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

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.

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