6 Регулирование графика нагрузки, частоты, напряжения, активной и реактивной мощностей в энергосистеме
Энергосистемы условно подразделяют на избыточные, дефицитные и самобалансирующиеся в зависимости от соотношения установленной (рабочей) мощности их электростанций и своей нагрузки.
Характерными для энергосистемы являются следующие положения:
•равенство частот во всех узлах системы в любой момент времени;
•принципиальное неравенство по модулю или по фазе напряжений различных узлов при наличии между ними перетоков мощности;
•баланс в каждый данный момент времени активных мощностей источников и потребителей
где РГ–активная мощность, генерируемая источниками электроэнергии;
РНГ–мощность, потребляемая нагрузкой (потребителями);
РПОТ–потери мощности в сетях;
РСН–потребление мощности на собственные нужды электростанций (технологический расход).
Увеличение в определенных пределах мощности нагрузки сверх располагаемой мощности электростанций ведёт к снижению частоты в системе, поскольку баланс мощности с учётом регулирующего эффекта нагрузки наступает при пониженной частоте. При чрезмерном увеличении нагрузки может быть нарушена устойчивость работы отдельных генераторов, электростанций и даже энергосистемы в целом.
При уменьшении нагрузки частота в системе может возрастать до тех пор, пока регуляторы частоты электростанций не обеспечат баланс мощности при номинальной частоте сети. Баланс в каждый данный момент времени реактивных мощностей источников и потребителей:
Увеличение реактивной мощности нагрузки ведёт к снижению напряжения в узлах сети, и наоборот, снижение реактивной нагрузки вызывает рост напряжения в узлах сети. Имеющиеся в энергосистемах регулируемые источники реактивной мощности должны обеспечивать поддержание напряжения в узлах сети (при изменении их нагрузки) в заданных пределах, определяемых требованием к качеству напряжения. Оперативное управление энергетикой осуществляют диспетчерские службы, а также дежурный персонал энергоустановок. Диспетчерское управление охватывает четыре уровня территориальной иерархии:
•Центральное диспетчерское управление (ЦДУ) ЕЭС России;
•Объединенное диспетчерское управление (ОДУ). На территории России имеются следующие Объединенные энергетические системы (ОЭС): Центра, Северо-запада, Северного Кавказа, Юга, Средней Волги, Урала, Сибири, Востока;
•Региональные диспетчерские управления (РДУ) осуществляют контроль над выработкой (потреблением) электрической энергии, занимаются краткосрочным и долгосрочным планированием и прогнозированием работы местной энергосистемы (ЭС);
•Дежурный персонал электростанций, подстанций, электрических и тепловых сетей, обеспечивающих управление соответствующей энергоустановкой.
Важными вопросами при планировании режимов работы и обеспечении качества функционирования энергосистемы являются, в частности, следующие:
•определение и обеспечение оптимального долевого участия электростанций различного типа в покрытии суммарной нагрузки энергосистем;
•определение размера, обеспечение ввода и распределение по энергосистеме основной и резервной мощностей;
•оптимальное распределение активной нагрузки между электростанциями и их агрегатами;
•оптимальное регулирование перетоков активной и реактивной мощностей по сети;
•оптимальное распределение реактивной нагрузки между генерирующими и компенсирующими элементами ЭС (источниками реактивной мощности) при условии поддержании заданного (расчётного) уровня напряжения в узловых точках сети;
•регулирование частоты в системе в нормальном режиме;
•обеспечение статической и динамической устойчивости энергосистемы, её частей, электростанций и отдельных электрических машин;
•обеспечение нормированной надёжности работы энергосистем, их частей, электростанций, подстанций и отдельных элементов в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах;
•согласование требований энергосистем с возможностями и параметрами установленного в них оборудования.
Суммарные графики нагрузки энергосистем неравномерны. Коэффициент заполнения графиков Кзп=0,5-0,7 и имеет тенденцию к снижению ввиду появления новых типов потребителей и изменения структуры энергопотребления. Суточные графики нагрузки имеют два характерных максимума (дневной и вечерний) с преобладанием вечернего над дневным, (рисунок 26).
Рисунок 26–Суточный график нагрузки энергосистемы
Распределение нагрузки между отдельными электростанциями с целью покрытия суммарного графика нагрузки энергосистемы производят, исходя из особенностей технологического режима электростанций различного типа, с тем, чтобы получить в целом по системе положительный экономический эффект. При этом в базовую часть графика нагрузки в непаводковый период помещают АЭС, ТЭЦ, частично КЭС, ГЭС без водохранилищ, а также частично ГЭС с водохранилищами (выработка на необходимом санитарном пропуске воды). В полупиковую часть графика помещают КЭС, а в пиковую часть – ГЭС с водохранилищами и ГАЭС. Во время паводка мощность ГЭС в базовой части графика увеличивается, с тем, чтобы после заполнения водохранилищ не сбрасывать бесполезно избыток воды через водосливные плотины. При этом большая доля КЭС и частично ТЭЦ вытесняются в полупиковую часть графика нагрузки.
Зная графики нагрузки электростанций, можно планировать ремонт их оборудования. Агрегаты ГЭС, как правило, ремонтируется зимой, а ТЭС и АЭС–весной и летом. В энергосистеме должны быть предусмотрены резервы: эксплуатационный (ремонтный, режимный и аварийный), составляющий примерно 10–12% установленной мощности энергосистемы, и хозяйственный, составляющий около 3%. Считается, что для нормального функционирования энергосистемы её общий резерв должен составлять 13–15% установленной мощности.
Реальная мощность нагрузки электростанции равна
где Ррез.хол–мощность холодного не вращающегося резерва;
Ррез.вр–мощность вращающегося (горячего) резерва.
С учётом устойчивости и надёжности работы энергосистемы мощность наиболее крупного агрегата, как показал опыт эксплуатации, нормально не должна превышать 1,5-3,5 установленной мощности энергосистемы. Отсюда следует, что агрегаты мощностью 500, 800 и 1200 МВт могут устанавливаться только в относительно мощных энергосистемах. Регулирование частоты и мощности в энергосистемах. В настоящее время всё производство, практически всё распределение и большая часть потребления электроэнергии в энергосистемах выполняются на переменном токе. Поэтому параметры переменного тока–частота, величина и форма кривой напряжения –приобрели значение унифицированных параметров, в соответствии с которыми конструируются все источники, средства передачи и приёмники электрической энергии. В особенности это относится к частоте. Практически сохранилось лишь два стандартных значения частоты–50 Гц в странах Европы, в том числе в России, и 60 Гц в США и Канаде.
В процессе работы энергосистемы все параметры переменного тока могут изменяться. Чем ближе они поддерживаются к номинальным, т.е. расчётным для оборудования, значениям, тем ближе режим к оптимальному. Таким образом, частота приобретает значение показателя характеризующего качество продукции энергетической промышленности, качество электроэнергии. Согласно ГОСТ 13109–97 на качество электрической энергии частота в энергосистемах должна поддерживаться с точностью±0,2
Гц (95% времени суток). Допускается кратковременная (не более 72 минут в сутки) работа энергосистемы с отклонением частоты в пределах±0,4 Гц.
Столь жёсткие требования объясняются тем, что частота переменного тока непосредственно связана с частотой вращения агрегатов, преобразующих механическую энергию в электрическую, т.е. генераторов, и агрегатов преобразующих электрическую энергию в механическую, т.е. двигателей. Изменение же частоты вращения, даже небольшое, существенно влияет на режим работы вращающихся механизмов. Снижение частоты приводит к падению производительности насосов, вентиляторов и других механизмов.
Примером механизма, предъявляющего весьма жёсткие требования к точности поддержания частоты вращения, является паровая турбина. Турбостроительные заводы требуют, чтобы частота не оставалась длительно ниже 49,5 Гц и выше 50,5 Гц, иначе возможно повреждение лопаток турбин (резонансная вибрация). Таким образом, наиболее серьёзные требования к точности регулирования частоты предъявляются самими электростанциями.