Общие сведения о работе электрических систем
Потребление электрической энергии непрерывно изменяется в течение суток и года. Изменение нагрузки во времени (график нагрузки) для разных групп потребителей (промышленность, коммунальная нагрузка, осветительная, бытовая) не одинаково.
В зависимости от характера, присоединенных потребителей суммарные графики нагрузки отдельных районов энергосистемы, где расположены электростанции, отличаются друг от друга, и сумма их максимумов больше максимума нагрузки системы. Поэтому объединение электростанций посредством электрических сетей в рамках электрической системы дает последней весьма значительные преимущества по сравнению со способом производства электроэнергии изолированными, не связанными . между собою электростанциями.
Суточные и сезонные максимумы нагрузок энергетических систем, расположенных на обширных территориях страны, также не совпадают во времени: в одних системах они наступают раньше, в других позже. Объединение электрических систем на совместную работу линиями межсистемной связи дает дополнительные экономические преимущества, обеспечивая взаимный обмен мощностями между энергосистемами для покрытия максимумов нагрузки.
Объединение электростанций и энергосистем на совместную работу по производству и распределению электрической энергии дает ряд крупных преимуществ по сравнению с работой отдельных электростанций, не связанных между собою. Главнейшими из них являются:
снижение максимума нагрузки энергосистем по сравнению с суммой максимумов отдельных (изолированных) электростанций;
снижение суммарного максимума нагрузки электрических систем из-за сдвига во времени наступления максимумов нагрузки в отдельных энергосистемах (долготный и широтный эффекты);
укрупнение единичных мощностей агрегатов на электростанциях путем установки в объединенных системах генераторов мощностью по 500—800 МВт и более;
уменьшение резерва мощности в объединениях, который в данном случае является общим для всех электростанций;.
экономически целесообразное распределение нагрузок между электростанциями с преимущественным использованием наиболее экономичного оборудования тепловых электростанций в основе (базисе) графика нагрузки, а гидростанций для покрытия пиков нагрузки;
обеспечение работы атомных электростанций с большим числом часов использования их мощности;
облегчение условий работы энергосистем при авариях и ремонтах в результате взаимопомощи.
Объединение электростанций и энергосистем вместе с тем вносит и ряд усложнений в управление электрохозяйством и его эксплуатацию. К числу важнейших задач, относящихся к ведению режима работы объединений, относятся:
а) регулирование частоты и активной мощности электростанций;
б) регулирование напряжения и реактивной мощности в электрической системе;
в) экономическое распределение активной и реактивной мощностей между электростанциями, обеспечивающее высокую экономичность работы энергосистем при наименьших потерях электрической энергии в сетях;
г) обеспечение устойчивости параллельной работы генераторов электростанций, соединенных друг с другом линиями электропередачи большой протяженности;
д) ликвидация ненормальных режимов в системе и т. д.
Рассмотрим здесь кратко некоторые из указанных задач.
Качество электрической энергии, передаваемой потребителю, в большой степени зависит от стабильности частоты переменного тока. Значительное отклонение частоты от ее номинального значения (50 Гц) нарушает технологический процесс некоторых сложных производственных механизмов (бумагоделательные, текстильные машины и др.). Снижение частоты вызывает уменьшение скорости вращения электродвигателей, а известно, что с уменьшением этой скорости производительность механизмов снижается пропорционально либо первой степени изменения числа оборотов (металлорежущие станки, мельницы), либо третьей или даже более высокой степени (вентиляторы, центробежные насосы и др.). Большое снижение частоты настолько уменьшает производительность ответственных механизмов собственных нужд электростанций (циркуляционных и питательных насосов, дутьевых вентиляторов, дымососов), что нарушается работа всей электростанции.
Рис. 1. Зависимость активной Р и реактивной Q мощностей нагрузки от частоты f
1 — Р/Pн для сети 110 и 6 кВ; 2 и 3 — Q/Qн соответственно для сетей 110 и 6 кВ.
Снижение частоты в электрической системе происходит в тех случаях, когда присоединенная к системе активная нагрузка потребителей оказывается больше располагаемой активной мощности электростанций. Следует заметить при этом, что изменение частоты происходит одновременно и одинаково во всей энергосистеме или объединении систем.
При снижении частоты активная нагрузка системы падает из-за снижения производительности механизмов. В результате наступает новое состояние равновесия (баланс) между выработкой и потреблением активной мощности, но уже при сниженных частоте и нагрузке.
Снижение частоты вызывает существенный рост реактивной нагрузки потребителей из-за увеличения магнитной индукции в асинхронных двигателях и трансформаторах (увеличение намагничивающего тока) и приводит к снижению напряжения в электрических сетях.
На рис. 1 представлены зависимости изменения активной Р и реактивной Q нагрузок от частоты f в системе с преимущественно промышленной нагрузкой.
Для поддержания нормальной частоты в системе (или ОЭС) на уровне 50 ±0,1 Гц активная мощность автоматически регулируется на одной из крупных электростанций системы. Эта, регулирующая частоту, станция работает по ориентировочному графику нагрузки, в то время как остальные станции работают по заданному графику, исходя из экономического распределения мощности между ними. При необходимости в помощь электростанции, регулирующей частоту, выделяют одну-две станции, работающие по скользящему графику нагрузки.
В объединенных энергетических системах обязанности ведущей по частоте возлагают на наиболее мощную из энергосистем, входящих в ОЭС. Остальные энергосистемы оказывают только помощь в регулировании частоты и перетоков мощности в линиях межсистемной связи.
Экономическое распределение активной мощности между электростанциями главным образом определяется экономичностью работы самих электростанций, так как влияние потерь электрической энергии в линиях внутрисистемной связи сбалансированных систем относительно невелико. В объединенных энергосистемах при значительных перетоках мощности по межсистемным связям учет потерь энергии в сетях при определении экономического распределения активной мощности между станциями становится необходимым.
При распределении генерации реактивной мощности прежде всего исходят из обеспечения расчетных уровней напряжения в узловых точках и отдельных районах электрических сетей. Как правило, экономически целесообразно Полное использование компенсирующих установок — синхронных компенсаторов и батарей конденсаторов, поскольку они обычно расположены в центрах нагрузок и оказывают существенное влияние на экономичность работы сетей.
В замкнутых сетях, при наличии параллельных неоднородных линий одного или различных номинальных напряжений, токи в них распределяются обратно пропорционально полным, а не активным сопротивлениям, как бы это было необходимо для экономичности их работы. Для снижения потерь электрической энергии в таких сетях реактивную мощность перераспределяют между линиями путем соответствующего подбора ответвлений на автотрансформаторах связи, а иногда и путем разделения параллельных цепей. Радикальным решением повышения экономичности работы неоднородных линий в кольцевых сетях является установка автотрансформаторов с поперечным регулированием напряжения, что дает возможность перераспределения не только реактивной, но и активной мощности.