Regulacja w systemie
Regulacja w systemie
elektroenergetycznym
elektroenergetycznym
Bilans mocy czynnej i biernej
Bilans mocy czynnej i biernej
Zapewnienie odpowiedniego napięcia i częstotliwości w danym węz
le
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.
y
ródłami mocy czynnej są generatory, natomiast z
ródłami 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 z
ródeł mocy biernej.
Rozpływy mocy oblicza się optymalizując techniczne i ekonomiczne
skutki przepływu mocy przez sieć elektroenergetyczną.
2/ 31
Bilans mocy czynnej i biernej
Bilans mocy czynnej i biernej
y
ródła mocy czynnej: Zużycie mocy czynnej:
Generatory synchroniczne - <"100% Odbiorniki  <" 89%
Straty w SE - <" 11%
y
ródła mocy biernej: Zużycie mocy biernej:
Generatory synchroniczne  <" 54% Odbiorniki  <" 53%
Pojemności linii - <" 25% Straty w SE - <" 47%
Kondensatory - <" 20% w tym: transformatory  <" 30%
Kompensatory  <"1% Linie - <"17%
3/ 31
Skutki przepływu mocy przez SE
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�=Q/P lub cos� zwanym
współczynnikiem mocy.
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.
P
Idd == const
3Ucos�
4/ 31
Skutki przepływu mocy przez SE
Skutki przepływu mocy przez SE
Spadki napięć
Spadek napięcia zależy zarówno od mocy czynnej jak i biernej;
decydujące znaczenie ma składowa bierna (I�"sinĆ), 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�) rośnie spadek napięcia.
X
�U = IRcos�+ IXsin�= IR(cos�+ sin�)
R
Straty mocy
Strata mocy czynnej zależy zarówno od przepływu mocy czynnej jak
i biernej.
2
�# S ś# S2 P2 Q2
"P = 3I2R = 3ś# ź# R = R = R + R
3U
�# #U2 U2 U2
5/ 31
Skutki przepływu mocy przez SE
Skutki przepływu mocy przez SE
Sprawność systemu zależy od współczynnika mocy.
Ze względów technicznych i
gospodarczych nie opłaca się
przesyłać dużych wartości mocy
biernej przez sieć
elektroenergetyczną. Wymaga to
instalowania z
ródeł tej mocy w pobliżu
centrów jej zapotrzebowania.
Działanie takie nazywa się
1  transformatora
kompensacją mocy biernej.
2  generatora
3 - linii przesyłowej
4  całkowita SEE
6/ 31
Rodzaje kompensacji mocy biernej
Rodzaje kompensacji mocy biernej
W zależności od miejsca zainstalowania z
ródła mocy biernej
rozróżnia się następujące rodzaje kompensacji:
Centralna  w stacji głównej odbiorcy
Grupowa  w rozdzielnicach oddziałowych
Indywidualna  na zaciskach odbiorników
Kompensacja centralna
Moc dosyłana z sieci Qs
Qz - Qk = Qs
gdzie:
Qz  moc zapotrzebowana
Qk  moc urządzenia kompensacyjnego
7/ 31
Kompensacja centralna
Kompensacja centralna
Moc urządzenia kompensacyjnego Qk wyznacza się w zależności
od wymaganego cos� na szynach stacji głównej.
Przed kompensacją:
Qz
tg�o =
Pz
Po kompensacji:
Qz - Qk
tg� =
Pz
Stąd:
Qk = Qz -Pztg� =Pz tg�o - tg�
( )
8/ 31
Kompensacja grupowa
Kompensacja grupowa
Przy znanej wartości mocy Qz, określenie wymaganej mocy Qk lub
cos� 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:
gdzie Qzi jest mocą zapotrzebowaną i-tej
�#ś#
R
Qki = Qzi - - Qk ź# rozdzielnicy, Ri jest rezystancją linii
ś#Q Ri # zasilającej daną rozdzielnicę, a R sumą
z
�#
rezystancji wszystkich linii
9/ 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� 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.
10 / 31
Regulacja mocy biernej
Regulacja mocy biernej
Regulacja mocy biernej baterii kondensatorów według kryterium
stałego cos�, przy 6 stopniach baterii
11 / 31
Regulacja częstotliwości
Regulacja częstotliwości
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.
12 / 31
Regulacja częstotliwości
Regulacja częstotliwości
P
Moc generowana wynika
a)
z punktu przecięcia
charakterystyki regulatora
b)
i odbioru
Pg
f
fn
Charakterystyki statyczne:
a) regulatora prędkości turbiny generatora, b) odbioru
13 / 31
Regulacja pierwotna
Regulacja pierwotna
Zmiana mocy czynnej
jest efektem działania
regulatora prędkości
turbiny, oddziałującego
na dopływ pary lub
wody do turbiny.
Możliwości regulacyjne zależą od nachylenia charakterystyki
i wartości mocy generowanej.
14 / 31
Regulacja pierwotna
Regulacja pierwotna
Regulacja mocy jednostki wytwórczej za pomocą indywidualnego
regulatora prędkości obrotowej w funkcji częstotliwości sieci i w
zależności od jego nastawienia nazywa się regulacją pierwotną.
Przebieg regulacji można podzielić na dwie fazy:
pierwszą  kiedy działanie regulacji pierwotnej jeszcze nie zdążyło
się rozpocząć; na skutek nierównowagi mocy następuje
przyhamowanie wirnika i zmniejszenie częstotliwości (t = 0 - 5 s)
drugą  przy właściwym oddziaływaniu regulacji pierwotnej;
regulator prędkości obrotowej RN steruje zaworami regulacyjnymi na
dopływie pary do turbiny (t d" 30 s).
15 / 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 fn
Wynikiem regulacji
pierwotnej jest
przywrócenie równowagi
między wytwarzaniem i
zapotrzebowaniem na moc
w systemie  ale przy
częstotliwości mniejszej
niż przed zaburzeniem
16 / 31
Regulacja pierwotna
Regulacja pierwotna
Współczynnikiem nachylenia K charakterystyki częstotliwościowej
generatora nazywa się:
"P "f
K = :
Pn fn
Wielkość odwrotna, wyrażona w procentach, nazywa się statyzmem:
s = 100 /K
Średni statyzm systemowy zależy od rezerwy wirującej:
n
R =
"(P _Pgi)
di
i=1
Pd  moc dyspozycyjna, możliwa do wyprodukowania w danej chwili przez
i generatorów (rezerwa wirująca)
Pg  moc generowana w danej chwili
17 / 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
RP(KSE) = 182 MW
18 / 31
Regulacja wtórna
Regulacja wtórna
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.
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 najpóz
niej w chwili t = 30 s po wystąpieniu
zaburzenia i zakończyć przed upływem 15 min.
19 / 31
Regulacja wtórna
Regulacja wtórna
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
20 / 31
Regulacja wtórna
Regulacja wtórna
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 RW(KSE) e" 5 %
szczytowego planowanego dobowego obciążenia w systemie.
21 / 31
Regulacja trójna
Regulacja trójna
Działanie regulacji trójnej (ok.10...30 min) rozpoczyna się kiedy
częstotliwość po zadziałaniu regulacji pierwotnej i wtórnej powraca do
swej początkowej wartości znamionowej f = fN.
Regulacja trójna polega na:
automatycznym bądz
ręcznym przesuwaniu punktów pracy bloków
elektrowni cieplnych, w celu uzyskania zmiany ich mocy bazowej, wokół
której działa regulacja pierwotna i wtórna
załączaniu / wyłączaniu hydrozespołów elektrowni wodnych
pracujących w układzie regulacyjno-interwencyjnym z równoczesnym
odtworzeniem minutowej rezerwy mocy regulacyjnej wtórnej RW, która
powraca do swojego poprzedniego zasobu sprzed zaburzenia.
22 / 31
Napięcia i moc bierna
Napięcia 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 węz
le oraz, że z
ródłami
mocy czynnej są tylko generatory, natomiast z
ródłami 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 z
ródła tej mocy.
23 / 31
Regulacja napięcia
Regulacja napięcia
Rozróżnia się regulację napięcia: pierwotną, wtórną i trójną.
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).
24 / 31
Metody regulacji napięcia
Metody regulacji napięcia
Regulacja napięcia może być dokonywana w sposób bezpośredni
za pomocą napięcia dodawczego, poprzez:
zmianę sił elektromotorycznych generatorów
zmianę przekładni transformatorów
lub w sposób pośredni poprzez:
zmianę impedancji sieci
zmianę rozpływu mocy biernych (czynnych).
25 / 31
Regulacja przekładni transformatorów
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:
gdzie:
�#ś#
Ńs
�UnT = -1ź# �"100%
Ńn - przekładnia znamionowa transformatora
ś#
Ńn #
�#
Ńs - iloraz napięć znamionowych sieci.
26 / 31
Regulacja przekładni transformatorów
Regulacja przekładni transformatorów
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.
Ze względu na sposób zmiany zaczepów wyróżnia się:
Regulację bez obciążenia, wykonywaną po odłączeniu zasilania;
zakresy zmian ą5 %, ą2,5 %, stosowana w transformatorach SN/nn
Regulację pod obciążeniem w granicach ą20 % 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.
27 / 31
Regulacja przekładni transformatorów
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.
28 / 31
Zmiana impedancji sieci
Zmiana impedancji sieci
Regulacja napięć przez zmianę
impedancji sieci polega na
zmianie spadków napięć.
Zmiany impedancji dokonuje się
poprzez:
Wyłączanie/wyłączanie jednej
z dwu linii równoległych lub/i
jednego z dwu
transformatorów równoległych
Włączanie baterii
kondensatorów szeregowych
w przewody fazowe linii
29 / 31
Zmiana rozpływu mocy biernych
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:
Generatorów synchronicznych
Kompensatorów synchronicznych  sposób obecnie praktycznie
nie stosowany
Dławików równoległych  sieci przesyłowe
Kondensatorów równoległych (poprzecznych)  sieci rozdzielcze,
kompensacja mocy biernej
Urządzeń energoelektronicznych, jak np. statyczny kompensator
synchroniczny SVC (Static Var Compensator) lub STATCOM 
sieci przesyłowe i rozdzielcze
30 / 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.
SVC realizują następujące funkcje:
Kompensacja mocy biernej
Stabilizacja napięcia w węzłach sieci
Kompensacja składowej przeciwnej prądów i napięć, czyli
symetryzacja
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.
31 / 31