Основные сведения о регулировании частоты и обменной мощности в электроэнергетической системе

В статье рассмотрены взаимосвязь частоты вращения генераторов от изменения нагрузки у потребителей и мощности турбины в электроэнергетической системе. Обоснована необходимость использования регуляторов частоты вращения турбин для мониторинга баланса мощностей. Рассмотрена схема системы автоматического регулирования (САР). Дан вывод об использовании регуляторов частоты и мощности в энергетической системе.

Ключевые слова: частота вращения, синхронные зоны, регулятор частоты, отклонение частоты вращения, мощность турбины, нагрузка, система автоматического регулирования, САР.

Одним из качественных показателей электрической энергии в энергосистеме является частота. Ее изменение оказывает влияние как на большинство потребителей энергосистемы, так и на всю работу энергосистемы в целом. Согласно Правилам технологического функционирования электроэнергетических систем в первой синхронной зоне Единой энергетической системы России значения частоты, усредненные на 20-секундном интервале, должны находиться в пределах 50±0,05 Гц с допустимым отклонением значений частоты в пределах 50±0,2 Гц восстановлением частоты до уровня 50±0,05 Гц за время, не превышающее 15 минут. Во второй синхронной зоне Единой энергетической системы России, технологически изолированных территориальных электроэнергетических системах, в энергорайонах (энергоузлах), временно выделенных на изолированную работу от первой синхронной зоны Единой энергетической системы России, а также в первой синхронной зоне Единой энергетической системы России при ее работе в вынужденном режиме:

— значения частоты, усредненные на 20-секундном временном интервале, должны находиться в пределах 50  0,2 Гц не менее 95 процентов времени суток без выхода за величину 50  0,4 Гц;

— восстановление частоты до указанных значений должно обеспечиваться за время, не превышающее 72 минуты [1].

При изменении нагрузки на величину происходит отклонение частоты вращения агрегата. Переходной процесс представлен уравнением 1:

где постоянная времени; частота вращения;

В начальный момент возмущения отклонение частоты вращения ротора агрегата , следовательно . При дальнейшем возрастании нагрузки возникает отрицательное ускорение и вследствие этого частота вращения агрегата будет уменьшаться. Для увеличения частоты вращения агрегата необходимо, чтобы мощность турбины превышала мощность нагрузки, т. е. если , то . Можно сделать вывод, что если регулирующий орган турбины постоянно открыт, то изменение потребления электрической энергии будет происходить за счет кинетической энергии агрегата.

В дальнейшем отклонение частоты вращения генератора будет увеличиваться, вследствие чего изменятся нагрузки потребителей и мощность турбины. В уравнении 1 данное изменение учитывается использованием коэффициента демпфирования . С его помощью в новом установившемся режиме отклонение частоты будет определяться выражением .

Для того, чтобы частота вращения генератора поддерживалась на определенном уровне, необходимо соблюдать баланс мощностей турбины и генератора (нагрузки).

Так как нагрузка в системе постоянно изменяется, то для того, чтобы частота вращения находилась в допустимых пределах, необходимо изменять мощности, вырабатываемые турбинами, при этом не забывать сохранять баланс между вырабатываемой и потребляемой мощностью. Для того, чтобы осуществлять постоянный мониторинг за балансом мощностей, применяют автоматические регуляторы частоты вращения турбин (паровых, газовых и гидравлических).

Структурная схема системы автоматического регулирования (САР) представлена на рисунке 1:

Рис. 1. Функциональная схема системы автоматического регулирования с объектом регулирования

САР состоит из измерительного, усилительного, исполнительного элементов, обратной связи, и непосредственно агрегата (турбины).

Измерительный элемент фиксирует все изменения регулируемой величины от заданного. При подаче на вход измерительного элемента значения частоты вращения агрегата САР замыкается. Далее сигнал через усилительный элемент поступает на вход исполнительного элемента, который воздействует непосредственно на регулирующий орган турбины и дает ему сигнал на увеличение, либо уменьшение частоты вращения. Обратная связь необходима для изменения параметров регулятора (коэффициентов усиления, постоянных времени и т. д.) и позволяет преобразовать один вид элемента в другой. Обратная связь бывает жесткой (является безынерционным элементом) и гибкой (является дифференцирующим элементом).

В энергосистеме, кроме сохранения баланса вырабатываемой и потребляемой мощностей, необходимо также распределять нагрузки между отдельными агрегатами. Данная задача решается с помощью применения регуляторов частоты и мощности.

Заключение. На основании статьи можно сделать вывод, что использование регуляторов частоты и мощности позволяет поддерживать частоту и баланс обменной мощности в энергосистеме на нормальном уровне и сохранять статическую и динамическую устойчивость энергосистемы.

1. Правила технологического функционирования электроэнергетических систем.(Утверждены постановлением Правительства Российской Федерации от 13 августа 2018г. № 937)
2. Павлов Г. М. Автоматика энергосистем. Спб: РАО «ЕЭС России», ЦПК, 2001г.