DETERMINATION OF THE INFLUENCE OF BALANCE ACTIVE POWER BETWEEN THE GENERATOR AND LOAD ON THE FREQUENCY IN THE POWER SYSTEM

 Шепелев А.О.¹, Кулинич И.О.², Шакенов Е.Е.², Плотников Д.И.², Артамонова Е.Ю.³

¹Магистрант, ²Студент, ³Аспирант,

Омский Государственный Технический Университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ БАЛАНСА АКТИВНЫХ МОЩНОСТЕЙ МЕЖДУ ГЕНЕРАТОРОМ И НАГРУЗКОЙ НА ЧАСТОТУ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

Аннотация

В статье рассматривается имитационное моделирование системы электроснабжения, состоящей из синхронного генератора, двухобмоточного трансформатора и 3-х нагрузок. Определяется влияние баланса мощностей между генератором и активными нагрузками на частоту питающего напряжения в энергосистеме. Показано, что при дефиците активной мощности происходит снижение частоты, которое может привести к различного рода авариям. Также в работе отмечается, что при снижении частоты питающего напряжения происходит ухудшение работы асинхронных двигателей собственных нужд электростанции.

Ключевые слова: имитационное моделирование, баланс активной мощности, частота напряжения

Shepelev A.O.¹, Kulinich I.О.², Shakenov E.E.², Plotnikov D.I.², Artamonova E.Y.³

¹Undergraduate student, ²Student, ³Postgraduate student,

Omsk State Technical University

DETERMINATION OF THE INFLUENCE OF BALANCE ACTIVE POWER BETWEEN THE GENERATOR AND LOAD ON THE FREQUENCY IN THE POWER SYSTEM

Abstract

The article carried out the simulation of the power supply system consisting of a synchronous generator, two-winding transformer and 3-loads. It determines the effect of the balance of power between the generator and the active loads to the frequency of the supply voltage in the power system. It is shown that the active power deficiency takes place decrease in frequency, which can lead to various kinds of accidents. Also in the article that while reducing the frequency of the supply voltage, the deterioration of the asynchronous motors of own needs power

Keywords: simulation, active power balance, voltage frequency.

Электрические станции, подстанции, линии электропередачи, приёмники электрической энергии как составляющие любой электрической сети взаимосвязаны между собой процессами генерации, передачи, распределения, а также её потребления. Из-за того, что накопление больших объёмов электрической энергии затруднено, то данные процессы являются непрерывными. Обычно, процесс выработки электрической энергии практически совпадает с временем её потребления электроприёмниками. Из этого следует, что мощность, вырабатываемая всеми генераторами электростанций, должна быть строго равна суммарной мощности нагрузки, которая входит в данную электрическую сеть, в любой момент времени. Другими словами, в энергосистеме должен непрерывно соблюдаться баланс активных мощностей, вырабатываемой генераторами и потребляемой нагрузками системы:

   (1)

где  – активная мощность, вырабатываемая электростанциями энергосистемы;

 –  суммарная потребляемая активная мощность.

Суммарная потребляемая активная мощность представляет собой сумму 3 следующих составляющих:

   (2)

где  – мощность, потребляемая нагрузками системы;

 – потери активной мощности в элементах электрической системы;

 – активная мощность, необходимая для питания собственных нужд электростанций.

Невыполнение равенства в выражении 1, приводит к нарушению баланса мощностей системы, что в свою очередь ведёт к отклонению параметров ее режима. Баланс активной мощности поддерживается только самой системой, т. е. генераторами системы.

Основными причинами нарушения баланса активной мощности обычно являются:

• аварийное отключение генератора;
• непредусмотренный нормальным режимом работы рост потребления мощности;
• аварийное отключение линий электропередачи или трансформаторов связи на электростанциях.

Если , то в энергосистеме происходит рост частоты. Рост частоты можно устранить с помощью уменьшения мощности, вырабатываемой генераторами или отключать часть из них, тем самым обеспечивая регулирование частоты в энергосистеме.

Если , то в энергосистеме имеет место дефицит вырабатываемой мощности, а следовательно снижение частоты. Снижение частоты требует использование резерва мощности (догрузка уже работающих генераторов или введение генераторов, находящихся в “горячем” резерве) или автоматической частотной разгрузки (АЧР).

В противном случае снижение частоты приведёт не только к браку продукции у потребителей, но и к повреждению оборудования станций (в частности, вращающихся элементов) и развалу системы. Такое явление в энергосистеме принято называть “лавина частоты”. Причины “лавины частоты” легко объяснимы так как в правую часть выражения 1 входит , которая сильно зависит от мощности вырабатываемой самой электростанцией.

Для недопущения таких ситуаций кроме резерва мощности на электрических станциях необходимо иметь резерв по топливу. На тепловых электрических станциях должен быть обеспечен соответствующий запас топлива (газ, уголь и т.д.), а на ГЭС – запас воды. Если резерв станций исчерпан, а частота в системе не достигла номинального значения, то в действие вступают устройства АЧР. Основное назначение данного устройства автоматики является быстрое восстановление баланса мощности при её дефиците. Работа АЧР основана на скорейшем отключении части наименее ответственных потребителей. Автоматика частотной разгрузки является дискретной системой регулирования так как она производит отключение ступенями (или так называемыми очередями) [1].

Для исследования влияния баланса активных мощностей между генератором и нагрузкой на частоту в энергосистеме воспользуемся программным пакетом Matlab Simulink/SimPowerSystem [2]. Имитационная модель рассматриваемой электрической схемы представлена на рис. 1.

Рис. 1 – Имитационная модель схемы «генератор-нагрузка»

Имитационная модель состоит из синхронного генератора, двухобмоточного трансформатора и нагрузок. Нагрузка Load 1 моделирует мощность необходимую для собственных нужд электростанции (в данном случае, одиночного генератора). Load 2 постоянная нагрузка, которая присутствует на всём интервале времени. Load 3 нагрузка подключаемая/отключаемая с помощью трёхфазного ключа. Мощности нагрузок представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Параметры нагрузок потребителей

Load 1, МВт	Load 2, МВт	Load 3, МВт
5	100	25

При моделировании данной схемы электроснабжения в определённый момент времени происходило отключение нагрузки Load 3 с помощью трёхфазного выключателя (начальное положение ключа – замкнутое).  Также в работе производилось изменение механической мощности подаваемой на вал генератора турбиной. Рассмотренные значения механической мощности представлены в табл. 2.

Таблица 2 – Механическая мощность, подаваемая на вал генератора

Pмех, о.е.	Pмех, о.е.	Pмех, о.е.
0,424	0,524	0,624

Изменение механической мощности подаваемой на вал генератора турбиной моделирует процесс использования резерва мощности.

Изменение частоты в рассматриваемой схеме представлено на рис.2. Синей линией показывается режим, когда вырабатываемая генератором мощность значительно больше необходимой для питания всех нагрузок. Жёлтая линия соответствует режиму, когда, мощности генератора недостаточно для покрытия дефицита мощности в энергосистеме. Красная линия изображает такой режим работы, когда после отключения нагрузки Load 3 происходит выравнивание уровня частоты, и она остаётся на постоянном уровне.

Рис. 2 – Изменение частоты в электрической сети при различных значения механической мощности, подаваемой на вал генератора

Изменение частоты питающего напряжения напрямую связанно со скоростью вращения вала генератора.  При увеличении частоты в энергосистеме, вал генератора электростанции начинает крутиться сильнее, что в конечно итоге может повредить оборудование или привести к авариям. При уменьшении имеет место снижение скорости вращения вала генератора. Данный процесс снижения может вызвать тяжело устранимый процесс – “лавина частоты”. Изменение скорости вращения вала генератора представлено на рис. 3.

Рис. 3 – Изменение скорости вращения вала генератора

График изменения скорости вращения вала генератора представлен только для случая, когда . Как видно из графика, до времени равному 2 секунды, скорость вращения падает, из-за того, что генерируемой мощности не хватает для покрытия мощности нагрузки. После отключения нагрузки Load 3 происходит выравнивание и установление постоянного значения скорости вала генератора.

На рис. 4 представлено изменение напряжения на обмотке возбуждения синхронного генератора.

Рис. 4 – Изменение напряжения на обмотке возбуждения

Вывод: На основе имитационного моделирования показано влияние баланса активной мощности между генератором и нагрузкой на частоту, питающего напряжения. Как видно, при дефиците активной мощности в энергосистеме происходит снижение частоты, что может привести как к увеличению брака выпускаемой продукции, так и к выходу из строя дорогостоящего оборудования. Стоит отметить, что при снижении частоты питающего напряжения происходит ухудшение в работе асинхронных двигателей собственных нужд электростанции. Ухудшение энергетических показателей асинхронных двигателей собственных нужд может привести к ухудшению ситуации, возникновению “лавины частоты”, а также к крупным авариям в энергосистеме.

Список литературы / References

1. Овчаренко, Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем: Учебник для вузов / Под ред. А.Ф. Дьякова. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000. – 504 с. – ISBN 5-93196-020-1
2. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab SimPowerSystem и Simulink / И. В. Черных. -М.: ДМК Пресс, 2007. – 288 с. – ISBN 5-94074-395-1.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ovcharenko, N.I. Avtomatika jelektricheskih stancij i jelektrojenergeticheskih sistem: Uchebnik dlja vuzov [Automatics of power plants and electric power systems: A textbook for high schools] / Edited by A.F. D'jakova. – M.: Izd-vo NC JeNAS, 2000. – 504 p. – ISBN 5-93196-020-1 [in Russian]
2. Chernyh, I. V. Modelirovanie jelektrotehnicheskih ustrojstv v Matlab SimPowerSystem i Simulink [Simulation of electrical devices in Matlab SimPowerSystem and Simulink] / I. V. Chernyh. -M.: DMK Press, 2007. – 288 p. – ISBN 5-94074-395-1 [in Russian]