Баланс мощности и энергии

Материал из Вики про энергосистему
Перейти к: навигация, поиск

Баланс мощности и энергии рассчитывается для определения возможности покрытия графика нагрузки и выявления необходимости ввода новых источников энергии.

Общие положения

Баланс мощности

Частота переменного тока в электрической сети и напряжения в узлах являются важнейшими показателями качества электроэнергии. Общим для этих показателей является то, что они оба связаны с балансами мощностей в энергосистеме.

Значение частоты в любой момент нормального режима одинаково во всех узлах электрической сети. В то же время уровни напряжений в различных точках сети могут различаться очень сильно и одновременно в некоторых узлах соответствовать, а в других не соответствовать требованиям ГОСТ и договоров на технологическое присоединение. В этом смысле напряжение, как параметр качества электроэнергии, должно анализироваться в каждом отдельном узле энергосистемы.

Каждому моменту установившегося режима в электроэнергетической системе соответствуют балансы по активной и реактивной мощностям. Уравнения балансов мощностей можно записать в виде:

[math]\displaystyle \sum P_g = \sum P_{load} + \sum \Delta P + \sum \Delta P_{sn} [/math];

[math]\displaystyle \sum Q_g = \sum Q_{load} + \sum \Delta Q + \sum \Delta Q_{sn} \pm \sum Q_{ku} \pm \sum Q_g [/math],

где [math]\displaystyle \sum P_g [/math] и [math] \sum Q_g [/math] — суммарные активные и реактивные мощности генерирующих источников; [math] \sum P_{load} [/math] и [math] \sum Q_{load} [/math] — суммарные активные и реактивные мощности нагрузок; [math]\displaystyle \sum \Delta P [/math] и [math]\displaystyle \sum \Delta Q [/math] — суммарные потери мощности в элементах систем электроснабжения и электроэнергетической системы; [math]\displaystyle \sum P_{sn} [/math] и [math]\displaystyle \sum Q_{sn} [/math] — суммарные расходы мощности на собственные нужды электростанций; [math]\displaystyle \sum Q_{ku} [/math] — суммарные мощности компенсирующих устройств (знак «+» соответствует устройствам, потребляющим реактивную мощность, знак «-» вырабатывающим); [math]\sum Q_{ku}[/math] суммарная реактивная (зарядная) мощность, генерируемая воздушными линиями электропередачи.

Источниками активной и реактивной мощностей, являются генераторы электрических станций: тепловых, атомных, гидравлических, парогазовых и газотурбинных, кроме того источниками активной мощности могут быть генерирующие электроустановки нетрадиционных источников энергии (ветровые, приливные и геотермальные станции, солнечные батареи). В зависимости от типа и конструкции некоторые нетрадиционные источники активной энергии потребляют реактивную энергию. В то время как для синхронных генераторов электростанций режим потребления реактивной мощности может быть только кратковременным в аварийных ситуациях.

Потребителями активной и реактивной мощностей являются различные электроустановки совершающие полезную работу. При протекании электрического тока во всех элементах электрчиеской сети выделяются потери активной и реактивной мощностей. Потери можно разделить на две категории:

  1. Условно-переменные — потери зависят от величины нагрузочного тока, протекающего по сетеввым элементам.
  2. Условно-постоянные — потери зависят от уровней напряжения в электрической сети.

Условно-переменные потери активной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах являются следствием выделения тепла при протекании тока по обмоткам, продольные потери реактивной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах вызваны наличием потоков рассеяния. Условно-постоянные потери активной мощности обусловлены вихревыми токами в сердечнике, а реактивные — потерями на перемагничивание сердечника.

В воздушных линиях электропередачи условно-переменные активные потери являются следствием выделения тепла при протекании тока по проводам, а реактивные потери вызваны наличием собственных и взаимных индуктивностей между фазами. К условно-постоянным активным потерям в воздушных линиях электропередачи относятся только потери на корону, поскольку токи утечки через изоляторы пренебрежимо малы в хорошую погоду. Воздушные линии электропередачи являются источниками реактивной мощности (см. схему замещения).

В кабельных линиях электропередачи условно-переменные активные потери обусловлены выделением тепла при протекании тока по жилам кабеля, а реактивные потери вызваны наличием собственных и взаимных индуктивностей между фазами, которые значительно меньше по сравнению с воздушными линиями. К условно-переменным активным потерям в кабельных линиях электропередачи относятся потери в изоляции. Кабельные линии обладают значительно большей удельной ёмкостной проводимостью фаз, чем воздушные линии.

Прочие виды потерь мощности в генераторах, компенсирующих устройствах, сборных шинах, соединительных проводах, системах учета, коммутационном и защитном оборудовании при анализе баланса мощностей обычно не учитываются по причине их малой величины и высокой погрешности оценочных расчётов.

Для обеспечения нормальной работы основного силового оборудования на электростанциях и подстанциях используется комплекс оборудования собственных нужд. Величина расхода электроэнергии на собственные нужды зависит от типа энергетического объекта, его вида (электростанция, подстанция), используемого топлива и других факторов и колеблется в интервале от 0,1 до 10 % от величины установленной мощности силового оборудования.

Баланс энергии

Составление балансов энергии позволяет получить интегральные характеристики показателей работы энергосистемы.

Мощности нагрузок энергосистемы характеризуют мгновенные показатели работы энергосистемы. Нагрузочные мощности, как отдельных потребителей, так и энергосистемы в целом носят случайный характер и не остаются неизменными в течение даже небольших временных интервалов. Эти изменения мощностей обусловлены постоянными включениями или отключениями как отдельных электроприёмников так и их групп, кроме того в сети могут меняться потоки мощностей, а значит и потери.

Для определения финансовых показателей работы энергосистемы и выполнения взаиморасчётов участников рынка электроэнергии важны не столько мощности (мгновенные значения расхода электроэнергии за единицу времени), сколько значения количества произведенной, переданной и потребленной электроэнергии за рассматриваемый промежуток времени.

Методика составления и основные показатели баланса электрической энергии регламентированы типовой инструкцией РД 34.09.101-94[1]. Шаблон составления баланса электрической энергии по ВЛ 110 кВ по данным систем АИИС КУЭ: Баланс по ВЛ 110 кВ (файл Excel).

Разработка балансов мощностей при проектировании

В силу одновременности процессов производства и потребления электроэнергии, в энергосистемах в любой момент установившегося режима имеется соответствие между приходной частью баланса мощностей (суммарной мощностью электрических станций за вычетом расходов на собственные нужды) и его расходной частью (суммарной мощностью нагрузок и потерями мощности в сети) с учетом обменных перетоков мощностей с соседними энергосистемами.

Назначением баланса мощности является выявление типа проектируемой энергосистемы. Обычно проектируемая система содержит не менее двух источников питания, один из которых — проектируемая электростанция (может быть несколько) и второй — узел связи с соседними энергосистемами (балансирующий узел). Разработка баланса мощности необходима для того, чтобы облегчить разработку конфигурации вариантов развития электрической сети. Особенно важен при этом учет баланса мощности для максимального режима.

Энергосистема может быть:

  • дефицитной, если суммарная мощность потребителей электроэнергии и потерь мощности в сети превышает генерирующую мощность электростанций рассматриваемого района сети. В этом случае недостаток мощности покрывается электростанциями соседнего района через балансирующий узел.
  • избыточной, если суммарная мощность потребителей электроэнергии и потерь мощности в сети меньше генерирующей мощности электростанций рассматриваемого района сети. Избыток мощности при этом выдается в соседний район через балансирующий узел.
  • сбалансированной, если суммарная мощность потребителей электроэнергии и потерь мощности в сети примерно равны генерирующей мощности электростанций рассматриваемого района сети. Резервирование мощности нагрузок при аварийном отключении генераторов электростанций рассматриваемого района сети осуществляется через балансирующий узел.

При разработке вариантов развития дефицитной энергосистемы потребители условно разделяются на два географических района: ближайший к проектируемой электростанции и питающийся от нее район и другой район-тяготеющий к балансирующему узлу (узлу связи с соседней системой). При этом следует учитывать, что в дефицитной энергосистеме следует особое внимание уделить фактору надежности, так как при аварийном останове блока на электростанции питание большого числа потребителей должно обеспечиваться от балансирующего узла.

В случае дефицитности системы целесообразно проверить баланс мощности для послеаварийного режима. В качестве расчётного послеаварийного режима рекомендуется рассматривать аварийное отключение наиболее крупного генератора в системе и наиболее тяжёлые нормативные возмущения.

В сбалансированной энергосистеме электрическая сеть обычно строится по принципу питания потребителей от проектируемой электростанции по кратчайшим электрическим связям. Связь с балансирующим узлом предусматривается для надёжности.

Избыточная система проектируется с учетом выдачи избытка мощности в соседнюю энергосистему. При этом электростанция должна иметь надежную связь с балансирующим узлом по кратчайшему пути. При больших избытках мощности в проектируемой энергосистеме следует, наряду с другими вариантами, рассмотреть возможность передачи мощности по линии непосредственной связи электростанции с балансирующим узлом. Кроме того, при разработке вариантов развития сети в избыточной энергосистеме требуется рассмотрение не только режима максимальных, но и режима минимальных нагрузок, так как минимальный режим может оказаться более тяжелым. В связи с этим в избыточной системе обязательно составляются балансы для максимального и минимального режимов работы потребителей. Разработка баланса мощностей для минимального режима в остальных случаях также рекомендуется ввиду того, что в минимальном режиме обычно выполняются ремонты основного генерирующего оборудования электростанций.

При составлении баланса активных мощностей районы потребления, содержащие мелкие подстанции, эквивалентируются и их суммарная мощность приводится к шинам наиболее крупных подстанций данного района с учётом потерь мощности в распределительной электрической сети. Эта подстанция становится питающей для района местной сети и, в свою очередь, получает питание по системообразующей сети наиболее высокого класса напряжения, чем в местной сети. Этот прием существенно уменьшает объем задачи проектирования сети, так как позволяет независимо решать вопросы разработки конфигурации системообразующей и распределительной сетей.

Перед составлением баланса мощности ориентировочно определяются классы напряжения системообразующей и местной сетей с целью выявления уровней потерь мощности.

Баланс по реактивной мощности целесообразно составлять для того, чтобы определить потребность в средствах компенсации реактивной мощности в проектируемой энергосистеме. При этом необходимо обеспечить соответствие между обменными потоками активной и реактивной мощностей с соседней энергосистемой, следует обеспечить по возможности более высокий коэффициент мощности обменного потока.

Расход электроэнергии на её транспорт

Ориентировочные усреднённые значения суммарных потерь электрической энергии в сетях различных классов напряжения приведены в таблице ниже. Значения даны в процентах от суммарного отпуска электроэнергии из сети данного класса напряжения.

Ориентировочные значения потерь в сетях различных напряжений[2]
Напряжение, кВ 750—500 330—220 150—110 35 — 20 10 — 6 0,4
Потери энергии, % 0,5 — 1,0 2,5 — 3,5 3,5 — 4,5 0,5 — 1,0 2,5 — 3,5 0,5 — 1,5

Данную таблицу можно использовать при составлении предварительного баланса энергии.

Примерная структура потерь с разбивкой по сетевым элементам представлена в таблице ниже.

Ориентировочная структура потерь электроэнергии, %[2]
Элементы электрической сети Потери электроэнергии
Переменные Постоянные Всего
Линии электропередач 60 5 65
Подстанции

В том числе:

15 20 35
Трансформаторы 15 15 30
Другие элементы - 3 3
Расход электроэнергии на собственные нужды - 2 2
Итого 75 25 100

Расход электроэнергии на собственные нужды электростанций

Максимальную величину потребления собственных нужд электростанций приближённо можно оценить в процентах от установленной мощности блока электростанции. Ориентировочные процентные значения мощности собственных нужд электростанций приведены в таблице ниже. Большие значения нагрузки соответствуют меньшим единичным мощностям энергоблоков.

Ориентировочные значения мощности собственных нужд электростанций[3]
Тип станции Электростанция Максимальная нагрузка СН, %
ТЭЦ Пылеугольная 8 — 14
Газомазутная 5 — 7
КЭС Пылеугольная 6 — 8
Газомазутная 3 — 5
АЭС 5 — 8
ГЭС мощностью до 200 МВт 3 — 2
мощностью свыше 200 МВт 1 — 0,5

Использованная литература

  1. РД 34.09.101-94 Типовая инструкция по учету электроэнергии при её производстве, передаче и распределении (утв. Минтопэнерго РФ 02.09.1994) (ред. от 22.09.1998, с изм. от 13.11.2010)
  2. 2,0 2,1 Справочник по проектированию электроэнергетических систем. Третье издание, переработанное и дополненное. Под редакцией С. С. Рокотяна, И. М. Шапиро. Авторы В. В. Ершевич, А. Н. Зейлигер, Г. А. Илларионов, Л. Я. Рудых, Д. Л. Файбисович, Р. М. Фришберг, Л. Д. Хабачев. И. М. Шапиро. М.: Энергоатомиздат, 1985
  3. Справочник по проектированию электрических сетей. Под ред. Файбисовича Д. Л.3-е издание, 2009 г. , 392 стр., изд-во: НЦ ЭНАС