Gospodarka moc
Gospodarka moc
ą
ą
i energi
i energi
ą
ą
biern
biern
ą
ą
Gospodarka moc
Gospodarka moc
ą
ą
i energi
i energi
ą
ą
biern
biern
ą
ą
Schemat przepływu mocy od źródła do odbiornika
.
Wytwarzanie i przepływ mocy
Wytwarzanie i przepływ mocy
Źródłami mocy czynnej są generatory, natomiast źródłami mocy
biernej mogą być generatory, ale także inne elementy SEE jak:
kompensatory synchroniczne, czyli maszyny synchroniczne o
przewymiarowanym w stosunku do generatora obwodzie
wzbudzenia, baterie kondensatorów, układy
energoelektroniczne, a także linie WN.
Istnieje więc możliwość dekoncentracji źródeł mocy biernej
.
Bilanse mocy oblicza się optymalizując techniczne i
ekonomiczne skutki przepływu mocy przez sieć
elektroenergetyczną.
Bilans mocy
Źródła mocy biernej:
Generatory synchroniczne –
∼ 54%
Pojemności linii -
∼ 25%
Kondensatory -
∼ 20%
Kompensatory –
∼1%
Zużycie mocy biernej:
Odbiorniki –
∼ 53%
Straty w SE -
∼ 47%
W tym: transformatory –
∼ 30%
Linie -
∼17%
Źródła mocy czynnej:
Generatory synchroniczne -
∼
100%
Zużycie mocy czynnej:
Odbiorniki –
∼ 89%
Straty w SE -
∼ 11%
Skutki przepływu mocy przez SE
Moc czynna i bierna wywołują podobne skutki na drodze przepływu, tj.
obciążenie cieplne, spadki napięć, straty mocy. Można je zobrazować
posługując się tangensem kąta impedancji tg
ϕ=Q/P lub cosϕ zwanym
współczynnikiem mocy.
¾
Ograniczenie przepustowości urządzeń
Przy danej wartości prądu dopuszczalnego dla urządzeń ze względu na
nagrzewanie, stosunek przesyłanej mocy czynnej do współczynnika
mocy musi być wielkością stałą. Jeżeli więc maleje wartość
współczynnika mocy to w takim samym stosunku musi zmaleć wartość
przesyłanej mocy czynnej.
max
dd
P
I
I
3Ucos
=
=
ϕ
Skutki przepływu mocy przez SE
¾
Zwiększenie spadku napięcia
)
sin
R
X
(cos
IR
sin
IX
cos
IR
U
ϕ
+
ϕ
=
ϕ
+
ϕ
=
δ
Spadek napięcia zależy zarówno od mocy czynnej jak i biernej;
decydujące znaczenie ma składowa bierna, ponieważ w sieciach SN i
WN stosunek X/R jest z reguły znacznie większy od jedności. Przy
malejącym cos
ϕ (rosnącej mocy biernej), rośnie spadek napięcia.
¾
Zwiększenie strat mocy
R
U
Q
R
U
P
R
U
S
R
U
3
S
3
R
I
3
P
2
2
2
2
2
2
2
2
+
=
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
=
Δ
Skutki przepływu mocy przez SE
Sprawność systemu zależy od współczynnika mocy.
1 – transformatora
2 – generatora
3 - linii przesyłowej
4 – całkowita SEE
Zależność sprawności od współczynnika mocy
Ze względów technicznych i
gospodarczych nie opłaca się przesyłać
dużych wartości mocy biernej.
Wymagana jest zatem dekoncentracja
źródeł tej mocy, co oznacza
instalowanie źródeł w pobliżu centrów jej
zapotrzebowania.
Działanie takie
nazywa się kompensacją mocy
biernej
.
Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy
Zależność
względnej mocy biernej od obciążenia
dla
czterobiegunowego silnika asynchronicznego niskiego napięcia o
mocy znamionowej:
1 - P
n
= 0,8 kW, 2 - P
n
= 4 kW, 3 - P
n
= 20 kW, 4 - P
n
= 100 kW
Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy
Zależność współczynnika mocy cos
ϕ silnika asynchronicznego od
obciążenia dla następujących znamionowych wartości cos
ϕ:
krzywa 1 - 0,95; 2 - 0,90; 3 - 0,85; 4 - 0,80; 5 - 0,75; 6 - 0,70.
Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy
Zależność współczynnika mocy silnika asynchronicznego od
obciążenia przy połączeniu uzwojeń w trójkąt i w gwiazdę
Kompensacja mocy biernej
W zależności od miejsca zainstalowania źródła mocy
biernej rozróżnia się
następujące rodzaje
kompensacji
:
¾
Centralna – w stacji głównej
¾
Grupowa – w rozdzielnicach oddziałowych
¾
Indywidualna – na zaciskach odbiorników
Moc dosyłana z sieci Q
s
przy
kompensacji centralnej
:
Q
Q
Q
z
k
s
Kompensacja centralna
−
=
gdzie:
Q
z
– moc zapotrzebowana
Q
k
– moc urządzenia kompensacyjnego
Kompensacja mocy biernej
Moc urządzenia kompensacyjnego Q
k
wyznacza się w
zależności od wymaganego cos
ϕ na szynach stacji głównej.
Przed kompensacją:
Po kompensacji:
z
0
z
Q
tg
P
ϕ =
z
k
z
Q
Q
tg
P
−
ϕ =
(
)
k
z
z
z
o
Q
Q
P tg
P tg
tg
=
−
ϕ =
ϕ − ϕ
Stąd:
Kompensacja mocy biernej
Przy znanej wartości mocy Q
z,
określenie wymaganej mocy Q
k
lub
cos
ϕ jest zagadnieniem gospodarczym i polega na minimalizacji
całkowitych kosztów rocznych wytworzenia i przesłania tej mocy z
sieci oraz kosztów wytworzenia tej mocy w urządzeniach
kompensacyjnych.
W praktyce moc bierna pobierana z rozdzielnicy zmienia się przy
załączaniu i wyłączaniu odbiorników. Moce poszczególnych baterii
dobiera się wówczas do obciążenia maksymalnego, a dodatkowo
stosuje się
regulator cos
ϕ sterujący załączaniem i wyłączaniem
poszczególnych stopni baterii wraz ze zmianą pobieranej mocy
biernej.
Kompensacja mocy biernej
Moc kondensatorów do
kompensacji grupowej
wyznacza się w
oparciu o kryterium minimalizacji strat mocy czynnej w sieci
rozdzielczej.
Kompensacja indywidualna
najbardziej ogranicza przepływ
mocy biernej przez sieć. Kondensator i odbiornik stanowią w
tym przypadku praktycznie jedno urządzenie, wspólnie
przyłączane do sieci (np. świetlówki). Stopień wykorzystania
kondensatorów przy kompensacji indywidualnej jest jednak
mniejszy niż przy kompensacji grupowej, którą realizuje się w
stacjach oddziałowych.
Regulacja napi
Regulacja napi
ę
ę
cia
cia
Metody regulacji napięcia
Regulacja napięcia może być dokonywana w sposób bezpośredni
za pomocą
napięcia dodawczego
, poprzez:
¾
zmianę sił elektromotorycznych generatorów
¾
zmianę przekładni transformatorów
lub w sposób pośredni poprzez:
¾
zmianę impedancji sieci
¾
zmianę rozpływu mocy biernych (czynnych)
Regulacja przekładni transformatorów
Regulacja przekładni transformatorów regulacyjnych polega na
zmianie czynnej liczby zwojów
w jednym z uzwojeń transformatora.
Uzwojenia regulacyjne transformatorów zaopatrzone są w szereg
zaczepów. Zaczep tzw. zerowy odpowiada znamionowej przekładni
transformatora.
Przekładnie znamionowe transformatorów najczęściej nie są równe
stosunkowi napięć znamionowych sieci, jak np.115/6,3 kV, 110/16,5
kV. Efektem tego jest pewien przyrost napięcia przy nastawieniu
przekładni transformatora na zaczep zerowy:
%
100
1
⋅
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
n
s
nT
U
ϑ
ϑ
δ
gdzie:
ϑ
n
- przekładnia znamionowa transformatora
ϑ
s
- iloraz napięć znamionowych sieci.
Regulacja przekładni transformatorów
W transformatorze obniżającym zwiększenie liczby zwojów czynnych
powoduje zmniejszenie napięcia wtórnego, przy stałym napięciu na
uzwojeniu pierwotnym.
Zmienia się długość wektora napięcia
–
jest to regulacja wzdłużna
.
Ze względu na sposób zmiany zaczepów wyróżnia się:
¾
Regulację bez obciążenia
, wykonywaną po odłączeniu zasilania;
zakresy zmian
±5 %, ±2,5 %, stosowana w transformatorach
SN/nn
¾
Regulację pod obciążeniem
w granicach
±20 % ze stopniem
regulacji 0,5 %
Uzwojenia regulacyjne ze względu na ich wysoki koszt stosuje się tylko po
jednej stronie transformatora. Wybór strony regulacji zależy od wysokości
napięcia pracy oraz od prądów obciążenia – zwykle strona WN.
Regulacja przekładni transformatorów
Przełącznik zaczepów pod obciążeniem musi mieć specjalną
konstrukcję, zmniejszającą prąd w zwojach zwartych podczas
przełączania. Stosuje się dławik dzielony lub rezystory, tworzące
układ równoległy dla prądu roboczego i szeregowy dla prądu w
zwojach zwartych.
Liczbę działań przełącznika ogranicza się do 60/dobę, aby
przeglądy przełącznika nie były częstsze niż przeglądy
transformatora.
Przełączniki mogą być sterowane ręcznie (zdalnie z nastawni
stacji) lub automatycznie przez regulator napięcia.
Koszt przełącznika pod obciążeniem jest znaczny i tym większy
im mniejsza jest moc znamionowa transformatora.
Zmiana impedancji sieci
Regulacja napięć przez zmianę
impedancji sieci
polega na
zmianie spadków napięć
.
Zmiany impedancji dokonuje
się poprzez:
¾
Wyłączanie/wyłączanie jednej z
dwu linii równoległych lub/i
jednego z dwu transformatorów
równoległych
¾
Włączanie baterii
kondensatorów szeregowych w
przewody fazowe linii
Zmiana rozpływu mocy biernych
Regulacja napięć przez zmianę rozpływu mocy biernych polega na
zmianie spadków napięć na skutek zmiany wartości mocy biernej
przesyłanej przez elementy sieci.
Zmiany mocy biernej można dokonywać za pomocą:
¾
Generatorów synchronicznych
¾
Kompensatorów synchronicznych – sposób obecnie praktycznie
nie stosowany
¾
Dławików równoległych – sieci przesyłowe
¾
Kondensatorów równoległych (poprzecznych)
– sieci rozdzielcze
,
kompensacja mocy biernej
¾
Urządzeń energoelektronicznych, jak np. statyczny kompensator
synchroniczny SVC (Static Var Compensator) lub STATCOM
–
sieci przesyłowe i rozdzielcze