Regulacja w SEE
Regulacja w SEE
Zależność częstotliwości i wartości napięcia od bilansu mocy
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.
Bilanse mocy oblicza się optymalizując techniczne i ekonomiczne skutki
przepływu mocy przez sieć elektroenergetyczną.
Bilans mocy
y
ródła mocy czynnej: Zużycie mocy czynnej:
Odbiorniki  <" 89%
Generatory synchroniczne - <"100%
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%
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.
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.
P
I =
3U cos �
Skutki przepływu mocy przez SE
Zwiększenie spadku napięcia
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, ponieważ wsieciach SNi
WN stosunek X/R jest z reguły znacznie większy od jedności. Przy
malejącym cos� (rosnącej mocy biernej), rośnie spadek napięcia.
Zwiększenie strat mocy
2
�# S ś# S2 P2 Q2
"P = 3I2R = 3 ź# R = R = R + R
ś#
U2 U2 U2
3U
�# #
Skutki przepływu mocy przez SE
Sprawność systemu zależy od współczynnika mocy.
Ze względów technicznych i
gospodarczych nie opłaca się przesyłać
dużych wartości mocy biernej.
Wymagana jest zatem dekoncentracja
z
ródeł tej mocy, co oznacza
instalowanie z
ródeł w pobliżu centrów
jej zapotrzebowania. Działanie takie
nazywa się kompensacją mocy biernej.
1  transformatora
2  generatora
3 - linii przesyłowej
Zależność sprawności od współczynnika mocy
4  całkowita SEE
Kompensacja mocy biernej
W zależności od miejsca zainstalowania z
ródła mocy biernej
rozróżnia się następujące rodzaje kompensacji:
Centralna  w stacji głównej
Grupowa  w rozdzielnicach oddziałowych
Indywidualna  na zaciskach odbiorników
Moc dosyłana z sieci Qs przy
kompensacji centralnej :
Qz - Qk = Qs
gdzie:
Kompensacja centralna
Qz  moc zapotrzebowana
Qk  moc urządzenia kompensacyjnego
Kompensacja mocy biernej
Moc urządzenia kompensacyjnego Qk wyznacza się w zależności
od wymaganego cos� na szynach stacji głównej.
Przed kompensacją:
Qz
tg �0 =
Pz
Po kompensacji:
Qz - Qk
tg � =
Pz
Stąd:
Qk = Qz - Pz tg� = Pz tg�o - tg�
( )
Kompensacja mocy biernej
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
rozdzielnicy, Ri jest rezystancją linii
Qki = Qzi -z
ś#Q - Qk Ri ź#
zasilającej daną rozdzielnicę, a R sumą
�# #
rezystancji wszystkich linii
Kompensacja mocy biernej
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.
Kompensacja mocy biernej
Regulacja mocy biernej baterii kondensatorów według kryterium stałego
cos�, przy 6 stopniach baterii
Regulacja częstotliwości
Wartość częstotliwości jest jednakowa w każdym punkcie krajowego systemu
elektroenergetycznego (KSE) 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 SE 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.
Regulacja częstotliwości
P
Moc generowana wynika z
punktu przecięcia
charakterystyki regulatora i
odbioru
Pg
f
fn
Charakterystyka regulatora prędkości turbiny generatora
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.
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).
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
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 = (Pdi _ Pgi )
"
i=1
Pd  moc dyspozycyjna (możliwa do wyprodukowania przez i generatorów),
Pg  moc generowana w danej chwili
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 KSE 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 M
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.
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
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.
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.
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.
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).
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)
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
ś# ź#
�UnT =
Ńn - przekładnia znamionowa transformatora
ś#Ń -1ź# �"100%
�# n #
Ńs - iloraz napięć znamionowych sieci.
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.
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.
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
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
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.
Kompensator typu FC/TCR
W elementach TCR prąd
dławika jest regulowany
przez zmianę kąta załączania
tyrystorów.
Pierwsza harmoniczna prądu
dławika zależy od kąta
przewodzenia �:
� - sin �
I1TCR = U = B(�)U
ĄXTCR
� = 2(Ą - ą)
XTCR jest reaktancją dławika, ą jest kątem wyzwalania tyrystorów, Ą/2 d"ąd"Ą.
Kompensator typu FC/TCR
Wypadkowy prąd kompensatora ik(t) jest sumą prądu kondensatora i dławika:
ik (t) = iFC(t) + iTCR (t)
Jeśli prąd w gałęzi dławikowej równy jest zeru (ą = Ą, � = 0), wówczas
kompensator oddaje do sieci moc bierną, a jego prąd ma charakter
pojemnościowy. Przy pełnym wysterowaniu tyrystorów (ą = Ą/2, � = Ą)
kompensator odbiera moc bierną, a prąd kompensatora ma charakter indukcyjny.
Regulacja prądu kompensatora w granicach od ICmax do Ilmax ma charakter ciągły.
u(t)
u(t) 150
150
100
100 iL(t)
iC(t)
iC(t)
50
50
iL(t)
0
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
-50
-50
-100
-100
-150
-150
Kompensator typu FC/TCR
Charakterystyka napięciowo-prądowa kompensatora
Kompensator typu TSC
Kompensator typu TSC stanowi dla sieci obciążenie o charakterze
pojemnościowym, którego wartość zmienia się skokowo, poprzez
zmianę liczby załączonych stopni baterii kondensatorów.
Układy STATCOM
Zasadnicza częścią układu STATCOM jest inwertor napięcia, połączony z siecią
zasilającą przez reaktancję indukcyjną, którą zwykle stanowi indukcyjność
transformatora pośredniczącego. Od wzajemnej relacji pomiędzy napięciem
sieci i inwertora zależy sposób pracy kompensatora
Jeśli Ui< Us kompensator stanowi
U U
s i
obciążenie o charakterze indukcyjnym, a
więc pobiera moc bierną. Prąd opóz
nia się
I
o 90� względem napięcia, a strata napięcia
na reaktancji transformatora jest w fazie z
U
s
praca
napięciem inwertora. W sytuacji
indukcyjna
U jX I
i t
I
odwrotnej, jeśli Ui> Us układ generuje do
sieci moc bierną, jest zatem obciążeniem
o charakterze pojemnościowym. Prąd
wyprzedza napięcie o 90�, a strata
I
U jX I
s t
praca
napięcia jest w przeciwfazie z napięciem
pojemnościowa
U
i
inwertora.
Układy STATCOM
Kompensatory typu STATCOM
wymagają zastosowania
tyrystorów całkowicie
sterowalnych oraz z
ródła
napięcia stałego, zwykle
kondensatora, który w czasie
pracy układu jest
doładowywany i
rozładowywany, stanowiąc
magazyn energii.
Układy SVC i STATCOM
NAPI
CIA MI
DZYPRZEWODOWE
115,0
110,0
105,0
bez SVC
z SVC
100,0
95,0
90,0
t [s]
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0
U [%]