Баланс реактивной мощности и его связь с напряжением

Баланс реактивной мощности но всей системе в целом определяет некоторый уровень напряжения. Напряжения в узловых точках сети электрической системы в той или иной степени отличаются от среднего уровня, причем это отличие определяется конфигурацией сети, нагрузкой и другими факторами, от которых зависит падение напряжения.

Основными потребителями реактивной мощности в ЭЭС являются трансформаторы, воздушные электрические липни, асинхронные двигатели, вентильные преобразователи, индукционные электропечи, сварочные агрегаты и другие нагрузки. Суммарные абсолютные и относительные потери реактивной мощности в элементах сети весьма велики и достигают 50 % мощности, поступающей в сеть. Примерно 70— 75 % всех потерь реактивной мощности составляют потери в трансформаторах различных ступеней напряжения.

Основные потребители реактивной мощности Величина потребляемой реактивной мощности электроприемников в большей мере зависит от напряжения электрической сети, к которой они подключены, а для асинхронных двигателей — еще от числа оборотов двигателя и коэффициента его загрузки.

Влияние напряжения на величину потребляемой реактивной мощности оценивают с помощью статических характеристик реактивной мощности по напряжению. Относительная величина потребляемой реактивной мощности растет при уменьшении мощности асинхронного двигателя и величины его загрузки.

Баланс реактивных мощностей

Суммарные потери реактивной мощности

Для поддержания нормальною режима в ЭЭС потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью и наряду с резервом активной мощности в ЭЭС необходим резерв реактивной мощности. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой на электростанциях (60% всей реактивной мощности), и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных у потребителей (20 %), ЛЭП – (20 %).

Баланс реактивной мощности следует предусматривать для следующих режимов а) наибольшей реактивной нагрузки (при наибольшем потреблении реактивной мощности и наибольшей необходимой мощности компенсирующих устройств); б) наибольшей активной нагрузки, связанной с наибольшей загрузкой генераторов активной мощностью при наименьшей их реактивной мощности; в) наименьшей активной нагрузки, связанной с отключением части генераторов и, следовательно, невозможностью генерации последними реактивной мощности; г) послеаварийные и ремонтные, связанные с наибольшими ограничениями передаваемой реактивной мощности по сети.

Основные задачи 1) установление оптимального соотношения между реактивной мощностью, передаваемой от электрических станций потребителям электрической энергии, и мощностью компенсирующих устройств в питающих сетях ЭЭС с выбором мест их размещения; 2) выбор компенсирующих устройств в распределительных сетях, обеспечивающих заданное значение потребляемой из ЭЭС реактивной мощности

ВЫРАБОТКА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Синхронные генераторы на электростанциях являются основными источниками реактивной мощности и обеспечивают и регулируют баланс реактивной мощности в современных электрических сетях. При этом изменение реактивной мощности синхронных генераторов достигается соответствующим изменением тока возбуждения.

При снижении активной мощности в сравнении с номинальным значением возможна выдача увеличенной реактивной мощности сверх номинальной. Такое увеличение может быть допущено в пределах, ограничиваемых номинальными токами статора и ротора. Изменение выдаваемой реактивной мощности генератора достигается за счет изменения синхронной ЭДС генератора Eг, которая прямо пропорциональна току возбуждения генератор.

Максимально возможная реактивная мощность генератора при данной активной мощности называется располагаемой реактивной мощностью генератора в режимах перевозбуждения и недовозбуждения.

При определении располагаемой реактивной мощности генератора при перевозбуждении решающее значение имеет ограничение по току ротора — ограничение перегрузки (ОП). В режиме недовозбуждения генератор потребляет реактивную мощность из сети. В этом режиме при снижении тока возбуждения возможно нарушение статической устойчивости генератора. Кроме того, у турбогенератора вследствие изменения взаимодействия магнитных полей статора и ротора значительно нагреваются торцевые зоны статора, что ограничивает минимально возможную величину тока возбуждения.

У гидрогенераторов при низких токах возбуждения возможен режим самовозбуждения. Это так или иначе, определяет нижнюю границу тока возбуждения генератора и располагаемой реактивной мощности генератора в режиме недовозбуждения — ограничение минимального возбуждения (ОМВ).

Диаграмма мощности генератора

Распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами на электростанциях

Основное назначение генераторов электростанций - это выдача в электрическую сеть заданного значения активной мощности. Кроме того, генераторы являются основными источниками реактивной мощности в ЭЭС. Изменение выдаваемой генератором реактивной мощности и изменение напряжения на его выходе осуществляется за счет регулирования тока возбуждения. Напряжение на выходе генератора изменяется в пределах (0, 951, 05)Uном.

При номинальной загрузке генератора полной мощностью и увеличении выдаваемой генератором реактивной мощности его активную мощность необходимо снижать во избежание перегрузки генератора. Последнее условие противоречит основному назначению генераторов выдавать заданную активную мощность.

Повышающие трансформаторы на электростанциях или вообще не имеют регулировочного диапазона по напряжению, или этот диапазон ограничен пределами -+2 х 2, 5% Uном. Генераторы и трансформаторы электростанций в общем случае являются лишь вспомогательным средством регулирования напряжения в электрической сети. Генераторы могут служить основным средством регулирования напряжения лишь для потребителей, получающих питание непосредственно с шин генераторного напряжения.

Работа синхронного генератора на автономную нагрузку

Работа синхронного генератора параллельно с мощной ЭЭС

Генераторы соединены параллельно и подключены непосредственно на сборные шины

Характерно для этой схемы то, что точка соединения генераторов и точка, к которой подключены измерительные органы напряжения всех АРВ – это одна и та же точка.

Характеристики регулирования параллельно работающих генераторов Абсолютные значения реактивных токов могут быть изменены путем изменения заданного напряжения Uзад, что приводит к перемещению характеристики, параллельно самой себе. Воздействуя на Uзад, можно любым желаемым образом перераспределять реактивную нагрузку между генераторами при выполнении какихлибо ограничений по изменению напряжения. Воздействие на положение характеристик принято называть вторичным регулированием напряжения.

Для этого необходимо изменить Uзад 1 и Uзад 2 так, чтобы характеристики проходили через точки А 1 и А 2. Подобное воздействие на регулятор позволяет осуществить автоматическое регулирование уровня напряжения на сборных шинах и обеспечить определенное автоматическое распределение реактивной нагрузки в соответствии с заданными для каждого генератора значениями. Для решения этой задачи, необходимо, чтобы система автоматического регулирования возбуждения каждого генератора работала в соответствии с уравнением

Распределение реактивной нагрузки между генераторами, включенными параллельно через повышающие трансформаторы В данном случае существенным является то, что точка подключения измерительного органа напряжения АРВ и точка, где генераторы соединяются параллельно, отделены друг от друга сопротивлением трансформатора

Групповое управление возбуждением на электростанциях Групповое управление возбуждением (ГУВ) применяется на многоагрегатных электростанциях. При ГУВ часть задач технически и функционально выполняется с помощью элементов, общих для всех генераторов. Различают два вида ГУВ: • ГУВ с центральным регулятором напряжения и общестанционным устройством распределения реактивной нагрузки между генераторами. • ГУВ с индивидуальными регуляторами напряжения, но с централизованным управлением уставками этих регуляторов (уставка – заданное напряжение Uзад). ГУВ данного вида содержит также общестанционное устройство распределения реактивной нагрузки.

На системы возбуждения каждого генератора подается отклонение напряжения на шинах электростанции ( U) от заданного значения, которое вырабатывается центральным регулятором напряжения (ЦРН)

В устройстве ГУВ второго типа генераторы имеют индивидуальные АРВ, в которых формируется сигнал U в каждом генераторе отдельно. Централизация управления здесь обеспечивается за счет синхронного изменения заданного значения напряжения у всех генераторов с помощью центрального установочного устройства

КОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В отличие от активной мощности реактивная мощность может вырабатываться не только на электростанциях, но и в других точках ЭЭС В этом случае ее источниками являются специальные устройства, которые называются компенсирующими (КУ) Размещение КУ вблизи электроприёмииков очень удобно для ЭЭС, так как в этом случае требуемая потребителям реактивная мощность не передается по сети, что связано с дополнительными ее потерями, а вырабатывается в тех точках, где непосредственно имеется дефицит этой мощности

Компенсирующие устройства широко применяются также для регулирования напряжения в электрических сетях Таким образом, их установка удовлетворяет трем непротиворечивым целям обеспечению баланса реактивной мощности, снижению потерь в электрической сети и регулированию напряжения

Батареи конденсаторов

В трехфазной сети фазы БК соединяют в «звезду» и «треугольник» .

Регулирование выдаваемой мощности батареи осуществляется включением и отключением части параллельных ветвей конденсаторной батареи. Батареи конденсаторов обладают отрицательным регулирующим эффектом, т. е. при уменьшении напряжения в сети они снижают выдаваемую реактивную мощность, что приводит к еще большему снижению напряжения. Это является недостатком БК. К другим их недостаткам можно отнести ступенчатость регулирования мощности и сильную зависимость выдаваемой мощности от напряжения сети.

Основные технико-экономические преимущества конденсаторов : • возможность применения, как на низком, так и на высоком напряжении • малые потери активной мощности. • простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся частей); • простота производства и монтажа (малая масса, отсутствие фундамента); • возможность использования для установки конденсаторов любого сухого помещения.

Недостатки КБ: • зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения может способствовать возникновению лавины напряжения; • невозможность потребления реактивной мощности (регулирование напряжения возможно только в одну сторону); • ступенчатое регулирование выработки реактивной мощности и невозможность ее плавного изменения, следовательно, регулирование напряжения не плавное, а ступенчатое; • чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения.

Синхронные компенсаторы

Структурная схема системы управления СК- синхронный компенсатор; ТАск- трансформатор тока СК; ТАлтрансформатор тока линии; Т- силовой трансформатор; TV- измерительный трансформатор напряжения; ДУ- датчик углового положения ротора СК.

Исходя из тех же конструктивных и режимных особенностей СК, что и синхронного генератора, величина располагаемой реактивной мощности СК в режиме недовозбуждения Qcкограничивается минимальным током возбуждения и составляет 50%, а для некоторых даже 30% номинальной мощности машины.

Достоинствами СК являются плавное регулирование реактивной мощности, возможность увеличения выдаваемой реактивной мощности при понижении напряжения, что соответствует положительному регулирующему эффекту такой нагрузки, а также возможность как выдачи, так и потребления реактивной мощности, т. е. широкий диапазон регулирования. К недостаткам следует отнести их высокую стоимость и эксплуатационные расходы, а также повышенные по отношению к другим КУ потери мощности.

Синхронные двигатели СД установленные у потребителей, могут быть использованы как источники реактивной мощности. Они имеют номинальный опережающий cos ф = 0, 9 и, работая в номинальном режиме, выдают реактивную мощность. Располагаемая реактивная мощность СД может быть больше номинальной реактивной мощности, если коэффициент загрузки двигателей < 1.

В режиме перевозбуждения Qрасп может быть определена по формуле где а — средняя относительная величина располагаемой реактивной мощности СД. Коэффициент а зависит от коэффициента загрузки двигателя активной мощностью и напряжения на его зажимах, а также от типа СД. а находится в пределах от 0, 8 до 1, 45. В режиме недовозбуждения СД могут потреблять не более 30% номинальной реактивной мощности двигателя:

Принципиальная схема управления синхронным двигателем с бесщеточной системой возбуждения

Шунтирующие реакторы Представляют собой катушки индуктивности, рассчитанные на высокое напряжение и потребляют реактивную мощность из сети, Однако ШР также можно считать компенсирующими устройствами, так как они предназначены для компенсации зарядной мощности ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжений