Regulacja w systemie

Regulacja w systemie

elektroenergetycznym

elektroenergetycznym

2 / 31

Bilans mocy czynnej i biernej

Bilans mocy czynnej i biernej

Zapewnienie odpowiedniego napięcia i częstotliwości w danym węźle
odbywa się poprzez przesył do niego ściśle określonych wartości mocy
czynnej i biernej. Dyspozycyjna moc czynna i bierna w SEE powinna
więc pokrywać potrzeby obciążeń i strat w sieciach przy normalnych
wartościach U i f.
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.

Rozpływy mocy oblicza się optymalizując techniczne i ekonomiczne
skutki przepływu mocy przez sieć elektroenergetyczną.

3 / 31

Bilans mocy czynnej i biernej

Bilans mocy czynnej i biernej

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%

4 / 31

Skutki przep

Skutki przep

ł

ł

ywu mocy przez SE

ywu mocy przez SE

¾

Obciążenie cieplne

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.

=

=

ϕ

dd

P

I

const

3Ucos

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.

5 / 31

Skutki przep

Skutki przep

ł

ł

ywu mocy przez SE

ywu mocy przez SE

¾

Spadki napięć

δ =

ϕ +

ϕ =

ϕ +

ϕ

X

U

IR cos

IX sin

IR(cos

sin )

R

Spadek napięcia zależy zarówno od mocy czynnej jak i biernej;
decydujące znaczenie ma składowa bierna (I

⋅sinφ), ponieważ w

sieciach SN i WN stosunek X/R jest z reguły znacznie większy od
jedności. Oznacza to, że przy rosnącej mocy biernej (malejącym
cos

ϕ) rośnie spadek napięcia.

¾

Straty mocy

⎛

⎞

Δ =

=

=

=

+

⎜

⎟

⎝

⎠

2

2

2

2

2

2

2

2

S

S

P

Q

P

3I R

3

R

R

R

R

U

U

U

3U

Strata mocy czynnej zależy zarówno od przepływu mocy czynnej jak
i biernej.

6 / 31

Skutki przep

Skutki przep

ł

ł

ywu mocy przez SE

ywu mocy przez SE

Sprawność systemu zależy od współczynnika mocy.

1 – transformatora
2 – generatora
3 - linii przesyłowej
4 – całkowita SEE

Ze względów technicznych i
gospodarczych nie opłaca się
przesyłać dużych wartości mocy
biernej przez sieć
elektroenergetyczną. Wymaga to
instalowania źródeł tej mocy w pobliżu
centrów jej zapotrzebowania.

Działanie takie nazywa się
kompensacją mocy biernej.

7 / 31

Rodzaje kompensacji mocy biernej

Rodzaje kompensacji mocy biernej

W zależności od miejsca zainstalowania źródła mocy biernej

rozróżnia się

następujące rodzaje kompensacji

:

¾

Centralna – w stacji głównej odbiorcy

¾

Grupowa – w rozdzielnicach oddziałowych

¾

Indywidualna – na zaciskach odbiorników

Kompensacja centralna

z

k

s

Q

Q

Q

−

=

gdzie:
Q

z

– moc zapotrzebowana

Q

k

– moc urządzenia kompensacyjnego

Moc dosyłana z sieci Q

s

8 / 31

Kompensacja centralna

Kompensacja centralna

Moc urządzenia kompensacyjnego Q

k

wyznacza się w zależności

od wymaganego cos

ϕ na szynach stacji głównej.

Przed kompensacją:

Po kompensacji:

ϕ

z

o

z

Q

tg

=

P

ϕ

z

k

z

Q - Q

tg =

P

(

)

ϕ

ϕ

ϕ

k

z

z

z

o

Q = Q - P tg = P tg

- tg

Stąd:

9 / 31

Kompensacja grupowa

Kompensacja grupowa

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.
Moc kondensatorów do

kompensacji grupowej

można wyznaczyć w

oparciu o kryterium minimalizacji strat mocy czynnej w sieci
rozdzielczej. Dla sieci promieniowej zagadnienie można rozwiązać w
sposób ogólny, otrzymując w efekcie dla i-tej rozdzielnicy
następującą zależność:

ki

zi

z

k

i

R

Q

Q

Q

Q

R

⎛

⎞

=

−

−

⎜

⎟

⎝

⎠

gdzie Q

zi

jest mocą zapotrzebowaną i-tej

rozdzielnicy, R

i

jest rezystancją linii

zasilającej daną rozdzielnicę, a R sumą
rezystancji wszystkich linii

10 / 31

Kompensacja indywidualna

Kompensacja indywidualna

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 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.

11 / 31

Regulacja mocy biernej

Regulacja mocy biernej

Regulacja mocy biernej baterii kondensatorów według kryterium

stałego cos

ϕ, przy 6 stopniach baterii

12 / 31

Regulacja cz

Regulacja cz

ę

ę

stotliwo

stotliwo

ś

ś

ci

ci

Wartość częstotliwości jest jednakowa w każdym punkcie krajowego
systemu elektroenergetycznego oraz połączonych ze sobą systemów
europejskich. Utrzymanie zadanej wartości częstotliwości wymaga
regulacji częstotliwości i mocy zarówno po stronie wytwarzania, jak i
odbiorów.
Regulacja częstotliwości i mocy

po stronie wytwarzania

obejmuje

regulację tzw. pierwotną, wtórną i trójną i wymaga wyposażenia
jednostek wytwórczych w stosowne układy regulacyjne oraz posiadania
odpowiedniej rezerwy mocy.
W przypadku znacznego deficytu mocy i związanego z tym obniżania się
częstotliwości w SEE wykorzystuje się

regulację po stronie odbiorów

, tj.

samoczynne częstotliwościowe odciążanie (SCO)

sieci, polegające na

stopniowym wyłączaniu wybranych odbiorów przy obniżeniu się
częstotliwości poniżej zadanych wartości.

13 / 31

Regulacja cz

Regulacja cz

ę

ę

stotliwo

stotliwo

ś

ś

ci

ci

P

Charakterystyki statyczne:
a) regulatora prędkości turbiny generatora, b) odbioru

Moc generowana wynika
z punktu przecięcia
charakterystyki regulatora
i odbioru

f

f

n

P

g

a)

b)

14 / 31

Regulacja pierwotna

Regulacja pierwotna

Możliwości regulacyjne zależą od nachylenia charakterystyki
i wartości mocy generowanej.

Zmiana mocy czynnej
jest efektem działania
regulatora prędkości
turbiny, oddziałującego
na dopływ pary lub
wody do turbiny.

15 / 31

Regulacja pierwotna

Regulacja pierwotna

Przebieg regulacji można podzielić na dwie fazy:
¾

pierwszą

– kiedy działanie regulacji pierwotnej jeszcze nie zdążyło

się rozpocząć; na skutek nierównowagi mocy następuje
przyhamowanie wirnika i zmniejszenie częstotliwości (t = 0 - 5 s)
¾

drugą

– przy właściwym oddziaływaniu regulacji pierwotnej;

regulator prędkości obrotowej RN steruje zaworami regulacyjnymi na
dopływie pary do turbiny (t ≤ 30 s).

Regulacja mocy jednostki wytwórczej za pomocą indywidualnego
regulatora prędkości obrotowej w funkcji częstotliwości sieci i w
zależności od jego nastawienia nazywa się regulacją pierwotną.

16 / 31

Regulacja pierwotna

Regulacja pierwotna

W pierwszej fazie częstotliwość spada liniowo z szybkością zależną
od zmiany mocy w stosunku do mocy wirującej maszyn w systemie
przed zaburzeniem. W drugiej zaczyna się zwiększać, aż do
ustalenia się wartości stałej mniejszej od f

n

Wynikiem regulacji
pierwotnej jest
przywrócenie równowagi
między wytwarzaniem i
zapotrzebowaniem na moc
w systemie – ale przy
częstotliwości mniejszej
niż przed zaburzeniem

17 / 31

Regulacja pierwotna

Regulacja pierwotna

Współczynnikiem nachylenia K charakterystyki częstotliwościowej
generatora nazywa się:

n

n

P

f

K

:

P

f

Δ

Δ

=

Wielkość odwrotna, wyrażona w procentach, nazywa się statyzmem:

s

100 / K

=

Średni statyzm systemowy zależy od rezerwy wirującej:

n

di

gi

i 1

R

(P _ P )

=

=

∑

P

d

– moc dyspozycyjna, możliwa do wyprodukowania w danej chwili przez

i generatorów (rezerwa wirująca)

P

g

– moc generowana w danej chwili

18 / 31

Regulacja pierwotna

Regulacja pierwotna

Jeśli rezerwa w systemie jest mała, to statyzm rośnie, jeśli duża to
maleje, a w szczególnym przypadku gdy charakterystyka jest
pionowa, statyzm jest równy zeru (charakterystyka astatyczna).
Wartości statyzmu wyrażone w procentach wynoszą:
4 – 6 % - dla elektrowni cieplnych
2 – 6 % - dla elektrowni wodnych.
W krajowym systemie elektroenergetycznym w regulacji pierwotnej
biorą udział tylko bloki elektrowni cieplnych systemowych o mocy
120, 200, 360 i 500 MW, bez udziału hydrozespołów elektrowni
wodnych.

Rezerwa mocy regulacyjnej pierwotnej dla KSE wynosi

R

P(KSE)

= 182 MW

19 / 31

Regulacja wt

Regulacja wt

ó

ó

rna

rna

Regulacja mocy i częstotliwości w systemie elektroenergetycznym za
pomocą skoordynowanego oddziaływania na indywidualne regulatory
wybranych jednostek wytwórczych przez układ automatycznej
regulacji częstotliwości i mocy (ARCM) nazywa się regulacją wtórną.

Działanie regulacji wtórnej powinno się rozpocząć po zadziałaniu
regulacji pierwotnej najpóźniej w chwili t = 30 s po wystąpieniu
zaburzenia i zakończyć przed upływem 15 min.

Regulacja pierwotna powoduje zmianę punktu pracy na
charakterystyce częstotliwościowej, co powoduje także zmianę
częstotliwości. Aby utrzymać stałą częstotliwość należy przesunąć
charakterystykę mocy generowanej. Jest to zadanie regulacji tzw.
wtórnej, czyli regulacji częstotliwości.

20 / 31

Regulacja wt

Regulacja wt

ó

ó

rna

rna

Regulacja wtórna w
KSE jest realizowana
przez wybrane bloki
elektrowni cieplnych
i wybrane
hydrozespoły
elektrowni wodnych
reagujących na
sygnały zadawane
przez regulator
centralny ARCM.

Regulacja pierwotna i wtórna

21 / 31

Regulacja wt

Regulacja wt

ó

ó

rna

rna

W miarę działania regulacji wtórnej systemowe odchylenie regulacji dąży do zera.

Zmiany częstotliwości przy regulacji pierwotnej i wtórnej

Minutowa rezerwa mocy regulacyjnej wtórnej w KSE R

W(KSE)

≥

5 %

szczytowego planowanego dobowego obciążenia w systemie.

22 / 31

Regulacja

Regulacja

tr

tr

ó

ó

jna

jna

Regulacja trójna

polega na:

¾

automatycznym bądź ręcznym przesuwaniu punktów pracy bloków

elektrowni cieplnych, w celu uzyskania zmiany ich mocy bazowej, wokół
której działa regulacja pierwotna i wtórna
¾

załączaniu / wyłączaniu hydrozespołów elektrowni wodnych

pracujących w układzie regulacyjno-interwencyjnym z równoczesnym
odtworzeniem minutowej rezerwy mocy regulacyjnej wtórnej R

W

, która

powraca do swojego poprzedniego zasobu sprzed zaburzenia.

Działanie regulacji trójnej (ok.10...30 min) rozpoczyna się kiedy
częstotliwość po zadziałaniu regulacji pierwotnej i wtórnej powraca do
swej początkowej wartości znamionowej f = f

N

.

23 / 31

Napi

Napi

ę

ę

cia i moc bierna

cia i moc bierna

Poziomy napięć w węzłach sieci elektroenergetycznych wynikają ze strat
napięcia i zmieniają się wraz ze zmianą obciążenia. Strata napięcia zależy
zarówno od mocy czynnej jak i od mocy biernej, przy czym zasadniczy
wpływ ma moc bierna z uwagi na znaczną przewagę reaktancji nad
rezystancjami w gałęziach sieci.

Moc bierna i napięcie

tworzą więc parę wielkości ściśle ze sobą

związanych, podobnie jak

moc czynna i częstotliwość

. Różnice pomiędzy

tymi parami polegają na tym, że częstotliwość w stanie ustalonym jest
jednakowa w całym SE, a napięcie inne w każdym węźle oraz, że źródłami
mocy czynnej są tylko generatory, natomiast źródłami mocy biernej także
elementy pasywne układu elektroenergetycznego.

Poziomy napięcia w sieciach elektroenergetycznych są ściśle związane z
bilansem mocy biernej. Aby utrzymać napięcie w węzłach sieci na
określonym poziomie stosuje się odpowiednią regulację mocy biernej.
Sposób regulacji zależy od rodzaju źródła tej mocy.

24 / 31

Regulacja napi

Regulacja napi

ę

ę

cia

cia

Regulacja pierwotna

prowadzona jest przez regulatory napięcia bloków

elektrowni i polega na szybkiej zmianie wzbudzenia generatorów przy
zmianie napięcia na ich zaciskach.

Regulacja wtórna

napięcia polega na działaniu urządzeń regulacyjnych

napięć i mocy biernej w określonym obszarze systemu celem utrzymania
wymaganego poziomu napięcia.

Regulacja trójna

polega na optymalizacji rozpływów mocy biernej poprzez

modyfikację nastaw urządzeń, które wpływają na rozkład mocy biernej
(regulatory bloków wytwórczych, regulatory przełączników zaczepów
transformatorów oraz urządzenia kompensujące, takie jak indukcyjności i
kondensatory).

Rozróżnia się regulację napięcia: pierwotną, wtórną i trójną.

25 / 31

Metody regulacji napi

Metody regulacji napi

ę

ę

cia

cia

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).

26 / 31

Regulacja przek

Regulacja przek

ł

ł

adni transformator

adni transformator

ó

ó

w

w

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:

s

nT

n

U

1 100%

⎛

⎞

ϑ

δ

=

− ⋅

⎜

⎟

ϑ

⎝

⎠

gdzie:

ϑ

n

- przekładnia znamionowa transformatora

ϑ

s

- iloraz napięć znamionowych sieci.

27 / 31

Regulacja przek

Regulacja przek

ł

ł

adni transformator

adni transformator

ó

ó

w

w

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.

W transformatorze obniżającym zwiększenie liczby zwojów czynnych
uzwojenia górnego napięcia powoduje zmniejszenie napięcia wtórnego,
przy stałym napięciu na uzwojeniu pierwotnym.

Zmienia się długość wektora napięcia

–

jest to regulacja wzdłużna

.

28 / 31

Regulacja przek

Regulacja przek

ł

ł

adni transformator

adni transformator

ó

ó

w

w

ƒ

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.

ƒ

Liczbę działań przełącznika ogranicza się do 60/dobę, aby
przeglądy przełącznika nie były częstsze niż przeglądy
transformatora.

ƒ

Przełączniki mogą być sterowane ręcznie (zdalnie z nastawni stacji)
lub automatycznie przez regulator napięcia.

ƒ

Koszt przełącznika pod obciążeniem jest znaczny i tym większy im
mniejsza jest moc znamionowa transformatora.

29 / 31

Zmiana impedancji sieci

Zmiana impedancji sieci

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

Regulacja napięć przez zmianę
impedancji sieci

polega na

zmianie spadków napięć

.

30 / 31

Zmiana rozp

Zmiana rozp

ł

ł

ywu mocy biernych

ywu mocy biernych

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

Regulacja napięć przez zmianę rozpływu mocy biernych polega na
zmianie spadków napięć na skutek zmiany wartości mocy biernej
przesyłanej przez elementy sieci.

31 / 31

Statyczne kompensatory mocy biernej

Statyczne kompensatory mocy biernej

Kompensatory statyczne

(SVC – Static Var Compensator) stosuje się w

przypadku szybkich zmian mocy biernej. Są to układy zawierające
dławiki lub/i kondensatory sterowane tyrystorowo i włączane do węzła
SE. Można je więc traktować jako regulowaną równoległą susceptancję.

W praktyce występują różne rozwiązania kompensatorów. Do najczęściej
stosowanych układów należą kompensatory typu

TCR/FC

(Thyristor

Controlled Reactor/Fixed Capacitor) - ze sterowanym fazowo stopniem
dławikowym i stałą baterią kondensatorów oraz

TSC

(Thyristor Switched

Capacitor) – ze załączanymi skokowo stopniami baterii kondensatorów.

SVC realizują następujące funkcje:
¾

Kompensacja mocy biernej

¾

Stabilizacja napięcia w węzłach sieci

¾

Kompensacja składowej przeciwnej prądów i napięć, czyli
symetryzacja