Идельчик В.И. Электрические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

190 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

которое приводит к следующему результату.

Оптимальную мощность Q

o Для линии с г

и х

на рис.

4.17,

можно определить в результате расчета режима

линии только с г

на рис. 4.17,6 при напряжении U

узла

равному нулю, и напряжении узла 7, равном так назы-

ваемому потенциалу затрат

±~ • (4.25)

По линии на рис. 4.17,6 течет мощность, равная

-Q

(4.26)

Эта мощность соответствует решению задачи оптими-

зации мощности КУ для линии на рис. 4.17, а. Действи-

тельно, оптимальная величина реактивной мощности в ли-

нии на рис. 4.17, а равна

—QKO

ПО выражению (4.24).

То же следует с учетом (4.25) и для рис. 4.17,6.

Задача оптимизации мощности КУ для сложной элект-

рической сети решается аналогично. При приведенных вы-

ше допущениях 1)—4) оптимизация мощности КУ сво-

дится к задаче квадратичного математического программи-

рования — поиска минимума целевой функции, зависящей

от квадратов мощностей КУ в узлах Q

, при ограничени-

ях в виде линейных уравнений балансов мощностей в уз-

лах (уравнений первого закона Кирхгофа). В результате

решения этой задачи определяются значения

во всех

узлах, где возможна их установка.

В действительности схемы сетей намного сложнее, чем

на рис. 4.17. В ряде узлов имеются КУ разных типов. Ба-

тареи конденсаторов, устанавливаемых в разных узлах,

имеют разную стоимость, которая не определяется линей-

ной зависимостью (4.20). При отказе от допущений 1)—4)

задача оптимизации становится нелинейной и сильно ус-

ложняется из-за учета напряжений и нелинейности стои-

мости КУ. В наиболее общем виде эта задача дискретной

оптимизации, так как мощность компенсирующих уст-

ройств, например БК, меняется дискретно, а не непре-

рывно.

Системный подход при решении задачи компенсации

§ 4.12 Применение

оптимизации

системного

подхода 191

реактивной мощности требует, во-первых, учитывать взаи-

мосвязи различных частей электрической сети и, во-вто-

рых, предполагает количественный анализ различных

допущений дл.7 выбора применяемой математической

модели. Третья особенность системного подхода состоит

в учете многокритериальности задачи. Анализ различных

допущений для выбора математической модели и учет мно-

гокритериальности выходят за рамки рассматриваемых

вопросов.

Учет взаимосвязи различных частей в электрической

сети при системном подходе требует выделить ту часть

электрической сети, которую можно рассматривать отдель-

но от остальных частей сети, и при этом получать для этой

части такие же результаты, какие были бы получены при

совместном рассмотрении всех частей сети в целом. В об-

щем виде расчетная схема сети сложной электроэнергети-

ческой системы приведена на рис. 4.18.

7<?п.с^

Балансирующий узел

Питающая

распределительная сеть

Узел1

Узел Z

Узелп-1 Узелп

ШиныЗЗкВивыше

—У ^ -*-^"

Ши

[На*.

_L Сети

6-10KQ

^с.м+JQc.Mjf

-Шины

6-10

к В

•^эк^^эк

'05о5ценнь\е

шины

-fr-^

0,38кБ

Рис.

4.18. Представление сетей энергосистемы для выбора КУ

192 Рабочие режимы электроэнергетических систем Гл. 4

Питающая и распределительная сеть 35 кВ и выше

представляется полной схемой замещения. К каждому из

узлов этой сети в общем случае присоединены понижаю-

щие трансформаторы 220—35/6—10 кВ с сопротивлением

-\-jXi. К шинам 6—10 кВ трансформаторов присоединена

сеть 6—10 кВ, представляемая в расчетной схеме на

рис.

4.18 эквивалентным сопротивлением г

к-\-}х

эк

. Имею-

щиеся в узле б—10 кВ синхронные двигатели, генераторы

и компенсаторы представляют в виде одной эквивалентной

синхронной машины (СМ), присоединенной непосредственно

к шинам б—10 кВ. Активные нагрузки узлов Р

считают

заданными на шинах б—10 кВ ЦП, что соответствует су-

ществующей системе учета электроэнергии. В частных

случаях некоторые из элементов расчетной схемы на рис.

4.18 могут отсутствовать, например в ряде узлов могут от-

сутствовать СМ, к шинам станций может быть не присое-

динена сеть 6—10 кВ, при этом может отсутствовать эквива-

лентное сопротивление этой сети, т. е. r

-\-jx

Батареи конденсаторов могут устанавливаться в каж-

дом нагрузочном узле на шинах ВН и СН понижающих

подстанций, а также на шинах 0,38 кВ (НН) трансформа-

торов 6—10/0,4 кВ, которые представлены в схеме на рис.

4.18 обобщенными шинами 0,38 кВ. На рис. 4.18 реактив-

ная мощность БК на шинах ВН обозначена

—/Q

на ши-

нах

СН—(—/QKC)

И на обобщенных шинах 0,38 кВ —

(-/QKH).

В общем виде задача оптимизации мощности КУ фор-

мулируется следующим образом: определить рабочие ре-

активные мощности имеющихся в узлах СМ, мощности

дополнительно устанавливаемых в сетях всех напряжений

БК и законы регулирования мощности всех перечисленных

КУ, а также соответствующие им значения реактивных

мощностей, передаваемых в сети потребителей Q

, обеспе-

чивающие минимум затрат на производство и передачу

электроэнергии.

Решение задачи оптимизации мощности КУ в полном

объеме возможно только на ЭВМ, поскольку требует очень

больших трудозатрат. Но даже и при использовании ЭВМ

задачу целесообразно упростить. Для упрощения необхо-

димо эквивалентировать части электрической сети. Наибо-

лее просто эквивалентировать те части электрической сети,

которые соединены с основной сетью только в одном узле.

§ 4 12 Применение оптимизации и системного подхода 193

На рис. 4.19, а изображена эквивалентируемая часть сети,

соединенная с основной сетью только в узле /. На рис.

4.19,6 эта эквивалентируемая часть сети представлена

мощностью /Q

— реактивной мощностью, передавае-

мой потребителям из системы, т е из основной сети в экви-

Уъел1

3иди дален

тируемая

часть

сети

/'C.M +

JOCMJU

Узел1

*70пс

ПУ*т

n?M

J#CM

Рис 4 19 Эквивалентирование распределительной сети при компенса-

ции реактивной мощности Q

а — присоединение эквивалентируемой части сети, б — эквивалентируемая сеть

представлена Q

п с

валентируемую часть. Затраты, связанные с компенсацией

реактивной мощности в эквивалентируемой части сети, за-

висят лишь от одного параметра Q

^п ', ~ / (Qnc)-

Передаваемая из основной сети в эквивалентируемую

часть реактивная мощность /Q

показана на рис. 4.18 в

узле /.

Задачу оптимизации мощности КУ при системном под-

ходе для сложной электрической сети предлагается ре-

шать «сверху вниз». Вначале надо решить эту задачу для

сети напряжением 35 кВ и выше, при этом сети 6—10 кВ

учитываются в виде эквивалентных сопротивлений г

эк

-\-jx

. В результате определяются оптимальные мощности

СМ и БК, а также значения Q

, передаваемые в сети потре-

бителей 6—10 кВ. Затем решается задача оптимизации мощ-

ности КУ в распределительных сетях б—10 кВ, причем мощ-

ность Qc, передаваемая в такую сеть из сети более высокого

напряжения, и мощности БК на шинах б—10 кВ и обобщен-

ных шинах 0,38 кВ Q

и Q

принимаются заданными

13—237

194 Рабочие режимы электроэнергетических систем Гл. 4

и равными тем значениям, которые определены при реше-

ны задачи оптимизации Q

для сети 17^35 кВ.

Таким образом, системный подход в задачах компенса-

ции для сети 35 кВ и выше предполагает учет сетей 6—

10 кВ в виде эквивалентных сопротивлений. После реше-

ния задачи компенсации в сетях 35 кВ и выше более под-

робно решается задача компенсации для каждой из сетей

6—10 кВ с использованием результатов расчета сети более

высокого напряжения.

Вопросы для самопроверки

Какова связь между балансом активной мощности

и регулированием частоты?

Что понимается под резервом мощности и энергии

системы и каковы задачи этих резервов?

Как определить первичное регулирование частоты?

Как осуществляется регулирование частоты в энер-

госистемах и какие требования предъявляются к регуля-

торам частоты станций?

Какое распределение активных мощностей между

станциями оптимально?

6. Какова связь между балансом реактивной мощности

н регулированием напряжения?

Какие потребители и источники реактивной мощно-

сти имеются в энергосистемах и каковы их характери-

стики?

8. В чем состоят особенности выработки реактивной

мощности на электростанциях?

9. Какие компенсирующие устройства применяются

в энергосистемах и каковы их основные свойства?

10.

Каково назначение батарей конденсаторов и синх-

ронных компенсаторов в электрических сетях?

11.

Каковы критерии расстановки КУ?

BOOKS.PROEKTANT.ORG

БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОННЫХ

КОПИЙ КНИГ

для проектировщиков

и технических специалистов

§51

Показатели

качества

электроэнергии 195

ГЛАВА ПЯТАЯ

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

И ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЕ

5.1.

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Качество электроэнергии характеризуется показателя-

ми,

определяющими степень соответствия напряжения

и частоты в сети их нормированным значениям. Обычно

предполагается, что работа всех электроприемников (ЭП)

и аппаратов наиболее целесообразна с технической и эко-

номической точек зрения при номинальных параметрах

(/"ном, t/ном, /ном). На первых этапах проблема качества

электроэнергии состояла в поддержании уровней напря-

жения и частоты сети, близких к номинальным. В послед-

ние годы появилось большое количество нетрадиционных

электроприемников (прокатные станы, дуговые сталепла-

вильные печи, выпрямительные установки, электрифициро-

ванный транспорт, электролиз) с резкопеременными на-

грузками либо неравномерностью их распределения по

фазам и наличием несинусоидальных токов и напряжений.

Эти новые виды ЭП привели к нарушениям качества элек-

троэнергии.

В настоящее время действует ГОСТ 13109—87, устанав-

ливающий требования к качеству электрической энергии

в электрических сетях общего назначения переменного

трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках,

к которым присоединяются приемники или потребители

электрической энергии.

Показатели качества электрической энергии (ПКЭ)

подразделяют на две группы: основные ПКЭ и дополни-

тельные ПКЭ. Основные ПКЭ определяют свойства элек-

трической энергии, характеризующие ее качество.

К основным ПКЭ, для которых установлены допустимые

значения, относят: отклонение напряжения, размах изме-

нения напряжения, дозу колебаний напряжения, коэффи-

циент несинусоидальности кривой напряжения, коэффици-

ент v-й гармонической составляющей, коэффициент обрат-

ной последовательности напряжений, коэффициент нулевой

последовательности напряжений, отклонение частоты. До-

полнительные ПКЭ представляют собой формы записи ос-

13*

196

Качество

электрической энергии и его обеспечение Гл. 5

новных ПКЭ, используемые в других нормативно-техниче-

ских документах.

Отклонение частоты одинаково для всей энергосистемы,

так как значение частоты в данный момент определяется

частотой вращения генераторов. В нормальных установив-

шихся режимах все генераторы имеют синхронную часто-

ту. Поэтому отклонение частоты — это общесистемный по-

казатель качества электроэнергии. Напряжения в различ-

ных точках сети имеют разные значения. Поэтому показа-

тели качества напряжения локальные, т. е. имеют разные

значения в различных точках электрической сети.

В реальных режимах электрических сетей напряжения

всегда отличаются от номинальных. Эту разницу характе-

ризуют ряд ПКЭ: отклонение напряжения, размах измене-

ния напряжения, доза колебания напряжения и др.

Отклонение напряжения — это разность между действи-

тельным значением напряжения U и его номинальным зна-

чением для сети

UHOM-

Если U и

H0M

выражаются в вольтах или киловольтах,

то отклонение напряжения в тех же единицах равно

v = u-u

B04

Отклонение напряжения в процентах номинального

у%

™ 100.

L'HOM

Размах изменения напряжения — это разность между

амплитудными или действующими значениями напряже-

ния до и после одиночного изменения напряжения.

Размах изменения напряжения, %, вычисляют по фор-

муле

V, % = Wt-U'JA ЮО,

^2 У

ном

где U„ U

\ — значения следующих друг за другом экст-

ремумов (или экстремума и горизонтального участка) оги-

бающей амплитудных значений напряжения, В, кВ. Если

друг за другом следуют наибольшее и наименьшее значе-

ния

и U

,n, то размах изменения напряжения, %,

равен

% =

Umax

Umin

- ЮО.

^ном

§5.1

Показатели

качества

электроэнергии

197

Нормы на допустимые размахи изменения напряжения оп-

ределены только на входах осветительных установок. Для

остальных приемников электроэнергии размахи изменения

напряжения не нормируются.

Коэффициент обратной последовательности напряже-

ний — это показатель качества, определяющий несиммет-

рию напряжений, %:

ги

= -H*L 100,

^ном

где U

(i) — действующее значение напряжения обратной

последовательности основной частоты трехфазной системы

напряжений, В, кВ.

Аналогично определяется коэффициент нулевой после-

довательности напряжений к

и трехфазной четырехпровод-

ной системы. Коэффициент к

и определяется тем же выра-

жением, что и к

и, только вместо

(i)

используется дейст-

вующее значение нулевой последовательности основной

частоты £/

(1).

Коэффициент несинусоидальности кривой напряжений

2"?

«нос/

= —7=^—

°.

где U

—действующее значение v-й гармонической состав-

ляющей напряжения, В, кВ; v — порядок гармонической

составляющей напряжения; N — порядок последней из

учитываемых гармонических составляющих напряжения.

При определении к

пс

и допускается не учитывать гармо-

нические составляющие порядка v^40 и (или) составля-

ющие, значения которых меньше 0,3 %.

Допустимые значения ПКЭ нормируются следующим образом:

Нормальное Максимальное

Отклонение напряжения в электрической

сети напряжением:

до 1 кВ =ь5 ±10

6—20

кВ — ±10

35 кВ и выше , — —

Коэффициент несинусоидальности, %, не бо-

лее,

в электрической сети напряжением:

до 1 кВ 5 10

6—20

кВ 4 8

35 кВ 3 6

ПО кВ и выше 2 4

198

Качество

электрической энергии и его обеспечение Гл. 5

Коэффициент гармонической составляющей

напряжения нечетного (четного) порядка,

%, не более, в электрической сети напря-

жением:

до 1 кВ — 6(3)

6—20

кВ — 5(2,5)

35 кВ — 4(2)

ПО кВ и выше — 2(1)

Коэффициент обратной последовательности

напряжений, %, не более 2 4

Коэффициент нулевой последовательности

напряжений, %, не более 2 4

Отклонение частоты, Гц ±0,2 ±0,4

Влияние низкого качества электроэнергии на работу

сетей и электрооборудования проявляется в увеличении по-

терь электроэнергии; сокращении сроков службы оборудо-

вания; технологическом ущербе, состоящем в снижении

производительности (недаотпуск продукции), ухудшении

качества, а иногда и браке.

Влияние отклонений частоты рассмотрено в гл. 4.

Потери мощности в сети и в электрооборудовании из-

меняются в зависимости от значения напряжения. Напри-

мер,

нагрузочные потери, т. е. потери в продольной части

схем замещения линий и трансформаторов, пропорциональ-

ны квадрату тока и обратно пропорциональны квадрату

напряжения [см.

(В.9)].

Потери холостого хода пропорци-

ональны квадрату напряжения (см. гл. 2). Из сказанного

следует, что регулирование напряжения изменяет потери

мощности и электроэнергии.

Искажение симметрии и синусоидальности токов и на-

пряжений приводит к дополнительным потерям мощности

в линиях, трансформаторах, вращающихся машинах и ба-

тареях конденсаторов. Поэтому мероприятия по повыше-

нию качества электроэнергии приводят к уменьшению по-

терь мощности и электроэнергии.

Влияние качества электроэнергии на сроки службы

электрооборудования проявляется в основном в превыше-

нии температуры проводников и изоляции над допусти-

мыми значениями, что приводит к их ускоренному старе-

нию [15]. Особенно сильно влияют положительные откло-

нения напряжения на уменьшение срока службы ламп

накаливания. Высшие гармоники часто приводят к выходу

из строя БК, особенно при возникновении резонанса.

•§5.2

Методы регулирования напряжения

199

Технологический ущерб определяется видом технологи-

ческого процесса и выпускаемой продукции. Обычно тех-

нологический ущерб проявляется в снижении количества

или качества выпускаемой продукции, в браке продукции

и даже в нарушении технологических процессов. Снижение

количества и качества продукции оценивается с помощью

так называемых экономических характеристик, определяю-

щих зависимость изменения общей стоимосги продукции от

уровня подводимого напряжения. Экономические характе-

ристики экспериментально получаю! дли каждого вида

предприятия. Дли ра-uiux иидои иредпршпнй они различны.

Некоторые гех1юли1ичсские процессы, например выращива-

ние кристаллов в особых условиях, стекольное производст-

во,

особенно чувствительны к качеству напряжения.

Нарушение технологических процессов происходит из-

за неправильной работы систем автоматики. Системы ав-

томатического управления содержат много электронных

элементов, чувствительных к качеству электроэнергии.

Основным показателем качества электроэнергии, опре-

деляющим технологический ущерб и потери электроэнергии

в промышленных и городских сетях, является отклонение

напряжения. Экономический ущерб из-за низкого качества

напряжения для ряда производств имеет существенное

значение. Понижение напряжения приводит к резкому сни-

жению светоотдачи ламп, нестабильность напряжения

в городских сетях приводит к массовому использованию

стабилизаторов напряжения.

Показатели качества электроэнергии можно записать

в порядке уменьшения их влияния на потери мощности

и срок службы оборудования, а также на снижение коли-

чества и качества продукции следующим образом: 1) от-

клонение напряжения и частоты; 2) несимметрия напряже-

ния и тока; 3) несинусоидальность кривых напряжений

и токов; 4) размах изменения напряжения. В порядке сни-

жения степени влияния на нарушение технологических

процессов указанные показатели качества можно записать

в последовательности 3, 4, 2, 1 [15].

5.2.

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Напряжение сети постоянно меняется вместе с измене-

нием нагрузки, режима работы источника питания, сопро-