Баланс активных и реактивных мощностей

 

Для понимания сущности роли баланса активных и реактивных мощностей в энергосистеме при поддержании нормированного качества электрической энергии по частоте и напряжению необходимо прочесть в [2] раздел «Рабочие режимы» (с. 153–188). Усвоить, что балансу активных мощностей сопутствует параметр частоты, а балансу реактивных мощностей – параметр напряжения.

Баланс мощности составляется для перспективных (заданных) нагрузок с учетом новых промышленных объектов (п/ст 6 и 7) и электростанции ЭС-2.

 

2.1.1. Баланс активных мощностей

 

В каждый момент времени в систему должно поступать от генераторов электростанций столько электроэнергии, сколько в этот момент необходимо всем потребителям с учетом потерь при передаче, то есть баланс по активным мощностям при неизменной частоте записывается как

,

где – суммарная генерируемая активная мощность электростанций;

– суммарное потребление мощности.

Заметим, что баланс активных мощностей в проектируемом сетевом районе, согласно исходным данным, обеспечивается за счет обменной мощности соседней энергосистемы (п/ст I). Этот узел генерирует необходимое количество активной мощности при ее дефиците в сетевом районе либо потребляет ее при избытке.

Баланс активной мощности рассматривается для режима максимальных нагрузок ( ).

Потребление активной мощности в системе слагается из нагрузок потребителей , собственных нужд (с.н.) электрических станций , потерь мощности в линиях и трансформаторах :

.

Суммарные потери активной мощности в линиях можно принять 2…3 %, в трансформаторах – 1,2…1,5 % от мощности всех нагрузок, расход активной мощности на с.н. приводится в [6], приближенно оценивается в 4…8 % от установленной мощности генераторов электростанции.

Потери в трансформаторах учитываются только для тех подстанций, где нагрузки заданы со стороны шин НН.

Итогом расчета баланса активной мощности является определение необходимой обменной мощности, генерируемой ( ) либо потребляемой ( ) балансирующим узлом,

.

 

2.1.2. Баланс реактивных мощностей

Балансу реактивной мощности в системе соответствует равенство

,

где – суммарная реактивная мощность, вырабатываемая генератора­ми электростанции при коэффициенте мощности не ниже номинального; – мощность, генерируемая линиями (зарядная); – реактивная мощ­ность компенсирующих устройств; – величина обменной реактивной мощ­ности, определяется заданным договорным коэффициентом мощности соседней энергосистемы .

Баланс по реактивной мощности проверяется для режима максимальных нагрузок ( ). Потребление реактивной мощности в системе складывается из нагрузок потребителей , собственных нужд электрических стан­ций , потерь мощности в линиях , и трансформаторах :

 

.

 

Потери реактивной мощности для воздушных линий ориентировочно мож­но брать 1...2 % при 35 кВ, 4...6 % при 110 кВ, 10...15 % при 220 кВ от модуля полной передаваемой по линии мощности. Потери реактивной мощности в трансформаторах составляют, примерно, 5...9 % от полной мощности, проходящей через трансформатор. Расход реактивной мощности на с.н. оценивается ко­эффициентом мощности механизмов с.н. .

Величину реактивной мощности , поступающую от электростанции, определяют по коэффициенту мощности генераторов, который принимается не ниже номинального [6]. Реактивную мощность, генерируемую воздушными линиями , приблизительно можно брать: для одноцепных линий 110 кВ – 30 кВАр/км, для 150 кВ – 50 кВАр/км, для 220 кВ – 120 кВАр/км.

Сопоставляя суммарную реактивную потребляемую мощность с поступаю­щей от источников, можно определить по условию баланса необходимую мощ­ность дополнительных компенсирующих устройств для сетевого района, а за­тем разнести ее по узлам потребления.

Заметим, что некоторый резерв реактивной мощности для выполнения условий баланса в проектируемом сетевом районе может быть обеспечен за счет обменной реактивной мощности соседней энергосистемы (п/ст I). Величина этой мощности определяется заданным коэффициентом мощности системы , который равен .

Если реактивной мощности, выдаваемой генераторами электрических стан­ций и балансирующим узлом, недостаточно для покрытия потребности в ней нагрузок, необходимо устанавливать дополнительные источники реактивной мощности: компенсирующие устройства (синхронные компенсаторы, батареи статических конденсаторов, статические компенсаторы реактивной мощности).

Мощность компенсирующих устройств определяется из равенства

.

При избытке реактивной мощности в сетевом районе следует проанализировать ситуацию. Во-первых, рассмотреть возможность баланса за счет об­менной мощности балансирующего узла при заданном коэффициенте мощно­сти системы, во-вторых, оценить пределы изменения реактивной мощности ге­нераторов электростанций. Иначе для обеспечения баланса необходимо определить мощность компенсирующих устройств, работающих в режиме потребления реактивной мощности, исходя из равенства

.

Справочные данные о мощности генераторов соответствуют их номинальному режиму работы. В часы максимума реактивной нагрузки иногда требуется работа генератора с пониженным . У генераторов с непосредственным охлаждением, как правило, . При повышении до 1,0 длительно могут работать только генераторы с косвенным охлаждением. Максимальная реактивная нагрузка генератора при работе в режиме синхронного генератора с недовозбуждением определяется на основании тепловых испытаний и может быть оценена (пример: для агрегатов 200 и 300 МВт) по рис.6.

 

 

Рис. 6. Диаграмма мощности генератора:

1– зона, определяемая нагревом обмотки ротора; 2 – зона, определяемая нагревом обмотки статора; 3– зона, определяемая наибольшей мощностью турбины; 4– зона, определяемая нагревом элементов в концевых частях статора; 5– зона, определяемая устойчивостью

 

Рассмотрим некоторые специальные компенсирующие устройствами (КУ), которые размещаются вблизи электроприемников и на подстанциях, где имеется дефицит реактивной мощности.

Батареи конденсаторов (БК), предназначенные для генерации реактивной мощности, подключаются параллельно на шины подстанции или потребителя, т.е. являются устройствами поперечной компенсации (рис.7). БК набираются из отдельных конденсаторов путем параллельного и последовательного соединения.

 

Рис. 7. Схемы соединения фаз БК: в треугольник – а, в звезду – б

Количество последовательно включенных конденсаторов определяется величиной напряжения в сети, а число параллельных – током, т.е. необходимой для регулирования напряжения мощностью. Установленная мощность БК складывается из мощностей отдельных конденсаторов. При соединении фаз БК в звезду, мощность БК рассчитывается: , при соединении в треугольник: , т.е. увеличивается в три раза. Здесь – линейное напряжение, – емкость конденсатора.

К недостаткам БК следует отнести: ступенчатое регулирование мощности путем отключения и включения части конденсаторов; снижение располагаемой мощности БК при уменьшении напряжения в сети; отрицательный регулирующий эффект, мощность БК при снижении напряжения в сети уменьшается, что приводит к еще большему снижению напряжения.

К достоинствам БК следует отнести их малую стоимость, несложность в эксплуатации, низкие удельные потери активной мощности, и наконец, большую свободу при выборе мест установки.

Синхронные компенсаторы (СК)– это синхронные двигатели с облегченным ротором, не имеющие нагрузки на валу. В режиме перевозбуждения СК работает с опережающим по отношению к напряжению током возбуждения – как генератор реактивной мощности и выдает мощность в сеть. Располагаемая реактивная мощность при номинальном токе возбуждения равна номинальной мощности синхронной машины, при этом активная мощность равна потерям в СК и очень мала.

В режиме недовозбуждения СК потребляет реактивную мощность из сети. Величина располагаемой реактивной мощности СК в режиме недовозбуждения ограничивается минимальным током возбуждения и составляет 50 %, а для некоторых СК и 30 % от номинальной мощности СК.

СК устанавливаются обычно на крупных системных подстанциях напряжением 220 кВ и выше и присоединяются к обмотке низшего напряжения автотрансформатора.

К недостаткам СК следует отнести их высокую стоимость, сложность в эксплуатации и значительные в сравнении с остальными КУ потери мощности.

Достоинствами СК являются: плавное регулирование реактивной мощности; возможность работы в режиме генерации и потребления; широкий диапазон регулирования; положительный регулирующий эффект – при снижении напряжения увеличивается мощность СК.

Шунтирующие реакторы (ШР) рассматриваются как КУ, так как они предназначены для компенсации зарядной мощности в линиях высокого и сверхвысокого напряжения. ШР – представляют собой катушку индуктивности, мощность которой зависит от напряжения:

,

где – индуктивность фазы реактора.

ШР включаются на шины подстанций или в линию электропередачи.

Статические тиристорные компенсаторы (СТК) представляют собой конструкцию, состоящую из батареи конденсаторов, реактора, выпрямительного блока и системы управления. Схемы СТК разнообразны. Одна из них представлена рис. 8. Схема состоит из нерегулируемой емкости БК и регулируемой тиристорно-реакторной группы. Мощность, поступающая в сеть, изменяется в зависимости от соотношения мощностей БК и реактора.

 

Рис. 8. Схема СТК для сети высокого напряжения