Lektsia_12026_v3

1. Режимы работы и эксплуатации электрооборудования

Попов Максим Георгиевич
Митрохин Петр Михайлович

2. Экзамен

• Все новости и материалы будут публиковаться в телеграмм канале;
• Для вашей равномерной подготовки и объективной оценки мы
внедряем систему индивидуальных достижений (СИД). Её основу
составят десятиминутные контрольные на лекциях, за которые вы
будете получать баллы. Итоговая сумма этих баллов по СИД будет
конвертирована в экзаменационную оценку, что является
альтернативой традиционной сдаче экзамена;
• Если вы не набрали нужное количество баллов или желаете улучшить
итоговую оценку, то приходите на экзамен;
• Во время контрольной работы нельзя пользоваться дополнительными
материалами;
• Во время сдачи экзамена можно пользоваться только собственными
конспектами;
• В рамках развития дисциплины в следующем учебном
семестре планируется введение лабораторного практикума с
моделированием в среде MATLAB Simulink.
2

3. Цель курса - сформировать системное понимание принципов, методов и устройств автоматического регулирования в энергосистемах

Рис. 1.1. Синхронный генератор
Рис. 1.2. Газовая турбина
3

4. Основные разделы в курсе:

• Регулирование частоты и активной мощности в
электроэнергетических системах;
• Автоматический регулятор скорости вращения турбины (АРСТ);
• Методы регулирования частоты и активной мощности в ЭЭС;
• Регулирование напряжения в электроэнергетических системах
(ЭЭС);
• Системы возбуждения СМ. Классификация и виды.
4

5. 1. Регулирование частоты и активной мощности в электроэнергетических системах (ЭЭС). Общие сведения

Последствия отклонения частоты:
- уменьшение производительности электрооборудования;
- снижение надежности работы электрооборудования;
- риск нарушения синхронизированной работы энергосистемы из-за “лавины частоты”;
Стабильность частоты является критически важным параметром для надежной работы
энергосистемы и подключенного оборудования. Поэтому в России уделяется большое
внимание ее поддержанию в установленных пределах.
Технические требования к регулированию частоты:
• Четкое разделение зон ответственности между уровнями регулирования (первичным,
вторичным).
• Возможность применения раздельных (селективных) технических средств. То
есть автоматика каждого уровня настраивается на работу в своем диапазоне отклонений.
• Создание запаса по устойчивости, предотвращающего переход системы в аварийное
состояние при типовых возмущениях.
5

6.

ГОСТ32144-2013 Нормы качества электрической энергии
в системах электроснабжения общего назначения
6

7. Уравнение переходного процесса при изменении P

J0
Pт Pн ΔP
t
(1.1)
Где: J – постоянная времени; ꞷ - частота вращения; D –
коэффициент демпфирования.
Если Pт > Pн, то частота увеличивается;
Если Pт < Pн, то частота уменьшается;
7

8. Уравнение движение ротора синхронного генератора

где: J – момент инерции вращающихся масс; ꞷ - частота вращения.
Механическая мощность турбины:
Следовательно, для увеличения P необходимо повысить механическую
мощность, то есть увеличить подачу рабочего тела в турбину.
В паровых – расход пара, в гидротурбинах – расход воды, в газовых –
расход топлива.
8

9. Первичный регулятор частоты

Первичное регулирование частоты - это автоматический,
локальный процесс изменения мощности генераторов,
осуществляемый регуляторами скорости (частоты) турбин в ответ
на текущее мгновенное отклонение частоты в сети от
номинального значения. Его ключевая задача – обеспечить
соответствие поступления энергоносителя в турбину и
электрической нагрузки генератора.
Ключевые особенности:
- автономность;
- быстродействие;
- результат работы НЕ восстанавливает номинальную частоту;
- осуществляется за счет вращающего резерва, т.е. запаса турбины
по мощности;
9

10. Вторичный регулятор частоты

Вторичное регулирование частоты - автоматизированный процесс,
осуществляемый для ликвидации остаточных отклонений частоты,
перераспределения перетоков мощности по линии
электропередач или суммарной нагрузки станции.
Его цель – возврат частоты к номинальному значению и
восстановление плановых балансов мощности между
объединениями.
Ключевые особенности:
- запускается с задержкой относительно ПРЧ;
- восстанавливает точную номинальную частоту и плановые
перетоки мощности;
- реализуется в рамках объединенных энергосистем.
10

11. Статические характеристики нагрузки по напряжению и частоте

• Статические характеристики нагрузки – это зависимости активной
и реактивной мощности нагрузки при плавном изменении
режимных параметров (напряжения и частоты);
• Достоверно определить характеристики узла возможно только
экспериментально, что представляет собой практическую
сложность и применяется только в особых случаях. При
представлении нагрузок в расчетах используют понятие
обобщенного узла нагрузки.
11

12.

Статические характеристики по частоте (СЧХ):
Рис. 1.3. Статические характеристики по частоте
S ( f ) [ Pном ,i *(
i
f
f ном
)
k p ,i
] j * Pном ,i *(
f
f ном
)
kq ,i
(1.2)
12

13. 2. Классификация режимов работы ЭЭС

1. Стационарные (установившиеся), (малый диапазон колебаний при
возмущениях).
• Установившиеся нормальные режимы (установившиеся расчётные
режимы);
• Режимы текущего планирования;
• Режимы с поддержанием системных электрических параметров на
дополнительном уровне.
2. Нестационарные (неустановившийся), (большой диапазон колебаний
при возмущениях).
• Аварийные режимы;
• Аномальные режимы.
13

14. Стационарные режимы работы

• Стационарные режимы работы электрической сети — это такие состояния
энергосистемы, при которых параметры электрической сети (напряжение, ток,
частота, мощность и т.д.) остаются неизменными во времени или изменяются в
допустимых пределах.
• В этих режимах система работает стабильно, обеспечивая надежное и качественное
электроснабжение потребителей.
• Основные характеристики стационарных режимов:
• Баланс мощности: Генерация электроэнергии равна её потреблению с учетом
потерь в сети.
• Стабильность частоты: Частота остается постоянной и находится в допустимых
пределах (например, 50 Гц ± 0,2 Гц в России).
• Стабильность напряжения: Напряжение на шинах электростанций и в точках
подключения потребителей находится в установленных пределах.
• Отсутствие аварийных ситуаций: Все элементы сети работают в нормальных
условиях, без перегрузок или повреждений.
14

15. Стационарные режимы работы

• Условия обеспечения устойчивого стационарного режима:
1. Баланс активной мощности между генерацией и потреблением
2. Баланс реактивной мощности для поддержания нормального уровня напряжения
3. Передаваемая мощность должна находиться в пределах ограничений пропускной
способности все элементов электрической сети;
Соответствие пропускной способности линий электропередачи фактическим токам
4. Синхронная работа всех генераторов энергосистемы.
Выводы:
Стационарные режимы являются основой нормальной работы энергосистемы.
Отклонения от этих режимов могут привести к некачественному электроснабжению,
перегрузкам оборудования или авариям. Поэтому их анализ и управление являются
важной задачей электроэнергетики.
15

16. Нестационарные режимы работы

• Нестационарные режимы в электрической сети — это такие состояния
энергосистемы, при которых параметры сети (напряжение, ток,
частота, мощность и другие) изменяются во времени в широких
пределах.
• Эти изменения могут быть вызваны как плановыми процессами
(например, включение или отключение оборудования), так и
аварийными ситуациями (короткие замыкания, обрывы линий и т.д.).
• Нестационарные
режимы
могут
быть
кратковременными
(переходными) или длительными. Они требуют анализа и управления,
чтобы избежать негативных последствий для работы энергосистемы.
16

17. Классификация нестационарных режимов работы

Переходные процессы, возникающие при резких изменениях в работе
сети, таких как:
• Аварийное отключение линий электропередачи, трансформаторов или
генераторов, вызывающее дефицит активной мощности;
• Аварийное отключение крупных потребителей или межсистемных
связей, вызывающее избыток активной мощности;
• Короткие замыкания;
• Обрывы проводов;
• Внезапное изменение нагрузки;
Продолжительность электромеханических переходных процессов
обычно составляет от секунд до десяткой секунд.
Характеризуются быстрыми изменениями параметров сети (тока,
напряжения, частоты).
17

18. Классификация нестационарных режимов работы

Аварийные режимы возникают при неисправностях в сети:
• Короткие замыкания на землю или между фазами;
• Обрывы проводов;
• Перегрузка оборудования;
• Выход из строя генераторов или трансформаторов.
Требуют
быстрого
реагирования
для
предотвращения
повреждения оборудования в послеаварийном режиме или
восстановления нормального режима.
18

19. Классификация нестационарных режимов работы

Режимы пуска и останова оборудования:
• Связаны с нестационарными процессами при включении или
отключении электродвигателей, генераторов и других устройств;
Примеры:
• Пуск крупных асинхронных двигателей может вызывать провалы
напряжения в сети;
• Остановка генераторов может приводить к снижению частоты;
Режимы послеаварийного восстановления:
• Возникают после устранения аварии, когда система переходит от
нестационарного состояния к нормальному стационарному режиму;
• Включают действия по восстановлению баланса мощности,
напряжения и синхронной работы элементов системы;
19

20. Классификация нестационарных режимов работы

Методы управления нестационарными режимами:
1. Автоматическая защита и автоматика управления:
• Релейная защита отключает поврежденные участки сети при авариях;
• Автоматика частотной разгрузки снижает нагрузку при падении
частоты;
• Системы автоматического регулирования возбуждения поддерживают
напряжение на заданном уровне;
2. Регулирование баланса мощности:
Быстрое включение резервных генераторов при недостатке мощности;
Отключение части нагрузки при избытке мощности;
20

21. Классификация нестационарных режимов работы

Методы управления нестационарными режимами:
3. Использование компенсирующих устройств:
Конденсаторные батареи и реакторы для регулирования уровня
напряжения;
Синхронные компенсаторы для стабилизации реактивной мощности;
4. Планирование работы системы:
• Предотвращение перегрузок оборудования путем грамотного
распределения нагрузки;
• Использование прогнозов изменения нагрузки для предотвращения
нестационарных режимов;
21

22. Последствия нестационарных режимов

Если нестационарный режим не будет вовремя устранен, это может привести
к следующим последствиям:
• Повреждение оборудования из-за перегрузки или перенапряжений;
• Нарушение устойчивости энергосистемы (расхождение генераторов);
• Полное или частичное отключение потребителей (аварийное отключение);
• Снижение качества электроэнергии (провалы напряжения, колебания
частоты);
• Выводы:
• Таким образом, управление нестационарными режимами является важной
задачей для обеспечения надежности и устойчивости энергосистемы. Для
этого применяются современные системы автоматизации, релейной защиты
и регулирования параметров электрической сети.
22

23. 3. Качественный анализ переходных процессов в ЭЭС при регулировании частоты

Движение ротора согласно второму закону Ньютона:
(1.3)
(1.3)
где: J 0 - момент инерции, a - угловое ускорение вращающейся части
агрегата, M - небаланс моментов, действующих на вал.
Так как
, где - угловая скорость, то уравнение движения
ротора:
(1.4)
23

24.

Выразим две составляющие этого уравнения в системе относительных единиц.
Для этого разделим правую и левую его части на номинальный момент
и
представим результат в следующем виде:
J 0 0 d ΔM
ΔM *
S ном dt M ном
(1.5)
Дальнейшие преобразования:
1 J 0 2 0 d
ΔM *
0 Sном dt
1
d
Tj
ΔM *
0
dt
d *
Tj
ΔM *
dt
(1.6)
24

25.

При расчетах электромеханических переходных процессов в
электроэнергетических системах вместо небаланса моментов ΔM (в виду
допущения о линейности связи между моментом и мощностью) для упрощения
используется, как правило, небаланс ΔP между мощностью турбины Pт и
электрической (электромагнитной) мощностью P генератора:
ΔP PТ P
(1.6)
Тогда можно записать качественный анализ переходного процесса при
регулировании частоты:
ΔP
PΔ
0;
TJ
t
Δe ;
ΔP*
;
TJ
25

26.

Рассмотрение
основных
характеристик
переходного
процесса. Основное внимание уделяется следующим аспектам:
1. Скорость реакции системы на возмущение:
• Чем выше момент инерции энергосистемы, тем медленнее
изменяется частота при дисбалансе мощности;
• Быстрая реакция первичных регуляторов снижает амплитуду
отклонения частоты.
2. Колебательный характер процесса:
• Если система недостаточно демпфирована, могут возникнуть
затухающие или даже незатухающие колебания частоты;
• Колебания могут быть вызваны несогласованной работой
регуляторов разных станций.
26

27.

3. Распределение нагрузки между районами энергосистемы:
• При
нарушении
баланса
мощности
возможно
перераспределение потоков энергии между различными
участками энергосистемы;
• Это может привести к перегрузке линий электропередачи или
снижению напряжения.
4. Роль резервов мощности:
• Для успешного восстановления частоты необходимы резервы
активной
мощности
(например,
вращающийся
резерв
генераторов);
• Недостаток запаса по регулированию может привести к
длительным отклонениям частоты или даже к отключению
потребителей.
27

28. Примеры анализа:

1. При резком отключении крупного генератора:
• Частота начнет быстро снижаться из-за нехватки активной
мощности;
• Первичные регуляторы на других генераторах начнут увеличивать
подачу топлива в турбины для компенсации дефицита мощности;
• Включение вторичного регулирования (при наличии на станции) –
автоматическое регулирование частоты и активной мощности
(АРЧМ), которое включает дополнительные генераторы или
снижает нагрузку;
• Частота постепенно восстанавливается до номинального значения.
28

29. Примеры анализа:

2. При резком увеличении нагрузки:
• Частота также снижается, но с меньшей амплитудой, если энергосистема имеет
достаточные резервы;
• Первичные регуляторы компенсируют часть нагрузки, а вторичные меры
регулирования (при наличии) восстанавливают баланс мощностей.
• Выводы:
• Качественный анализ переходных процессов позволяет понять общую динамику
восстановления частоты в энергосистеме и выявить потенциальные проблемы
(например, недостаток резервов или неустойчивость).
• Это важно для проектирования и эксплуатации ЭЭС, особенно с учетом
современных вызовов, таких как интеграция возобновляемых источников энергии,
которые имеют меньшую инерционность по сравнению с традиционными
генераторами.
29

30. Заключение:

• частота сети зависит от баланса мощности. Мощность от
механического момента на турбине и скорости вращения.
• регулирование частоты осуществляется количеством подачи
рабочего тела на турбину;
• нагрузка обладает статической характеристикой и меняется
вместе с изменением частоты (увеличивается P при увеличении
f);
• стационарные режимы являются основой нормальной работы
энергосистемы;
• управление нестационарными режимами является важной
задачей для обеспечения надежности и устойчивости
энергосистемы;
30