Баланс генерируемой мощности в энергосистеме.

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность, потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

Мощность электрооборудования электроэнергетической системы (генераторы, линии электропередач, трансформаторы, электроприемники и т. п.) определяется его полной мощностью. Полная мощность S при синусоидальной форме напряжения и тока связана с активной Р и реактивной Q мощностями квадратичной зависимостью S² = Р² + Q². При этом полная мощность S = UI, активная Р = UI cos и реактивная Q = UI sin , где U и I — действующие значения синусоидального напряжения и тока; — угол между векторами напряжения и тока.

В конденсаторах, кабелях и других видах электрооборудования, которое характеризуется емкостным сопротивлением Х_C, реактивной мощностью Q = U²/Х_C, определяемой приложенным напряжением U, создаются электрические поля.

В индуктивных элементах системы, например в реакторах, трансформаторах, электродвигателях, создаются магнитные поля. В этом случае реактивная мощность Q = I²Х_L определяется током I и индуктивным сопротивлением элемента Х_L.

Емкостной ток в идеальном конденсаторе опережает приложенное к нему напряжение на 90 эл. град. Тогда мощность этого конденсатора Q_C = UI sin(– ) = –UI имеет отрицательный знак. В этом случае говорят, что конденсатор генерирует реактивную мощность.

Индуктивный ток в идеальном реакторе отстает от приложенного к нему напряжения на 90 эл. град. Мощность реактора Q_L = UI sin имеет положительный знак. В этом случае говорят, что реактор потребляет реактивную мощность.

Очевидно, что в понятиях «генерирование» и «потребление» реактивной мощности заложена определенная условность, но тем самым подчеркивается, что взаимодействие емкостных и индуктивных элементов в электрической сети имеет компенсирующий эффект Q = Q_L – Q_C. Это свойство элементов широко используется на практике для компенсации реактивной мощности, тем самым снижая падение напряжения в сети, потери электроэнергии.

Для обеспечения устойчивой и надежной работы энергосистемы необходимо, чтобы в каждый момент времени t соблюдался баланс электрических мощностей в энергосистеме. Для обеспечения нормальных параметров энергосистемы необходимо соблюдение не только баланса активной мощности, но и реактивной.

Баланс активной мощности. В энергосистеме в любой момент времени соблюдается баланс активных мощностей. Баланс активной мощности в условно изолированной энергосистеме в момент времени t имеет вид

, (1.9)

где – суммарная генерируемая активная мощность генераторов; - сумма потерь мощности в сети; - суммарная мощность собственных нужд электростанций энергосистемы; - суммарная нагрузка потребителей.

Правая часть уравнения – потребляемая мощность (нагрузка), левая – генерируемая активная мощность. На рис. 1.5. представлена зависимость изменения генерируемой и потребляемой мощности в Единой Энергосистеме для отдельного дня.

Рис. 1.5. Изменение генерируемой и потребляемой мощности в энергосистеме.

Нарушение баланса активной мощности приводит к снижению частоты электрического тока в системе, т.е. к снижению качества электрической энергии. Рассмотрим составляющие этого баланса.

Учитывая, что практически все энергосистемы России взаимосвязаны, для отдельной системы из группы баланс активной мощности будет иметь следующее выражение:

(1.10)

где –суммарная мощность, получаемая со стороны в каждый момент времени из других систем; - суммарная мощность, передаваемая в каждый момент времени в другие системы.

Оптимизация режима начинается с составления баланса мощности. Для целей эксплуатации такой баланс планируется помесячно и для каждых суток. При планировании режимов работы и развития энергосистемы составляются плановые балансы мощности на более длительный период (годовой, перспективный на несколько лет), которые нужны для периода прохождения годового максимума нагрузки (обычно это последняя декада декабря).

Баланс реактивной мощности. Аналогично балансу активной мощности в энергосистемах должен соблюдаться баланс реактивной мощности, который влияет на уровни напряжения:

, (1.11)

где Q_ген.р. - реактивная мощность генераторов электростанций; Q_комп- мощность компенсирующих устройств (регулируемых и нерегулируемых); Q_{зарядн.}- зарядная мощность линий электропередачи; Q_р.потр.- реактивная мощность потребителей; Q_потр.р.- потери реактивной мощности.

При снижении приходной части баланса реактивной мощности происходит снижение уровня напряжения в электрической сети и, как правило, рост потерь активной мощности. Поэтому, баланс должен быть составлен так, чтобы поддержать во всех узлах допустимые уровни напряжения. При проектировании развития электрической системы кроме проверки допустимых уровней напряжения рассматривается экономическая целесообразность установки дополнительных компенсирующих устройств (повышение приходной части баланса реактивной мощности), если это приводит к снижению потерь энергии в электрических сетях.

Основное отличие баланса реактивной мощности от активной заключается в том, что избыток реактивной мощности в одной части (районе) энергосистемы не всегда может компенсировать недостаток ее в другой части. Это объясняется тем, что передача реактивной мощности на большие расстояния не всегда выгодна и не всегда возможна из-за роста или снижения уровня напряжения в приемной части энергосистемы.

Резервы реактивной мощности предусматриваются в узлах, имеющих особо ответственных потребителей, предъявляющих высокие требования к качеству напряжения. Высокий коэффициент мощности крупных турбоагрегатов и высокий уровень потерь реактивной мощности в линиях и в трансформаторах приводят к необходимости устанавливать дополнительные источники реактивной мощности в виде синхронных компенсаторов. На каждый 1 кВт вновь вводимой активной мощности обычно требуется 0,9-1,2 кВар реактивной мощности дополнительных источников.