Regulace frekvence v energetické soustavě

V elektroenergetických soustavách musí být v každém okamžiku vyrobeno takové množství elektřiny, jaké je v daném okamžiku nutné ke spotřebě, protože není možné vytvářet zásoby elektrické energie.

Frekvence spolu s napětím je jedním z hlavních indikátory kvality napájení... Odchylka frekvence od normálu vede k narušení provozu elektráren, což zpravidla vede ke spalování paliva. Snížení frekvence v systému vede ke snížení produktivity mechanismů v průmyslových podnicích a ke snížení účinnosti hlavních bloků elektráren. Zvýšení frekvence také vede ke snížení účinnosti bloků elektrárny a ke zvýšení ztrát v síti.

V současné době pokrývá problematika automatické regulace frekvence široké spektrum otázek ekonomického a technického charakteru. Energetický systém v současné době provádí automatickou regulaci frekvence.

Vliv frekvence na provoz zařízení elektrárny

Všechny jednotky provádějící rotační pohyb jsou počítány tak, aby jejich nejvyšší účinnost byla realizována třikrát z jedné velmi specifické rychlosti otáčení, a to při jmenovité. V současné době jsou jednotky provádějící rotační pohyb z větší části napojeny na elektrické stroje.

Výroba a spotřeba elektrické energie se uskutečňuje převážně na střídavý proud; proto je většina bloků vykonávajících rotační pohyb spojena s frekvencí střídavého proudu. Skutečně, stejně jako frekvence alternátoru generovaného alternátorem závisí na rychlosti turbíny, závisí rychlost mechanismu poháněného střídavým motorem na frekvenci.

Odchylky frekvence střídavého proudu od jmenovité hodnoty mají různý vliv na různé typy jednotek a také na různá zařízení a přístroje, na kterých závisí účinnost energetické soustavy.

Parní turbína a její lopatky jsou navrženy tak, aby byl zajištěn maximální možný výkon hřídele při jmenovitých otáčkách (frekvenci) a plynulém příkonu páry. V tomto případě snížení rychlosti otáčení vede ke ztrátám pro dopad páry na lopatku se současným zvýšením točivého momentu a zvýšení rychlosti otáčení vede ke snížení točivého momentu a zvýšení točivého momentu. náraz na zadní stranu čepele. Nejúspornější turbína pracuje při jmenovitá frekvence.

Provoz při snížené frekvenci navíc vede k urychlenému opotřebení lopatek rotoru turbíny a dalších dílů.Změna frekvence ovlivňuje činnost mechanismů vlastní spotřeby elektrárny.

Vliv frekvence na výkon spotřebitelů elektřiny

Mechanismy a jednotky spotřebičů elektřiny lze rozdělit do pěti skupin podle stupně jejich závislosti na frekvenci.

První skupina. Uživatelé, jejichž změna frekvence nemá přímý vliv na vyvíjený výkon. Patří sem: osvětlení, elektrické obloukové pece, svodový odpor, usměrňovače a jimi napájené zátěže.

Druhá skupina. Mechanismy, jejichž výkon se mění v poměru k první mocnině frekvence. Mezi tyto mechanismy patří: obráběcí stroje, kulové mlýny, kompresory.

Třetí skupina. Mechanismy, jejichž výkon je úměrný druhé mocnině frekvence. Jde o mechanismy, jejichž moment odporu je úměrný frekvenci v prvním stupni. Neexistují žádné mechanismy s tímto přesným momentem odporu, ale řada speciálních mechanismů má moment, který se tomu přibližuje.

Čtvrtá skupina. Momentové mechanismy ventilátorů, jejichž výkon je úměrný třetí mocnině frekvence. Takové mechanismy zahrnují ventilátory a čerpadla s žádným nebo zanedbatelným statickým odporem hlavy.

Pátá skupina. Mechanismy, jejichž výkon ve vyšší míře závisí na frekvenci. Mezi takové mechanismy patří čerpadla s velkou statickou odporovou hlavou (např. napájecí čerpadla elektráren).

Výkon posledních čtyř skupin uživatelů klesá s klesající frekvencí a roste s rostoucí frekvencí. Na první pohled se zdá, že pro uživatele je výhodné pracovat ve zvýšené frekvenci, ale zdaleka tomu tak není.

Navíc s rostoucí frekvencí klesá točivý moment indukčního motoru, což může způsobit zastavení a zastavení zařízení, pokud motor nemá žádné rezervy výkonu.

Automatické řízení frekvence v energetickém systému

Účelem automatického řízení frekvence v energetických soustavách je především zajištění hospodárného provozu stanic a energetických soustav. Efektivnosti provozu elektrizační soustavy nelze dosáhnout bez zachování normální hodnoty frekvence a bez nejvýhodnějšího rozložení zátěže mezi paralelně pracující jednotky a elektrárny elektrizační soustavy.

Pro regulaci frekvence je zátěž rozdělena mezi několik paralelních pracovních jednotek (stanic). Zátěž je přitom mezi bloky rozložena tak, že při drobných změnách zatížení systému (do 5-10 %) se nemění provozní režim obrovského množství bloků a stanic.

Při proměnlivém charakteru zatížení bude nejlepší režim, ve kterém hlavní část bloků (stanic) nese zatížení odpovídající podmínce rovnosti relativních kroků a malé a krátké výkyvy zatížení jsou pokryty změnou zatížení malé části z jednotek.

Když rozdělují zátěž mezi paralelně pracující jednotky, snaží se zajistit, aby všechny pracovaly v oblasti nejvyšší účinnosti.V tomto případě je zajištěna minimální spotřeba paliva.

Jednotky, které mají za úkol pokrýt všechny neplánované změny zatížení, tzn. regulace frekvence v systému musí splňovat následující požadavky:

• mají vysokou účinnost;

• mají plochou křivku účinnosti zatížení, tzn. udržovat vysokou účinnost v širokém rozsahu změn zatížení.

V případě výrazné změny zatížení systému (například jeho zvýšení), kdy se celý systém přepne do režimu provozu s větší hodnotou relativního zesílení, je řízení kmitočtu přeneseno na takovou stanici v které se velikostí relativního zisku blíží velikosti systému .

Kmitočtová stanice má největší regulační rozsah v rámci svého instalovaného výkonu. Podmínky řízení lze snadno implementovat, pokud lze řízení frekvence přiřadit jedné stanici. Ještě jednodušší řešení je dosaženo v případech, kdy lze regulaci přiřadit jedné jednotce.

Otáčky turbín určují frekvenci v energetickém systému, takže frekvence je řízena působením na regulátory otáček turbíny. Turbíny jsou obvykle vybaveny odstředivými regulátory otáček.

Pro regulaci frekvence jsou nejvhodnější kondenzační turbíny s normálními parametry páry, protitlaké turbíny jsou zcela nevhodným typem turbín pro regulaci frekvence, protože jejich elektrické zatížení je zcela dáno uživatelem páry a je téměř zcela nezávislé na frekvenci v systému.

Je nepraktické svěřovat frekvenční regulaci turbínám s velkým sáním páry, protože za prvé mají (velmi malý regulační rozsah a za druhé jsou neekonomické pro provoz s proměnnou zátěží.

Pro udržení požadovaného regulačního rozsahu by měl být výkon frekvenční regulační stanice minimálně 8 - 10 % zátěže v systému, aby byl dostatečný regulační rozsah. Regulační rozsah tepelné elektrárny se nemůže rovnat instalovanému výkonu. Výkon kogenerační jednotky, která upravuje frekvenci v závislosti na typu kotlů a turbín, by proto měl být dvakrát až třikrát vyšší než požadovaný rozsah nastavení.

Nejmenší instalovaný výkon vodní elektrárny pro vytvoření potřebného regulačního rozsahu může být výrazně menší než tepelný. U vodních elektráren se regulační rozsah obvykle rovná instalovanému výkonu. Když je frekvence řízena vodní elektrárnou, neexistuje žádné omezení pro rychlost nárůstu zatížení od okamžiku spuštění turbíny. Frekvenční regulace vodních elektráren je však spojena se známou komplikací řídicích zařízení.

Kromě typu stanice a vlastností zařízení je výběr řídicí stanice ovlivněn jejím umístěním v elektrickém systému, konkrétně elektrickou vzdáleností od těžiště. Pokud je stanice umístěna ve středu elektrické zátěže a je připojena k rozvodnám a dalším stanicím systému prostřednictvím výkonného elektrického vedení, pak zpravidla zvýšení zátěže regulační stanice nevede k porušení statická stabilita.

Naopak, když je řídicí stanice umístěna daleko od středu systému, může hrozit nestabilita.V tomto případě musí být regulace frekvence doprovázena řízením úhlu divergence vektorů e. atd. c. systém a stanice pro řízení nebo řízení přenášeného výkonu.

Hlavní požadavky na systémy řízení frekvence upravují:

• parametry a meze nastavení,

• statická a dynamická chyba,

• rychlost změny zatížení bloku,

• zajištění stability regulačního procesu,

• schopnost regulovat danou metodou.

Regulátory by měly mít jednoduchý design, spolehlivé v provozu a levné.

Metody řízení frekvence v energetické soustavě

Růst energetických systémů vedl k potřebě regulovat frekvenci několika bloků jedné stanice a poté několika stanic. K tomuto účelu se používá řada metod k zajištění stabilního provozu energetického systému a vysoké frekvenční kvality.

Použitý způsob řízení nesmí umožňovat zvýšení limitů odchylky frekvence v důsledku chyb vyskytujících se v pomocných zařízeních (aktivní zařízení pro distribuci zátěže, telemetrické kanály atd.).

Způsob regulace frekvence je nutný k tomu, aby se frekvence udržela na dané úrovni bez ohledu na zatížení frekvenčních řídících jednotek (samozřejmě pokud není využit celý jejich řídící rozsah), počet jednotek a frekvenční řídící stanice. a velikost a trvání frekvenční odchylky.… Způsob řízení musí také zajistit zachování daného poměru zatížení řídících jednotek a současný vstup do procesu regulace všech jednotek, které řídí frekvenci.

Metoda statických charakteristik

Nejjednodušší metoda se získá nastavením frekvence všech jednotek v systému, když jsou tyto vybaveny regulátory rychlosti se statickou charakteristikou. Při paralelním provozu bloků pracujících bez posunu regulačních charakteristik lze rozložení zatížení mezi bloky zjistit ze statických charakteristických rovnic a výkonových rovnic.

Během provozu změny zatížení výrazně překračují stanovené hodnoty, proto nelze frekvenci udržet ve stanovených mezích. Při tomto způsobu regulace je nutné mít velkou rezervu rotace rozloženou na všechny jednotky systému.

Tento způsob nemůže zajistit hospodárný provoz elektráren, neboť na jedné straně nemůže využít plnou kapacitu ekonomických bloků a na druhé straně se zatížení všech bloků neustále mění.

Metoda s astatickou charakteristikou

Pokud jsou všechny jednotky systému nebo jejich část vybaveny frekvenčními regulátory s astatickou charakteristikou, pak teoreticky frekvence v systému zůstane nezměněna pro jakékoli změny zatížení. Tento způsob řízení však nevede k pevnému poměru zatížení mezi frekvenčně řízenými jednotkami.

Tuto metodu lze úspěšně použít, když je řízení frekvence přiřazeno jedné jednotce.V tomto případě by měl být výkon zařízení alespoň 8 — 10 % výkonu systému. Nezáleží na tom, zda má regulátor otáček astatickou charakteristiku nebo je zařízení vybaveno frekvenčním regulátorem s astatickou charakteristikou.

Všechny neplánované změny zatížení jsou vnímány jednotkou s astatickou charakteristikou. Protože frekvence v systému zůstává nezměněna, zatížení ostatních jednotek systému zůstává nezměněno. Řízení frekvence jednou jednotkou v této metodě je dokonalé, ale ukazuje se nepřijatelné, když je řízení frekvence přiřazeno více jednotkám. Tato metoda se používá pro regulaci v nízkoenergetických soustavách.

Metoda generátoru

Metodu hlavního generátoru lze použít v případech, kdy je podle podmínek systému nutné upravit frekvenci několika jednotek na stejné stanici.

Na jednom z bloků, nazývaném hlavní, je instalován regulátor frekvence s astatickou charakteristikou. Na zbývajících blocích jsou instalovány zátěžové regulátory (ekvalizéry), které jsou rovněž pověřeny úlohou regulace frekvence. Mají za úkol udržovat daný poměr mezi zátěží na hlavní jednotce a ostatními jednotkami, které pomáhají regulovat frekvenci. Všechny turbíny v systému mají statické regulátory otáček.

Metoda imaginárního statismu

Pomyslná statická metoda je použitelná pro jednostaniční i vícestaniční regulaci.Ve druhém případě musí být mezi stanicemi obousměrné telemetrické kanály upravující kmitočet a dispečinkem (přenos indikace zátěže ze stanice do dispečinku a přenos automatického příkazu z dispečinku do stanice ).

Na každém zařízení zapojeném do regulace je instalován regulátor frekvence. Tato regulace je astatická s ohledem na udržení frekvence v systému a statická s ohledem na rozložení zátěže mezi generátory. Zajišťuje stabilní rozložení zátěže mezi modulační generátory.

Sdílení zátěže mezi frekvenčně řízenými zařízeními je dosaženo pomocí aktivního zařízení pro sdílení zátěže. Ten, shrnující celou zátěž řídicích jednotek, ji mezi ně rozděluje v určitém předem stanoveném poměru.

Metoda pomyslného statismu také umožňuje regulovat frekvenci v systému více stanic a zároveň bude respektován daný poměr zatížení jak mezi stanicemi, tak mezi jednotlivými jednotkami.

Metoda synchronního času

Tato metoda využívá odchylku synchronního času od času astronomického jako kritérium pro regulaci frekvence v energetických systémech s více stanicemi bez použití telemechaniky. Tato metoda je založena na statické závislosti odchylky synchronního času od času astronomického, počínaje od určitého okamžiku.

Při normální synchronní rychlosti rotorů turbínových generátorů soustavy a rovnosti točivých momentů a momentů odporu se bude rotor synchronního motoru otáčet stejnou rychlostí. Pokud je na ose rotoru synchronního motoru umístěna šipka, ukáže čas na určité stupnici. Umístěním vhodného ozubeného kola mezi hřídel synchronního motoru a osu ručičky je možné přimět ručičku otáčet rychlostí hodinové, minutové nebo vteřinové ručičky hodin.

Čas zobrazený touto šipkou se nazývá synchronní čas. Astronomický čas je odvozen z přesných zdrojů času nebo z frekvenčních norem elektrického proudu.

Metoda pro současné řízení astatických a statických charakteristik

Podstata této metody je následující. V elektrizační soustavě jsou dvě regulační stanice, jedna pracuje podle astatické charakteristiky a druhá podle statické s malým statickým koeficientem. Pro malé odchylky skutečného harmonogramu zatížení od velínu bude případné kolísání zatížení vnímáno stanicí s astatickou charakteristikou.

V tomto případě se regulační stanice se statickou charakteristikou bude podílet na regulaci pouze v přechodném režimu, čímž se zabrání velkým frekvenčním odchylkám. Když je rozsah nastavení první stanice vyčerpán, druhá stanice vstoupí do nastavení. V tomto případě se nová hodnota stacionární frekvence bude lišit od jmenovité.

Zatímco první stanice řídí frekvenci, zatížení základnových stanic zůstane nezměněno. Při úpravě druhou stanicí se zatížení základnových stanic odchyluje od ekonomického.Výhody a nevýhody této metody jsou zřejmé.

Způsob řízení zámku napájení

Tato metoda spočívá v tom, že každá z energetických soustav zahrnutých do propojení se účastní regulace frekvence pouze v případě, že odchylka frekvence je způsobena změnou zátěže v ní. Metoda je založena na následující vlastnosti propojených energetických soustav.

Pokud v některé energetické soustavě vzrostla zátěž, pak je v ní pokles frekvence doprovázen poklesem daného výkonu výměny, zatímco v jiných energetických soustavách je pokles frekvence doprovázen zvýšením daného výkonu výměny.

To je způsobeno skutečností, že všechna zařízení, která mají statické regulační charakteristiky, snažící se udržet frekvenci, zvyšují výstupní výkon. Pro elektrizační soustavu, kde došlo ke změně zátěže, se tedy znaménko frekvenční odchylky a znaménko odchylky výměnného výkonu shodují, ale v jiných energetických soustavách tato znaménka nejsou stejná.

Každý energetický systém má jednu řídicí stanici, kde jsou instalovány regulátory frekvence a relé blokující výkon výměny.

Je také možné instalovat do jednoho ze systémů frekvenční regulátor blokovaný relé výměny energie a do sousedního energetického systému - regulátor ústředny blokovaný frekvenčním relé.

Druhý způsob má oproti prvnímu výhodu, pokud regulátor střídavého výkonu může pracovat při jmenovité frekvenci.

Když se změní zatížení v energetickém systému, známky frekvenčních odchylek a výměnného výkonu se shodují, řídicí obvod není blokován a při působení regulátoru frekvence se zatížení bloků tohoto systému zvyšuje nebo snižuje. V jiných energetických systémech jsou znaménka frekvenční odchylky a výměnného výkonu odlišné, a proto jsou regulační obvody blokovány.

Regulace touto metodou vyžaduje přítomnost televizních kanálů mezi rozvodnou, ze které vychází spojovací vedení do jiného energetického systému, a stanicí, která reguluje frekvenci nebo výměnný tok. Metodu řízení blokování lze s úspěchem aplikovat v případech, kdy jsou energetické systémy vzájemně propojeny pouze jedním spojením.

Metoda frekvenčního systému

V propojeném systému, který zahrnuje několik energetických systémů, je někdy řízení frekvence přiřazeno jednomu systému, zatímco ostatní řídí přenášený výkon.

Metoda vnitřního statismu

Tato metoda je dalším vývojem metody blokování řízení. Blokování nebo posílení činnosti regulátoru frekvence se neprovádí pomocí speciálních výkonových relé, ale vytvořením statismu v přenášeném (výměnném) výkonu mezi systémy.

V každém z paralelně pracujících energetických systémů je přidělena jedna regulační stanice, na které jsou instalovány regulátory, které mají statismus z hlediska výměnného výkonu. Regulátory reagují jak na absolutní hodnotu frekvence, tak na výměnný výkon, přičemž ten je udržován konstantní a frekvence je rovna nominálnímu.

V praxi v elektrizační soustavě během dne nezůstává zátěž nezměněna, ale nezůstávají nezměněny ani změny podle rozvrhu zátěže, počet a výkon generátorů v soustavě a zadaný výměnný výkon. Proto statický koeficient systému nezůstává konstantní.

Při vyšším výrobním výkonu v systému je menší a při nižším výkonu je naopak vyšší statický koeficient systému. Ne vždy tedy bude splněna požadovaná podmínka rovnosti koeficientů etatismu. To bude mít za následek skutečnost, že při změně zátěže v jednom energetickém systému se uvedou do činnosti frekvenční měniče v obou energetických systémech.

V energetické soustavě, kde došlo k odchylce zátěže, bude frekvenční měnič během celého regulačního procesu působit stále jedním směrem a snažit se kompenzovat výslednou nerovnováhu. Ve druhém energetickém systému bude provoz regulátoru frekvence obousměrný.

Pokud je statistický součinitel regulátoru ve vztahu k výměnnému výkonu větší než statistický součinitel soustavy, pak na začátku regulačního procesu řídicí stanice této energetické soustavy sníží zátěž, a tím zvýší výměnný výkon, a poté zvýšit zátěž, aby se obnovila nastavená hodnota výměnného výkonu při jmenovité frekvenci.

Když je statistický koeficient regulátoru vzhledem k výměnnému výkonu menší než statistický koeficient systému, řídicí sekvence ve druhém energetickém systému se obrátí (nejprve se zvýší akceptace hnacího faktoru a poté se pokles).