Первичное регулирование частоты

 

В нормальном режиме энергосистемы регулируют отклонения частоты, обусловленные изменением состава и мощности потребителей. Эти изменения мощности в течение суток составляют 20–50 %. Важно знать максимальную скорость изменения нагрузки. В современных энергосистемах она достигает 1,5 % в минуту и 5–15 % в час.

Для регулирования частоты турбины электростанций снабжают регуляторами скорости. Регулировочная способность турбин определяется характеристиками регуляторов скорости. Характеристики бывают астатические P₂(f) и статические P₁(f) (рис. 16.7).

Принцип регулирования заключается в том, что при изменении частоты мощность турбины соответственно изменяется так, чтобы восстановить прежнюю частоту. Так, например, при снижении частоты с f_н до f₁ (см. рис. 16.7) происходит автоматический набор нагрузки с Р_о до Р₁. При дальнейшем снижении частоты мощность генератора будет расти до тех пор, пока не станет равна номинальной.

 

Наклон характеристики выражают крутизной. Под крутизной характеристики понимают отношение процентного изменения мощности к процентному изменению частоты.

С увеличением крутизны статическая характеристика P₁(f) превращается в астатическую – P₂(f). При малейшем отклонении частоты турбины с астатическими характеристиками могут набирать сразу номинальную нагрузку, что обеспечивает быстрое регулирование. Однако при параллельной работе нескольких генераторов астатические характеристики непригодны, т. к. не обеспечивают однозначного устойчивого распределения нагрузки между станциями. Поэтому в энергосистемах применяют, как правило, турбины со статическими характеристиками.

Рассмотрим теперь процесс регулирования частоты, совместив характеристику регулятора скорости турбины и частотную статическую характеристику активной нагрузки потребителей (рис. 16.8). При номинальной частоте в точке 0 мощность нагрузки равна мощности генераторов P_н = P_Г.

Если из-за уменьшения генерации одной из станций частота уменьшилась на Δf₁ и стала равной f₁, то по статической характеристике Рн мощность нагрузки уменьшится на величину ΔР_н, а мощность генераторов увеличится на ΔР_Г, и общий дефицит мощности определится отрезком ΔP = ΔР_н + ΔР_Г.

 

 

Если в момент снижения частоты на генераторах отсутствует резерв мощности, то такое же уменьшение генерируемой мощности приведет к большему снижению частоты. При полном использовании мощности станций первичное регулирование частоты происходит только за счет изменения мощности потребителей. Изменение частоты в процессе первичного регулирования зависит от крутизны частотных характеристик турбин и нагрузки.

Процесс изменения мощностей генераторов и потребителей при отклонении частоты, стремящийся сохранить прежнее значение частоты, называют первичным регулированием.

Для регулирования частоты важно знать совмещенную характеристику регулирования для всей генерирующей части системы.

где n – число генераторов системы, k_Гi – крутизна характеристики i-го генератора.

Из определения крутизны характеристики всей генерирующей части системы записывают суммарное изменение нагрузки всех генераторов

 

где P_сист – номинальная мощность всех генераторов системы, k_ГС – средняя крутизна характеристики регулирования всех генераторов системы.

Эффективность первичного регулирования частоты удобно анализировать по крутизне результирующей частотной характеристики системы, которая учитывает как изменение нагрузки по статическим характеристикам, так и изменение мощностей всех генераторов в соответствии с их характеристиками регуляторов скорости.

Крутизна совмещенной частотной характеристики системы показывает, на сколько изменится мощность потребителей и генераторов при изменении частоты на 1 %:

 

Общее изменение нагрузки системы:

 

где Р_н – нагрузка потребителей системы в данный момент времени; k_н – крутизна статической характеристики нагрузки по частоте.

Подставив значение ΔР в формулу (16.14), получим

Коэффициент резерва определяют по выражению k_р = P_сист / P_н. Тогда

При отсутствии резерва на всех генераторах системы (k_p = 1) крутизна характеристики генерации k_ГС = 0 и k_c = k_н. В остальных случаях крутизна совмещенной статической характеристики системы k_с >> k_ГС. Соотношение между k_c, k_ГС и k_н графически представлено на рис. 16.10 в виде соответствующих характеристик P_c, P_ГС, P_н.

Дополнительная нагрузка на генераторы системы при отклонении частоты распределяется при первичном регулировании прямо пропорционально крутизне частотных характеристик отдельных генераторов.

При отклонении частоты дефицит мощности в системе определяется суммарным изменением мощности генераторов и потребителей

Учитывая коэффициент резерва, запишем:

При отклонении частоты Δf и нагрузке потребителей P_н необходимо изменить мощность станций на величину ΔP, для того чтобы восстановить частоту до номинальной f_н.

Отклонение частоты при этом выразим формулой

Нахождение частотных характеристик генераторов, нагрузки, системы расчетным путем сложно. Поэтому на практике в условиях эксплуатации энергосистемы их определяют с помощью экспериментальных измерений.

Для вычисления крутизны характеристики регулятора скорости отдельного генератора необходимо изменять частоту в системе и наблюдать при этом за изменением нагрузки отдельного генератора. Отношение приращения нагрузки к отклонению частоты даст величину крутизны.

Измерение величины k_н производят следующим образом. Всем

станциям системы, кроме одной, задают определенную фиксированную нагрузку Р_ф (рис. 16.11). Для того чтобы она не изменилась при снижении частоты под действием регуляторов скорости, ограничивают открытие энергоносителя.

Уменьшая мощность одной выбранной крупной станции, ступенями снижают частоту, при этом для каждой ступени замечают изменение мощности станции. Поскольку в опыте мощности всех остальных станций остаются неизменными, то изменение мощности регулирующей станции будет показывать изменение мощности нагрузки. В результате можно получить частотную статическую характеристику активной нагрузки Р_н(f).