Регулирование частоты

Для поддержания частоты в энергосистеме в заданных пределах все приводные двигатели генераторов оснащаются регуляторами частоты вращения (РЧВ), называемыми первичными.

Функциональная схема РЧВ приведена на рис.7.2. В измерительном органе фактическая частота вращения сравнивается с уставкой, которая вводится с помощью механизма изменения частоты вращения МИЧВ. Полученный сигнал через усилительный и исполнительный органы управляет регулирующим органом (клапаном), то есть подачей энергоносителя и, следовательно, частотой вращения. МИЧВ управляется оператором или автоматически.

Причины изменения частоты могут быть самыми различными: аварийное отключение генератора на электростанции, аварийное отключение линии или трансформатора связи между отдельными частями энергосистемы, резкое увеличение мощности потребителей и др.

Отклонение частоты от ее номинального значения D f = f – f _ном как один из показателей качества электроэнергии регламентируется ГОСТ 13109-97, который устанавливает нормально допустимые (+ 0,2 Гц) и предельно допустимые (+ 0,4 Гц) отклонения частоты.

 

Рис. 7.2. Функциональная схема регулятора частоты вращения

 

Жесткие требования к поддержанию частоты обусловлены значительным ее влиянием на технологические производственные процессы, на производительность механизмов потребителей, и в особенности на производительность механизмов собственных нужд электростанций, от режима работы которых в значительной мере зависит надежность работы электростанций и выдаваемая ими мощность. Регулирование частоты в нормальных режимах рассмотрено в УМК «Электроэнергетика. Часть 2»

Достаточно сложной задачей является поддержание частоты на требуемом уровне при ее понижении, обусловленном дефицитом генерируемой мощности в энергосистеме. В этом случае увеличивают впуск энергоносителя в турбины, при недостаточности такого увеличения включают резерв мощности. При дальнейшем снижении частоты в энергосистеме и недостаточной мощности резерва выполняется автоматическое ограничение снижения частоты. Одной из основных функций автоматического ограничения снижения частоты является автоматическая частотная разгрузка (АЧР). Она включает в себя две очереди разгрузки – АЧР1 и АЧР2.

Рассмотрим подробнее работу АЧР. Пусть в момент времени t = 0 происходит аварийное отделение части системы (рис. 7.3), в которой начинается интенсивное снижение частоты. При достижении уставки f ₁ первой очереди АЧР реле, установленные в соответствующих точках системы, без выдержки времени формируют команду на отключение первой очереди потребителей (наименее ответственных). После отключения этих потребителей процесс снижения частоты прекращается, либо только замедляется. Во втором случае частота может снизиться до значения, соответствующего срабатыванию второй очереди АЧР (f₂), в результате чего отключится следующая группа потребителей. И так далее, пока снижение частоты не прекратится. На рис. 7.3, а рассмотрен случай срабатывания 4-х очередей при уставках срабатывания f₁, f₂, f₃ и f₄, после чего процесс снижения частоты прекратился и началось некоторое её повышение.

Если бы на этом действие АЧР прекратилось, то через некоторое время мог на длительное время установиться баланс мощностей при недопустимо низком уровне частоты. Для предотвращения такого «зависания» частоты кроме очередей, срабатывающих без выдержки времени по факту достижения частотой значения уставки, имеются дополнительные очереди, срабатывающие при одной уставке по частоте f₀>f₁, но с различными выдержками времени. Обычно уставка f₀ принимается равной 48,5-49,5 Гц, а уставки по времени от 5 с до 1,5 мин.

Отключением дополнительных очередей потребителей (на рис. 7.3, а в моменты t₁, t₂, t₃, t₄) частота постепенно восстанавливается до значения f₀, после чего дальнейшее восстановление частоты может быть осуществлено эксплуатационным персоналом.

а) б)

Рис. 7.3. Работа АЧР в отделившейся части энергосистемы

 

Таким образом, система АЧР имеет две составляющие, которые называются АЧР1 и АЧР2. Основная задача АЧР1 – предотвратить недопустимое снижение частоты, а задача АЧР2 – восстановить частоту до уровня, при котором энергосистема может работать достаточно долго для последующего корректирования режима диспетчерскими средствами.

В рассмотренном примере (рис. 7.3, а) сначала последовательно срабатывают очереди АЧР1, а затем очереди АЧР2. При ином, менее интенсивном процессе снижения частоты срабатывание очередей АЧР1 и АЧР2 может перемежаться (рис. 7.3, б). Принципиально возможны и такие процессы, при которых действует только АЧР2.

АЧР играет важнейшую роль в обеспечении живучести систем электроснабжения, т. к. предотвращает одно из наиболее опасных явлений – «лавину частоты», возникающую при снижении частоты до некоторого критического значения. Эту опасную границу можно характеризовать зависимостью минимального значения частоты от длительности существования f _min (t), определяющей предельные условия обеспечения собственных нужд агрегатов электростанций (рис. 7.4).

Однако эта граница может быть различной для энергосистем с различными типами электростанций, и, кроме того, её определение представляет существенные трудности. Поэтому принимается некоторое предельное значение f _min, ниже которого частота не должна опускаться ни при каких обстоятельствах. Нормативными документами установлено значение f _min = 45 Гц.

 

Рис. 7.4. Снижение частоты в системах электроснабжения

1 – авария без действия АЧР; 21 – при действии АЧР; 32 – граница допустимой зоны

 

Для обеспечения этого условия должна быть обеспечена такая суммарная мощность отключаемых АЧР1 потребителей, при которой частота не снижается до f _min при любых возможных дефицитах мощности. С некоторым запасом эта мощность принимается на уровне Р _АЧР1 = 1,05Δ Р _{р max}, где Δ Р _{р max} – максимальный расчётный дефицит мощности для данной энергосистемы.

Мощность Р _АЧР2 принимается по условию Р _АЧР2 ≥ 0,4Р_АЧР1. Такое соотношение, принятое на основе эксплуатационного опыта, объясняется необходимостью учёта дополнительных факторов, в частности, возможности отключения некоторых энергоблоков.

Наряду с определением суммарной мощности потребителей, подводимых по действие устройств АЧР1 и АЧР2, важное значение имеет размещение этих устройств и распределение между ними потребителей. Необходимо таким образом сформировать комплекты очередей АЧР, чтобы обеспечивалась автономная работа АЧР в каждой из частей энергосистемы, которая может отделиться с дефицитом мощности, и при этом мощность подведенных под АЧР потребителей в каждой такой части должна соответствовать расчётным значениям.