Коротков В.Ф. Автоматическое управление напряжением и реактивной мощностью синхронных генераторов и электрических станций: учеб. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

161

В том и другом случаях при изменении реактивной мощности

станции напряжение на ее шинах не остается постоянным, т. е. имеет

место положительный статизм регулирования напряжения на шинах

станции. При блочной схеме этот статизм обычно оказывается слиш-

ком большим из-за потери напряжения в сопротивлениях повышаю-

щих трансформаторов. Для уменьшения положительного статизма ре-

гулирования напряжения на шинах станции в этом случае применяют

устройство токовой компенсации, обеспечивающее отрицательный

статизм регулирования напряжения на выводах генератора.

При постоянном значении реактивной нагрузки станции измене-

ние полного значения реактивной мощности отдельного СГ осуществ-

ляется путем воздействия на уставку измерительного органа напряже-

ния АРВ. При этом если изменить уставку АРВ одного СГ, то это при-

ведет в основном к изменению его реактивной мощности и некоторому

изменению реактивных нагрузок остальных СГ станции. Напряжение

на шинах станции может при этом изменяться незначительно. Если же

изменить в одном направлении уставки АРВ всех или большинства

СГ, то это приведет к заметному изменению напряжения на шинах

станции.

Как уже указывалось, за счет статизма АРВ СГ напряжение на

шинах станции будет изменяться и при изменении общей реактивной

нагрузки (потребляемой мощности). Для поддержания его на заданном

уровне также необходимо воздействовать на уставки АРВ СГ.

Воздействие на уставки АРВ в целях управления режимом рабо-

ты станции по реактивной мощности или регулирования напряжения

на шинах электрической станции может производиться вручную или

автоматически, например, с помощью так называемой системы группо-

вого управления возбуждением (ГУВ).

Система ГУВ позволяет управлять электрической станцией по

напряжению и реактивной мощности как одним агрегатом.

По отношению к АРВ ГУВ является системой более высокого

иерархического уровня автоматического управления возбуждением

СГ, которую иногда называют системой вторичного регулирования.

В последнее время системами ГУВ стали оснащатья не только СГ

электрических станций, но и синхронные и асинхронизированные

компенсаторы подстанций. Это определило появление еще одного на-

звания этих систем

– групповое регулирование напряжения и реактив-

ной мощности (ГРНРМ) [38].

ГУВ (ГРНРМ) может реализоваться в виде комплекса специаль-

ных технических средств или быть одной из функций АСУТП элек-

трической станции или подстанции.

162

4.2. Понятие о регулирующем эффекте реактивной мощности

нагрузки по напряжению

Потребляемая в электроэнергетической системе реактивная мощ-

ность (реактивная нагрузка) состоит в основном из трех составляю-

щих, соответствующих [39]:

- токам намагничивания асинхронных электродвигателей;

- полям рассеяния асинхронных электродвигателей;

- потерям реактивной мощности в индуктивных сопротивлениях

трансформаторов и линий электрических сетей.

На долю первых двух составляющих приходятся около 60% всей

реактивной нагрузки. Эти составляющие зависят главным образом от

суммарной мощности подключенных асинхронных двигателей и сте-

пени их загрузки. Третья составляющая, определяемая нагрузками се-

тей, зависит от суммарной активной и реактивной нагрузки системы.

Обычно наибольшие реактивные нагрузки имеют место в утрен-

ние часы, когда включены в работу асинхронные электродвигатели

всех промышленных предприятий. Пик реактивной нагрузки может,

однако, иметь место и в часы вечернего максимума за счет резкого

увеличения переменных потерь реактивной мощности в электрических

сетях.

Реактивная мощность нагрузки зависит от напряжения. Пример-

ный вид статической характеристики реактивной мощности нагрузки

приведен на рис.4.1.

Рис.4.1. Статическая характеристика реактивной мощности нагрузки

163

Криволинейный характер этой характеристики определяется сле-

дующими причинами. Реактивная мощность намагничивания асин-

хронных электродвигателей и трансформаторов, составляющая значи-

тельную долю (60

– 70%) всей реактивной нагрузки электроэнергети-

ческой системы [39], резко уменьшается при снижении напряжения,

что обусловливает крутой спад реактивной нагрузки при напряжениях,

близких к номинальному значению. С другой стороны, снижение на-

пряжения приводит к заметному росту реактивной мощности, теряе-

мой в индуктивных сопротивлениях рассеяния трансформаторов и

асинхронных двигателей, а также в индуктивных сопротивлениях ли-

ний. В нормальных режимах эта реактивная мощность в сумме состав-

ляет лишь 30 – 40% всей нагрузки, но по мере снижения напряжения ее

доля участия в совокупной реактивной нагрузке все время возрастает.

Кроме того, зарядная мощность линий, частично покрывающая по-

требность энергосистемы в реактивной мощности, при снижениях на-

пряжения падает по квадратичной зависимости, что также приводит к

увеличению реактивной нагрузки системы. Поэтому при достаточно

большом снижении напряжения реактивная мощность электроэнерге-

тической системы доходит до минимального значения и при дальней-

шем снижении напряжения начинает возрастать. В промышленных

электроэнергетических системах минимум реактивной нагрузки имеет

место при снижении напряжения до 75 – 85% от номинального [39]. На

зависимость реактивной нагрузки от напряжения влияют состав по-

требителей и особенно коэффициент загрузки асинхронных электро-

двигателей. Чем больше этот коэффициент, тем больше доля реактив-

ной нагрузки от полей рассеяния и тем меньше – от токов намагничи-

вания, и следовательно, тем меньше спад реактивной нагрузки при

напряжениях, близких к номинальному, и тем выше напряжение, соот-

ветствующее минимуму реактивной нагрузки.

Зависимость реактивной мощности нагрузки от напряжения, со-

ответствующая спадающему участку статической характеристики

(рис.4.1), принято называть регулирующим эффектом реактивной

мощности нагрузки по напряжению. Смысл этого термина можно объ-

яснить следующим образом.

Если в каком-либо узле электроэнергетической системы, напри-

мер на шинах электрической станции, нарушается баланс генерируе-

мой и потребляемой реактивной мощности в сторону преобладания

потребляемой, то напряжение в узле начнет снижаться. Однако со

снижением напряжения, если оно остается близким к номинальному

значению, будет снижаться и потребляемая реактивная мощность,

уменьшая возникший небаланс и, следовательно, сдерживая снижение

164

напряжения. Другими словами, потребители путем изменения реак-

тивной нагрузки как бы стремятся стабилизировать (регулировать)

напряжение в узле. Аналогичное явление наблюдается и при повыше-

нии напряжения, вызванном преобладанием генерируемой реактивной

мощности.

Регулирующий эффект нагрузки исчезает при значительных сни-

жениях напряжения, соответствующих левому участку статической

характеристики (рис.4.1), когда снижение напряжения вызывает уве-

личение потребляемой реактивной мощности, усугубляя возникший

небаланс.

Регулирующий эффект реактивной мощности нагрузки принято

оценивать количественно так называемым коэффициентом регули-

рующего эффекта нагрузки.

Коэффициентом регулирующего эффекта реактивной мощности

нагрузки называется относительное изменение потребляемой реактив-

ной мощности при изменении напряжения на одну относительную

единицу:

ном

номнн

∆

(4.1)

где

номн

– значение потребляемой реактивной мощности в узле, со-

ответствующее номинальному напряжению

ном

U .

При

→

∆

(4.1) можно представить как

номн

ном

что в геометрическом смысле соответствует тангенсу угла

наклона

касательной к статической характеристике (рис.4.1) при

ном

UU =

Выше указывалось, что наклон статической характеристики реак-

тивной мощности нагрузки зависит от времени суток, состава потре-

бителей и степени загрузки асинхронных электродвигателей. Следова-

тельно, от этих же факторов зависит и значение коэффициента регули-

рующего эффекта нагрузки. В среднем значение этого коэффициента

находится в пределах 1 – 3 [39]. Это означает, что изменение напряже-

ния на 1% вызывает изменение потребляемой реактивной мощности на

1 – 3%.

165

4.3. Автоматическое распределение реактивной мощности между

генераторами электрической станции

Одной из функций АРВ является автоматическое распределение

изменений реактивной мощности между параллельно работающими

СГ. Рассмотрим, как может быть реализована эта функция.

Пусть, например, на электрической станции имеются два генера-

тора G1, G2, снабженные АРВ и работающие на общие шины (рис.4.2).

Предположим, что внешние характеристики (рис.4.3,а) генераторов

статические (в целях упрощения будем считать их линейными), с ко-

эффициентами статизма по реактивной мощности соответственно

с1

с2

. Тогда характеристика всей станции также будет статической

(рис.4.3,б) с некоторым коэффициентом статизма

сс

Рис.4.2. Схема электрической станции с генераторами, работающими на общие

шины

При работе станции на изолированную от электроэнергетической

системы нагрузку необходимо учитывать зависимость потребляемой

реактивной мощности от напряжения статической характеристикой

нагрузки

, представленной на рис.4.3,б. В целях упрощения будем

считать ее линейной.

166

Рис.4.3. Статическая характеристика генераторов (а) и станции с нагрузкой (б)

Точка А пересечения статических характеристик станции

нагрузки

соответствует балансу генерируемой и потребляемой ре-

активной мощности:

0.Г.0 Н

QQ =

Этому условию соответствует напряжение

на шинах станции и,

следовательно, на выводах СГ. В соответствии со статическими харак-

теристиками СГ (рис.4.3,а), при напряжении

каждый из СГ имеет

определенную реактивную мощность,

0.1

0.2

соответственно.

При этом

0.Г.00.201. Н

QQQQ ==+

Если, например, за счет подключения потребителей потребление

реактивной мощности возрастет на

∆

, то на рис.4.3,б этому будет

соответствовать смещение статической характеристики нагрузки

на

∆

(характеристика

) вдоль оси мощности. Это вызовет на-

рушение баланса с преобладанием потребляемой мощности

0. ГН

QQ >

и, как следствие, понижение напряжения на выводах СГ

и шинах станции.

За счет действия АРВ, реагирующих на понижение напряжения и

увеличивающих ток возбуждения СГ, будет увеличиваться реактивная

мощность генераторов и, соответственно, станции

. Одновременно

за счет регулирующего эффекта будет уменьшаться реактивная мощ-

ность нагрузки

. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока

вновь не наступит баланс реактивной мощности (рис.4.3,б, точка В)

НГ

QQ =

167

соответствующий напряжению

UU <

. При этом реактивная мощ-

ность СГ и станции возрастает соответственно на

, QQ ∆∆

21г

QQQ ∆+∆=∆

. Причем, в соответствии с определением понятия

коэффициента статизма [31],

;

сном

ном

сном

ном

КU

∆

=∆

∆

=∆

, (4.2)

где

UUU −=∆

– отклонение напряжения;

номном

.2.1

– значения реактивной мощности СГ в номиналь-

ном режиме;

ном

– номинальное напряжение СГ.

Из (4.2) следует, что

.22

.11

ном

∆∆

∆

(4.3)

т.е. относительные изменения реактивной мощности автоматически

распределяются между параллельно работающими СГ обратно про-

порционально коэффициентам статизма статических характеристик.

Соотношения (4.2) и (4.3) справедливы при любом числе парал-

лельно работающих генераторов.

При наличии на станции n генераторов в соответствии с (4.2)

можно записать

.;...;

ном

сном

ном

сном

ном

КU

∆

=∆

∆

=∆

∆

=∆

Полное изменение генерируемой мощности станции при этом составит

)....(

сn

номn

ном

QQ +++

∆

=∆=∆

∑

Долевое участие i-го генератора в общем изменении реактивной

мощности станции составит

∑

∆

сi

номi

сi

номii

168

Согласно (4.3), если принять

(астатическое

регулирование напряжения СГ), то распределение изменений реактив-

ной мощности между СГ будет неопределенным. Это означает, что

при астатическом регулировании напряжения АРВ не выполняет

функцию распределения реактивной мощности. В этом случае распре-

деление реактивной мощности должно быть организовано принуди-

тельно с помощью дополнительных к АРВ специальных устройств, что

не всегда желательно.

Для обеспечения устойчивости распределения реактивной мощ-

ности СГ (без применения устройства принудительного распределе-

ния) на практике рекомендуется устанавливать статизм регулирования

напряжения, осуществляемого АРВ, в пределах

= 0,04 – 0,06.

Используя (4.2) и учитывая, что

21г

QQQ ∆+∆=∆

можно по-

лучить коэффициент статизма статической характеристики электриче-

ской станции:

.2.1

.г

ном

номном

ном

∆

где

.2.1.г номномном

QQQ ∆+∆=∆

В общем случае если параллельно на общие шины работают n ге-

нераторов, то

∑

номi

. (4.4)

Согласно (4.4), чем больше номинальная мощность какого-либо

из генераторов станции, тем большее влияние статизм его статической

характеристики оказывает на статизм характеристики станции.

Из (4.4) также следует, что если один из параллельно работаю-

щих СГ снабдить астатическим АРВ (

= 0), то получим

cс

= 0. Это

означает, что в этом случае напряжение на шинах станции будет под-

держиваться постоянным. Для двухгенераторной станции (рис.4.2)

этому случаю соответствуют статические характеристики, представ-

ленные на рис.4.4.

169

Рис.4.4. Статическая характеристика генераторов (а) и станции (б) при астати-

ческой настройке одного из АРВ

Если потребляемая реактивная мощность изменится на

∆

, то

на

∆

изменится генерируемая мощность СГ с астатическим АРВ

(

на рис.4.4), а мощность остальных СГ, имеющих статические АРВ,

останется неизменной (в рассматриваемом случае

0.1

). Это подтвер-

ждается и выражением (4.3), из которого при

= 0 следует

=∆Q

Аналогичные процессы распределения изменений реактивной

мощности будут происходить и в случаях нарушения баланса за счет

генерируемой мощности. Отличие будет состоять только в знаках из-

менений напряжения и мощности.

Особого рассмотрения требует случай, когда генераторы работа-

ют на общие шины через повышающие трансформаторы (рис.4.5).

Рис.4.5. Схема электрической станции с генераторами, работающими на общие

шины через повышающие трансформаторы

170

Пусть каждый из трансформаторов имеет сопротивление

т1

т2

соответственно. В этих сопротивлениях будут иметь место паде-

ния напряжения, пропорциональные токам нагрузки СГ.

В целях упрощения сделаем следующие допущения:

- СГ имеют чисто реактивную нагрузку (cos

= 0);

- коэффициенты статизма АРВ генераторов равны нулю, т.е.

г1

= const и

г2

= const при любой нагрузке (астатическое регулиро-

вание);

- уставки АРВ генераторов по напряжению равны, т.е.

г1

= U

г2

Напряжение

на общих шинах отличается от напряжений на выво-

дах СГ на величину потери напряжения в соответствующем трансфор-

маторе (предполагается, что все напряжения и сопротивления транс-

форматоров выражены в о. е.

22г11гш

UUUUU ∆−=∆−=

С учетом указанных выше допущений получим

UU ∆=∆

где

2т

21т

; Х

UХ

номном

=∆=∆

– относительные па-

дения напряжения в сопротивлениях трансформаторов от реактивных

токов соответствующих СГ.

Из этого следует

2т

1т

номном

= ,

или

1т

2т

.22

.11

ном

= .

(4.5)

Выражение (4.5) будет справедливым и для относительных изме-

нений реактивной мощности, т.е.

1т

2т

.22

.11

ном

∆

(4.6)

Таким образом, при работе СГ на общие шины через повышаю-

щие трансформаторы относительные изменения реактивной мощности

распределяются между ними обратно пропорционально сопротивлени-

ям трансформаторов.