Частота является не только показателем качества электроэнергии, но и важнейшим параметром режима энергосистемы.
Непрерывность производства электроэнергии, отсутствие возможности запасать энергию и непрерывное изменение потребления требуют столь же непрерывного контроля за соответствием производства и потребления. Параметром, характеризующим это соответствие, и является частота.
Частота в энергосистеме определяется общим балансом генерируемой и потребляемой активной мощности, т.е. при появлении небаланса мощности, возникает переходный процесс изменения частоты. Если баланс соблюдается, то частота неизменна. По скорости и направлению изменения частоты можно судить о величине и знаке возникшего в системе небаланса активной мощности. Если частота в энергосистеме уменьшается, то для восстановления нормальной частоты надо, или увеличить активную мощность, вырабатываемую генераторами на электростанциях, или отключить часть потребителей легко переносящих кратковременные перерывы в электроснабжении.
Задача регулирования частоты подразделяется на три взаимосвязанные части:
- первичное регулирование частоты, обеспечивающее стабильность частоты, т.е. удержание частоты в допустимых рамках при нарушении общего баланса активной мощности в любой части системы;
- вторичное регулирование, обеспечивающее восстановление нормального уровня частоты и плановых режимов обмена мощностью между частями энергосистемы или регионами;
- третичное регулирование, под которым можно понимать оперативную корректировку балансов мощности регионов с целью оказания взаимопомощи регионам и предотвращения опасных перегрузок транзитных линий электропередачи.
Первичное регулирование осуществляется автоматическими регуляторами частоты вращения (АРЧВ) турбин. Каждая турбина снабжена регулятором, который при изменении частоты вращения турбоагрегата, изменяя положение регулирующих органов турбины (регулирующих клапанов у тепловой турбины или направляющего аппарата у гидротурбины), меняет впуск энергоносителя (пара или воды). При повышении частоты вращения регулятор прикрывает регулирующие органы турбины и уменьшает впуск энергоносителя, а при снижении частоты открывает регулирующие органы и увеличивает впуск энергоносителя.
Статические характеристики двух параллельно работающих агрегатов, снабжённых АРЧВ, показаны на рисунке 27.
Рисунок 27–Статические характеристики параллельно работающих генераторов
Из рисунка видно, что при снижении частоты до ƒ// в соответствии со статическими характеристиками регулируемых агрегатов вырабатываемая ими активная мощность увеличивается на ΔР1 и ΔР2 соответственно, что способствует поддержанию частоты в системе ƒ/. Приращение мощности ΔР пропорционально мощности агрегатов и зависит от наклона характеристики. А наклон характеризуется величиной статизма. При более пологой характеристике 2 меньше статизм и больше изменение мощности ΔР. У агрегата с более крутой характеристикой 1 статизм больше. Таким образом, суммарное приращение мощности распределяется между агрегатами пропорционально номинальной мощности и обратно пропорционально статизму регулирования. Следует отметить, что при любой степени эффективности первичное регулирование частоты хотя и ограничивает отклонение частоты, но не способно восстановить нормальный уровень частоты ƒ после появления небаланса мощности. Это объясняется наличием зоны нечувствительности автоматического регулятора частоты вращения, которая необходима для отстройки от малых случайных колебаний нагрузки в энергосистеме. При наличии зоны нечувствительности регулятора появляется диапазон неопределённости в распределении нагрузки между агрегатами. На рисунке 28 две параллельные линии, отстоящие друг от друга по вертикали на величину зоны нечувствительности Δƒнеч, ограничивают область возможных состояний регулятора и агрегата.
Рисунок 28–Зона нечувствительности регулятора и агрегата
Зона нечувствительности отечественных регуляторов гидротурбин не превосходит 0,03 Гц, а у паровых турбин по техническим условиям до 0,15 Гц.
Задачу восстановления нормального уровня частоты решает вторичное регулирование. В отличии от первичного регулирования вторичное регулирование осуществляется в течение нескольких минут. В результате действия вторичного регулирования и восстановления нормальной частоты ликвидируются изменения режима работы. Компенсацию всего первоначально возникшего небаланса мощности принимают на себя электростанции вторичного регулирования частоты до тех пор, пока не будет нормализован режим в месте его первоначального нарушения.
Электростанции вторичного регулирования частоты должны быть достаточно мощными и поддерживать необходимый диапазон регулирования, обладать хорошими маневренными качествами.
С ростом отдельных энергосистем и их объединением с другими менее мощными в одну ОЭС колебание частоты уменьшается, необходимость же в регулировании перетоков резко возрастает, так как увеличивается появление слабых связей, имеющих недостаточную пропускную способность. Поэтому регулирование перетоков мощности становится во многих случаях задачей не менее важной, чем регулирование частоты. В объединенных энергосистемах применяются два основных принципа вторичного регулирования частоты и мощности:
•централизованное регулирование частоты в сочетании с региональным регулированием мощности электростанций;
•децентрализованное комплексное регулирование частоты и перетоков мощности.
В основе централизованного принципа лежит регулирование одной энергосистемой частоты, т.е. баланса мощности во всей ОЭС независимо от места возникновения небаланса мощности, и регулирования своих перетоков мощности другим энергосистемам не зависимо от частоты. Этот принцип обладает достаточной эффективностью, если у регулирующей энергосистемы имеется достаточный резерв мощности и диапазон регулирования, и если межсистемные линии электропередачи не ограничивают своей пропускной способностью возможность компенсации небаланса мощности, возникающего в любой точке ОЭС.
Основным недостатком данного принципа является неравноправие взаимоотношения энергосистем ОЭС, одна из которых несёт затраты на содержание регулировочных мощностей для всех энергосистем.