ВЫРАБОТКА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
Главным источником реактивной мощности в ЭЭС являются генераторы электростанций. Изменение выдаваемой реактивной мощности генератора достигается за счет изменения синхронной ЕДС генератора Eг, которая при неучете насыщения прямо пропорциональна току возбуждения генератора Iв.
Генераторы в номинальном режиме работы выдают номинальные активную и реактивную мощность при номинальном cosj: Sг ном = Pг ном + jQг ном.. Ток возбуждения генератора в этом режиме также равен номинальному значению Iв ном. Генераторы выпускаются с номинальным cosj, равным 0,8; 0,85 или 0,9.
При работе в часы максимума реактивной нагрузки иногда требуется понижение cosj генератора относительно номинального значения (увеличение выдаваемой реактивной мощности). Это достигается за счет снижения вырабатываемой активной мощности. Максимально возможная реактивная мощность генератора при данной активной мощности называется располагаемой реактивной мощностью генератора в режиме перевозбуждения Q+расп и режиме недовозбуждения Q–расп.
Рассмотрим векторную диаграмму токов и напряжений синхронного генератора, схема замещения которого изображена на рис 4.12,а. Вначале построим вектор токов и напряжений в номинальном режиме.
По оси абсцисс отложим вектор напряжения на шинах генератора Uг ном и отстающий от него на угол j ток Iг ном, рис. 4.12,б. Это соответствует режиму потребления системой активной и реактивной мощности - при отстающем от напряжения токе (индуктивный характер нагрузки ЭЭС). Генератор при этом работает в режиме перевозбуждения и генерирует реактивную мощность.
|
|
|
Построим вектор падения напряжения на сопротивлении генератора xd (продольное синхронное реактивное сопротивление) и сложим его с вектором Uг ном. Вектор падения напряжения 
будет ориентирован под углом в 90° к вектору Iг ном, опережая его. Сумма векторов Uг ном и DU даст вектор ЭДС генератора Eг ном.
Рис. 4.12. Схема замещения (а) и векторная диаграмма синхронного генератора (б)
В соответствии с диаграммой будем иметь:
- активная мощность 
;
- реактивная мощность 
.
Возможно ли увеличение выдаваемой реактивной мощности генератора при снижении активной мощности? Для ответа на этот вопрос выполним дополнительные построения на диаграмме рис. 4.12,б.
Увеличим угол j до значения j1, не меняя при этом величину вектора тока Iг ном. Новое положение вектора тока обозначим Iг1. При этом:
и 
,
а
и 
.
Действительно, реактивная мощность генератора возросла и ток статора генератора 
, что не приводит к перегрузке генератора. Выясним, меняется ли в новом режиме ток ротора – ток возбуждения. Ранее его величина была равна Iв ном и соответствовала ЭДС генератора Eг ном. Построим новый вектор падения напряжения 
. Длина этого вектора остается прежней, но ориентация изменится. Проведем из точки 0¢ дугу окружности радиусом DU от точки A по часовой стрелке до пересечения с вещественной осью (осью абсцисс). Эта дуга будет годографом вектора DU при изменении угла j. Построим новый вектор ЭДС генератора Eг1, соединяющий начало координат (точка 0) с концом вектора DU1 (точка B).
|
|
|
Проведем еще одну дугу окружности радиусом Eг ном из точки 0 также по часовой стрелке от точки A до пересечения с вещественной осью. Эта дуга показывает верхнюю границу для ЭДС генератора, которую нельзя перейти из-за перегрузки по току обмотки возбуждения генератора. Предельно допустимому току возбуждения в этом режиме соответствует вектор Eг2.
Таким образом, из-за перегрузки обмотки возбуждения новый режим с исходными условиями невозможен. Однако все же увеличение выдаваемо реактивной мощности будет иметь место. Вектору Eг2 соответствует вектор падения напряжения DU2, который соединяет точки 0΄ и C, Этот вектор опережает на 90° вектор тока генератора Iг2. По величине ток Iг2 меньше тока Iг ном и отстает от напряжения Uг ном на угол j2 (j1 > j2 > j).
|
|
|
Проекция тока Iг2 на вещественную ось I¢г2 определяет активную мощность Pг2 = Pг1, а проекция на мнимую ось I²г2 – реактивную мощность 
и Qг2 > Qг ном.
Приведенные рассуждения показывают, что 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. Для гидрогенераторов при низких токах возбуждения и режимов, близких к холостому ходу, возможен режим самовозбуждения из-за резонансных явлений, связанных с обменом энергией магнитного поля гидрогенератора и электрического поля высоковольтных линий, присоединенных к электростанции. Все перечисленное, так или иначе, определяет нижнюю границу тока возбуждения генератора и величины располагаемой реактивной мощности генератора в режиме недовозбуждения – ограничение минимального возбуждения (ОМВ).
|
|
|
Рассмотренные ограничения на располагаемую реактивную мощность синхронного генератора хорошо иллюстрируются на диаграмме мощностей синхронной машины, которая строится в координатах Pг и Qг, рис. 4.13.
По оси абсцисс откладывается активная мощность, а по оси ординат реактивная мощность: в положительном направлении - в режиме перевозбуждения (генерация – емкостная мощность относительно сети), а в отрицательном направлении - в режиме недовозбуждения (потребление – индуктивная мощность относительно сети).
Точка A соответствует номинальному режиму работы генератора (точка A на векторной диаграмме рис. 4.12). При снижении активной мощности до значения Pг1 ограничение по току статора позволило бы увеличить выдаваемую реактивную мощность до значения Qг1 (точка B), однако при этом Iв1 > Iв ном и максимально возможной оказывается выдача реактивной мощности Q2, что соответствует точке C на диаграмме мощностей. Ограничение перегрузки (ОП) ротора является геометрическим местом точек, для которых Iв = Iв ном.
Аналогично для режима недовозбуждения генератора имеется кривая – ограничение минимального возбуждения (ОМВ), которую вектор Sг не может пересечь. Максимально возможная величина потребляемой реактивной мощности генератора при данной активной мощности соответствует вектору полной мощности, конец которого лежит на кривой ОМВ.
Рис. 4.13. Диаграмма мощностей синхронного генератора
На диаграмме показаны точки максимально возможных значений Q+г х и Q–г х – это располагаемые мощности, соответственно в режиме перевозбуждения и недовозбуждения при холостом ходе генератора. Однако, как было сказано ранее, работа тепловых турбин невозможна при малых мощностях. На ГЭС режим холостого хода гидрогенераторов часто используется для выдачи реактивной мощности в сеть – гидрогенераторы переводятся в так называемый режим синхронного компенсатора.
Рассмотренные диаграммы построены при Uгном, а так как напряжение генератора допускается изменять в пределах ±5 %, то при других напряжениях построенные характеристики будут несколько смещены относительно показанного положения. На рис. 4.13 показано, что мощность турбины больше номинальной мощности генератора. В некоторых случаях допускается увеличивать выдаваемую активную мощность генератора свыше номинальной и тогда на участке AD диаграммы мощностей ограничением располагаемой реактивной мощности будет дуга окружности, проведенная для максимального тока статора.
Для определения располагаемой реактивной мощности генератора при заданной активной мощности достаточно вычислить ординату для этой мощности, соответствующие точкам, лежащим на ОП – Q+ или ОМВ – Q–.
КОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
В отличие от активной мощности, реактивная мощность может вырабатываться не только на электростанциях, но и в других точках ЭЭС. В этом случае источниками реактивной мощности являются специальные устройства, которые называются компенсирующими устройствами (КУ). Размещение КУ вблизи электроприемников очень удобно для ЭЭС, так как в этом случае требуемая потребителям реактивная мощность не передается по сети, что связано с дополнительными потерями мощности, а вырабатывается в тех точках, где непосредственно имеется дефицит реактивной мощности.
КУ также широко применяются для регулирования напряжения в электрических сетях, и таким образом их установка удовлетворяет трем непротиворечивым целям: обеспечение баланса реактивной мощности, снижение потерь в электрической сети и регулирование напряжения.
Существует несколько видов КУ: батарей конденсаторов, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели, реакторы, статические тиристорные компенсаторы и некоторые другие.
Батареи конденсаторов (БК). БК представляют из себя отдельные конденсаторы, мощностью до 125 квар, собранные вместе путем последовательно-параллельного соединения, рис. 4.14,а: M последовательно включенных конденсаторов в N параллельных ветвях.
Рис. 4.14. Схема соединения конденсаторов в одной фазе БК (а) и схемы соединения фаз БК: в звезду (б) и треугольник (в)
Конденсаторные батареи, предназначенные для генерации реактивной мощности и, таким образом, повышения cosj в узлах нагрузки и у потребителей, называются косинусными конденсаторами и включаются по шунтовой схеме, т. е. являются устройствами поперечной компенсации, рис. 4.14,б и в.
Шунтовые БК применяют на напряжение до 110 кВ. Отдельные конденсаторы рассчитаны на напряжение от 0,2 до 10,5 кВ, и включение БК на более высокое напряжение достигается увеличением числа последовательно включенных конденсаторов. Для увеличения мощности БК увеличивают число параллельно включенных ветвей.
В трехфазной сети фазы БК соединяют в звезду (рис. 4.14,б) и треугольник (рис. 4.14,в). При соединении в звезду мощность БК равна:
 ,
| (4.28) |
а при соединении в треугольник той же самой БК:
 ,
| (4.29) |
т. е. в три раза больше, чем при соединении в звезду.
Регулирование выдаваемой мощности БК возможно путем включения и отключения части параллельных ветвей конденсаторной батареи.
Установленная мощность БК складывается из мощностей отдельных конденсаторов. Располагаемая мощность БК меньше установленной, так как рабочее напряжение на отдельных конденсаторах меньше их номинального напряжения.
БК обладают отрицательным регулирующим эффектом, т.е. при снижении напряжения в сети они снижают выдаваемую реактивную мощность, что приводит к еще большему снижению напряжения. Это является недостатком БК. К другим недостаткам БК можно отнести ступенчатость регулирования мощности и сильную зависимость выдаваемой мощности от напряжения сети.
К преимуществам БК относятся их малая стоимость и эксплуатационные расходы. Потери в БК достаточно малы и в удельном выражении в несколько раз ниже, чем в других КУ. Кроме того, допускается большая свобода при выборе мест установки БК. Установленная мощность БК может изменяться в диапазоне от самых мелких установок 25…50 квар в городских и сельских сетях 380 В до крупных батарей, установленных на высоковольтных подстанциях мощностью по 25 Мвар и более. БК могут присоединяться к любой точке электрической сети, что позволяет размещать их непосредственно у мест потребления реактивной мощности, например в цехах промышленных предприятий, распределительных пунктах и даже внутри некоторых электроприемников (газоразрядные светильники).
Синхронные компенсаторы (СК). СК представляет из себя синхронный двигатель, работающий на холостом ходу. Ротор СК изготовляется облегченным по сравнению с генератором или двигателем. Схема замещения СК, включенного на шины электрической сети с напряжением UСК, изображена на рис. 4.15,а.
В режиме перевозбуждения СК работает как генератор реактивной мощности и выдает ее в сеть. Нагрузка сети имеет индуктивный характер и потребляет мощность, выдаваемую СК. На векторной диаграмме это показывается отстающим на 90° током СК, рис. 4.15,б.
Падение напряжения на сопротивлении xd совпадает по направлению с напряжением и ЭДС. EСК получается как сумма двух векторов, направленных по вещественной оси:
|
Рис. 4.15. Сема замещения (а) и векторные диаграммы СК (б и в) |
.
Ток СК определится как:
.
Мощность СК
. (4.30)
Величина QСК зависит от ЭДС EСК, которая определяется током возбуждения СК.
Располагаемая реактивная мощность СК в режиме перевозбуждения Q+СК соответствует номинальному току возбуждения и равна номинальной мощности синхронной машины SСКном. Активная мощность равна потерям мощности в СК и очень мала по сравнению с SСКном.
В режиме недовозбуждения СК потребляет реактивную мощность (забирает ее из сети). Ток на векторной диаграмме меняет направление на противоположное (рис. 15,в). Это происходит при снижении тока возбуждения до значения, при котором UСК > EСК. Исходя из тех же конструктивных и режимных особенностей СК, что и синхронного генератора, величина располагаемой реактивной мощности СК в режиме недовозбуждения Q–СК ограничивается минимальным током возбуждения и для СК составляет 50 %, а для некоторых даже 30 %, от номинальной мощности машины.
Следует отметить, что направление тока на схеме замещения (рис. 4.15,а) выбрано от EСК к шинам UСК. Это соответствует смыслу генерации (выдачи) мощности. Однако СК, как и синхронный генератор, являются поперечными элементами электрической сети, которые генерируют или потребляют мощность, и положительная ориентация тока и потоков мощности обычно принимается от узла. В связи с этим ток в схеме замещения следует ориентировать в противоположном направлении. В этом случае в режиме перевозбуждения ток СК будет опережать, а в режиме недовозбуждения отставать от UСК. Говорят, что в режиме генерации реактивной мощности СК работает с опережающим током (относительно сети), а в режиме потребления – с отстающим током (также относительно сети).
СК устанавливаются на крупных подстанциях с высоким напряжением 220 кВ и выше с присоединением их к обмотке низкого напряжения автотрансформаторов. Иногда СК ставятся на удаленных от источников энергии подстанциях, питаемым по загруженным ЛЭП.
Достоинствами СК является 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 СК следует отнести их высокую стоимость и эксплуатационные расходы, а также повышенные по отношению к другим КУ потери мощности.
Синхронные двигатели (СД). СД, установленные у потребителей, могут быть использованы как источники реактивной мощности. СД имеют номинальный опережающий cosj = 0,9 и, работая в номинальном режиме, выдают реактивную мощность.
Располагаемая реактивная мощность СД может быть больше номинальной реактивной мощности, если коэффициент загрузки двигателей b меньше единицы. Qрасп СД в режиме перевозбуждения может быть определена по формуле
 ,
| (4.31) |
где a - средняя относительная величина располагаемой реактивной мощности СД.
Коэффициент a зависит от загрузки двигателя активной мощностью b и напряжения на его зажимах a = f(b,U), а также от типа СД и по данным [17] находится в пределах от 0,8 до 1,45.
В режиме недовозбуждения СД могут потреблять не более 30 % от номинальной реактивной мощности двигателя: 
.
Хотя СД дороже асинхронных двигателей, они все же выгоднее асинхронных двигателей, применяемых совместно с КУ.
Шунтирующие реакторы (ШР). ШР – представляет собой катушку индуктивности, рассчитанную на высокое напряжение, и в противоположность БК потребляет реактивную мощность из сети, т. е. является потребителем реактивной мощности. Однако ШР также можно считать КУ, так как они предназначены для компенсации зарядной мощности ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения (рис. 4.16). Мощность, потребляемая реактором, зависит от напряжения
 ,
| (4.32) |
где L – индуктивность фазы реактора.
Шунтирующие реакторы, также как и все другие КУ, предназначенные для компенсации реактивной мощности, являются поперечными элементами сети. Их обозначение при установке в сети показано на рис. 4.16,а, а схема замещения на рис. 4.16,б. На рис. 4.16,в показано, что реакторы могут включаться на постоянную работу в ЛЭП (слева) или через выключатель, чтобы иметь возможность регулирования режима по реактивной мощности (справа).
Рис. 4.16. Шунтирующий реактор: обозначение (а), схема замещения (б) и схема включения в ЛЭП
Статические тиристорные компенсаторы (СТК). СТК представляет из себя трехфазный выпрямительный блок, нагрузкой которого является реактор. Энергия магнитного поля реактора используется для генерирования реактивной мощности путем направления запасенной в реакторе энергии в ту фазу и те моменты времени, когда ток в этой фазе опережает напряжение.
|
Рис. 4.17. Схема СТК для сети высокого напряжения |
Схемы СТК весьма разнообразны. Схема СТК для включения в сеть высокого напряжения (рис. 4.17) состоит из регулируемой тиристорно-реактивной группы (ТРГ) и нерегулируемой емкостной части в виде БК.. На рисунке показано, что управление тиристорным ключем (ТК) выполняется с помощью специальной системы управления. Мощность таких устройств составляет 25, 50 или 80 Мвар на напряжении 10 или 20 кВ
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 512; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!