АЧР энергосистем - Влияние снижения частоты на работу энергосистемы

Глава первая
ВЛИЯНИЕ СНИЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ НА РАБОТУ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Постановка задачи

Частота является одним из основных показателей качества электроэнергии. Допустимые отклонения частоты от номинальной (50 Гц) в нормальных режимах, регламентируются ГОСТ 13109 — 67 * «Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединяемых к электрическим сетям общего назначения», «Правилами устройства электроустановок», «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей» и не должны превышать ±0,1 Гц. Допускается кратковременная работа энергосистем с отклонением частоты в пределах ±0,2 Гц. Аварийные отклонения частоты ограничиваются как по условиям работы основного и вспомогательного оборудования электростанций, так и в соответствии с требованиями ряда потребителей. В настоящей главе анализируются работа потребителей и электростанций энергосистемы при снижении частоты. Цель этого анализа — сформулировать требования к АЧР.
Допустимая длительность работы электрических станций, прежде всего ТЭС и АЭС, при снижении частоты в значительной степени определяется работой установок их собственных нужд.
Выдача мощности электростанции при снижении частоты определяется как производительностью механизмов собственных нужд электростанции, так и реакцией на снижение частоты турбин и их систем регулирования. Для анализа режимов с дефицитом активной мощности важно знать статические характеристики турбин по частоте, т. е. зависимости мощности турбин от частоты в энергосистеме.
Глубокое или длительное снижение частоты представляет опасность для лопаточного аппарата турбин из-за возможности развития резонансных явлений и повреждения лопаток. В связи с этим допустимые глубина и длительность снижения частоты для турбин ТЭС и АЭС нормируются.
В современных энергосистемах основная часть энергии вырабатывается блочными ТЭС высокого давления, с каждым годом увеличивается мощность АЭС, поэтому особую важность приобретают вопросы работы ТЭС и АЭС в аварийных ситуациях с понижением частоты. Эти вопросы целесообразно проанализировать как для случаев отсутствия на блоках вращающихся резервов мощности, так и при их наличии, поскольку мобилизация вращающихся резервов мощности, являясь действенным средством ликвидации аварийной ситуации, существенно зависит от вида регулирования котлов, реакторов и турбин.
Для того чтобы выявить требования к АЧР с точки зрения потребителей, необходимо проанализировать прежде всего статические характеристики нагрузки энергосистемы по частоте, т. е. зависимости мощности, потребляемой нагрузкой, от частоты в энергосистеме.
Снижение частоты в энергосистеме приводит, как правило, к одновременному снижению напряжения в узлах нагрузки, что, с одной стороны, может существенно влиять на статические характеристики нагрузки по частоте и, с другой стороны, в наиболее неблагоприятных случаях может приводить к массовым отключениям потребителей.
Для анализа реакции энергосистемы на возникновение дефицита мощности особый интерес представляет статическая характеристика энергосистемы (энергообъединения) по частоте в целом, т. е. зависимость суммарной нагрузки энергосистемы от частоты. При этом следует различать статическую характеристику энергосистемы после действия автоматических регуляторов частоты вращения (АРЧВ) турбин и аналогичную характеристику после последующей реакции на возникшее возмущение тепловой и реакторной части электростанций (котлов, реакторов и их систем регулирования).
Статические характеристики по частоте определяют установившиеся отклонения частоты в энергосистеме после возникновения небаланса мощности. Для выбора принципов построения и уставок АЧР, анализа протекания переходных процессов в энергосистеме Необходимо знание динамических характеристик энергосистемы по частоте.

Статические характеристики нагрузки энергосистемы по частоте

Статические характеристики активной мощности нагрузки по частоте. Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами, потребляется различными нагрузками. В состав узлов нагрузки входят разные электроприемники. При изменений частоты в энергосистеме изменяется и мощность нагрузки. Под статическими характеристиками по частоте отдельных электроприемников, узлов нагрузки или нагрузки энергосистемы в целом понимают зависимость их активной и реактивной мощности от частоты
(1.1)
определенные при таких медленных изменениях режима, что каждую точку этой зависимости можно считать точкой установившегося режима.
Исследованию статических характеристик нагрузки посвящено большое число работ как у нас в стране, так и за рубежом. Для анализа таких характеристик использовались расчетные методы, эксперименты на физических моделях и в энергосистемах.
Поскольку протекание процессов, связанных с изменением частоты, определяется в значительной степени характеристиками активной мощности нагрузки, остановимся на них более подробно. Проанализируем характеристики отдельных электроприемников, считая сначала, что в точке их подключения напряжение поддерживается неизменным (U=const).
Активная мощность, потребляемая осветительными и частично бытовыми установками, а также некоторыми металлургическими объектами (печи сопротивления, дуговые печи), от частоты практически не зависит (рис. 1.1)
Рн = const. (1.2)
Такая нагрузка зависит только от напряжения
  0-3)
где кп — постоянный коэффициент; β = 1,6 для ламп накаливания, β = 2 для R= const, в среднем β=1,8.
Активная мощность, потребляемая люминесцентными лампами, зависит от частоты, уменьшаясь на 0,5 — 0,8% при снижении частоты на 1% (рис. 1.1), и в меньшей степени зависит от напряжения. Статические характеристики по частоте асинхронных и синхронных двигателей могут быть различными и определяются теми механизмами, которые двигатели приводят во вращение (рис. 1.1, 1.2).
У синхронного двигателя, частота вращения которого прямо пропорциональна частоте сети, электромагнитный момент М и равный ему момент сопротивления приводимого механизма Мс связаны с активной мощностью, потребляемой двигателем, известным соотношением
(1.4)
где 2π~ — угловая частота вращения двигателя; к — постоянный коэффициент.

Рис. 1.1. Статические характеристики активной мощности по частоте различных потребителей:

1 — лампы накаливания, печи сопротивления, дуговые печи; 2 — люминесцентные лампы; 3 — поршневые насосы, компрессоры, шаровые мельницы, дробилки, металлорежущие станки, подъемные и транспортные механизмы; 4 — центробежные насосы и вентиляторы
С достаточной точностью можно считать, что и частота вращения асинхронного двигателя также пропорциональна частоте сети, поэтому выражение (1.4) справедливо и в этом случае. У поршневых насосов и компрессоров, шаровых мельниц, дробилок, металлорежущих станков (при неизменной подаче резца), подъемных и транспортных механизмов момент сопротивления практически не зависит от частоты вращения электродвигателей (рис. 1.2, б), т. е.
(1.5)
Таким образом, активная мощность, потребляемая из сети двигателями с такими приводимыми механизмами, снижается пропорционально частоте (рис. 1.1):
(1.6)
Момент сопротивления центробежных вентиляторов и насосов (при незначительном статическом напоре) пропорционален квадрату частоты (рис. 1.2,6):
(1.7)
мощность, потребляемая двигателем, — третьей степени частоты:
(1.8)
а производительность q и напор h этих механизмов — соответственно первой и второй степеням частоты:

(1.9)
(1.10)
где к1 — к5 — постоянные коэффициенты.
Зависимость активных потерь в сети от частоты может быть различной (со снижением частоты потери могут как снижаться, так и возрастать [78]). Значение потерь определяется характеристиками активной реактивной мощности узлов нагрузки при изменении частоты (и сопутствующем ей изменении

Рис. 1.2. Характеристики асинхронного двигателя и приводимых механизмов:
К
а — моментно-скоростная характеристика асинхронного двигателя,
б — зависимость момента сопротивления приводимых механизмов от частоты вращения двигателя; 1 — подъемные краны и транспортные механизмы; 2 — поршневые компрессоры, турбокомпрессоры; 3 — дробилки, мельницы, 4 — центробежные насосы и вентиляторы (пуск при открытой задвижке); 5 — центробежные насосы и вентиляторы (пуск при закрытой задвижке)
напряжения), активными и реактивными сопротивлениями сети, мощностью и загрузкой трансформаторов, условиями поддержания уровней напряжения в узловых точках сети и т. д. В сетях высокого напряжения потери на корону пропорциональны частоте. В конкретных режимах и схемах эта зависимость должна определяться индивидуально.
Зная состав узлов нагрузки и параметры различных электроприемников, можно непосредственно путем подсчета значения мощности, потребляемой отдельными видами нагрузки, рассчитать зависимость активной мощности узлов комплексной нагрузки и нагрузки всей энергосистемы от частоты.
В этом случае суммарная характеристика активной мощности нагрузки при постоянстве напряжения может описываться выражением
(1.11)
где сг0, аи а2, аъ — коэффициенты, определяющие долевое участие нагрузок, соответственно не зависящих от частоты, зависящих от частоты в первой, второй и третьей степени, в суммарной нагрузке Рном узла (энергосистемы) при номинальной частоте.
Следует отметить, что в ряде экспериментальных и теоретических исследований (в частности, и в работах, связанных с АЧР) часто не проводилось четкой грани между значениями кн икп, хотя, как показано выше, кн, необходимый для анализа вопросов аварийной разгрузки, может существенно отличаться от кп.
Таким образом, характеристики нагрузки отдельных узлов и энергосистемы в целом зависят от большого числа факторов (состава нагрузки, приводимых механизмов, снижения напряжения в узлах нагрузки и т. д.). Вариации характеристик нагрузки носят случайный характер, поскольку случайны изменения определяющих их факторов, например состав нагрузки изменяется в течение суток, недели, года. Уровни снижения напряжения в узлах энергосистемы зависят от места возникновения нарушения, характера развития аварии, типа АРВ на электростанциях и т. д. В этих условиях принципы выполнения аварийной нагрузки не должны быть ориентированы на какое-то единственное, определенное значение регулирующего эффекта нагрузки, на неизменные характеристики нагрузки и должны учитывать случайный характер их изменения и вариацию в широких пределах.
Простые и наглядные выражения (1.11) и (1.22) для расчета статической характеристики нагрузки по частоте удается использовать достаточно редко, в основном для небольших узлов нагрузки, поскольку в большинстве случаев детальные данные по составу и параметрам разнообразных потребителей в масштабе всей энергосистемы отсутствуют.
До настоящего времени основным и наиболее достоверным источником получения статических характеристик нагрузки остается натурный эксперимент в энергосистемах. Первые эксперименты по определению статических характеристик нагрузки в нашей стране были выполнены еще в предвоенные годы [11].
К настоящему времени в нашей стране ВНИИЭ, Среднеазиатским отделением (САО) Союзтехэнерго, рядом ОДУ и энергосистем и другими организациями выполнено большое число экспериментов по снятию статических характеристик нагрузки. Проводятся такие эксперименты и за рубежом. В табл. 1.1 приведены значения регулирующих эффектов нагрузки по частоте, полученные в ряде натурных испытаний в нашей стране . Как видно из табл. 1.1, значения регулирующих эффектов активной мощности по частоте отдельных узлов нагрузки и энергосистем в целом, зарегистрированные в опытах, лежат в диапазоне 0,5—3,7 (для крупных энергосистем 1,5-2,7).
На рис. 1.5 в качестве примера приведен ряд статических характеристик, полученных экспериментально. Целесообразно продолжать натурные испытания по определению характеристик нагрузки, что позволит по мере накопления результатов обобщить их и получить типовые характеристики для разных отраслей промышленности, наиболее типичных узлов комплексной нагрузки и т. д.

Рис. 1.5. Экспериментальные статические характеристики по частоте:
1 — район с преобладанием бытовых потребителей и осветительных установок, 2 — энергосистема; 3 — промышленный район с преобладанием асинхронных двигателей
Таблица 1.1. Регулирующие эффекты активной мощности нагрузки по частоте

Приведенные выше статические характеристики нагрузки и значения регулирующих эффектов отражают реакцию нагрузки на достаточно кратковременные (от нескольких минут до десятков минут) аварийные отклонения частоты. При длительных (несколько десятков минут и более) отклонениях частоты характеристики нагрузки оказываются иными. В частности, длительная работа с пониженной частотой вызывает адаптацию потребителей к новым условиям электроснабжения, что связано с необходимостью выпуска заданных объемов промышленной продукции [78]. Вследствие адаптации уровень потребляемой мощности, снизившийся первоначально при снижении частоты, с течением времени вновь начинает увеличиваться. Адаптация потребителей обусловливается следующими факторами [78]:
большинство непрерывно работающих агрегатов имеет средства автоматического или ручного регулирования производительности, действие которых приводит к восстановлению потребляемой мощности;
у ряда потребителей восстановление производительности достигается увеличением числа включенных электроприемников, что приводит к росту потребляемой мощности;
в энергосистемах осуществляется контроль за уровнями напряжения и его регулирование. Подъем уровней напряжения, снизившихся при уменьшении частоты, приводит к восстановлению мощности потребителей, зависимых от напряжения.
Процесс восстановления активной мощности нагрузки энергосистемы после изменения частоты на начальной стадии протекает достаточно быстро из-за наличия потребителей, мощность которых восстанавливается средствами регулирования электрических и технологических параметров, дополнительного включения потребителей, обусловленного необходимостью выполнения определенного объема работ, действия устройств автоматического регулирования напряжения трансформаторов (АРНТ) и персонала, контролирующего выполнение заданных графиков напряжения на электростанциях и части подстанций. Далее процесс адаптации замедляется — с запаздыванием восстанавливается мощность потребителей, производительность которых меняется при пуске агрегатов, перенастройке их технологии, а также переключаются ответвления трансформаторов на ряде подстанций.
Для потребителей в целом α < 1, так как существует ряд потребителей, не обладающих свойством адаптации (не имеющих средств для регулирования производительности). Их число невелико; по данным [78], полученным на основе анализа технологии в основных отраслях промышленности, для потребителей в целом
а =0,8 —0,9.
Возрастание активной, а также реактивной мощности нагрузок в процессе адаптации приводит к увеличению потерь активной мощности. Как следствие этого, эквивалентный коэффициент адаптации, учитывающий потери в распределительных сетях и сетях высокого напряжения, выше, чем значения а для самих потребителей. По данным [78], эквивалентный коэффициент адаптации для мощности, отдаваемой с шин электростанций, составляет а = 0,8 5:1,1, т. е. эта мощность после отклонения частоты восстанавливается практически полностью (результирующий регулирующий эффект нагрузки при длительном снижении частоты примерно на 1% близок к нулю).