Влияние режима электроснабжения в электрической системе на ее устойчивость

Под режимом электроснабжения в электрической системе понимается такое ее состояние, когда регламентируется суммарная номинальная активная мощность потребителей электрической энергии (нагрузки), которые могут быть одновременно включены и работать в ней. Каждому такому режиму, характеризуемому меньшим значением активной мощности, присваивается больший порядковый номер, начиная с единицы. Режим электроснабжения в электрической системе планируется на каждые сутки и его номер сообщается по местному радио.

Выявим ранее не учтенное влияние режима электроснабжения на устойчивость простейшей электрической системы (рис. 2.1). Для этого воспользуемся зависимостями от ее частоты fc активных мощностей Р и Рн, соответственно развиваемых генераторами Г и Гс и потребляемой нагрузкой Н в этой системе при различных режимах электроснабжения (рис. 15.1). Основную часть нагрузки представляют асинхронные двигатели. Потребляемая ими активная мощность, с одной стороны, пропорциональна скорости их вращения, а значит и частоте fc системы, и, с другой стороны, моменту сопротивления на валу, который в большинстве практических случаев растет с увеличением скорости вращения двигателя, а значит и частоты fc системы. Поэтому зависимости потребляемой нагрузкой активной мощности Рн имеют прогрессирующе возрастающий характер (рис. 15.1).

Турбины генераторов снабжены регуляторами, обеспечивающими стабильность их скорости вращения, а значит и частоты fc системы при изменении питаемой ими нагрузки. Эта стабильность обеспечивается путем регулирования впуска в турбину энергоносителя, например, пара. При полном впуске энергоносителя, то есть полном открытии регулирующих устройств турбины, например, регулирующих клапанов в паровых турбинах, турбина, а следовательно и генератор развивают максимальную активную мощность Рm. Поэтому характеристика активной мощности Р генераторов при работе регуляторов скорости турбин имеет вид практически вертикальной прямой при номинальной частоте fсн системы. Если при полном открытии регулирующих устройств турбин, то есть при полном впуске энергоносителя, частота fc снижается, то развиваемая турбиной, а следовательно и генератором активная мощность в среднем также снижается (рис. 15.1). Это обусловлено тем, что большая часть генераторов в электрической системе работает на тепловых станциях, где энергоносителем является пар, вырабатываемый парогенераторами. Производительность парогенераторов определяется производительностью механизмов собственных нужд, обеспечивающих подачу в него питательной воды, топлива, воздуха. Большинство из этих механизмов (насосы, мельницы, транспортеры, вентиляторы) приводятся в действие синхронными и асинхронными двигателями. При снижение частоты fc системы пропорционально ей снижается и скорость вращения этих двигателей, а следовательно и производительность приводимых ими в действие механизмов собственных нужд. В результате снижается и производительность парогенератора, в турбину поступает меньше пара и поэтому турбина и генератор развивают меньшую активную мощность.

В нормальном режиме работы электрической системы номинальная активная мощность работающих генераторов составляет Pm1 и они развивают при номинальной частоте fсн системы потребляемую нагрузкой активную мощность Pн1, соответствующую первому режиму электроснабжения, не предусматривающему никаких ограничений для потребителей электроэнергии. При этом имеется запас по генерируемой мощности «горячий резерв» P1 (рис. 15.1). В случае уменьшения числа работающих генераторов, уменьшается и их суммарная номинальная мощность, например, до величины Pm2. Если режим электроснабжения оставить прежний, то нормальная работа электрической системы будет осуществляться уже при меньшей частоте fc1 системы, так как только при ней будет существовать баланс развиваемой генераторами и потребляемой нагрузкой активных мощностей. Работа электрической системы с пониженной частотой, как было показано, не всегда возможна с технической точки зрения. Кроме того она может быть нецелесообразна и с экономической точки зрения, хотя бы уже потому, что снижение частоты ведет к пропорциональному уменьшению скоростей вращения двигателей, а следовательно и производительности механизмов, приводимых ими в действие, причем в масштабах экономического района, который обслуживает эта электрическая система, то есть, практически всей России. Сохранить работу системы с прежней номинальной частотой fсн возможно, если установить второй, а лучше третий (при нем будет «горячий резерв» мощности) режим электроснабжения, соответствующий характеристике нагрузки Рн2, Рн3, то есть ввести плановые ограничения на потребление электроэнергии. Такой механизм регулирования генерируемой и потребляемой электрической энергии реализуется в ходе плановой эксплуатации электрической системы. В аварийных же ситуациях когда возникает дефицит генерирующей мощности (отключается один или несколько мощных генераторов) и полностью задействован «горячий резерв» наиболее часто сохраняют частоту системы путем автоматического отключения соответствующей части нагрузки, в первую очередь, неответственной, с помощью устройства автоматической частотной разгрузки (АЧР). Однако в случае неправильной настройки устройства АЧР может создаться ситуация, когда при внезапном аварийном снижении генерирующей мощности, например, до значения Pm3 устройство АЧР отключит потребителей и уменьшит нагрузку до значений, определяемых характеристикой мощности Pm2, располагающейся выше характеристики мощности генераторов Р3. Это приведет к возникновению на валу генераторов избыточного тормозного момента, под действием которого скорость вращения генераторов будет уменьшаться, пропорционально ей будет уменьшаться и частота fc. А так как ни при какой частоте fc избыточный момент не исчезнет, процесс будет идти до полной остановки турбогенераторов. Это явление нарушения устойчивости работы электрической системы получило название «лавины частоты» и является тяжелейшей аварией, связанной с полным нарушением электроснабжения. Восстановление нормальной работы электрической системы после такой аварии занимает многие часы.

Изложенное позволяет сделать вывод о решающем влиянии режима электроснабжения на устойчивость электрической системы.