Баланс реактивной мощности. Особенности регулирования напряжения в электрических системах
В каждый момент времени работы любой электроустановки переменного тока, как и в электрической системе в целом, потребление реактивной мощности должно соответствовать ее генерации, т. е. должен существовать баланс реактивной мощности. Если пункты генерации и потребления реактивной мощности не совпадают, то требуется передача ее по сети от источников генерации к месту потребления.
Величина реактивной мощности определяется уровнем напряжения в электрических сетях. В нормальном установившемся режиме работы системы напряжение на электроприемниках должно быть равно номинальному. Всякое изменение генерации или потребления реактивной мощности приводит к нарушению установившегося баланса и к изменению уровня напряжения. В результате установится новое состояние равновесия между потреблением реактивной мощности и ее генерацией, но уже при новом, нежелательном, а иногда и недопустимом уровне напряжений в электрических сетях.
Источниками реактивной мощности являются генераторы электростанций, линии передачи высокого напряжения, синхронные компенсаторы и конденсаторы, а также синхронные электродвигатели промышленных предприятий, работающие с перевозбуждением. Около 15—20% всей реактивной мощности электрической системы генерируется в электроустановках потребителей, а остальная ее часть поставляется источниками энергосистемы.
Максимум реактивной мощности, как правило, наступает одновременно с максимумом активной мощности и вызывает наибольшую загрузку генераторов по току статора. Величина реактивной мощности в утрени зимний максимум нагрузки энергосистемы, без учета реактивной мощности, генерируемой потребительскими установками, достигает около 90% активной нагрузки системы.
Номинальный коэффициент мощности генераторов 100 МВт и выше равен 0,85, а у генераторов меньшей мощности 0,8. Следовательно, располагаемая реактивная мощность генераторов при максиальной нагрузке составляет около 65% их активной мощности ли 70—75% всей реактивной нагрузки системы. Зарядная мощность линий передачи 110—330 кВ компенсирует около 20% Qмакс. Образующийся таким образом недостаток реактивной мощности около 10% должен быть покрыт за счет генерации ее СК и УБК, размещаемыми в электрических сетях.
СК и УБК устанавливают на крупных районных подстанциях, где потребность в реактивной мощности наибольшая, а также на удаленных от источников энергии подстанциях, питаемых по загруженным линиям передачи. Это не только создает надлежащие условия для регулирования напряжения, но одновременно повышает коэффициент мощности генераторов и снижает потери электрической энергии в электропередачах.
Установка в крупных центрах нагрузки относительно мелких СК неэкономична. Широкое применение трансформаторов с РПН позволяет устанавливать на районных подстанциях СК мощностью 50—100 Мвар, с присоединением их к обмоткам НН автотрансформаторов.
Применение линейных регулировочных автотрансформаторов в линиях или на подстанциях, устанавливаемых для повышения уровня напряжения в удаленных от источников питания подстанциях, приводит к перераспределению реактивной мощности в сетях, что должно учитываться при составлении баланса реактивной мощности.
В послеаварийном режиме работы системы, например, при выходе из работы крупного генератора, синхронного компенсатора или при отключении линии передачи высокого напряжения уровень напряжения в системе может значительно понизиться из-за недостатка реактивной мощности. С понижением напряжения генерация реактивной мощности конденсаторными батареями и линиями передачи автоматически уменьшится (квадратичная зависимость генерации от напряжения), что еще более усугубит создавшееся положение. Существенную роль в восстановлении исходного уровня напряжения играет наличие резерва реактивной мощности на работающих генераторах.
Благодаря тому, что все генераторы оборудованы автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ), при снижении уровня напряжения на их зажимах происходит автоматическое увеличение возбуждения и выдача в сеть дополнительной реактивной мощности. Однако для того, чтобы генераторы могли принять на себя генерацию дополнительной реактивной мощности без существенных перегрузок, необходимо в нормальном режиме иметь резерв по току статора. В процессе эксплуатации такой резерв создается, в первую очередь, на тех генераторах, у которых имеется достаточный запас по току ротора.
В ночное время относительное потребление реактивной мощности от централизованных источников падает до 70% активной нагрузки энергосистемы, что приводит к общему повышению уровня напряжения в электрических сетях. Падение потребления реактивной мощности происходит, главным образом, из-за уменьшения потерь ее в линиях электропередачи и трансформаторах при снижении передаваемой по ним активной мощности.
Для снижения уровня напряжения прибегают к отключению установленных в электрических сетях компенсирующих установок и снижению возбуждения генераторов электростанций. Однако глубокое снижение возбуждения допустимо не на всех генераторах по условию устойчивости параллельной работы или по условию электроснабжения потребителей местного района нагрузки. В результате образуется некоторый избыток реактивной мощности и устанавливается повышенный уровень напряжения в сетях и у потребителей. Для приведения уровня напряжения в электрических сетях в ночное время к расчетному (обычно несколько пониженному против дневного) приходится прибегать к искусственному повышению потребления реактивной мощности.
Увеличить потребление реактивной мощности удается переводом СК системы на работу с недовозбуждением. Если эти меры все же оказываются недостаточными, то прибегают к переводу части генераторов, работающих в блоке с трансформаторами, в режим недовозбуждения с потреблением реактивной мощности из сети а также к переводу СК на работу с отрицательным возбуждением. Нужные уровни напряжения в отдельных точках сети обеспечиваются при этом посредством регулирования напряжения на трансформаторах.
В летнее время из-за снижения активных нагрузок в линиях передачи и резкого уменьшения доли осветительной нагрузки относительная величина реактивной мощности возрастает до 95—100% активной нагрузки системы. В этом случае все или значительная часть генераторов, несущих активную нагрузку, переводятся на работу с пониженным коэффициентом мощности, а некоторые из них — в режим работы СК с отделением генератора от турбины.