Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости - Предотвращение нарушений статической устойчивости энергосистем с дефицитом мощности

Рис. 3-13. Простая энергосистема типовой структуры II (дефицитная энергосистема). а — схема энергосистемы; б — угловая характеристика.

Предотвращение нарушений параллельной работы с энергообъединением. Как показывает опыт эксплуатации (ом. гл. 1), нарушение синхронизма электропередач, соединяющих энергосистемы и энергорайоны с дефицитом мощности и энергообъединения, часто вызывают тяжелые нарушения электроснабжения потребителей. Поэтому важно обеспечить синхронную и в /первую очередь статическую устойчивость нормальных и послеаварийных режимов.
Рассмотрим энергосистему 2, получающую мощность из крупной ОЭС (рис. 3-13,а). Замещая нагрузку постоянным сопротивлением, можно записать:

Поскольку механическая мощность турбин Рт2, равная электрической мощности генераторов энергосистемы, меньше ее собственной мощности Рг2 (нагрузка превосходит генерируемую мощность), в установившемся режиме угол бо — отрицательный, угол сиг обычно не превосходит 5—10° (рис. 3-13,6), максимальная мощность, которую может принять эквивалентный генератор энергосистемы с дефицитом мощности в предельном режиме, составляет Р21—Р2% При анализе статической устойчивости энергосистем типовой структуры II требуется, учитывать, что предельный угол, соответствующий максимуму передаваемой в приемную энергосистему мощности, в ряде случаев меньше 90°.

Примем, что нагрузка приемной энергосистемы постоянна и при увеличении мощности энергосистемы 1 уменьшается мощность энергосистемы 2. Выражения для мощности передающей и приемной энергосистем в приведенной схеме можно записать в следующем виде [22]:
(3-8)
(3-9)

Рис. 3-14. Угловые характеристики мощности в двухмашинной системе.

Графически эти зависимости изображены на рис. 3-14. Как видно из этих кривых, максимумы мощностей передающей и приемной станций сдвинуты друг относительно друга на угол 2с&12. Знак и величина угла «12 определяются значениями активного сопротивления линий и промежуточных нагрузок. При значительных активных сопротивлениях линий (что характерно для передач напряжением 110 кВ и ниже) предел мощности в приемной энергосистеме Р12—Р22 сдвигается в сторону меньших углов, т. е. достигается раньше, чем предел мощности на (передающем конце Р12—Рп)
Это явление зачастую не учитывалось при определении предельных режимов в условиях эксплуатации, что  приводило к нарушениям устойчивости.
Так, например, на электропередаче из ОЭС Сибири в Омскэнерго в 1960—1962 гг. предельный режим определялся по передающему концу, что давало около 180 МВт, в то время как действительный предельный режим, определяемый пределом мощности на приемном конце электропередачи, позволял иметь на передающем конце всего лишь 80 МВт. Различие в углах, соответствующих максимумам мощности, было обусловлено большим активным сопротивлением линий электропередачи 110 кВ.
В двухмашинной схеме режим будет статически устойчив и при угле, несколько превышающем угол, соответствующий пределу мощности. Предельный по условиям устойчивости угол соответствует так называемому «пределу устойчивости», определяемому известным критерием Эванса — Вагнера [66]—равенством нулю относительного ускорения эквивалентных генераторов (рис. 3-14):

Предел устойчивости а12=0 всегда достигается при больших углах, чем предел мощности, хотя поскольку углы сиг обычно невелики, расхождение не превышает 5—10°. По мере увеличения мощности какой-либо из энергосистем (передающей или приемной) предел мощности этой энергосистемы будет сближаться с пределом устойчивости; при замене передающей энергосистемы шинами бесконечной мощности предел мощности по передающему концу и предел устойчивости совпадут.
В зависимости от характеристик нагрузки, соотношения мощностей генерации и потребления в приемной энергосистеме и сопротивлений в эквивалентной схеме нарушение статической устойчивости может происходить по-разному. В одних случаях угол между эквивалентным генератором приемной энергосистемы и энергообъединения может превзойти предельное значение угла по условиям статической устойчивости (т. е. нарушится синхронизм генераторов приемной энергосистемы)—такое нарушение устойчивости можно условно назвать нарушением по углу. В других случаях снижение напряжения на шинах приемной энергосистемы (например, вследствие возрастания перетока по связи с энергообъединением) может приводить к нарушению устойчивости нагрузки энергосистемы (синхронных и асинхронных двигателей), хотя угол между генераторами энергосистемы и энергообъединения не превосходит предельного значения (т. е. синхронизм генераторов не нарушается)— такие случаи нарушения устойчивости можно условно назвать нарушениями по напряжению. В некоторых случаях может одновременно нарушаться статическая устойчивость как генераторов, так и нагрузки приемной энергосистемы, т. е. может происходить нарушение одновременно по углу и напряжению.
Как показывает анализ нарушений параллельной работы энергосистем, приведенный в гл. 1, значительная их часть происходит из-за нарушений статической устойчивости в послеаварийном режиме после отключения одной из параллельных линий. При этом наиболее тяжело эти нарушения сказываются именно на работе энергосистем С дефицитом мощности.
Для автоматического снижения перетоков активной мощности, допустимых в послеаварийном режиме при отключении одной из параллельных линий, в основном применяются отключение или разгрузка генераторов передающей энергосистемы и деление сети в распределительном устройстве крупной электростанции передающей энергосистемы с выделением на данную передачу определенного количества генераторов (см. § 2-2). Эти мероприятия по снижению перетока в послеаварийном режиме приводят, как правило, одновременно и к некоторому снижению частоты и соответственно к снижению нагрузки потребителей как в передающей, так и в приемной части, хотя деление сети позволяет несколько ограничить зону снижения частоты и величину отключаемой (снижаемой) генерируемой мощности.
Автоматическое отключение (разгрузка) генераторов передающей энергосистемы, являясь во многих случаях действенным мероприятием по обеспечению устойчивости электропередачи, может оказаться неэффективным в случаях, когда приемная энергосистема связана с энергообъединением значительно большей мощности, поскольку при этом в передающей энергосистеме может потребоваться отключение генерирующей мощности или разгрузка агрегатов на величину, во много раз превосходящую необходимую величину снижения перетока (см. § 2-2).

Разделение энергосистемы (электростанции) в ряде случаев приводит к существенному снижению надежности основной сети энергообъединения и чревато опасностью распространения нарушения в случае отказа или поломки выключателей, которыми производится деление, тем более что при разделении обычно приходится отключать целую группу выключателей.
При наличии нескольких параллельных связей между передающей и приемной системами, а также при текущем изменении точки (сечения) деления с изменением режима энергообъединения эта задача требует весьма сложных мероприятий.
Другим недостатком способов отключения (разгрузки) генераторов передающей энергосистемы или ее разделения является следующее. Во многих случаях эти мероприятия, обеспечив устойчивость электропередачи и энергоснабжение основной части потребителей приемной энергосистемы, сопровождаются снижением частоты во всем энергообъединении до уставок АЧР и отключением от АЧР части потребителей. При этом срабатывает частотная нагрузка не только в приемной, но и в передающей части энергообъединения, чего в принципе не должно быть.
В ряде случаев может оказаться более эффективным, технически и экономически целесообразным кратковременное отключение части нагрузки в приемной энергосистеме. Отключение небольшой части нагрузки позволяет уменьшить переток до допустимого значения в послеаварийном режиме и предотвратить отделение энергосистемы с дефицитом мощности с тяжелыми последствиями и погашением большого объема потребителей, примерно равного величине перетока.
Как видно из (2-14), чем меньше мощность приемной энергосистемы по сравнению с передающей, тем больше эффективность этого мероприятия.
Отключение нагрузки как средство обеспечения устойчивости наиболее эффективно там, где есть потребители, допускающие кратковременный (несколько минут) перерыв питания (металлургические предприятия и т. д.), как, например, в энергообъединении Сибири (Иркутскэнерго, Кузбассэнерго). В последнее время такая автоматика получила название специальной автоматики отключения нагрузки (САОН). Автоматика отключения части нагрузки приемной энергосистемы может выполняться с использованием различных факторов, например факта отключения одной из параллельных линий с контролем предшествующего перетока, по углу электропередачи и др. Возможно применение для этой цели устройства телеотключения.
Нарушения статической устойчивости энергосистем типовой структуры II нередко возникают при увеличении нагрузки в ней, что приводит к перегрузке электропередачи сверх предела устойчивости. Такие случаи в разные годы наблюдались в Омскэнерго, Магнитогорском энергорайоне и в ряде других мест. Для предотвращения нарушений устойчивости в таких случаях диспетчер энергосистемы при росте нагрузки вначале мобилизует все резервные генераторные мощности, а затем вводит аварийное ограничение потребителей. Однако при быстром росте нагрузки действия диспетчера могут быть недостаточно оперативными, поэтому целесообразно устанавливать для этой цели автоматику [130]. Такая автоматика может реагировать на мощность электропередачи с контролем напряжения. Однако такая автоматика действует более эффективно в случае, если она реагирует на угол между эквивалентной э. д. с. энергообъединения и эквивалентной э. д. с. приемной энергосистемы. В этом случае автоматика более селективна. Кроме того, эта автоматика будет предотвращать нарушения устойчивости, вызванные понижением напряжения на шинах передающей или приемной энергосистем или отключением одной из параллельных линий. Характер процесса нарушения устойчивости, который должен определяться в каждом конкретном случае, обусловливает выбор режимных принципов противоаварийной автоматики.
Рассмотрим, как влияет на условия устойчивости изменение напряжения в приемной системе. В тех случаях, когда определяющим фактором является устойчивость нагрузки, повышение напряжения повышает запас устойчивости. Но в тех случаях, когда определяющим фактором является устойчивость по углу генераторов, положение может быть иное в зависимости от статических характеристик нагрузки. Если эти характеристики близки к квадратичным (т. е. можно считать, что zH= —const), то увеличение напряжения в приемной системе может ухудшить условия устойчивости. Действительно, из условия (3-7) при 62i—<X2i— 90° предельная мощность,
поступающая в эквивалентный генератор приемной энергосистемы:
(3-11)
В этом выражении второе слагаемое пропорционально Е2 приемной энергосистемы, и поэтому при возрастании Е2 величина Рпред может уменьшаться. Определим условия, при которых Рпред увеличивается с уменьшением Е2. Для этого, определив производнуюи приравняв ее нулю, получим:
(3-12)
Умножая это равенство на Е2у находим, что увеличение Е2 повышает устойчивость, если Рпред<2Р22 и, наоборот, если Рпред>Р22 то увеличение Е2 ухудшает условия устойчивости.
Если нагрузка практически не зависит от напряжения, т. е. можно считать, что Р22=const, то увеличение Е2 всегда ухудшает устойчивость. Обычно нагрузка зависит от напряжения, но не в квадрате, а в меньшей степени, определяемой составом нагрузки, поэтому для различных конкретных случаев это влияние может быть разным. При этом чем слабее связь с энергообъединением, тем большая вероятность того, что понижение напряжения улучшает условия устойчивости, поскольку в этом случае даже небольшое уменьшение мощности нагрузки в значительной степени разгрузит электропередачу.

Наличие быстродействующих систем возбуждения и АРВ на генераторах, а также на синхронных двигателях узла нагрузки, наоборот, улучшает условия устойчивости нагрузки (рис. 3-16) и может частично скомпенсировать неблагоприятное влияние конденсаторов.
Анализ устойчивости нагрузки с учетом ее динамичен ских свойств был выполнен в ряде работ под руководством В. А. Веникова. В них рассматривалось также влияние внешней по отношению к нагрузке сети на критическое напряжение. Анализ этого вопроса выполнялся позднее во ВНИИЭ [49], было показано, что критическое напряжение зависит не только от схемы, но и от режима внешней сети.
Нарушение устойчивости нагрузки в ряде случаев происходит из-за возрастания ее мощности. При этом целесообразно определить, насколько можно повысить мощность нагрузки, чтобы устойчивость сохранялась с необходимым запасом. Приведем пример такого анализа.
От мощной системы по линии 110 кВ питается крупный промышленный район, нагрузка которого (около 40 МВ-А) состоит в основном из асинхронных двигателей (характеристики нагрузки близки к кривой 4 на рис. 3-3 и кривой 5 на рис. 3-6,6). В связи с расширением промышленных предприятий нагрузка возрастает, в результате чего требуется определить значение предельной нагрузки по условиям обеспечения достаточного запаса статической устойчивости. Для решения этой задачи были экспериментально определены статические характеристики нагрузки. Характеристики определялись двумя способами: в первом опыте переключением ответвлений на трансформаторе; во втором опыте напряжение изменялось путем изменения возбуждения выделенного генератора при его раздельной работе с системой. При проведении первого опыта напряжение уменьшалось от 95 до >80 кВ, причем опрокидывания нагрузки не происходило. Во втором опыте (при изменении возбуждения генератора) нарушение устойчивости нагрузки, сопровождающееся лавиной напряжения, произошло при напряжении около 80 кВ. Такое высокое значение критического напряжения, большее чем в предыдущем опыте, определяется тем, что к достаточно большому реактивному сопротивлению электропередачи добавилось во втором опыте сопротивление питающего генератора. По данным обоих опытов построены статические характеристики нагрузки.
По этим характеристикам определено допустимое увеличение мощности потребителей. Расчет выполнялся следующим образом. Предполагалось, что при увеличении нагрузки ее статические характеристики (в отн. ед.) не изменяются. По этим характеристикам и известным сопротивлениям линии и системы строилось семейство характеристик £=/(£/) при различных значениях мощности нагрузки.
Нагрузка устойчива до тех пор, пока значенияимеют положительный знак в точках, соответствующих заданной э. д. с. системы Е. Для проверки правильности расчета таким методом было определено критическое напряжение для условий второго опыта. Сопоставление результатов расчета и опыта дало удовлетворительное совпадение. В опыте при питании от выделенного генератора критическое напряжение составляло 80 кВ, в расчете получено 78 кВ.
Указанным методом выполнен также расчет зависимости напряжения на нагрузке от ее мощности при различных значениях эквивалентной э. д. с. Е системы (рис. 3-17, кривые а) и определено критическое напряжение на нагрузке (кривая б). Как видно из этих зависимостей, нарушение устойчивости при E=111 кВ происходит при напряжениях 65—70 кВ. С учетом минимального нормативного» запаса устойчивости ku = 10% напряжение на нагрузке не должно» быть ниже 75—78 кВ. Таким образом, при таком значении э. д. с.. системы нагрузка района не должна увеличиваться более чем на 10 МВ-А.

Рис. 3-17. К расчету устойчивости узла нагрузки.

Для того чтобы показать, насколько важно при определении статической устойчивости в энергосистемах типовой структуры I пользоваться действительными характеристиками нагрузки, приведем: еще один пример. В 1970 г.. в Эстонэнерго были выполнены: расчеты устойчивости для Таллинского энергорайона, которые показали, что при отключении одной из параллельных линий 220 кВ, питающих этот район, устойчивость электропередачи по оставшейся линии нарушается, и чтобы ее сохранить, требуется одновременно с отключением линии отключить значительную часть нагрузки. Расчет устойчивости проводился с использованием типовых характеристик нагрузки [3]. Проведенные затем испытания показали, что характеристики нагрузки в значительной степени отличаются от типовых (приблизительно они совпадают с кривыми 1 на рис. 3-3 и 3-6,6), вследствие чего нарушение устойчивости в рассматриваемом случае не может произойти и применение автоматики, отключающей нагрузку, неоправданно.