Temat wykładu

Regulacja napięcia i mocy biernej

w systemie elektroenergetycznym

Opracował: Janusz Brożek

Zakład Elektroenergetyki AGH

LITERATURA

1. KremensZ., Sobierajski Z.: Analiza Systemów elektroenergetycznych, WNT, Warszawa, 1996.

2. Bogucki A., Lawera E, Przygrodzki A, Szewc B.: Podatność częstotliwościowa i napięciowa SEE i jego elementów, Politechnika Śląska, Skrypt Nr116, Gliwice, 1983.

3. Hellman W., Szczerba Z.: Regulacja częstotliwości i napięcia w SEE, WNT, Warszawa, 1978.

4. Jasicki Z., Bogucki A, Szymik F, Saferna J.:„Praca układów elektroenergetycznych”, WNT, Warszawa, 1965.

5. Bernas S. Systemy elektroenergetyczne, WNT, Warszawa, 1986.

6. Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera Elektryka, WNT, Warszawa, 1997.

7. Bułat T., Zieliński Z. :Wyniki prób wydzielonej pracy CENTREL i VEAG w zakresie polskiego systemu elektroenergetycznego, Seminarium `Wyniki prób pracy systemów elektroenergetycznych CENTRL i VEAG z uwzględnieniem w nich udziału polskiego systemu elektroenergetycznego”. Bielsko -Biała, 16-17 czerwiec, 1994.

8. ROZPORZĄDZENIE MINISTRA GOSPODARKI z dnia 25 września 2000 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców

9. Internrt

10. Gosztowt W.: Gospodarka elektroenergetyczna w przemyśle, WNT, Warszwa,1971.

11. „Praca zbiorowa: PROJEKT BADAWCZY ZAMAWIANY PBZ-09-03:Struktura organizacyjna
    i funkcjonalna oraz wyposażenie i algorytmy hierarchicznego układu sterowania, niezbędnego dla współpracy polskiego systemu elektroenergetycznego z systemami krajów Europy Zachodniej(UCTPE) i dla prowadzenia ruchu w warunkach gospodarki rynkowej, Kraków, 1996, materiały niepublikowane.

12. Machowski J., Bernas S.: Stany nieustalone i stabilność sytemu elektroenergetycznego, WNT, Warszawa 1989 r.

Spis Treści

1. WSTĘP

7. Stabilność napięciowa.................................................................................................26

1. WSTĘP

Podstawowe wielkości elektryczne systemu (P - moc czynna, Q - moc bierna,
f - częstotliwość, U - napięcie.)

NAPIĘCIE U

• jest wielkością systemową lokalną

• napięcie w węzłach systemowych powinny być zawarte w określonych granicach (odbiory projektowane są na napięcie znamionowe)

• wymagania dla napięcia nie są tak precyzyjne jak dla częstotliwości.

• zdolności przesyłowe linii systemowych zależą silnie od napić w węzłach systemu, co jest powodem sterowania napięciami w systemie, poprzez dostarczanie mocy biernej do węzłów systemu, w których następuje tendencja do obniżania się napięcia

• straty mocy czynnej zależą pośrednio od napięcia.

Moc bierna i energia bierna są charakterystyczne wyłącznie dla zjawisk elektromagnetycznych w obwodach prądu zmiennego i nie mogą być zamienione na pracę.

Schemat przepływu mocy od składu węgla jako źródła energii do odbiornika mechanicznego (np. pompy) za pośrednictwem układu energetycznego można przedstawić tak jak na rys. xxx

P — moc czynna, Q — moc bierna, G — generator, M — silnik

Rys. 1. Schemat przepływu mocy od źródła do odbiornika (zaczerpnięto z[10])

W schemacie tym pominięto, straty w poszczególnych elementach układu energetycznego.

Moc czynna i bierna mają istotną wspólną cechę energetyczną:

wywołują analogiczne skutki w elementach układu elektroenergetycznego,

Skutki koncentracji wytwarzania mocy biernej:

• wzrost odległości przesyłu mocy biernej

• negatywne skutki przesyłu mocy biernej na duże odległości,

• wzrost cosϕ generatorów.

Statystyczny bilans mocy biernej:

• Wytwarzanie

• generatory 65%

• generacja w liniach 25%

• urządzenia do kompensacji 10%

• zapotrzebowanie

• potrzeby własne elektrowni 10%

• straty mocy w transformatorach elektrowni 15%

• straty mocy w sieci 25%

• odbiorcy 50%

Wzrastająca w miarę systemu elektroenergetycznego koncentracja wytwarzania mocy czynnej, w wielkich elektrowniach z turbozespołami dużej mocy wymaga dekoncentracji źródeł mocy biernej, gdyż zarówno ze względów technicznych (np. regulacja napięcia) jak i

gospodarczych (straty), nie opłaca się przesyłać mocy biernej z elektrowni do odległych od­biorców.

Nowoczesne generatory buduje się na wartości współczynnika mocy (0,85—0,9), dawniej najwyżej 0,8) i dlatego żąda się od odbiorców przemysłowych aby pobierali energię elektryczną z sieci o odpowiednio wysokich współczynnikach mocy. Przykładowy schemat rozpływu w systemie mocy czynnej i biernej wyprowadzonej z elektrowni przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2 Schemat rozpływu w systemie mocy czynnej i biernej wyprowadzonej z elektrowni (zaczerpnięto z [10])

Dla ilościowego zobrazowania schematu rozpływu mocy czynnej i biernej w systemie (dla roku 1965 r.) oraz wynikające z tego wymagania co do wartości współczynnika mocy, podaje rys.

Moc czynna i bierna mają istotną wspólną cechę energetyczną:

wywołują analogiczne skutki w elementach układu elektroenergetycznego

2. Elementy systemu elektroenergetycznego

Generatory synchroniczne są zainstalowane w 23 elektrowniach zawodowych przyłączonych do sieci 220 i 400 kV o łącznej mocy 22225 MW (pozostałą moc systemu wyprowadza się z sieci 110 kV).

Moce generatorów - 500-360-200 MW.

cosϕ - 0.85 (w kilku przypadkach 0.8)

Możliwość zakresu pracy określa dla każdego generatora wykres dopuszczalnych stanów pracy (rys 3).

Rys. 3. Schemat zastępczy, podstawowe zależności i wykres dopuszczalnych stanów pracy generatora przy U = cosnt. Indeksy górne i m, M oznaczają minimum i maksimum; P^M - moc dopuszczalna zespołu wynikająca z warunków pracy kotła; P^m - moc monimalna uwarunkowana stabilną pracą palników kotła pyłowego(odpowiednie granice DE, AG); AB - ograniczenie ze wzglądu na stabilność lokalną generatora w SEE; BC - ograniczenie ze względu na grzanie się skrajnych części blach stojana przy obciążeniu pojemnościowym (dotyczy dużych turbogeneratorów); CD, EF - ograniczenie ze względu na prąd I; EG - ograniczenie ze względu na prąd wzbudzenia i_f , którego miarą jest napięcie E_q;
- maksymalny kąt mocy;
- kąt mocy przyjmowany zwykle za dopuszczalny; Q^m(P^'), Q^M(P^') - najmniejsza i największa dopuszczalna moc bierna generatora przy mocy czynnej P^'' (przykładowo) (zaczerpnięto z [5])

Rys. 4. Wykres dopuszczalnych stanów pracy dla generatora TWW-200-2 200 MW cosϕ 0.85 U=15750 3 atn

Linie elektroenergetyczne

.

Rys. 5. Schemat zastępczy linii wysokiego napięcia

Linie elektroenergetyczne są zarówno odbiornikiem mocy biernej indukcyjnej - straty mocy biernej na reaktancji indukcyjnej (podłużnej) linii, jak i źródłem mocy biernej indukcyjnej - generacja mocy biernej indukcyjnej na reaktancji pojemnościowej (poprzecznej) linii

W liniach wysokich i najwyższych napięć moc bierna generowana na pojemności linii jest bardzo duża.

• To czy linia jest odbiornikiem czy źródłem mocy biernej indukcyjnej zależy od obciążenia linii:

• Jeśli linia jest obciążona mocą większą od mocy naturalnej to jest odbiornikiem mocy biernej indukcyjnej

• Jeśli linia jest obciążona mocą mniejszą od mocy naturalnej to jest źródłem mocy biernej indukcyjnej

Moc naturalna linii NN jest to moc jaka popłynie linią, która na końcu jest obciążona impedancją równą impedancji falowej linii (zakładamy R_l = 0, ΔP =0, ΔQ_xind = ΔQ_xpoj.
w efekcie moduły:U₁=U₂ ).

Impedancja falowa linii jest równa:

(1)

Moc naturalna linii jest równa:

(2)

Parametry (w tym moc naturalną) typowych linii WN i NN podano w tabeli 1.

Tabela 1. Parametry (w tym moc naturalną) typowych linii WN i NN

Parametr, jednostka	Rodzaj linii
		LII-110	LI-220	LII-220	LI-400	LII-400	LI-750
Typ przewodów	2×3AFL-6	2×AFL-8	2×3AFL-8	3×2AFL-8	2×3×3AFL-8	3×4AFL-8
Typ słupa	O24	H52	M52	Y52	Z52	nietypowy
Liczba torów, [szt]	2	1	2	1	2	1
lpw, [szt]	1	1	1	2	2	4
s, [mm^2]	240	525	525	525	525	525
Un, [kV]	110	220	220	400	400	750
R [/km]	0.124	0.0564	0.0564	0.0282	0.0282	0.0147
x1 [/km]	0.405	0.410	0.392	0.333	0.330	0.273
x0 [/km]	1.100	0.820	1.107	0.976	0.799	0.851
x0w [/km]	0.760	0	0.775	0	0.639	0
b1 [S/km]	2.82	2.76	2.86	3.34	3.34	4.30
I, [A]	735	1220	1220	2440	2440	9000
IC, [A/km]	0.179	0.350	0.363	0.771	0.771	1.862
QC, [Mvar/km]	0.034	0.134	0.138	0.534	0.534	2.419
Pnat, [MW]	32	125	130	507	510	2230
Zf, ]	380	385	370	315	314	252
Pnat, [MW]	32	125	130	507	510	2230

l_pw - liczba przewodów w wiązce; s - przekrój pojedynczego przewodu; U_n - napięcie znamionowe; r₁ - rezystancja jednostkowa dla składowej zgodnej; x₁ - reaktancja jednostkowa dla składowej zgodnej; x₀ - reaktancja jednostkowa dla składowej zerowejj x_0w - reaktancja wzajemna dla składowej zerowej, b₁ - susceptancja pojemnościowa dla składowej zgodnej; I - prąd dopuszczalny długotrwale (uwaga! mogą być odstępstwa w dół); I_C - prąd ładowania linii (wartość dla jednego toru w przypadku linii dwutorowych); Q_C - moc ładowania linii; Z_f - impedancja falowa linii; P_nat - moc naturalna linii. Uwaga! W przypadku linii dwutorowych w tabeli podano wartości dla jednego toru.

Moce bierne generowane w liniach poszczególnych napięć zestawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Moce bierne generowane w liniach NN.

Linie KSE 750 kV, 400 kV, 220 kV, 110kV (1993)
Nacięcie [kV]	Długość [km]	Moc bierna
		Mvar/km	Mvar
750	114	2.5	285
400	4264	0.7	2985
220	8192	0,22	1802
110	31301	0.04	1252

Rozkład napięcia wzdłuż linii 110 kV przy różnych wartościach stosunku obciążenia linii do mocy naturalnej linii podano na rysunku 6.

Rys. 6. Rozkład napięcia wzdłuż linii 110 kV przy różnych wartościach stosunku obciążenia linii do mocy naturalnej linii

Linia niskiego napięcia ma bardzo małą pojemność w związku z czym generowana przez nią moc bierna jest bardzo mała w porównaniu z mocą traconą na indukcyjności podłużnej linii. Moc bierną traconą

(3)

w odcinku linii niskiego napięcia można w przybliżeniu obliczyć z zależności:

S - moc przesyłana przez odcinek linii

U - napięcie linii (w praktyce przyjmuje się napięcie znamionowe linii)

X₀ - reaktancja jednostkowa indukcyjna linii,

l - długość odcinka linii

W liniach średniego napięcia (a zwłaszcza kablowych) należy uwzględnić moc bierną generowaną na pojemności linii

Moc bierna pobierana przez linię jest równa różnicy mocy traconej na indukcyjności i generowanej przez pojemność linii.

Moc bierną indukcyjną pobieraną przez linię można obliczyć ze wzoru:

(4)

gdzie:

B_C - jednostkowa susceptancja pojemnościowa linii, pozostałe oznaczenia jak we wzorze

Transformatory

Rys.7. Schemat zastępczy transformatora

Moc bierna pobierana przez transformatory:

(5)

gdzie:

moc bierna biegu jodłowego

moc bierna wynikająca z obciążenia S

i_o - prąd biegu jałowego w %

U_z - napięcie zwarcia w %

3. Wpływ przesyłu mocy biernej na pracę systemu elektroenergetycznego

• Przepustowość wszystkich urządzeń w układzie elektroenergetycznym tj. generatorów, linii przesyłowych, transformatorów określa się prądem znamionowym warunkującym nagrzewanie.

(6)

Z tego wynika, że przy danej wartości prądu, dopuszczalnego dla urządzeń elektrycznych, stosunek przesyłanej mocy czynnej do współczynnika mocy musi być wielkością stałą (przy stałym napięciu). Jeżeli więc maleje wartość współczynnika mocy, to w tym samym stosunku zostaje ograniczona przepustowość linii i transformatorów, generatorów.

• Poziom napięcia na zaciskach odbiorników zależy od spadku napięcia na drodze przesyłu energii. W sieci prądu przemiennego o rezystancji R i reaktancji X, spadek napięcia (równy podłużnej stracie napięcia) wynosi:

(7)

W sieciach wysokiego napięcia stosunek X/R jest z reguły znacznie większy od jedności (rzędu kilku a nawet kilkunastu). Dla malejących wartości współczynnika mocy, rośnie spadek napięcia. (rysunek 7)

Rys. 8. Zależność spadku napięcia od współczynnika mocy dla stosunku X/R = 5 i P = const, ΔU_o — spadek napięcia przy cos ϕ = l (zaczerpnięto z [10])

• Straty mocy czynnej w systemie w przewodach są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu wartości współczynnika mocy, przy żądanej wartości przesyłanej mocy czynnej. Zależność strat od współczynnika mocy w generatorach i transformatorach ma inny charakter, (występuje w nich składnik stały - straty jałowe), Ogólnie można stwierdzić, że sprawność maleje wraz z malejącym cos ϕ. W konsekwencji maleje sprawność całego systemu elektroenergetycznego, jak to pokazano na rys. 8.

Rys. 9. Zależność sprawności od współczynnika mocy: l — transformatora, 2 — generatora, 3 — linii przesyłowej, 4 — całkowita systemu elektroenergetycznego (zaczerpnięto z [10].)

Straty mocy wywołane przepływem prądu I przez elementy sieci o rezystancji R obliczamy wg wzoru ( ). Rezystancja R odnosi się do wszystkich elementów na drodze przepływu prądu obciążenia, a więc: przewodów linii, uzwojenia generatora i uzwojenia transformatora.

(8)

w której:

P — moc czynna obciążenia,

R — rezystancja jednej fazy.

Q —moc bierna obciążenia,

4. Charakterystyki napięciowe odbiorów

Wpływ napięcia na moc pobieraną z sieci określają napięciowe charakterystyki statyczne pobieranej mocy czynnej i biernej

Moc czynna

Zakładając, że moc znamionowa zasilanych odbiorów oraz częstotliwość nie ulegają zmianie można przyjąć, że przy zmianach napięcia w granicach ±10 % U_n, odbierana moc czynna zmienia się w sposób liniowy:

(9)

W praktyce częściej używa się współczynnika względnego nachylenia napięciowej charakterystyki pobieranej mocy czynnej, wyrażonego zależnością:

(10)

W równaniu (9) współczynnik  = b_u.

Wartości współczynników  dla typowych grup odbiorów w Polsce, podano w tabeli 3. Nowsze wartości współczynników , dla wybranych grup odbiorców, można znaleźć w oraz w ograniczonym zakresie w [6]. Równania napięciowych naturalnych charakterystyk statycznych pobieranej mocy czynnej dla typowych grup odbiorów - dla odchyleń napięcia w zakresie ±0.05⋅U_n.

Tabela 3. Wartości współczynników  typowych odbiorów (zaczerpnięto z [2])

Nazwa odbioru	Wartość  w okresie
	przedpołudniowym	wieczornym	nocnym
Duże miasta łącznie z drobnym przemysłem	0.90 ÷ 1.20	1.50 ÷ 1.70	1.50 ÷ 1.60
Małe miasta łącznie z drobnym przemysłem	0.60 ÷ 0.70	1.40 ÷ 1.60	1.40 ÷ 1.60
Zakłady przemysłu maszynowego	0.50 ÷ 0.55	0.60 ÷ 0.65	0.60 ÷ 0.66
Kopalnie	0.62 ÷ 0.78	0.75 ÷ 0.89	0.62 ÷0.75
Huty	0.60 ÷ 0.70	0.60 ÷ 0.75	0.60 ÷0.70
Zakłady włókiennicze	0.50 ÷ 0.60	0.60 ÷ 0.70	0.60 ÷0.65
Zakłady chemiczne	0.60 ÷ 0.70	0.60 ÷ 0.75	0.60 ÷0.70
Inne zakłady przemysłowe	0.40 ÷ 0.60	0.45 ÷ 0.64	0.51 ÷ 0.65
Osiedla wiejskie	0.50 ÷ 0.68	1.50 ÷1.60	1.50 ÷1.60
Węzły sieciowe	0.60 ÷ 0.70	0.80 ÷1.00	0.80 ÷1.00
Węzły sieciowe w okresie jesienno-zimowym	0.60 ÷ 0.70	0.80 ÷1.20	0.80 ÷1.10

Tabela 4. Równania napięciowych naturalnych charakterystyk statycznych pobieranej mocy czynnej dla typowych grup odbiorów (zaczerpnięto z [2]).

Nazwa odbioru	Równania naturalnych charakterystyk Qo,r = F(U)
	Okres
	przedpołudniowy	wieczorny		nocny
Zakłady przemysłowe
Kopalnie
Małe miasta i osiedla wiejskie
Duże miasta

Uwaga: Indeks r oznacza wartości względne: napięcia - w stosunku do napięcia znamion­owego, i mocy czynnej - w stosunku do mocy czynnej pobieranej przy napięciu znamionowym

Zależność charakterystyk mechanicznych silnika indukcyjnego od poziomu napięcia przedstawiono na rysunku 9.

Rys. 10. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy stałym momencie obciążenia M_obc i różnych napięciach zasilania U. M moment n prędkość obrotowa

Moc bierna

W odniesieniu do mocy biernej, zakłada się, że dla zmian napięcia w zakresie
0.7 ⋅U_n, ≤ U ≤ 1.1⋅U_n⋅, moc bierna pobierana z sieci jest kwadratową funkcją napięcia:

(11)

W przypadku, gdy zakres zmian napięcia mieści się w granicach ± 5% U_n, do praktycznych obliczeń przyjmuje się liniową zależność pobieranej przez odbiory mocy biernej od napięcia:

(12)

Również w odniesieniu do mocy biernej, częściej operuje się współczynnikiem względnego nachylenia napięciowej charakterystyki mocy biernej:

(13)

Równania napięciowych naturalnych charakterystyk statycznych pobieranej mocy biernej dla typowych grup odbiorów przedstawiono w tabeli 5 i 6.

Tabela 5. Równania napięciowych naturalnych charakterystyk statycznych pobieranej mocy biernej dla typowych grup odbiorów - dla zmian napięcia w zakresie (0.7 ÷1.1)⋅U_n (zaczerpnięto z [2]).

Nazwa odbioru	Równania naturalnych charakterystyk Qo,r = F(U)
	Okres
	przedpołudniowy	wieczorny	nocny
Zakłady przemysłowe	dla dla dla dla
Osiedla wiejskie	Jak dla zakładów przemysłowych
Małe miasta łącznie z drobnym przemysłem
Duże miasta łącznie z drobnym przemysłem

Uwaga: Indeks r oznacza wartości względne: napięcia - w stosunku do napięcia znamion­owego, i mocy biernej - w stosunku do mocy biernej pobieranej przy napięciu znamionowym.

Tabela 4. Równania napięciowych naturalnych charakterystyk statycznych pobieranej mocy biernej dla typowych grup odbiorów - dla odchyleń napięcia w zakresie ±0.05⋅U_n,(zaczerpnięto z [2]).

Nazwa odbioru	Równania naturalnych charakterystyk Qo,r = F(U)
	Okres
	przedpołudniowy	wieczorny	nocny
Zakłady przemysłowe	dla dla dla dla
Osiedla wiejskie	Jak dla zakładów przemysłowych
Małe miasta łącznie z drobnym przemysłem
Duże miasta łącznie z drobnym przemysłem

Zależności poboru mocy biernej od napięcia dla typowych odbiorów (silniki asynchroniczne, silniki synchroniczne) dla różnych stanów obciążenia przedstawiono na rysunkach 10 - 14

Rys. 11 .Napięciowa charakterystyka statyczna pobieranej mocy biernej (1) i czynnej (2) silnika indukcyjnego (zaczerpnięto z [2]).

Rys.12. Statyczna charakterystyka (odbioru uogólnionego) np. w węźle 110 kV, (zaczerpnięto z [12]

Rys. 13. Zależność poboru mocy biernej od napięcia silnika indukcyjnego dla różnych M_obc/M_n w przypadku obciążenia
a) momentem stałym,
b) momentem wentylatorowym, M_obc - moment obciążenia M_n moment znamionowy. (zaczerpnięto [6]).

Rys. 14 Zależność prądu stojana I sinika indukcyjnego od napięcia U przy znamionowym obciążeniu i i przy b = M_max / M_n = 2 i przy częstotliwości znamionowej (f=const), (zaczerpnięto z [6]).

Rys.15. Charakterystyki Q/Q_n =f(U/U_n) silników synchronicznych cylindrycznych przy prądzie wzbudzenia I_f 0.75 I_fn a) stopień obciążenia P/P_n =1, reaktancja synchroniczna względna X_d =var b) X_d=1.0, P/P_n =var, (zaczerpnięto z [6]).

5. Elementy regulacji napięcia i mocy biernej.

Podstawowym zadaniem systemu elektroenergetycznego jest niezawodna dostawa energii elektrycznej o właściwej jakości:

Cele regulacji napięcia i mocy biernej :

A. nadrzędny:

• utrzymanie prawidłowych wartości napięcia u odbiorców.

poziomy napięć dla węzłów granicznych międzysystemowych

dla sieci 400 kV - 400 - 420 kV,

dla sieci 220 kV - 225 - 240 kV;

przepływy mocy biernej w liniach międzysystemowych

± 100 Mvar dla linii 400 kV,

± 50 Mvar dla linii 220 kV;

Wg ROZPORZĄDZENIA MINISTRA GOSPODARKI z dnia 25 września 2000 r... § 32. 1........

..... dopuszczalne odchylenie napięcia od znamionowego w czasie 15 minut w przedziale
od -10% do +5% w sieciach o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV i w sieci o napięciu 400 kV oraz ±10% w sieciach o napięciu znamionowym 110 i 220 kV, znamionowym nie wyższym niż 30 kV i wyższym niż 1 kV, d) 8,0% i 5,0% - dla miejsc przyłączenia leżących w sieci o napięciu znamionowym nie wyższym niż 1 kV................

B. dodoatkowe:

• minimalizacja strat mocy przesyłu (ERO-P, ERO-Q)

• osiągnięcie maksymalnej niezawodności pracy systemu (dQ/dU)

Współczesny system elektroenergetyczny ma wielopoziomową strukturę w zakresie napięć znamionowych linii oraz wielopoziomową strukturę systemu dyspozytorskiego. Przykład struktury systemu pokazano na rysunku 15.

Elementy regulacji napięcia w systemie elektroenergetycznym:

• regulatory napięcia generatorów (utrzymują zadaną wartość napięcia generatora oddziałując na poziom wzbudzenia.

• regulatory grupowe typu ARNE (utrzymują zadane wartości napięcia w rozdzielniach elektrowniach NN oddziałując na regulatory napięcia poszczególnych generatorów.

• statyczne źródła mocy biernej tj. dławiki oraz baterie kondensatorów

• linie przesyłowe NN jako szczególne źródło mocy bie5rnej (regulacja skokowa - wyłączanie linii

• przekładnie transformatorów 750/400, 400/220, 400/110, 220/110.

Rys. 16. Elementy systemu elektroenergetycznego służące do regulacji napięcia
i mocy biernej (zaczerpnięto z [3]

Na rys.17 przedstawiono schematy funkcjonalne potencjalnych źródeł mocy biernej w systemie elektroenergetycznym.

Rys.17. Źródła mocy biernej: a) generator synchroniczny, b) kompensator,

c) bateria kondensatorów, d) bateria kondensatorów z dławikiem nieliniowym,

c) bateria kondensatorów z przetwornikiem tyrystorowym, O bateria kondensatorów

szeregowych. (zaczerpnięto z [3]).

G, K — generator, kompensator synchroniczny; T, AT — transformator,

autotransformator; C — bateria kondensatorów; RN — regulator napięcia;

Dff — dławik nieliniowy podmagnesowywany; PT — przetwornik tyrystorowy, LH — linia napowietrzna; CS — bateria kondensatorów szeregowych;

W — wzbudnica

6. Metody regulacji napięcia i rozpływów mocy biernej

Wszystkie zagadnienia regulacji napięcia są związane z mocą bierną i mają charakter lokalny. Czasem jednak zaburzenia bilansu mocy biernej w węzłach systemu elektroenergetycznego prowadzą do lawiny napięciowej, a w następstwie do awarii systemowych. Z tego powodu są ustalane zasady sterowania i wymagania w zakresie regulacji U i Q w systemie krajowym i połączonych systemach.

• Regulacja pierwotna (obowiązująca)

Regulacja pierwotna reguluje napięcie wyjściowe generatora.

Celem regulacji pierwotnej jest:

• utrzymanie na stałym poziomie napięcia wyjściowego stojana generatora przy biegu jałowym i przy pracy na wydzielony obszar sieci,

• utrzymanie zadanego napięcia wyjściowego przy pracy równoległej z siecią (w systemie elektroenergetycznym).

Regulator pierwotny uwzględnia przypadkowe wahania obciążenia, zmiany topologii systemu oraz przypadkowe zdarzenia pojawiające się w określonych warunkach. Automatyczny regulator pierwotny ma mieć nastawę napięcia odniesienia i może mieć nastawę ograniczenia mocy biernej. Czas odpowiedzi regulatora wynosi kilka sekund.

Główne cechy regulacji pierwotnej:

• wszystkie generatory wyposażone są w regulatory pierwotne,

• regulatory pierwotne wykorzystują pomiary lokalne,

• struktury regulacji są różne w zależności od typu generatora.

Rys. 18. Schemat układu wzbudzenia i regulacji napięcia generatora (zaczerpnięto z [12]).

Poszczególne człony układu funkcjonalnego realizują:

• człon pomiarowy to układy pomiarowo-porównawcze zbudowane na przetwornikach sygnałów. Zwłoka czasowa członu pomiarowego T_r jest zwykle pomijana.

• regulator to układ wzmacniaczy magnetycznych lub elektronicznych z ogranicznikami chroniącymi wzbudnicę i generator przed przekroczeniem dopuszczalnych technicznie warunków pracy.

• człon korekcyjny jest to układ pracujący w pętli sprzężenia zwrotnego względem napięcia wzbudnicy. Jego zadaniem jest stabilizacja regu­lacji napięcia.

• stabilizator systemowy, oznaczany skrótem PSS, dostarcza sygnał uzależniający uchyb regulacyjny od zmian mocy lub prędkości wirowania po to, aby poprawić tłumienie kołysań wirnika. Regulatory napięcia mogą bowiem powodować powstanie słabo tłumionych oscylacji kąta wirnika.

• wzbudnice które można podzielić na wirujące i statyczne. Wzbudnice wirujące to wzbudnice prądu stałego lub wzbudnice prądu zmiennego z prostownikami.
  

Rys. 18 a. Schemat funkcjonalny regulatora napięcia generatora (zaczerpnięto z[5])

• Regulacja wtórna (opcjonalnie) (grupowa) [3], [11].

Regulacja wtórna reguluje przepływ mocy biernej w określonym obszarze systemu elektroenergetycznego. Celem regulacji wtórnej jest koordynowanie działań regulacyjnych w określonym obszarze, aby w ciągu jednej do kilku minut wyrównać bilans mocy biernej, lub zapobiec jej wytwarzaniu w niewłaściwym czasie.

Przykład schematu funkcjonalnego regulatora grupowego generatorów przedstawiono na rysunku 19 a na rys 20 schemat regulatora grupowego transformatorów.

Rys. 19. Grupowa regulacja napięcia . W - układy wzbudzenia , RJ -regulatory indywidualne, RG- regulator grupowy. (zaczerpnięto z [3]).

W warunkach KSE (Krajowego Systemu Elektroenergetycznego) w ramach regulacji wtórnej działają regulatory grupowe ARNE-2 zainstalowane w kilku elektrowniach.

Wektor sterowania dla potrzeb regulacji wtórnej wyznacza KDM.

Główne zadania i cechy układów ARNE-2:

• regulacja obejmuje w zasadzie jedną elektrownię;

• możliwa jest też wspólna regulacja wtórna dla grupy bliskich sobie elektrycznie elektrowni.

• optymalizacja rozdziału mocy biernej między generatory elektrowni;

• utrzymywanie bezpiecznego - pod względem napięciowym - stanu pracy na obszarze sieci kontrolowanym przez dany układ ARNE.

• czas odpowiedzi kilka minut.

Rys. 20. Układ regulacji grupowej i indywidualnej transformatora systemowego w stacji dwutransformatorowej [12]. RIT - układ regulacji indywidualnej, RGT - układ regulacji grupowej, SST1, SST2 - sygnały sterujące pracą równoległą TR1 i TR2, U_G - pomiar napięcia górnego transformatora, U_D - pomiar napięcia górnego transformatora, I_D, Q_D - pomiar odpowiednio prądu i mocy biernej po stronie dolnego napięcia transformatora, υ_T - przekładnia transformatora, I_S - pomiar prądu w sprzęgle, U_tzo - wartość zadana napięcia dolnego przy biegu jałowym, T - informacja o topologii stacji ( zaczerpnięto z [11] ).

W systemie prowadzi się również badania w zakresie regulacji grupowej napięcia transformatorów (rys. 20). Na węźle transformatorowym Grudziądz Węgrowo badano regulator grypowy dla transformatorów typu ARST [11].

• Regulacja trójna (docelowa w systemach).

• Regulacja trójna służy do optymalnego rozdziału mocy biernej i regulacji poziomów napięć.

• Celem regulacji trójnej jest korygowanie odchyleń od ekonomicznego (optymalnego) rozdziału obciążeń w systemie elektroenergetycznym, które występują pod wpływem regulacji wtórnej. Regulacja trójna wykorzystuje programy ekonomicznego rozdziału obciążeń (ERO - Q).

• Regulacja może być automatyczna albo stosowane jest sterowanie dyspozytorskie.

• Czas odpowiedzi przy sterowaniu dyspozytorskim (polecenie i powtórzenie działania manualnego) wynosi 10 do 30 minut.

Na rys. 21 przedstawiono model regulacji trójnej możliwy do zastosowania w KSE.

Rys. 21. Hierarchiczna, trójpoziomowa struktura regulacji poziomów napięć
i mocy biernej w KSE ( zaczerpnięto z [11])

Rys. 21. Możliwy podziału własności i kompetencji sterowania elementów systemu w zakresie regulacji U/Q ( zaczerpnięto z [11]).

W wyniku rozwoju „energetyki rozproszonej” w sieciach ZE (rys. 21) pojawią się źródła
i odbiorniki energii elektrycznej, które ze względu na swoje charakterystyki będą oddziaływać na regulację U/Q w sieciach zakładów energetycznych.

7. Stabilność napięciowa

W zjawiskach związanych ze stabilnością napięciową główną rolę odgrywają charakterystyki napięciowe odbiorów sieci wysokiego napięcia. Odbiory sieci wysokiego napięcia nazywać będziemy odbiorami kompleksowymi lub w skrócie odbiorami. Przykład charakterystyki statycznej odbioru pokazano na rysunku 22. Taka charakterystyka jest typowa dla odbiorów zawierających silniki asynchroniczne, które przy obniżeniu napięcia, zwiększają poślizg, a wskutek tego pobierają większą moc bierną [12].

Właściwości systemu jako źródła zasilającego wybrany węzeł odbiorczy opisuje się za pomocą charakterystyki wytwarzania mocy biernej zwanej charakterystyką wytwarzania i

Rys. 22. Przykład charakterystyk napięciowych odbioru kompleksowego (wykres w jednostkach względnych) (zaczerpnięto z[12]).

Rys. 13. System elektroenergetyczny jako źródło mocy biernej w danym węźle odbiorczym: a) fragment sieci z trzema generatorami zasilającymi jeden wspólny odbiór; b) zastąpienie systemu jednym źródłem napięciowym; c) schemat zastępczy źródła oraz wykres prąd*w i napięć węzłowych, G - węzły wytwórcze, l - wybrany węzeł odbiorczy; E, X - fikcyjna siła elektromotoryczna oraz reaktancja zastępcza systemu, δ- kąt między wektorami E oraz U, ϕ-kąt między wektorami U oraz I.(zaczerpnięto z[12])

oznaczonej Qs(U). Charakterystyka ta określa w funkcji napięcia moc bierną oddawaną przez źródło przy obciążeniu go mocą czynną odbioru P_l(U). Na rysunku 23 przedstawiony jest schemat systemu elektroenergetycznego w którym zastąpiono system elektroenergetyczny źródłem napięciowym Thevenina o sile elektromotorycznej |E| oraz reaktancji X zastępującej całą sieć przesyłową i odpowiadającej reaktancji widzianej z wybranego węzła w kierunku węzłów generatorowych [12].

Charakterystyka wytwarzania mocy biernej przez źródło przy obciążeniu go mocą czynną P_l wynosi:

(14)

Charakterystyka napięciowa poboru mocy biernej odbioru ma postać:

(15)

Kryterium dΔQ/ dU jako kryterium stabilności:

W zależności od warto*ci parametrów układu charakterystyka wytwarzania i charakterystyka odbioru mogą przyjmować względem siebie trzy charakterystyczne położenia przedstawione na rysunku 24:

Rys. 24 Wzajemne położenie charakterystyki wytwarzania Q_s i odbioru Q_l : a) dwa punkty równowagi; b) jeden punkt równowagi; c) brak punktu równowagi (zaczerpnięto z[12]).

Punktem trwałej równowagi może być tylko punkt równowagi stabilny lokalnie, dla którego warunek stabilności jest następujący:

(16)

przy czym:

ΔQ- nadwyżka mocy biernej źródła nad potrzebami odbioru:

Analiza rysunku 24 prowadzi do uwag:

• Punktem trwałej równowagi węzła odbiorczego jest punkt S.

• Praca układu jest stabilna w węźle odbiorczym tak długo, póki pochodna dΔQ/dU jest mniejsza od zera.

• Jeden punkt wspólny obu charakterystyk (rysunek 14b) odpowiada napięciu krytycznemu węzła U_kr

• Nadmierny pobór mocy biernej przez obiór może prowadzić do deficytu mocy biernej w węźle (rysunek 24 b, c) i doprowadzić do utraty stabilności systemu przez LAWNNĘ NAPIĘCIOWĄ

Rys.25 Przybliżony przebieg lawiny napięcia wraz z odbudową napięcia (zaczerpnięto z[1]).

Na rysunku 25 przedstawiony jest przybliżony przebieg lawiny napięciowej a na rysunku 26 skutki lawiny napięciowej na pracę generatora.

Rys. 26 Utrata synchronizmu generatora zainicjowana lawiną napięcia: a) fragment systemu, b) przebieg zmian napięcia (zaczerpnięto z [12]).

Kryterium dE/dU równowagi stabilności lokalnej odbiorów w węzłach

Zależność napięcia w węźle odbiorczym od siły elektromotorycznej źródła zastępującego system elektroenergetyczny na podstawie rysunku 27 można przedstawić następująco:

(17)

Rys. 27. a)schemat zastępczy układu elektroenergetycznego, b) wykres wskazowy [12]. gdzie: P_s, Q_s - moc czynna i bierna generowana; P_l , Q_l - moc czynna i bierna odbioru.

Przebieg zależności E= f(U) przedstawiono na rysunku 28.

Rys. 28. Ilustracja do warunku stabilności (dE /dU)>0(zaczerpnięto z [9])

Kryterium stabilności lokalnej dE/dU ma następującą postać

(18)

Napięcie krytyczne węzła odbiorczego U_kr poniżej wartości którego następuje groźba utraty stabilności napięciowej węzła odbiorczego wyznacza się z charakterystyki E = f(U) wyliczonej dla danego węzła.

Przykładowe przebiegi zależności napięcia i mocy biernej w węźle odbiorczym od siły elektromotorycznej E=f(U) i Q= f(E) przedstawiono na rysunku 29.

Rys. 29. Wykresy zależności E= f(U) oraz Q= f(E).

Przy danych warunkach pracy odbioru kompleksowego (P₀, Q₀, U₀) zapas stabilności danego węzła może być zdefiniowany za pomocą jednego ze współczynników:

,
,
(19)

gdzie:

E₀- sem generatora zastępczego w przypadku napięcia znamionowego w węźle (U₀=1),

E_kr- sem generatora zastępczego dla przypadku napięcia krytycznego w badanym węźle,

Q(U_kr)- to moc bierna dopływająca do węzła przy napięciu U_kr,

Q₀- to moc bierna dopływająca do węzła w przypadku napięcia znamionowego (U₀=1).

Systemy elektroenergetyczne W_9-10-11

19

Przygotował: J. Brożek, Zakład Elektroenergetyki AGH, tel.: [phone], e-mail: [e-mail]

Systemy elektroenergetyczne W_9-10-11

---