Татаров Е.И. Электроэнергетические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Обозначения на принципиальной схеме регулирующего устройства пер-

вичного двигателя:

1- напорный резервуар с водой (или паровой котёл); 2 -трубопровод; 3 -

турбина; 4 - генератор; 5 -механическая передача; 6 - регулятор скорости тур-

бины; 7 - подвижная муфта; 8 - пружина; 9 - установочный двигатель (механизм

изменения оборотов – МИО); 10 - поршень золотника; 11 - серводвигатель; 12 -

регулирующая задвижка; 13 - автоматический регулятор частоты;

Рычаги поршней:

А – серводвигателя; Б – золотника;

а-в – механическая обратная связь в автоматическом регуляторе скорости.

∆

Рассмотрим взаимодействие турбины и элементов системы регулирова-

ния её скорости в совместной работе.

Допустим, в силу изменения загрузки генератора, снизился электриче-

ский момент сопротивления на валу турбина-генератор, что вызвало увеличе-

ние скорости вращения подвижной механической части агрегата. При этом уве-

личивается скорость вращения маятника регулятора. В силу инерционности

масс грузов маятника, они переместятся вверх, смещая вверх и муфту регуля-

тора. При этом перекрывается верхний канал золотника и открывается нижний,

пропуская масло под давлением в нижнюю часть серводвигателя. Поршень сер-

водвигателя перемещается вверх, через систему рычагов опуская задвижку по-

дачи энергоносителя на турбину. При этом вращающий момент агрегата стано-

вится равным тормозному. Одновременно поворачивается горизонтальная тяга,

открывая верхний канал золотника (обратная механическая связь).

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Чтобы лучше уяснить действие регулятора скорости, рассмотрим процес-

сы в регулируемых и нерегулируемых турбинах.

Предположим, что исходному установившемуся режиму отвечают неко-

торая скорость

Ω

и вращающий момент

М (интервал времени

0 t

−

). При

этом вращающий механический момент турбины уравновешен противодейст-

вующим электромагнитным моментом генератора. Предположим также, что в

силу каких-либо причин нагрузка генератора уменьшилась (момент

t ). Меха-

нический момент (

мех

М ) в данном случае стал больше тормозящего электриче-

ского момента (

эл

М ).

На нерегулируемой турбине под влиянием избыточного механического

момента (

эл

мех

ММ

−

) агрегат турбина-генератор увеличивает скорость

Ω

При этом в нерегулируемой турбине будет уменьшатся момент. Когда механи-

ческий момент сравняется с электрическим (в момент

), установится новая

постоянная скорость

Ω

Автоматический ре-

гулятор скорости, всту-

пающий в действие с запаз-

дыванием

∆

будет менять

характер процесса, который

может быть

либо апериодиче-

ским:

Ω

∆t

Ω

не

регул.

либо колебательным:

Ω

’

∆t

Ω

эл

Ω

мех

Ω

(вращающий

момент)

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Под действием регулятора скорости либо восстанавливается скорость на-

чального режима

Ω

, либо устанавливается некоторая новая скорость

Ω ,

близкая к

Ω

В первом случае, когда после

изменения нагрузки и окончания пе-

реходного процесса регулятор восста-

навливает прежнюю скорость турби-

ны

Ω

, регулирование называется

“астатическим”.

Если при изменении нагрузки и

окончании переходного процесса ус-

танавливается новая, отличная от

прежней скорость

Ω , то такая систе-

ма регулирования называется “стати-

ческой”.

Ω

астатическая

статическая

Регуляторы скорости турбин оказывают стабилизирующее влияние на

частоту в системе и поэтому часто называются первичными регуляторами час-

тоты. Процесс изменения частоты под действием этих регуляторов называется

“первичным регулированием частоты”.

Реальные регуляторы частоты имеют статическую характеристику. До-

биться астатической характеристики у регулятора, действующего в функции

частоты вращения системы “турбина - ротор генератора” практически очень

трудно.

Для астатического регулирования, т. е. для дополнительной корректиров-

ки частоты в системе, применяется так называемое “вторичное регулирование”.

В процессе вторичного регулирования осуществляется изменение мощности,

развиваемой турбинами, в зависимости от частоты переменного тока. Вторич-

ное регулирование ведётся либо автоматическими регуляторами частоты (вто-

ричными регуляторами скорости), либо вручную обслуживающим персоналом

по показаниям приборов.

Основным численным показателем статической характеристики автома-

тической системы регулирования является коэффициент статизма:

α=

∆

∗

ст

k ,

где

∗

∆

f - относительное изменение частоты:

ном

∆

=∆

∗

∆

Р - относительное изменение активной мощности

г.ном

∆

=∆

∗

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Коэффициент статизма

ст

k является коэффициентом передачи замкнутой

автоматической системы регулирования частоты вращения энергоагрегата по

главному возмущающему воздействию – мощности нагрузки синхронного ге-

нератора. Для астатической автоматической системы регулирования изменение

мощности генератора не приводит к изменению регулируемой частоты враще-

ния, т. е.

.fk 0;0

ст

∆

∗

Возвращаясь к принципиальной схеме регулятора мощности, вторичное

регулирование частоты реализуется за счёт дополнительного перемещения

муфты под действием установочного двигателя 9, называемого механизм изме-

нения оборотов (МИО). Управление двигателем может осуществляться вруч-

ную или автоматическим регулятором частоты 13.

В результате вторичного регулирования статическая характеристика тур-

бины перемещается параллельно самой себе до тех пор, пока частота не станет

номинальной.

Рассмотрим реакцию системы турбина - генератор, снабжённой первич-

ным и вторичным регуляторами частоты, на примере увеличения нагрузки по-

требителей.

Исходное состояние:

ном

Статическая характеристика

нагрузки по частоте

Характеристика

турбины

Участок 1-2: увеличение нагрузки

На интервале (0 - t

запазд

) первичного регулятора увеличению нагрузки с

до Р

соответствует снижение частоты с f

ном

до f

, поэтому новая характе-

ристика нагрузки проходит ниже.

ном

< Р

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Участок 2-3: первичное регулирование частоты f

- f

ном

Участок 3-4: вторичное регулирование частоты (АРЧ) от f

до f

ном

В результате вторичного регулирования статическая характеристика тур-

бины перемещается параллельно самой себе до тех пор, пока частота не станет

номинальной.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРВИЧНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

(Вариант лекции для ОЗФ)

Регулирование частоты в энергосистеме требует изменения мощности,

выдаваемой генераторами в сеть.

Мощность генераторов в установившемся режиме и возможность ее бы-

строго изменения полностью определяются характеристиками турбин, которы-

ми эти генераторы приводятся во вращение.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Рассмотрим принципиальную схему электромеханической системы тур-

бина - генератор и устройств регулирования выдаваемой в сеть активной мощ-

ности. На принципиальной схеме регулирующего устройства первичного дви-

гателя (тепловой или гидравлической турбины) в качестве источника энергии

показан напорный резервуар 1, расположенный по отношению к турбине 4 так,

что обеспечивает напор, необходимый для выдачи турбиной номинальной

мощности. Связь между ними обеспечивает трубопровод 2. Поток энергоноси-

теля управляется положением задвижки 3, которая условно отражает действие

направляющего аппарата турбины.

Турбина 4 приводит во вращение ротор генератора 5, а также, через ме-

ханическую передачу, механический первичный регулятор скорости турбины 6.

Первичный регулятор через исполнительный механизм 7 способен автоматиче-

ски регулировать подачу энергоносителя на рабочее колесо турбины, изменяя

положение задвижки 3.

Подключенный через трансформатор напряжения TV вторичный регуля-

тор частоты 8, используя тот же исполнительный механизм 7, способен произ-

водить точную регулировку скорости турбины в функции изменения частоты

напряжения в ЭЭС.

В зависимости от способности восстанавливать близкую к исходной час-

тоту или точно вернуться к ее прежнему значению разделяют статические и ас-

татические регуляторы, которым соответствуют характеристики:

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

астатичекая

статическая

Первичные регуляторы устанавливаются на всех генераторах, но имеют

статическую регулировочную характеристику.

Вторичные регуляторы устанавливаются в дополнение к первичным на

генераторах электростанций, ведущих по частоте. Работу пары таких регулято-

ров при увеличении нагрузки потребителей в сети иллюстрирует следующая

диаграмма:

н1

н2

ном

Т1

Т3

Т4

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Реальная современная электрическая система содержит большое количе-

ство параллельно работающих станций. Турбины каждой из них снабжены ста-

тическими регуляторами скорости. Осуществляя вторичное регулирование на

некоторых из станций системы можно получить эффект астатического регули-

рования.

Наиболее просто вторичное регулирование осуществляется с помощью

одной из станций. Метод такого регулирования называется методом ведущей

(частотной) станции. Суть метода – весь небаланс активной мощности в систе-

ме, вызывающий изменение частоты, ликвидируется одной электростанцией,

тогда как остальные станции продолжают нести нагрузку, первоначально за-

данную им и соответствующую условиям экономического распределения мощ-

ностей для данного момента времени.

При снижении частоты на турбинах станции, ведущей частоту в системе,

действие регулятора частоты приводит к увеличению выдаваемой ими мощно-

сти. Генераторы этой станции забирают на себя ту дополнительную нагрузку,

которая определила снижение частоты. При повышении частоты агрегаты час-

тотной станции под влиянием регулятора частоты разгружаются настолько,

чтобы небаланс мощности был ликвидирован.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Установленная мощность частотной станции определяется теми наи-

большими возможными внезапными изменениями нагрузки, которые в данной

системе могут вызвать максимальные мгновенные изменения частоты. В не-

больших системах для этих целей может хватить одного агрегата, в крупных

могут потребоваться все генераторы ведущей станции.

Помимо достаточной установленной мощности частотные генераторы и

станции должны обладать достаточным регулировочным диапазоном – преде-

лами, в которых возможно быстрое изменение мощности, выдаваемой электри-

ческой станцией или генератором.

На ТЭС они определяются условиями работы и котельных агрегатов, и

турбин.

Наибольшие ограничения связаны с работой котлов, которые обычно не

допускают снижения нагрузки ниже 60% номинальной (опасность погасания

факела пылеугольных топок и опасность нарушения циркуляции из-за нерав-

номерного обогрева отдельных участков котла при уменьшении интенсивности

горения).

Нижняя граница регулировочного диапазона турбин обычно 20-30% от

номинальной мощности (опасность недопустимых температурных перенапря-

жений и повреждения машины). Диапазон паровых турбин ограничивается, от-

части, режимом работы конденсаторов.

Регулировочный диапазон ТЭС ограничен, поэтому в качестве станций,

ведущих частоту, выбирают тепловые станции, чья мощность в 2-3 раза пре-

восходит величину наибольшего возможного наброса или сброса нагрузки в

данной ЭЭС.

Целесообразность использования той или иной тепловой станции, при

достаточной её мощности, в качестве ведущей частоту определяется:

1-типом установленных турбин (лучше конденсационные – больше диа-

пазон, лучше экономические показатели);

2-видом топлива (лучше газообразное топливо);

3-расположением станции в системе (обычно оптимально расположение в

центре нагрузок – min ограничения по статической устойчивости, min потери

при передаче электроэнергии, min ограничения по пропускной способности

ЛЭП).

Регулировочный диапазон ГЭС практически близок к их установленной

мощности. Поэтому мощность ГЭС, используемых для регулирования частоты,

может быть значительно меньше мощности ТЭС в условиях одной и той же

ЭЭС.

Изменение в широких пределах мощности агрегатов ведущих станций

при регулировании частоты предъявляет к ним требование сохранения высоко-

го к.п.д. во всём диапазоне регулирования.

Если для регулирования частоты недостаточно одного агрегата, возника-

ет задача распределения мощности между генераторами ведущей станции. Во

всех случаях это должно выполняться в соответствии с расходными характери-

стиками для осуществления наиболее экономного расхода топлива.

Расходные характеристики представляют собой зависимости вида:

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

(

)

Рfв

уд

, где

уд

в - удельный расход топлива (г.у.т.) на выработку 1 кВт·ч электрической и

(или) тепловой энергии при некоторой величине отбора мощности от установ-

ки;

- общая мощность, снимаемая с энергетического объекта.

В электроэнергетике построение расходных характеристик производится

в обязательном порядке для отдельных агрегатов и электрических станций в

целом.

Характеристики представляют собой семейство кривых вида:

Расходные характеристики учитывают сезонность работы оборудования и

различные тепловые режимы работы станции.

Построение характеристик – задача весьма сложная. В реальных условиях

характеристики рассчитывают в специальном отделе московского института

Теплоэлектропроект (ТЭП).

При автоматическом регулировании частоты помимо собственно регуля-

тора частоты АРЧ ведущая станция оснащается устройством автоматического

распределения активной нагрузки между генераторами частотной станции

(УРАН – устройство регулирования активной нагрузки).

Интенсивный рост мощности современных ЭЭС привёл к тому, что в не-

которых случаях для успешного регулирования частоты не хватает мощности

даже весьма крупных станций. В этих случаях, помимо ведущих станций, к ре-

гулированию привлекаются другие, меняющие свой режим работы по указанию

диспетчера, с обязательным учётом требований экономичности нового режима.

В отдельных случаях для некоторых электростанций может задаваться

так называемый “скользящий график”, который для каждого времени суток оп-

ределяет два режима работы – соответствующие:

1) повышению и

2) понижению частоты в системе.

лето 1

лето 2

зима

, МВт

уд

г.у.т.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Режим ведётся персоналом станции по показаниям частотомера без полу-

чения дополнительных распоряжений диспетчера системы. Оставшийся неба-

ланс ликвидируется частотной станцией. Участие нескольких электростанций в

подобном регулировании требует предварительных расчётов и анализа.

Дополнительные требования учитываются при осуществлении регулиро-

вания частоты в объединённых ЭЭС.

При создании ОЭЭС отдельные электростанции связываются между со-

бой линиями электропередачи. Во многих случаях пропускная способность

этих передач при большой мощности ЭЭС оказывается меньше возможных на-

бросов мощности. В этих условиях частота должна регулироваться с учётом

дополнительного требования такого распределения нагрузки между частотны-

ми станциями отдельных систем, входящих в объединение, которое бы не мог-

ло вызвать перегрузки линий, связывающих системы, и привести к нарушению

статической устойчивости.

Рассмотрим условную схему объединённой системы:

Пусть регулирование частоты может осуществляться двумя частотными

станциями, расположенными в разных системах. Считаем, что в некотором ус-

тановившемся режиме обменная мощность

пер

Р передаётся из второй ЭЭС в

первую.

Рассмотрим ситуацию, когда изменение частоты в объединённой ЭЭС

происходит вследствие наброса нагрузки величиной

∑

∆

Р в ЭЭС1.

При появлении небаланса активной мощности и снижении частоты в дей-

ствие приходят первичные регуляторы на генераторах в обеих ЭЭС. В резуль-

тате этого снижение частоты ограничилось величиной

∆

, причём изменилась

обменная мощность:

(

)

(

)

2ЭЭСпер

пер

РРР ∆+= - переток с учётом первичного регулирования.

повышение f

понижение f

Система 1

Система 2

пер