 1 – 2. При достижении нагрузки потребителей Р2н = Р2Г восстановился бы баланс при новой пониженной частоте f2. Однако снижение частоты и отсутствие резерва генерирующей мощности будут привоа б дить к уменьшению Рис. 16.6. Изменение параметров системы мощности всех тепловых при отсутствии резерва активной мощности: станций по кривой 3–4. а – мощности; б – частоты Поэтому разность между потребляемой и генерируемой мощностью будет увеличиваться, что приведет к дальнейшему снижению частоты по кривой 1–5. При достижении критической частоты fК мощность тепловых станций снижается до нуля, и частота резко уменьшается (кривые 4–6 и 5–7). Возникает процесс лавины частоты. При этом двигатели и генераторы, оставшиеся в работе, резко затормаживаются. Двигатели начинают потреблять повышенную реактивную мощность, а генераторы не могут ее выдавать из-за снижения скорости вращения и уменьшения ЭДС. Происходит резкое понижение напряжения в сети. 16.3. Первичное регулирование частоты В нормальном режиме энергосистемы регулируют отклонения частоты, обусловленные изменением состава и мощности потребителей. Эти изменения мощности в течение суток составляют 20–50 %. Важно знать максимальную скорость изменения нагрузки. В современных энергосистемах она достигает 1,5 % в минуту и 5–15 % в час. Для регулирования частоты турбины электростанций снабжают регуляторами скорости. Регулировочная способность турбин определяется характеристиками регуляторов скорости. Характеристики бывают астатические P2(f) и статические P1(f) (рис. 16.7). Принцип регулирования заключается в том, что при изменении частоты мощность турбины соответственно изменяется так, чтобы восстановить прежнюю частоту. Так, например, при снижении частоты с fн до f1 (см. рис. 16.7) происходит автоматический набор нагрузки с Ро до Р1. При дальнейшем снижении частоты мощность генератора будет расти до тех пор, пока не станет равна номинальной.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -242- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.3. Первичное регулирование частоты Наклон характеристики выражают крутизной. Под крутизной характеристики понимают отношение процентного изменения мощности к процентному изменению частоты. С увеличением крутизны статическая характеристика P1(f) превращается в астатическую – P2(f). При малейшем отклонении частоты турбины с астатическими характеристиками могут набирать сразу номинальную нагрузку, что обеспечивает быстрое регулирование. Однако Рис. 16.7. Статические характеристики при параллельной работе нескольких гегенератора (турбины) нераторов астатические характеристики непригодны, т. к. не обеспечивают однозначного устойчивого распределения нагрузки между станциями. Поэтому в энергосистемах применяют, как правило, турбины со статическими характеристиками. Рассмотрим теперь процесс регулирования частоты, совместив характеристику регулятора скорости турбины и частотную статическую характеристику активной нагрузки потребителей (рис. 16.8). При номинальной частоте в точке 0 мощность нагрузки равна мощности генераторов Pн = PГ. Если из-за уменьшения генерации одной из станций частота уменьшилась на Δf1 и стала равной f1, то по статической характеристике Рн мощность нагрузки уменьшится на величину ΔРн, а мощность генераторов увеличится на ΔРГ, и общий дефицит мощности определится отрезком ΔP = ΔРн + ΔРГ. Рис. 16.8. Первичное регулирование частоты при достаточном резерве активной мощности Рис. 16.9. Изменение частоты при отсутствии резерва мощности Если в момент снижения частоты на генераторах отсутствует резерв мощности, то такое же уменьшение генерируемой мощности приведет к  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -243- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.3. Первичное регулирование частоты большему снижению частоты. При полном использовании мощности станций первичное регулирование частоты происходит только за счет изменения мощности потребителей. Изменение частоты в процессе первичного регулирования зависит от крутизны частотных характеристик турбин и нагрузки. Процесс изменения мощностей генераторов и потребителей при отклонении частоты, стремящийся сохранить прежнее значение частоты, называют первичным регулированием. Для регулирования частоты важно знать совмещенную характеристику регулирования для всей генерирующей части системы. Δf n ΔPГ = ∑ ΔPГi = ∑ (P k ) , f н 1 i ном Гi 1 n (16.11) где n – число генераторов системы, kГi – крутизна характеристики i-го генератора. Из определения крутизны характеристики всей генерирующей части системы записывают суммарное изменение нагрузки всех генераторов Δf n ∑ ΔPГi = Pсист f kГС , н 1 (16.12 n k ГС = ∑ ( Pi ном k Гi ) / Pсист , (16.13) 1 где Pсист – номинальная мощность всех генераторов системы, kГС – средняя крутизна характеристики регулирования всех генераторов системы. Эффективность первичного регулирования частоты удобно анализировать по крутизне результирующей частотной характеристики системы, которая учитывает как изменение нагрузки по статическим характеристикам, так и изменение мощностей всех генераторов в соответствии с их характеристиками регуляторов скорости. Крутизна совмещенной частотной характеристики системы показывает, на сколько изменится мощность потребителей и генераторов при изменении частоты на 1 %: Δf . kс = ΔP : Pсист f н (16.14) Общее изменение нагрузки системы:  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -244- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.3. Первичное регулирование частоты ΔP = ∑ ΔPГi + ΔPн = Pсист Δf Δf k , k ГС + fн н fн (16.15) где Рн – нагрузка потребителей системы в данный момент времени; kн – крутизна статической характеристики нагрузки по частоте. Подставив значение ΔР в формулу (16.14), получим kс = k ГС + Pсист k . Pн н (16.16) Коэффициент резерва определяют по выражению k р = Pсист / Pн . Тогда kс = k ГС + kн . kр (16.17) При отсутствии резерва на всех генераторах системы (kp = 1) крутизна характеристики генерации kГС = 0 и kc = kн. В остальных случаях крутизна совмещенной статической характеристики системы kс >> kГС. Соотношение между kc, kГС и kн графически представлено на рис. 16.10 в виде соответствующих характеристик Pc, PГС, Pн. Дополнительная нагрузка на генеРис. 16.10. Изменение крутизны статических характеристик генераций раторы системы при отклонении частоты распределяется при первичном регулировании прямо пропорционально крутизне частотных характеристик отдельных генераторов. При отклонении частоты дефицит мощности в системе определяется суммарным изменением мощности генераторов и потребителей ΔP = kc Pсист Δf . fн (16.18) Учитывая коэффициент резерва, запишем: ΔP = kc k р Pн Δf Δf = (k ГС k р + kн ) Pн . fн fн (16.19) При отклонении частоты Δf и нагрузке потребителей Pн необходимо изменить мощность станций на величину ΔP, для того чтобы восстановить частоту до номинальной fн.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -245- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.3. Первичное регулирование частоты Отклонение частоты при этом выразим формулой Δf = f н ΔP = f ΔP . н (k ГС k р + kн ) Pн kc k р Pн (16.20) Нахождение частотных характеристик генераторов, нагрузки, системы расчетным путем сложно. Поэтому на практике в условиях эксплуатации энергосистемы их определяют с помощью экспериментальных измерений. Для вычисления крутизны характеристики регулятора скорости отдельного генератора необходимо изменять частоту в системе и наблюдать при этом за изменением нагрузки отдельного генератора. Отношение приращения нагрузки к отклонению частоты даст величину крутизны. Рис. 16.11. Фиксация мощности Измерение величины kн пропри снятии частотной изводят следующим образом. Всем генератора характеристики нагрузки станциям системы, кроме одной, задают определенную фиксированную нагрузку Рф (рис. 16.11). Для того чтобы она не изменилась при снижении частоты под действием регуляторов скорости, ограничивают открытие энергоносителя. Уменьшая мощность одной выбранной крупной станции, ступенями снижают частоту, при этом для каждой ступени замечают изменение мощности станции. Поскольку в опыте мощности всех остальных станций остаются неизменными, то изменение мощности регулирующей станции будет показывать изменение мощности нагрузки. В результате можно получить частотную статическую характеристику активной нагрузки Рн(f). 16.4. Вторичное регулирование частоты При выполнении регуляторов скорости турбин со статическими характеристиками первичное регулирование частоты не обеспечивает поддержание номинальной частоты в системе. Поэтому дополнительно применяют вторичное регулирование. Оно заключается в смещении характеристик регуляторов скорости турбин параллельно самим себе. Вторичное регулирование может осуществляться вручную или автоматически.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -246- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.4. Вторичное регулирование частоты Рассмотрим процесс совместного первичного и вторичного регулирования частоты. Пусть известны усредненная характеристика регуляторов скорости генераторов системы РГ0 и статическая характеристика нагрузки Рн0 (рис. 16.12). В точке 0 имеется равновесие генерируемой и потребляемой мощности при частоте. Если отсутствуют первичные регуляторы скорости, то при росте нагрузки потребителей мощность генераторов РГ останется неизменной и частота сниРис. 16.12. Процесс совместного зится до f1, а характеристика нагрузки первичного и вторичного переместится в точку 1 и займет порегулирования частоты ложение Рн При включенных регуляторах скорости генераторы наберут часть нагрузки, и пересечение характеристик РГ0 и Рн окажется в точке 2, а частота станет равной f2, причем f1 < f2 < fн. Наконец, при наличии регуляторов вторичного регулирования характеристика генераторов РГ0 будет смещаться до тех пор, пока частота не станет равной номинальной fн (точка 3, характеристики PГ' 0 ). В результате весь прирост нагрузки ΔР примут на себя генераторы станций. Для выполнения вторичного регулирования частоты в системе обычно выделяют одну или несколько станций, а все остальные станции получают задание поддерживать постоянную нагрузку и участвуют только в процессе первичного регулирования частоты. Пусть характеристика нерегулирующих станций (рис. 16.13) занимает первоначальное положение Рнр, а регулирующей – Рр. Точки 1 характеризуют какой-то первоначальный рабочий режим энергосистемы при частоте fн и соответствующих нагрузках станций P1' и P1 . При увеличении нагрузки системы за счет первичного регулирования произойдет набор нагрузки на регулирующую и нерегулирующие станции до P2' и P2 , но частота до первоначальной fн не восстановится, а станет равной f1. Работа станций будет продолжаться в точках 2. При этом увеличение мощности станций составляет ΔP ' + ΔP1 . Для восстановления частоты до номинальной регулирующая станция продолжит набор нагрузки до Р3, осуществляя процесс вторичного регулирования частоты.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -247- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.4. Вторичное регулирование частоты При этом будет происходить смещение ее частотной характеристики параллельно самой себе вплоть до точки 3, пока частота снова не станет номинальной. В этот период на нерегулирующих станциях продолжается первичное регулирование в обратную сторону на участке 2–1. Оно заканчивается в точке 1, соответстРис. 16.13. Регулирование частоты вующей номинальной частов нормальном режиме те и первоначальной нагрузке станций. После восстановления номинальной частоты всю дополнительΔP1 + ΔP2 примет на себя регулирующая ную нагрузку станция. 16.5. Выбор станций для регулирования частоты При наличии резерва мощности на нерегулирующих станциях и отклонении частоты как на нерегулирующих, так и на регулирующих станциях происходит первичное регулирование. Затем после соответствующего изменения нагрузки регулирующих станций (вторичного регулирования) мощности нерегулирующих станций принимают прежнее значение. Для того чтобы при первичном регулировании частоторегулирующие станции приняли на себя бόльшую часть нагрузки крутизну их частотных характеристик делают больше, чем на нерегулирующих станциях. При росте нагрузок в процессе первичного регулирования мощность частоторегулирующих станций изменится на величину ' = Δf k P , ΔPрег f н Г ном (16.21) где kГ – крутизна частотных характеристик регулирующих станций; Рном – номинальная мощность частоторегулирующих станций. Для поддержания частоты в заданных пределах при вторичном регулировании необходимый диапазон мощности регулирующих станций составит " = n( P − ΔP) − ΔP , ΔPрег н (16.22) где n – коэффициент, характеризующий максимальную скорость изменения нагрузки в относительных единицах, Pн – нагрузка потребителей после изме-  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -248- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.5. Выбор станций для регулирования частоты нения, соответствующая номинальной частоте, ΔP – изменение мощности всех генераторов системы и нагрузки в процессе первичного регулирования. Учитывая допустимую величину изменения частоты, запишем: " = nP − ΔP(n + 1) = nP − ΔPрег н н Δf доп (k ГС k р + kн ) P(n + 1) . fн (16.23) Полный диапазон регулируемой мощности частоторегулирующих станций, необходимый для поддержания частоты в допустимых пределах, ' + ΔP" . ΔPрег = ΔPрег рег (16.24) Наиболее удобным типом станции для регулирования частоты являются ГЭС. При наличии в энергосистеме ГЭС с дефицитом воды их используют для регулирования частоты в пикообразной части графика. Если дефицит воды незначительный, то регулирование частоты ГЭС осуществляют в течение всех 24 ч. При работе ГЭС с полной мощностью по водотоку регулирование частоты передают на тепловые станции. Для этой цели по возможности используют неэкономичные станции. В послеаварийных режимах (при отключении генераторов системы) регулирующие станции, как правило, с регулированием частоты не справляются. Поэтому действующими правилами предусмотрено, что при значительном отклонении частоты изменение мощности должны также производить и нерегулирующие станции. Например, при снижении частоты до 49,75 Гц поднимает нагрузку одна группа станций, в интервале 49,5–49,75 – другая дополнительная группа станций и т. д. Верхний диапазон задают во избежание перерегулирования. В объединенных энергосистемах при выборе частоторегулирующих станций следует учитывать возможные ограничения пропускной способности межсистемных линий. 16.6. Регулирование частоты в послеаварийных режимах Послеаварийный режим связан со значительным отклонением частоты и может возникнуть при аварийном расчленении объединенной энергосистемы на части, как с недостатком, так и избытком активной мощности. Наиболее опасным является понижение частоты. При возникновении дефицита мощности и резком снижении частоты в результате первичного и вторичного регулирования все станции окажутся полностью загруженными. Если отключившаяся в результате аварии мощность генераторов больше, чем был резерв на всех станциях системы, то частота не восстановится до номинальной. При значительном дефиците мощности снижение частоты бу-  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -249- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.6. Регулирование частоты в послеаварийных режимах дет большим. Для предотвращения лавины частоты должны быть приняты автоматические быстродействующие меры. Восстановление частоты осуществляют путем автоматической частотной разгрузки (АЧР), при которой отключается часть потребителей. Преднамеренное отключение части потребителей позволяет сохранить в работе генерирующие мощности, обеспечить электроснабжение остальных нагрузок. Рассмотрим процесс изменения частоты при действии АЧР (рис. 16.14). Здесь РГС – частотная характеристика генерирующей части системы, а Рн – статическая характеристика нагрузки. Рассмотрим случай, когда энергосистема работает без резерва с нагрузкой РГС0 и частота равна номинальной. Этот режим характеризуется точкой 1, в которой РГС0 = Рн. Предположим теперь, что в результате аварии отключена генерирующая мощность ΔРГ. Тогда характеристика генерирующей части системы сместится в положение РГС1, и частота в соответствии со статической характеристикой нагрузки снизится до f1 (точка 2). Для увеличения частоты до номинальной следует отключить с помощью Рис. 16.14. Регулирование частоты АЧР часть нагрузки потребитепри действии АЧР в работе лей: ΔРАЧР = ΔРГ. На рис. 16.14 это выражено переносом статической характеристики нагрузки параллельно самой себе в положение Рн1. При таком отключении мощность генерирования станет больше мощности потребления, и частота будет восстанавливаться по прямой 3–4. В точке 4 установится номинальная частота при новой генерирующей и потребляемой мощности. Для того чтобы при снижении частоты не было лишних отключений всю систему АЧР разбивают на две категории (АЧР I и АЧР II), каждая из которых выполняется в виде нескольких очередей. В АЧР I и II очереди отличаются одна от другой только установками по частоте. При снижении частоты происходит отключение потребителей от первой очереди АЧР I. Если частота продолжает снижаться, то срабатывает вторая очередь АЧР I с меньшей уставкой по частоте и т. д. Такая «самонастраивающаяся» система АЧР обеспечивает отключение мощности потребителей, равной возникшему дефициту мощности. При таком подходе подключение потребителей к АЧР допустимо производить с запасом, не боясь излишних отключений. Если после действия АЧР I частота не восстановится, то с выдержками времени вступают в действие очереди АЧР II и дополнительно отключаются потребители.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -250- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.6. Регулирование частоты в послеаварийных режимах Изменение частоты во времени при возникновении дефицита активной мощности и действии АЧР показано на рис. 16.15. Точка 0 кривой а характеризует начальный момент времени, в который возник дефицит мощности. При этом происходит снижение частоты по кривой а. В точке 1 частота f достигает уставки первой очереди АЧР-I, и происходит отключение части потребителей. Если при этом еще сохранился некоторый дефицит мощности, то будет происходить дальнейшее снижение частоты. В точке 2 при частоте f2 происходит дополнительное отключение потребителей от второй очереди АЧР-I. При достаточной отключенной нагрузке мощность генераторов превысит мощности потребителей, и частота будет повышаться (участок 2–3 кривой а). При уравновешивании генерирующей и потребляемой мощности частота может установиться между двумя соседними уставками АЧР (кривая 2–4). ПроисхоРис. 16.15. Изменение частоты в послеаварийном режиме и действии АЧР дит «зависание» частоты. Тогда через некоторое время в точке 4 срабатывает 1-я очередь АЧР-II, после чего частота повышается (кривая 4–5). Если частота еще не восстановилась, то срабатывает 2-я очередь АЧР-II и т. д. Избирательное действие АЧР с учетом возникновения величины и места дефицита мощности осуществляется путем учета скорости изменения частоты в местной (МЭС) и объединенной (ОЭС) энергосистемах. Из-за меньшей инерции в местной энергосистеме скорость изменения частоты всегда больше, чем в объединенной системе (кривая б на рис. 16.15). Другими словами, изменение частоты происходит тем быстрее, чем больше дефицит мощности. Поэтому при выпадении одной и той же мощности в местной и объединенной системе скорость изменения частоты будет выше в местной энергосистеме. Таким образом, для выравнивания частоты при отключении межсистемной линии в МЭС, кроме устройств АЧРОЭС, выполняемых по условию работы ОЭС, необходимо устройство АЧРМЭС, реагирующее на значение частоты и скорость ее изменения. В ОЭС при регулировании частоты возникает ряд особенностей, которые обусловлены наличием межсистемных связей и большой мощностью объединения. Если межсистемные линии имеют значительную пропускную способность, то объединение нескольких систем фактически является одной системой, и отличий, характерных для межсистемных линий, нет. Однако в большинстве случаев межсистемные линии электропередачи имеют ограниченную пропускную способность либо при большой пропускной способности предназначены для передачи больших потоков мощностей из одной системы в другую. Такой режим работы обычно диктуется экономическими соображениями, когда осуществляется транзит дешевой энергии от ГЭС или от экономичной ТЭС.  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -251- ЛЕКЦИЯ 16. ПОКАЗАТЕЛИ И НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 16.6. Регулирование частоты в послеаварийных режимах В процессе регулирования частоты в энергосистеме изменяются потоки активной мощности по межсистемным линиям электропередачи и может наступить их перегрузка. Поясним причины возможной перегрузки на примере схемы объединенной энергосистемы, Рис. 16.16. Поток мощности представленной на между избыточной и дефицитной системой рис. 16.16. Пусть поток мощности при номинальной частоте направлен из системы 1 в систему 2. Статические (частотные) характеристики систем генерирования имеют крутизну k1ГС и k2ГС, причем klГС > k2ГС (рис. 16.17). Тогда при снижении частоты с fн до f1 в процессе первичного регулирования мощность станции энергосистемы 1 увеличится на ΔP1, а мощность станций системы 2 – на ΔP2, причем ΔP1 > ΔP1. При этом поток мощности по межсистемной линии увеличится, что может привести к ее перегрузке. При малых отклонениях частоты изменение этого потока незначительно. В послеаварийных режимах, когда происходит значительное снижение частоты, непропорциональное изменение нагрузки потребителей отдельных систем может привести к перегрузке межсистемных линий и их отключению, что разовьет аварию. Поэтому во избежание неприятностей, связанных с перегрузкой межсистемных линий, в процессе регулирования частоты осуществляют контроль за перето- Рис. 16.17. Статические характеристики систем генерации ками мощности по линиям. В объединенных международных энергосистемах на межсистемных линиях электропередачи задаются графики обменных потоков мощности в соответствии с интересами каждой страны. Регулирование частоты поручается энергосистеме одной из стран, входящих в объединение. Другие энергосистемы изменяют мощности своих станций так, чтобы выдерживать заданные перетоки по межсистемным линиям. Вопросы для самопроверки 1. Какие известны показатели качества электрической энергии? 2. Каким показателем оценивается качество частоты? 3. Какими показателями оценивается качество напряжения? 4. Что понимают под отклонением напряжения и каковы причины его появления? 5. Как влияет отклонение напряжения на работу электроприемников?  Электроэнергетические системы и сети. Конспект лекций -252-