Влияние изменения частоты на работу электрических систем
Для электроэнергии основные показатели качества: напряжение и частота, для тепловой энергии: давление, температура пара и горячей воды. Частота связана с активной мощностью (Р), а напряжение с реактивной мощностью (Q).
На рис. 1 представлены относительные статические характеристики нагрузки для энергосистемы по частоте.
Анализ зависимостей на рис.1 показывает, что при уменьшении частоты снижается число оборотов двигателя, снижается производительность машин и механизмов.
1. Текстильная фабрика дает брак при изменении частоты от номинальной, т к. изменяется скорость движения нити и станки дают брак.
3. Активная мощность нагрузки синхронных двигателей пропорциональна частоте (при снижении частоты на 1%, активная мощность нагрузки синхронного двигателя уменьшается на 1%);
4. Активная мощность нагрузки асинхронных двигателей уменьшается на 3% при снижении частоты на 1%;
5. Для энергосистемы снижение частоты на 1% приводит к уменьшению суммарной мощности нагрузки на 1-2%.
Изменение частоты влияет на работу самих электростанций. Каждая турбина рассчитана на определенное число оборотов, то есть при падении частоты снижается вращающий момент турбины. Падение частоты влияет на собственные нужды электростанции и в результате может наступить нарушение работы агрегатов станции.
При падении частоты снижается э.д.с. генератора (т.к. понижается скорость возбудителя) и снижается напряжение в сети.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
В чем заключается опасность для энергосистем повышения частоты?
В энергетических системах в каждый данный момент должно вырабатываться такое количество электроэнергии, которое необходимо для потребления в данный момент, так как невозможно создание запасов электрической энергии.
Частота наряду с напряжением является одним из основных показателей качества электрической энергии. Отклонение частоты от нормальной ведет к нарушению режима работы электростанций, что, как правило, ведет к пережогу топлива. Понижение частоты в системе ведет к снижению производительности механизмов на промышленных предприятиях и к снижению к. п. д. основных агрегатов электростанций. Повышение частоты ведет также к снижению к. п. д. агрегатов электростанций и к увеличению потерь в сетях.
Влияние частоты на работу оборудования электростанций
Все агрегаты, совершающие вращательное движение, рассчитываются таким образом, чтобы их наивысший к. п. д. имел место три одной вполне определенной скорости вращения, а именно при номинальной. В настоящее время агрегаты, совершающие вращательное движение, в своем подавляющем большинстве связаны с электрическими машинами.
Производство и потребление электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе; поэтому подавляющее большинство агрегатов, совершающих вращательное движение, связано с частотой переменного тока. Действительно, как частота вырабатываемого генератором переменного тока зависит от числа оборотов турбины, так и число оборотов механизма, приводимого во вращение двигателем переменного тока, зависит от частоты.
Отклонения частоты переменного тока от номинального значения по-разному влияют на различные типы агрегатов, а также на различные приборы и аппараты, от которых зависит экономичность работы энергосистемы.
Кроме того, работа при пониженной частоте приводит к ускоренному износу рабочих лопаток турбины и других ее деталей. Изменение частоты оказывает влияние на работу механизмов собственного расхода электростанции.
Влияние частоты производительность потребителей электроэнергии
Механизмы и агрегаты потребителей электроэнергии по степени их зависимости от частоты можно разбить на пять групп.
Первая группа. Потребители, у которых изменение частоты не оказывает непосредственного влияния на развиваемую мощность. К ним относятся: осветительная нагрузка, дуговые электропечи, течи сопротивления, выпрямители и нагрузка, питаемая от них.
Вторая группа.Механизмы, мощность которых изменяется пропорционально первой степени частоты. К таким механизмам можно отнести: металлорежущие станки, шаровые мельницы, компрессоры.
Третья группа.Механизмы, мощность которых пропорциональна квадрату частоты. Это механизмы, момент сопротивления которых пропорционален частоте в первой степени. Механизмов с точно таким моментом сопротивления нет, однако ряд специальных механизмов имеет момент, приближающийся к данному.
Четвертая группа. Механизмы с вентиляторным моментом, мощность которых пропорциональна кубу частоты. К таким механизмам относятся вентиляторы и насосы при отсутствии или незначительной величине статического напора сопротивления.
Пятая группа. Механизмы, мощность которых зависит от частоты в более высокой степени. К таким механизмам относятся насосы с большим статическим напором сопротивления (например, питательные насосы электростанций).
Производительность последних четырех групп потребителей уменьшается с понижением частоты и увеличивается с повышением. На первый взгляд кажется, что для потребителей выгодно работать с повышенной частотой, однако это далеко не так.
Кроме того, с повышением частоты уменьшается крутящий момент асинхронного двигателя, что может привести к торможению и останову агрегата, если двигатель не имеет запаса мощности.
Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 1533 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Влияние частоты сигнала на энергетику радиолинков в свободном пространстве
Что меняется при изменении применяемого диапазона частот в радиосвязи – не всегда корректно могут сформулировать даже опытные радиолюбители. С одной стороны формула передачи Фрииса крайне проста, и обсуждать, казалось бы, нечего. С другой стороны, в этой формуле кроме явного упоминания длины волны λ, она неявно скрыта в других коэффициентах. Есть много утверждений, заметок и статей, что с более высокими частотами энергетика радиолинков хуже, не меньше есть и статей «разоблачений мифа» — мол ничем высокие частоты не хуже, учите матчасть.
Оба утверждения верны, причем верно и третье – с повышением частоты энергетика линка может значительно улучшаться. Всё зависит от сценария применения (накладываемых ограничений).
Любая передача информации, не только с помощью радиоволн, а и любых других волн (звуковых, ЭМ волн более высоких частот – т.е. света, гравитационных волн) может происходить в 3 сценариях:
В первом случае ни одна из сторон не знает местоположение в пространстве второй стороны, или не имеет средств наведения своих антенн на корреспондента.
К такому сценарию относятся практически все виды раций (военные, гражданские, авиационные), бытовые устройства (WiFi, Bluetooth, радиотелефоны, IoT, беспроводные сенсоры, телематика, брелки-отмычки), связь между спускаемым зондом и его космической станцией. Антенны обоих подвижных корреспондентов должны быть всенаправленными (изотропными) или близкими к ним.
Во втором случае, если одна из сторон стационарная и вероятное местоположение подвижного корреспондента ограничено некоторым сектором пространства – на стационарной стороне возможно применение направленной антенны, которая концентрирует энергию в избранном направлении, формируя луч (beam). Абонент подвижен, ни своего местоположения, ни положение базовой станции он не знает (или не имеет средств наведения антенн).
К такому сценарию относятся все виды обслуживания, когда стационарная базовая станция обслуживает подвижных абонентов (сотовая связь, репитеры для военных или гражданских раций, телерадиовещание на подвижных абонентов, спутниковая связь с подвижными абонентами, наземные станции космической связи обслуживающие высокоподвижные космические зонды). Антенна базовой станции имеет умеренную направленность и формирует луч для обслуживания желаемой зоны пространства. В идеале в любой точке зоны обслуживания на одинаковом расстоянии R от базы будет одинаковая плотность потока энергии Вт/м2. Антенна подвижного корреспондента должна быть всенаправленная (изотропная).
В третьем случае, если обе стороны знают о расположении другой стороны и имеют возможность направить туда свои антенны – можно существенно сэкономить энергию или увеличить скорость связи при тех же затратах энергии, за счет концентрации луча в пространстве.
К такому сценарию относятся все стационарные линии точка-точка: радиорелейные, WiFi точка-точка, радиолюбительская связь между 2 абонентами использующими направленные антенны; малоподвижные абоненты с возможностью точного позиционирования антенн на корреспондента (наземная станция космической связи и космическая станция с сервоприводами направленных антенн или двигателями позиционирования всей станции с жестко прикрепленной направленной антенной; перспективные модемы 5G mmWave или StarLink Илона Маска с автоматической настройкой луча активной фазированной решеткой АФАР; перспективные massive-MIMO модемы и базовые станции 4G/5G использующие большое количество антенн как АФАР)
Вернемся к формулам Фрииса
Здесь r (receiver) и t (transmitter) относятся к приемной и передающей антеннам, Pr/Pt – соотношение мощности на клеммах приемной антенны к мощности на передающей (больше – лучше), d – расстояние в тех же единицах измерения что и λ (например, в метрах)
Апертура антенны A (то же что «Эффективная/действующая площадь») связана с диаграммой направленности (ДН) антенны и её КНД (D = Directivity):
Для антенны в режиме приема эффективная площадь антенны (используется также термин эффективная поверхность антенны) характеризует способность антенны собирать (перехватывать) падающий на неё поток мощности электромагнитного излучения и преобразовывать этот поток мощности в мощность на нагрузке.
Независимо от типа и конструкции антенны, её апертура A и направленность D связаны математически через длину волны.
У всенаправленной (изотропной) антенны D=1 (0 dBi). Идеального изотропного излучателя на практике не существует, наиболее близким аналогом является обычный полуволновый диполь, у которого D
Сравним апертуру полуволнового диполя (или его аналога – четвертьволновый штырь с противовесом), у которого КНД = 2.15 dBi
Передающая антенна во всех диапазонах формирует одинаковую, близкую к сферической, диаграмму излучения. Плотность потока мощности Вт/м 2 от всех источников на одинаковом расстоянии R будет одинаковая.
Но поскольку апертура приемной (тоже всенаправленной) антенны отличается на порядки, то и количество собранной энергии из той же плотности потока будет сильно отличаться.
В открытом пространстве (пока дальность не ограничена видимостью), увеличение частоты в 2 раза увеличивает требования к мощности передатчика в 4 раза. При одинаковой мощности передатчика, увеличение частоты в 2 раза снижает дальность тоже в 2 раза.
Именно этот эффект является доминирующим для объяснения, почему:
В сценарии №2, если на одной стороне разрешено использовать малонаправленную (секторную) антенну ситуация точно такая же как и в сценарии №1, только мощность передатчика может быть уменьшена на усиление антенны базовой станции. Поскольку требуемый сектор обслуживания не зависит от частоты, то направленность антенны БС нужна одинаковая (апертура антенны БС при этом конечно будет разной на разных диапазонах). При направленности БС 12 dBi (на 10 dB или в 10 раз больше чем у диполя 2 dBi) – выигрыш в мощности составит 10 dB (10 раз), дальность связи на мобильного абонента может быть такая же, как в предыдущей таблице, но уже при TX=0.1W. Для 5400 МГц она опять составит 25.7 км, а для 27 МГц – 5142 км.
В сценарии №3 возможны очень различные комбинации решений.
Если отбросить конструктивные ограничения и сложности, то при равной площади (апертуре) обоих антенн направленность обоих антенн Dr и Dt пропорциональна квадрату частоты. Поэтому эффективность приемной антенны останется неизменной (из одного и того же потока плотности Вт/м 2 будет извлечена одинаковая мощность на клеммах, независимо от частоты), а направленность передающей антенны увеличится пропорционально квадрату частоты. При увеличении частоты в 2 раза, луч станет тоньше в 4 раза, плотность потока Вт/м 2 в направлении на абонента увеличится в 4 раза.
При равных ограничениях на габариты/вес антенн, более высокие частоты более выгодны энергетически.
На практике же реализовать такое фундаментальное преимущество не так просто.
К антеннам с фиксированной частотно-независимой апертурой относятся только зеркальные параболические антенны. Количество энергии, которое собирает такое зеркало, не зависит от частоты, а луч диаграммы направленности становится более тонким с ростом частоты.
Но сложность в производстве параболической антенны заданного диаметра зависит не только от диаметра. Чем более высокая частота, тем более высокие требования к точности поверхности зеркала и более высокие требования к точности позиционирования и вообще жесткости всей конструкции.
С другими, незеркальными антеннами, ситуация намного сложнее. Все конструкции таких антенн могут быть описаны в частотно-независимых размерах (в лямбдах) и имеют фиксированную диаграмму направленности, присущую этому типу антенн, которая не зависит от выбранной частоты проектирования. Иными словами, например 7-элементная антенна волновой канал (Уда-Яги) будет иметь одинаковую диаграмму направленности и усиление
10 dBi независимо на какую частоту её рассчитать: на 30 МГц или на 3000 МГц. Во втором случае её апертура будет в 10 000 раз меньше. Просто так, взять и увеличить размеры какого-то типа антенн чтобы увеличить апертуру – нельзя. Добавление каких-либо пассивных (паразитных) структур добавляет направленности очень незначительно (по сравнению с ростом габаритов) и лишь до небольших значений порядка 16 dBi (40 раз).
Дальнейшее повышение апертуры, которое соответствует направленности более 16 dBi на практике возможно только соединением многих антенн в ФАР (фазированную антенную решетку). Теоретически удвоение количества элементов в решетке может увеличивать апертуру в 2 раза, т.е. формировать в 2 раза более тонкий луч с усилением +3 dB. Но практически построение таких ФАР сопряжено с большими трудностями: сигнал от единого источника надо согласованными (по волновому сопротивлению) волноводами синфазно доставить к каждому из N элементов решетки.
Для небольшого количества элементов, например 2х2, 2х4, 3х3 такая задача решаема, а для бОльшего количества элементов она настолько сложна, что всегда проигрывает зеркальным параболическим антеннам, с помощью которых легко создается направленность 20-40 dBi, а в больших проектах (как наземные станции дальней космической связи) достигает 70 dBi (усиление параболической антенны диаметром 70 метров на частоте 5885 МГц).
Для расчета КНД параболического зеркала воспользуемся формулой:
Увеличение частоты в 2 раза увеличивает дальность в 2 раза или позволяет применить на одной из сторон антенну с диаметром апертуры меньше в 2 раза, или с каждой стороны уменьшить диаметр антенны в SQRT(2)
Требования к точности наведения луча (юстировки антенны на абонента) тоже растут пропорционально квадрату частоты.
В этой статье мы НЕ рассматриваем вообще другие вопросы, такие как отражение, дифракция, рефракция, поглощение в газах, препятствиях, атмосфере, ионосфере, шумовая и помеховая обстановка
Выводы
Повышение частоты радиосвязи может давать как преимущества так и недостатки в зависимости от сценария применения (техзадания).
В условиях подвижной безподстроечной связи низкие частоты более выгодны, т.к. апертура всенаправленной антенны пропорциональна квадрату длины волны. Увеличение длины волны в 2 раза увеличивает апертуру антенны в 4 раза. Это дает возможность или увеличить дальность в 2 раза (в условиях видимости и ограничения дальности связи по энергетическому бюджету) или снизить мощность передатчика в 4 раза при прочих равных.
По этой причине военные ранцевые, автомобильные и танковые рации продолжают проектироваться на самый низ диапазона УКВ – от 27 до 50 МГц, в то время как гражданская и коммерческая связь неумолимо осваивает всё более высокие частоты.
Полуволновый диполь (или четвертьволновый штырь с противовесом) на низких частотах более крупные, что является с одной стороны недостатком. С другой стороны именно этот недостаток и позволяет собирать из пространства больше энергии.
В условиях линий точка-точка низкие частоты тоже более выгодны во всех случаях, кроме применения параболических антенн с фиксированной апертурой. Для антенн с одинаковой направленностью апертура убывает пропорционально квадрату роста частоты. При росте частоты в 2 раза, размеры антенны того же типа уменьшаются в 2 раза (в каждом измерении, т.е. объем уменьшается в 8 раз), но расплатой за этой является снижение в 4 раза апертуры такой антенны.
А вот в линиях «точка-точка» с параболическими антеннами – наоборот переход на более высокие частоты позволяет при тех же диаметрах зеркала улучшать энергетический бюджет в 4 раза при росте частоты в 2 раза. Повышение частоты в 2 раза позволяет:
Расплатой за такое повышение являются повышенные требования к прецизионности изготовления, как самой антенны, так и механизма наведения (юстировки) на абонента.
Влияние частоты на электрооборудование и изоляцию
Частота электросети – один из главных параметров потребляемой электроэнергии, ее качество регламентировано требованиями межгосударственного стандарта ГОСТ 32144-2013, согласно которого предельные значения должны составлять 50 ± 0.4 Гц, при этом номинальные значения отклонения частоты не должны превышать 0.2 Гц.
Другим параметром качества электроэнергии, оказывающим непосредственное влияние на работу электрооборудования и связанным с частотой питающего напряжения, является коэффициент искажений, предельная норма которого не должна превышать 12 процентов. По сути, это гармонические составляющие от синусоиды промышленной частоты, искажающие форму питающего напряжения, однако с точки зрения частотного влияния их следует рассматривать как обособленные напряжения более высоких частот.
Еще с одним примером изменения частот мы сталкиваемся в преобразователях частоты, устройствах предназначенных для пуска и регулировки частоты вращения мощных асинхронных электродвигателей.
Каким образом частота влияет на электрооборудование
Частота питающей сети не зря находится среди основных параметров, Рассчитанное на 50 Гц оборудование при отклонениях частоты от установленной нормы страдает в не меньшей степени, чем при отклонениях напряжения. Ущерб, наносимый снижением частоты, принято оценивать по двум направлениям:
Неблагоприятным образом снижение частоты влияет на электрическое оборудование, имеющее стальные магнитопроводы, вызывая перегрев электродвигателей и сердечников трансформаторов. Повышения частоты, происходящие при резком снижении нагрузок, также могут нанести вред работающему электрооборудованию.
Не менее вредно для электроустановок влияние высших гармоник, паразитных напряжений частот кратных частоте 50 Гц.
А теперь посмотрим, чем изменения частот могут грозить изоляции.
Частота сети и изоляция электрооборудования
Допустимые стандартом рамки изменения частоты на состояние изоляции никоим образом не влияют, не страшны ей и отклонения в несколько герц, а вот частоты высших гармоник оказывают существенное влияние в отношении сопротивления изоляции. Искаженный несинусоидальный сигнал способствует ионизационным процессам в слоях диэлектрика, электрическому и химическому воздействию на него, что в конечном итоге оказывается причиной ускоренного старения изоляции.
Изоляция кабелей теряет свою электрическую прочность, что приводит к неизбежному электрическому пробою. Особенно заметно влияние частоты в силовых кабелях, питающих асинхронные двигатели от частотных преобразователей.
Регулирование частоты в энергосистеме
В энергетических системах в каждый данный момент должно вырабатываться такое количество электроэнергии, которое необходимо для потребления в данный момент, так как невозможно создание запасов электрической энергии.
Частота наряду с напряжением является одним из основных показателей качества электрической энергии. Отклонение частоты от нормальной ведет к нарушению режима работы электростанций, что, как правило, ведет к пережогу топлива. Понижение частоты в системе ведет к снижению производительности механизмов на промышленных предприятиях и к снижению к. п. д. основных агрегатов электростанций. Повышение частоты ведет также к снижению к. п. д. агрегатов электростанций и к увеличению потерь в сетях.
В настоящее время проблема автоматического регулирования частоты охватывает широкий круг вопросов как экономического, так и технического порядка. В настоящее время в энергосистеме осуществляется автоматическое регулирование частоты.
Влияние частоты на работу оборудования электростанций
Все агрегаты, совершающие вращательное движение, рассчитываются таким образом, чтобы их наивысший к. п. д. имел место три одной вполне определенной скорости вращения, а именно при номинальной. В настоящее время агрегаты, совершающие вращательное движение, в своем подавляющем большинстве связаны с электрическими машинами.
Производство и потребление электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе; поэтому подавляющее большинство агрегатов, совершающих вращательное движение, связано с частотой переменного тока. Действительно, как частота вырабатываемого генератором переменного тока зависит от числа оборотов турбины, так и число оборотов механизма, приводимого во вращение двигателем переменного тока, зависит от частоты.
Отклонения частоты переменного тока от номинального значения по-разному влияют на различные типы агрегатов, а также на различные приборы и аппараты, от которых зависит экономичность работы энергосистемы.
Кроме того, работа при пониженной частоте приводит к ускоренному износу рабочих лопаток турбины и других ее деталей. Изменение частоты оказывает влияние на работу механизмов собственного расхода электростанции.
Влияние частоты производительность потребителей электроэнергии
Механизмы и агрегаты потребителей электроэнергии по степени их зависимости от частоты можно разбить на пять групп.
Первая группа. Потребители, у которых изменение частоты не оказывает непосредственного влияния на развиваемую мощность. К ним относятся: осветительная нагрузка, дуговые электропечи, течи сопротивления, выпрямители и нагрузка, питаемая от них.
Вторая группа. Механизмы, мощность которых изменяется пропорционально первой степени частоты. К таким механизмам можно отнести: металлорежущие станки, шаровые мельницы, компрессоры.
Третья группа. Механизмы, мощность которых пропорциональна квадрату частоты. Это механизмы, момент сопротивления которых пропорционален частоте в первой степени. Механизмов с точно таким моментом сопротивления нет, однако ряд специальных механизмов имеет момент, приближающийся к данному.
Четвертая группа. Механизмы с вентиляторным моментом, мощность которых пропорциональна кубу частоты. К таким механизмам относятся вентиляторы и насосы при отсутствии или незначительной величине статического напора сопротивления.
Пятая группа. Механизмы, мощность которых зависит от частоты в более высокой степени. К таким механизмам относятся насосы с большим статическим напором сопротивления (например, питательные насосы электростанций).
Производительность последних четырех групп потребителей уменьшается с понижением частоты и увеличивается с повышением. На первый взгляд кажется, что для потребителей выгодно работать с повышенной частотой, однако это далеко не так.
Кроме того, с повышением частоты уменьшается крутящий момент асинхронного двигателя, что может привести к торможению и останову агрегата, если двигатель не имеет запаса мощности.
Автоматическое регулирование частоты в энергосистеме
Целью автоматического регулирования частоты в энергосистемах в первую очередь является обеспечение экономичной работы станций и энергосистем. Экономичность работы энергосистемы не может быть достигнута без поддержания нормального значения частоты и без наивыгоднейшего распределения нагрузки между параллельно работающими агрегатами и станциями энергосистемы.
При переменном характере нагрузки наилучшим режимом будет такой, три котором основная часть агрегатов (станций) несет нагрузку, соответствующую условию равенства относительных приростов, а небольшие и непродолжительные колебания нагрузки покрываются за счет изменения нагрузки небольшой части агрегатов.
При распределении нагрузки между параллельно работающими агрегатами стремятся к тому, чтобы все они работали в области наивысших к. п. д. В этом случае обеспечивается минимальный расход топлива.
Агрегаты, на которые возлагается задача покрывать все внеплановые изменения нагрузки, т. е. регулировать частоту в системе, должны удовлетворять следующим требованиям:
иметь высокий к. п. д.;
иметь пологую кривую зависимости к. п. д. от нагрузки, т. е. сохранять высокий к. п. д. в большом диапазоне изменения нагрузки.
При значительном изменении нагрузки системы (например, увеличении ее), когда вся система переходит на режим работы с большей величиной относительного прироста, регулирование частоты передается такой станции, у которой величина относительного прироста близка к таковой в системе.
Частотная станция имеет наибольший регулировочный диапазон в пределах своей установленной мощности. Условия регулирования получаются несложными для практического осуществления, если регулирование частота может быть поручено одной станции. Еще более простое решение получается в тех случаях, когда регулирование может быть поручено одному агрегату.
Число оборотов турбин определяет частоту в энергосистеме, поэтому регулирование частоты осуществляется воздействием на регуляторы скорости турбин. Турбины, как правило, снабжаются центробежными регуляторами скорости.
Наиболее подходящими для регулирования частоты являются конденсационные турбины нормальных параметров пара. Совершенно непригодными типами турбин для регулирования частоты являются турбины с противодавлением, так как их электрическая нагрузка полностью определяется потребителем пара и почти совершенно не зависит от частоты в системе.
Возлагать задачу регулирования частоты на турбины с большими отборами пара нецелесообразно, так как у них, во-первых, (весьма небольшой регулировочный диапазон, а, во-вторых, они неэкономичны для переменного режима нагрузки.
Наименьшая установленная мощность гидростанции для создания необходимого регулировочного диапазона может быть значительно меньше, чем тепловой. У гидростанций регулировочный диапазон, как правило, равен установленной мощности. При регулировании частоты гидростанцией отсутствует ограничение в скорости набора нагрузки, начиная с момента пуска турбины. Однако регулирование частоты гидростанций сопряжено с известным усложнением регулирующей аппаратуры.
Кроме типа станции и характеристик оборудования на выбор регулирующей станции влияет ее место в электрической системе, а именно — электрическая удаленность от центра нагрузки. Если станция расположена в центре электрической нагрузки и связана с подстанциями и другими станциями системы мощными линиями электропередачи, то, как правило, увеличение нагрузки регулирующей станции не приводит к нарушению статической устойчивости.
Наоборот, когда регулирующая станция расположена далеко от центра системы, то может возникнуть опасность нарушения устойчивости. В данном случае регулирование частоты должно сопровождаться контролем угла расхождения векторов э. д. с. системы и регулирующей станции или же контролем передаваемой мощности.
Основные требования, предъявляемые к системам регулирования частоты, регламентируют:
параметры и пределы регулирования,
статическую и динамическую погрешность,
скорость изменения нагрузки агрегатов,
обеспечение устойчивости процесса регулирования,
способность регулировать по заданному методу.
Регуляторы должны быть просты по конструкции, надежны в эксплуатации и дешевы.
Методы регулирования частоты в энергосистеме
Рост энергетических систем привел к необходимости регулировать частоту несколькими агрегатами одной станции, а затем и несколькими станциями. Для этой цели используется ряд методов, обеспечивающих устойчивую работу энергосистемы и высокое качество частоты.
Применяемый метод регулирования не должен допускать увеличения пределов отклонения частоты за счет погрешностей, имеющих место во вспомогательных устройствах (устройствах распределения активных нагрузок, каналах телеизмерения и т. п.).
От метода регулирования частоты требуется, чтобы он обеспечивал поддержание частоты на заданном уровне независимо от нагрузки агрегатов, регулирующих частоту (если, конечно, не использован весь их регулировочный диапазон), от числа агрегатов и станций, регулирующих частоту, и от величины и продолжительности отклонения частоты. Метод регулирования должен также обеспечивать поддержание заданного соотношения нагрузок регулирующих агрегатов и одновременность вступления в процесс регулирования всех агрегатов, регулирующих частоту.
Метод статических характеристик
Простейший метод получается при регулировании частоты всеми агрегатами системы, когда последние снабжены регуляторами скорости со статическими характеристиками. При параллельной работе агрегатов, работающих без смещения регулировочных характеристик, распределение нагрузок между агрегатами может быть найдено из уравнений статических характеристик и уравнений мощности.
В эксплуатации изменения нагрузки значительно превышают указанные величины, поэтому частота не может поддерживаться в заданных пределах. При таком методе регулирования необходимо иметь большой вращающийся резерв, рассредоточенный на всех агрегатах системы.
Данный метод не может обеспечить экономичной работы электростанций, так как, с одной стороны, при нем не может быть использована полностью мощность экономичных агрегатов, а с другой стороны, нагрузка всех агрегатов непрерывно меняется.
Метод астатической характеристики
Если все или часть агрегатов системы снабдить регуляторами частоты с астатическими характеристиками, то теоретически частота в системе при любых изменениях нагрузки будет неизменной. Однако при таком методе регулирования не получается фиксированного соотношения нагрузок между агрегатами, регулирующими частоту.
Все внеплановые изменения нагрузки воспринимает агрегат с астатической характеристикой. Так как частота в системе остается неизменной, то нагрузки на остальных агрегатах системы остаются неизменными. Регулирование частоты одним агрегатом по данному методу является совершенным, но оно оказывается неприемлемым, когда Регулирование частоты возлагается на несколько агрегатов. По такому методу осуществляется регулирование в энергосистемах небольшой мощности.
Метод ведущего генератора
Метод ведущего генератора может применяться в тех случаях, когда по условиям системы регулирование частоты необходимо осуществлять несколькими агрегатами одной станции.
На одном из агрегатов, называемом ведущим, устанавливается регулятор частоты с астатической характеристикой. На остальных агрегатах, на которые также возлагается задача регулирования частоты, устанавливаются регуляторы (уравнители) нагрузки. На них возлагается задача поддерживать заданное соотношение между нагрузкой ведущего агрегата и остальными агрегатами, помогающими регулировать частоту. Все турбины системы имеют регуляторы скорости со статическими характеристиками.
Метод мнимого статизма
Метод мнимого статизма применим как для регулирования одной станцией, так и для регулирования несколькими станциями. В последнем случае между станциями, регулирующими частоту, и диспетчерским пунктом должны быть каналы телеизмерения двухстороннего действия (передача показания нагрузки со станции на диспетчерский пункт и передача автоматического приказания с диспетчерского пункта на станцию).
На каждом агрегате, принимающем участие в регулировании, устанавливается регулятор частоты. Такое регулирование является астатическим с точки зрения поддержания частоты в системе и статическим с точки зрения распределения нагрузок между генераторами. Оно обеспечивает устойчивое распределение нагрузок между регулирующими генераторами.
Распределение нагрузки между агрегатами, регулирующими частоту, осуществляется с помощью устройства распределения активных нагрузок. Последнее, суммируя всю нагрузку, приходящуюся на регулирующие агрегаты, делит ее между ними в определенном заданном соотношении.
Метод мнимого статизм позволяет также регулировать частоту в системе несколькими станциями и при этом будет соблюдаться заданное соотношение нагрузок как между станциями, так и между отдельными агрегатами.
Метод синхронного времени
Этот метод использует отклонение синхронного времени от астрономического в качестве критерия для регулирования частоты в энергосистемах несколькими станциями без применения средств телемеханики. В основу данного метода положена статическая зависимость отклонения синхронного времени от астрономического, начиная с некоторого момента времени.
При нормальной синхронной скорости роторов турбогенераторов системы и равенстве моментов вращения и моментов сопротивления ротор синхронного двигателя будет вращаться с одинаковой скоростью. Если на ось ротора синхронного двигателя насадить стрелку, то она в некотором масштабе будет показывать время. Поставив соответствующую передачу между валом синхронного двигателя и осью стрелки, можно добиться, что стрелка будет вращаться со скоростью часовой, минутной или секундной стрелки часов.
Время, показываемое данной стрелкой, и называется синхронным временем. Астрономическое время получают от источников точного времени или от эталонов частоты электрического тока.
Метод одновременного регулирования по астатической и статической характеристике
Сущность данного метода заключается в следующем. В энергосистеме выделяются две регулирующие станции, из них одна работает по астатической характеристике, а вторая — по статической с небольшим коэффициентом статизма. При небольших отклонениях действительного графика нагрузки от диспетчерского все колебания нагрузки будет воспринимать станция с астатической характеристикой.
Регулирующая станция со статической характеристикой в этом случае будет принимать участие в регулировании только в переходном режиме, не допуская больших отклонений частоты. По исчерпании регулировочного диапазона первой станции в регулирование вступает вторая станция. В данном случае новое установившееся значение частоты будет отличным от номинального.
До тех пор, пока частоту регулирует первая станция, нагрузка базисных станций будет оставаться неизменной. При регулировании второй станцией нагрузка на базисных станциях будет отклоняться от экономической. Достоинства, так же как и недостатки, данного метода очевидны.
Метод регулирования с блокировкой по мощности
Данный метод заключается в том, что каждая из энергосистем, входящих в объединение, привлекается к регулированию частоты только в том случае, если отклонение частоты вызвано изменением нагрузки в ней самой. Метод основан на следующем свойстве объединенных энергосистем.
Если в какой-либо энергосистеме увеличилась нагрузка, то в ней уменьшению частоты сопутствует уменьшение отдаваемой обменной мощности, в то время как в остальных энергосистемах уменьшению частоты сопутствует увеличение отдаваемой обменной мощности.
Это объясняется тем, что все агрегаты, имея статические регулировочные характеристики, стремясь поддержать частоту, увеличивают отдаваемую мощность. Таким образом, для энергосистемы, в которой возникло изменение нагрузки, знак отклонения частоты и знак отклонения обменной мощности совпадает, а в остальных энергосистемах эти знаки неодинаковы.
В каждой энергосистеме выделяется одна регулирующая станция, на которой устанавливаются регуляторы частоты и блокирующее реле обменной мощности.
Второй способ имеет преимущество перед первым, если допускается действие регулятора обменной мощности при номинальной частоте.
При изменении нагрузки в данной энергосистеме знаки отклонения частоты и обменной мощности совпадают, цепь регулирования не блокируется и под действием регулятора частоты увеличивается или уменьшается нагрузка на агрегатах данной системы. В других энергосистемах знаки отклонения частоты и обменной мощности разные и поэтому цепи регулирования заблокированы.
Для регулирования по данному методу требуется наличие телеканалов между подстанцией, от которой отходит соединительная линия в другую энергосистему, и станцией, регулирующей частоту или обменный поток. Метод регулирования с блокировкой может успешно применяться в тех случаях, когда энергосистемы соединены только одной связью друг с другом.
Метод частотной системы
В объединенной системе, включающей несколько энергосистем, регулирование частоты иногда поручается одной системе, а остальные контролируют передаваемую мощность.
Метод внутреннего статизма
Данный метод является дальнейшим усовершенствованием метода регулирования с блокировкой. Блокирование или усиление действия регулятора частоты осуществляется не специальными реле мощности, а путём создания статизма по передираемой (обменной) мощности между системами.
В каждой из параллельно работающих энергосистем выделяется по одной регулирующей станции, на которой устанавливаются регуляторы, имеющие статизм по обменной мощности. Регуляторы реагируют как на абсолютное значение частоты, так и на обменную мощность, при этом последняя поддерживается неизменной, а частота равной номинальной.
Практически в энергосистеме в течение суток нагрузка не остается неизменной, а меняется в соответствии с графиком нагрузки, также не остаются неизменными количество и мощность генераторов в системе и заданная обменная мощность. В силу этого коэффициент статизма системы не остается постоянным.
При большей генерирующей мощности в системе он меньше и при меньшей мощности, наоборот, коэффициент статизма системы больше. Поэтому требуемое условие равенства коэффициентов статизма не всегда будет выполняться. Это приведет к тому, что при изменении нагрузки в одной энергосистеме будут приходить в действие регуляторы частоты в обеих энергосистемах.
В энергосистеме, где возникло отклонение нагрузки, регулятор частоты в течение всего процесса регулирования будет действовать все время в одном направлении, стремясь компенсировать возникший небаланс. Во второй энергосистеме действие регулятора частоты будет двухсторонним.
Если коэффициент статизма регулятора по обменной мощности больше коэффициента статизма системы, то в начале процесса регулирования регулирующая станция данной энергосистемы будет уменьшать нагрузку, способствуя этим самым увеличению обменной мощности, а затем повышать нагрузку, чтобы восстановить заданное значение обменной мощности при номинальной частоте.
Когда коэффициент статизма регулятора по обменной мощности меньше коэффициента статизма системы то последовательность регулирования во второй энергосистеме будет обратной (сначала будет увеличиваться впуск движущего фактора, а затем уменьшаться).
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
