Regulacija frekvence v elektroenergetskem sistemu

V elektroenergetskih sistemih mora biti v danem trenutku proizvedena tolikšna količina električne energije, kot je v danem trenutku potrebna za porabo, saj je nemogoče ustvariti rezerve električne energije.

Frekvenca je skupaj z napetostjo ena glavnih indikatorji kakovosti električne energije... Odstopanje frekvence od normalne vodi do motenj v delovanju elektrarn, kar praviloma povzroči izgorevanje goriva. Zmanjšanje frekvence v sistemu vodi do zmanjšanja produktivnosti mehanizmov v industrijskih podjetjih in zmanjšanja učinkovitosti glavnih enot elektrarn. Povečanje frekvence povzroči tudi zmanjšanje učinkovitosti elektrarn in povečanje izgub v omrežju.

Trenutno problem avtomatske regulacije frekvence zajema široko paleto vprašanj ekonomske in tehnične narave. EES trenutno izvaja avtomatsko regulacijo frekvence.

Vpliv frekvence na delovanje opreme elektrarne

Vse enote, ki izvajajo vrtilno gibanje, so izračunane tako, da njihov največji izkoristek dosežejo trikrat iz ene zelo specifične hitrosti vrtenja, in sicer pri nazivni. Trenutno so enote, ki izvajajo rotacijsko gibanje, večinoma povezane z električnimi stroji.

Proizvodnja in poraba električne energije poteka pretežno na izmenični tok; zato je večina blokov, ki izvajajo rotacijsko gibanje, povezana s frekvenco izmeničnega toka. Prav tako kot je frekvenca alternatorja, ki jo ustvarja alternator, odvisna od hitrosti turbine, je tudi hitrost mehanizma, ki ga poganja AC motor, odvisna od frekvence.

Odstopanja frekvence izmeničnega toka od nazivne vrednosti različno vplivajo na različne vrste enot, pa tudi na različne naprave in aparate, od katerih je odvisna učinkovitost elektroenergetskega sistema.

Parna turbina in njene lopatice so zasnovane tako, da je zagotovljena največja možna moč gredi pri nazivnem številu vrtljajev (frekvence) in brezhibnem dovajanju pare. V tem primeru zmanjšanje vrtilne hitrosti povzroči nastanek izgub zaradi udarca pare na rezilo ob hkratnem povečanju navora, povečanje vrtilne hitrosti pa povzroči zmanjšanje navora in povečanje navora. udarec na zadnjo stran rezila. Najbolj varčna turbina deluje pri nazivna frekvenca.

Poleg tega delovanje pri zmanjšani frekvenci povzroči pospešeno obrabo lopatic rotorja turbine in drugih delov.Sprememba frekvence vpliva na delovanje mehanizmov lastne porabe elektrarne.

Vpliv frekvence na delovanje porabnikov električne energije

Mehanizmi in enote porabnikov električne energije lahko glede na stopnjo odvisnosti od frekvence razdelimo v pet skupin.

Prva skupina. Uporabniki, katerih sprememba frekvence nima neposrednega vpliva na razvito moč. Sem spadajo: razsvetljava, elektroobločne peči, upornost uhajanja, usmerniki in bremena, ki jih napajajo.

Druga skupina. Mehanizmi, katerih moč se spreminja sorazmerno s prvo potenco frekvence. Ti mehanizmi vključujejo: stroje za rezanje kovin, kroglične mline, kompresorje.

Tretja skupina. Mehanizmi, katerih moč je sorazmerna s kvadratom frekvence. To so mehanizmi, katerih uporni moment je sorazmeren s frekvenco v prvi stopnji. Ni mehanizmov s tem natančnim momentom upora, vendar imajo številni posebni mehanizmi trenutek, ki se temu približa.

Četrta skupina. Navorni mehanizmi ventilatorjev, katerih moč je sorazmerna s kubom frekvence. Takšni mehanizmi vključujejo ventilatorje in črpalke brez ali z zanemarljivim statičnim višinskim uporom.

Peta skupina. Mehanizmi, katerih moč je v večji meri odvisna od frekvence. Takšni mehanizmi vključujejo črpalke z velikim statičnim uporom (npr. napajalne črpalke elektrarn).

Učinkovitost zadnjih štirih uporabniških skupin pada z padajočo frekvenco in narašča z naraščajočo frekvenco. Na prvi pogled se zdi, da je za uporabnike koristno, če delajo s povečano frekvenco, a temu še zdaleč ni tako.

Poleg tega, ko se frekvenca poveča, se navor indukcijskega motorja zmanjša, kar lahko povzroči zastoj in zaustavitev naprave, če motor nima rezerve moči.

Avtomatska regulacija frekvence v elektroenergetskem sistemu

Namen avtomatske regulacije frekvence v elektroenergetskih sistemih je predvsem zagotavljanje varčnega delovanja postaj in elektroenergetskih sistemov. Učinkovitosti delovanja EES ni mogoče doseči brez ohranjanja normalne vrednosti frekvence in brez najugodnejše porazdelitve obremenitve med vzporedno delujočimi enotami in elektrarnami EES.

Za uravnavanje frekvence se obremenitev porazdeli med več vzporednih delovnih enot (postaj). Hkrati se obremenitev porazdeli med enote tako, da se z manjšimi spremembami obremenitve sistema (do 5-10%) način delovanja velikega števila enot in postaj ne spremeni.

S spremenljivo naravo obremenitve bo najboljši način tisti, pri katerem glavni del blokov (postaje) nosi obremenitev, ki ustreza pogoju enakosti relativnih korakov, majhna in kratka nihanja obremenitve pa se pokrivajo s spreminjanjem obremenitev majhnega dela iz enot.

Ko porazdelijo obremenitev med enote, ki delujejo vzporedno, poskušajo zagotoviti, da vse delujejo v območju največjega izkoristka.V ​​tem primeru je zagotovljena minimalna poraba goriva.

Enote, ki so zadolžene za pokrivanje vseh nenačrtovanih sprememb obremenitev, t.j. regulacija frekvence v sistemu mora izpolnjevati naslednje zahteve:

• imajo visoko učinkovitost;

• imajo ravno krivuljo učinkovitosti obremenitve, tj. ohranja visoko učinkovitost v širokem razponu variacij obremenitve.

V primeru pomembne spremembe obremenitve sistema (na primer njenega povečanja), ko celoten sistem preklopi v način delovanja z večjo vrednostjo relativnega ojačenja, se krmiljenje frekvence prenese na takšno postajo v katerega velikost relativnega ojačenja je blizu vrednosti sistema.

Frekvenčna postaja ima največje območje regulacije znotraj svoje instalirane moči. Pogoje krmiljenja je enostavno izvesti, če je mogoče krmiljenje frekvence dodeliti eni postaji. Še enostavnejša rešitev je v primerih, ko je mogoče regulacijo dodeliti eni sami enoti.

Hitrost turbin določa frekvenco v elektroenergetskem sistemu, zato se frekvenca krmili z delovanjem na regulatorje hitrosti turbine. Turbine so običajno opremljene s centrifugalnimi regulatorji hitrosti.

Za regulacijo frekvence so najprimernejše kondenzacijske turbine z normalnimi parametri pare, protitlačne turbine so popolnoma neprimerne vrste turbin za regulacijo frekvence, saj njihovo električno obremenitev v celoti določa uporabnik pare in je skoraj popolnoma neodvisna od frekvence v sistemu.

Nalogo frekvenčne regulacije je neizvedljivo zaupati turbinam z velikimi sesali pare, ker imajo, prvič, (zelo majhno regulacijsko območje in, drugič, niso ekonomične za obratovanje s spremenljivo obremenitvijo.

Da bi ohranili zahtevano regulacijsko območje, mora biti moč frekvenčne regulacijske postaje vsaj 8 - 10% obremenitve v sistemu, tako da je dovolj regulacijskega območja. Regulacijsko območje termoelektrarne ne more biti enako instalirani moči. Zato mora biti moč SPTE, ki uravnava frekvenco glede na tipe kotlov in turbin, dvakrat do trikrat večja od zahtevanega območja nastavitve.

Najmanjša instalirana moč hidroelektrarne za ustvarjanje potrebnega regulacijskega območja je lahko bistveno manjša od toplotne. Pri hidroelektrarnah je območje regulacije običajno enako instalirani moči. Kadar frekvenco uravnava hidroelektrarna, ni omejitev za stopnjo povečanja obremenitve od trenutka zagona turbine. Vendar je frekvenčna regulacija hidroelektrarn povezana z znanim zapletom krmilne opreme.

Poleg vrste postaje in značilnosti opreme na izbiro krmilne postaje vpliva njena lokacija v električnem sistemu, in sicer električna oddaljenost od centra bremena. Če se postaja nahaja v središču električne obremenitve in je povezana s transformatorskimi postajami in drugimi postajami sistema prek močnih daljnovodov, potem praviloma povečanje obremenitve regulacijske postaje ne povzroči kršitve statična stabilnost.

Nasprotno, ko je nadzorna postaja nameščena daleč od središča sistema, lahko obstaja nevarnost nestabilnosti.V tem primeru mora regulacijo frekvence spremljati nadzor divergenčnega kota vektorjev e. itd. (c) sistem in postaja za upravljanje ali nadzor oddane moči.

Glavne zahteve za sisteme za regulacijo frekvence urejajo:

• parametri in meje prilagajanja,

• statična in dinamična napaka,

• hitrost spremembe obremenitve bloka,

• zagotavljanje stabilnosti regulativnega procesa,

• sposobnost regulacije z dano metodo.

Regulatorji morajo biti enostavni, zanesljivi in ​​poceni.

Metode regulacije frekvence v elektroenergetskem sistemu

Rast elektroenergetskih sistemov je povzročila potrebo po regulaciji frekvence več blokov ene postaje in nato več postaj. V ta namen se uporabljajo številne metode za zagotavljanje stabilnega delovanja elektroenergetskega sistema in visoke frekvence.

Uporabljena metoda krmiljenja ne sme dopuščati povečanja mejnih vrednosti odstopanja frekvence zaradi napak, ki nastanejo v pomožnih napravah (naprave za porazdelitev aktivne obremenitve, telemetrični kanali itd.).

Metoda regulacije frekvence je potrebna za zagotavljanje vzdrževanja frekvence na dani ravni, ne glede na obremenitev frekvenčnih regulacijskih enot (če seveda ni uporabljeno njihovo celotno regulacijsko območje), število enot in frekvenčnih regulacijskih postaj. ter velikost in trajanje odstopanja frekvence.… Regulacijski način mora zagotavljati tudi vzdrževanje danega razmerja obremenitev regulacijskih enot in hkraten vstop v regulacijski proces vseh enot, ki krmilijo frekvenco.

Metoda statičnih karakteristik

Najenostavnejši način je dosežen s prilagajanjem frekvence vseh enot v sistemu, ko so slednje opremljene z regulatorji hitrosti s statično karakteristiko. Pri vzporednem delovanju blokov, ki delujejo brez premika regulacijskih karakteristik, je porazdelitev obremenitev med bloki mogoče najti iz enačb statične karakteristike in enačb moči.

Med delovanjem spremembe obremenitve znatno presegajo navedene vrednosti, zato frekvence ni mogoče vzdrževati v navedenih mejah. Pri tem načinu regulacije je potrebna velika rotacijska rezerva, razporejena po vseh enotah sistema.

Ta način ne more zagotoviti gospodarnega obratovanja elektrarn, saj po eni strani ne more izkoristiti polne zmogljivosti varčnih enot, po drugi strani pa se obremenitev vseh enot nenehno spreminja.

Metoda z astatično karakteristiko

Če so vse ali del sistemskih enot opremljene s frekvenčnimi regulatorji z astatičnimi lastnostmi, bo teoretično frekvenca v sistemu ostala nespremenjena pri kakršnih koli spremembah obremenitve. Vendar ta metoda krmiljenja ne povzroči fiksnega razmerja obremenitve med frekvenčno krmiljenimi enotami.

To metodo je mogoče uspešno uporabiti, če je krmiljenje frekvence dodeljeno eni sami enoti.V tem primeru mora biti moč naprave najmanj 8-10% moči sistema. Ni pomembno, ali ima regulator hitrosti astatično karakteristiko ali pa je naprava opremljena s frekvenčnim regulatorjem z astatično karakteristiko.

Vse nenačrtovane spremembe obremenitve zaznava enota z astatično karakteristiko. Ker frekvenca v sistemu ostane nespremenjena, ostanejo obremenitve ostalih enot sistema nespremenjene. Regulacija frekvence ene enote je pri tej metodi popolna, vendar se izkaže za nesprejemljivo, če je regulacija frekvence dodeljena več enotam. Ta metoda se uporablja za regulacijo v sistemih nizke moči.

Metoda generatorja

Metoda glavnega generatorja se lahko uporabi v primerih, ko je glede na sistemske razmere potrebno prilagoditi frekvenco več enot na isti postaji.

Frekvenčni regulator z astatično karakteristiko je nameščen na enem od blokov, ki se imenuje glavni. Na preostalih blokih so nameščeni regulatorji obremenitve (ekvalizatorji), ki so prav tako zadolženi za regulacijo frekvence. Njihova naloga je vzdrževati dano razmerje med obremenitvijo glavne enote in drugih enot, ki pomagajo uravnavati frekvenco. Vse turbine v sistemu imajo statične regulatorje hitrosti.

Metoda imaginarnega etatizma

Imaginarna statična metoda je uporabna tako za enopostajno kot tudi za večpostajno regulacijo.V drugem primeru pa morajo obstajati dvosmerni telemetrični kanali med postajami, ki prilagajajo frekvenco, in nadzorno sobo (prenos indikacije obremenitve iz postaje v nadzorno sobo in prenos avtomatskega ukaza iz nadzorne sobe v postajo). ).

Na vsaki regulacijski napravi je nameščen frekvenčni regulator. Ta regulacija je astatična glede na vzdrževanje frekvence v sistemu in statična glede na porazdelitev obremenitev med generatorji. Zagotavlja stabilno porazdelitev obremenitev med moduliranimi generatorji.

Porazdelitev obremenitve med frekvenčno krmiljenimi napravami se doseže s pomočjo aktivne naprave za delitev obremenitve. Slednji, ki povzema celotno obremenitev krmilnih enot, jo razdeli mednje v določenem vnaprej določenem razmerju.

Metoda imaginarnega statizma omogoča tudi regulacijo frekvence v sistemu več postaj, hkrati pa bo upoštevano podano razmerje obremenitev tako med postajami kot med posameznimi enotami.

Metoda sinhronega časa

Ta metoda uporablja odstopanje sinhronega časa od astronomskega kot merilo za regulacijo frekvence v večpostajnih elektroenergetskih sistemih brez uporabe telemehanike. Ta metoda temelji na statični odvisnosti odstopanja sinhronega časa od astronomskega časa, začenši z določenim trenutkom v času.

Pri normalni sinhroni hitrosti rotorjev turbinskih generatorjev sistema in enakosti vrtilnih momentov in momentov upora se bo rotor sinhronskega motorja vrtel z enako hitrostjo. Če na os rotorja sinhronskega motorja postavimo puščico, bo ta kazala čas v določenem merilu. Z namestitvijo ustreznega zobnika med gredjo sinhronskega motorja in osjo kazalca je mogoče doseči, da se kazalec vrti s hitrostjo urnega, minutnega ali sekundnega kazalca.

Čas, prikazan s to puščico, se imenuje sinhroni čas. Astronomski čas izhaja iz natančnih časovnih virov ali iz frekvenčnih standardov električnega toka.

Metoda za hkratno kontrolo astatičnih in statičnih karakteristik

Bistvo te metode je naslednje. V elektroenergetskem sistemu sta dve regulacijski postaji, ena deluje po astatični karakteristiki, druga pa po statični z majhnim statičnim koeficientom. Pri majhnih odstopanjih dejanskega razporeda obremenitve iz nadzorne sobe bo vsa nihanja obremenitve zaznala postaja z astatično karakteristiko.

V tem primeru bo krmilna postaja s statično karakteristiko sodelovala pri regulaciji samo v prehodnem načinu, pri čemer se bo izognila velikim frekvenčnim odstopanjem. Ko je območje nastavitve prve postaje izčrpano, druga postaja začne prilagajanje. V tem primeru bo nova vrednost stacionarne frekvence drugačna od nominalne.

Medtem ko prva postaja nadzoruje frekvenco, bo obremenitev baznih postaj ostala nespremenjena. Ko jo prilagodi druga postaja, bo obremenitev baznih postaj odstopala od ekonomske.Prednosti in slabosti te metode so očitne.

Metoda upravljanja zaklepanja napajanja

Ta metoda je sestavljena iz dejstva, da vsak od elektroenergetskih sistemov, vključenih v medsebojno povezavo, sodeluje pri regulaciji frekvence le, če odstopanje frekvence povzroči sprememba obremenitve v njem. Metoda temelji na naslednji lastnosti medsebojno povezanih energetskih sistemov.

Če se je obremenitev v katerem koli elektroenergetskem sistemu povečala, potem zmanjšanje frekvence v njem spremlja zmanjšanje dane moči izmenjave, medtem ko v drugih elektroenergetskih sistemih zmanjšanje frekvence spremlja povečanje dane moči izmenjave.

To je posledica dejstva, da vse naprave, ki imajo statične krmilne značilnosti, poskušajo ohraniti frekvenco, povečajo izhodno moč. Tako se za elektroenergetski sistem, kjer je prišlo do spremembe obremenitve, predznak odstopanja frekvence in predznak odstopanja izmenjalne moči ujemata, v drugih elektroenergetskih sistemih pa ta predznaka nista enaka.

Vsak elektroenergetski sistem ima eno krmilno postajo, kjer so nameščeni frekvenčni regulatorji in rele za blokado izmenjave moči.

V enem od sistemov je možno namestiti tudi frekvenčni regulator, ki ga blokira rele za izmenjavo moči, in v sosednji elektroenergetski sistem - regulator moči za izmenjavo, ki ga blokira frekvenčni rele.

Druga metoda ima prednost pred prvo, če lahko regulator moči AC deluje pri nazivni frekvenci.

Ko se obremenitev v elektroenergetskem sistemu spremeni, se znaki odstopanj frekvence in moči izmenjave ujemajo, krmilno vezje ni blokirano in pod delovanjem frekvenčnega regulatorja se obremenitev blokov tega sistema poveča ali zmanjša. V drugih elektroenergetskih sistemih so znaki odstopanja frekvence in izmenjalne moči drugačni, zato so krmilna vezja blokirana.

Regulacija po tej metodi zahteva prisotnost televizijskih kanalov med transformatorsko postajo, iz katere odhaja povezovalni vod v drug elektroenergetski sistem, in postajo, ki uravnava frekvenco oziroma izmenjevalni tok. Blokirno krmiljenje se lahko uspešno uporablja v primerih, ko so elektroenergetski sistemi med seboj povezani le z eno povezavo.

Metoda frekvenčnega sistema

V medsebojno povezanem sistemu, ki vključuje več elektroenergetskih sistemov, je nadzor frekvence včasih dodeljen enemu sistemu, medtem ko drugi nadzorujejo oddano moč.

Metoda notranjega etatizma

Ta metoda je nadaljnji razvoj metode blokiranja nadzora. Blokiranje ali krepitev delovanja frekvenčnega regulatorja se ne izvaja s posebnimi močnostnimi releji, temveč z ustvarjanjem statizma v preneseni (izmenjalni) moči med sistemi.

V vsakem od vzporedno delujočih energetskih sistemov je dodeljena ena regulacijska postaja, na kateri so nameščeni regulatorji, ki imajo statičnost glede na izmenjalno moč. Regulatorji se odzivajo tako na absolutno vrednost frekvence kot na izmenjalno moč, pri čemer je slednja konstantna, frekvenca pa enaka nazivni.

V praksi v elektroenergetskem sistemu čez dan obremenitev ne ostane nespremenjena, ne ostanejo pa tudi spremembe glede na obremenitveni načrt, število in moč generatorjev v sistemu ter podana menjalna moč. Zato statični koeficient sistema ne ostane konstanten.

Z večjo proizvodno močjo v sistemu je ta manjša, z manjšo močjo pa je, nasprotno, večji statični koeficient sistema. Zato zahtevani pogoj enakosti koeficientov statičnosti ne bo vedno izpolnjen. To bo povzročilo dejstvo, da se bodo ob spremembi obremenitve v enem elektroenergetskem sistemu aktivirali frekvenčni pretvorniki v obeh elektroenergetskih sistemih.

V elektroenergetskem sistemu, kjer je prišlo do odstopanja obremenitve, bo frekvenčni pretvornik med celotnim procesom regulacije ves čas deloval enosmerno in poskušal kompenzirati nastalo neravnovesje. V drugem EES bo delovanje frekvenčnega regulatorja dvosmerno.

Če je stat koeficient regulatorja glede na izmenjevalno moč večji od stat koeficienta sistema, bo na začetku regulacijskega procesa krmilna postaja tega elektroenergetskega sistema zmanjšala obremenitev in s tem povečala izmenjevalno moč, in po tem povečajte obremenitev, da obnovite nastavljeno vrednost izmenjalne moči pri nazivni frekvenci.

Ko je stat koeficient regulatorja glede na moč izmenjave manjši od stat koeficienta sistema, bo krmilno zaporedje v drugem sistemu moči obrnjeno (najprej se bo povečal sprejem pogonskega faktorja, nato pa zmanjšanje).