Баланс мощности и энергии
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 электроэнергетической системе и системах электроснабжения потребителей.
Значение частоты в любой момент нормального режима одинаково во всех узлах электрической сети и является единым показателем качества элек-троэнергии. В то же время уровни напряжений в различных точках сети мо-гут различаться очень сильно и одновременно в некоторых узлах сетей соот-ветствовать, а в других не соответствовать требованиям ГОСТ. В этом смыс-ле напряжение, как параметр качества электроэнергии, должно анализиро-ваться в каждом отдельном узле энергосистемы на шинах каждого потреби-теля.
Основными особенностями электроэнергетических систем и систем элек-троснабжения являются:
- рактическая невозможность накопления электроэнергии, мощности современных аккумуляторных батарей неизмеримо меньше мощностей генерирующих источников;
- рактически мгновенная передача электроэнергии потребителям от генерирующих источников в связи с высокой скоростью распространения элек-тромагнитных волн.
Указанные особенности определяют одновременность процессов произ-водства и потребления электроэнергии и равенство величин вырабатываемой и потребляемой электроэнергии в каждый момент времени.
Каждому моменту установившегося режима в электроэнергетической си-стеме соответствуют балансы по активной и реактивной мощностям. Уравне-ния балансов мощностей можно записать в виде:
[math] \sum P_g = \sum P_{load} + \sum \Delta P + \sum \Delta P_{sn} [/math];
[math] \sum Q_g = \sum Q_{load} + \sum \Delta Q + \sum \Delta Q_{sn} \pm \sum Q_{ku} \pm \sum Q_g [/math],
где [math] \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] \sum \Delta P [/math] и [math] \sum \Delta Q [/math] - суммарные потери мощности в элементах систем электроснабжения и электроэнергетической системы; [math] \sum P_{sn} [/math] и [math] \sum Q_{sn} [/math] - суммарные расходы мощности на собственные нужды электростанций; [math] \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 генераторы и генерирующие электроустановки нетрадиционных источников энергии (ветровые, приливные и геотер-мальные станции, солнечные батареи). В зависимости от типа и конструкции некоторые нетрадиционные источники активной энергии потребляют реактивную энергию реактивную, для синхронных генераторов режим потребления реактивной мощности может быть только кратковременным в аварийных ситуациях.
Потребителями активной и реактивной мощностей являются электроустановки, потребляющие непосредственно электрическую энергию или предварительно преобразованную электрическую энергию в другие виды энергию. При передаче активной и реактивной мощностей во всех элементах сети выделяются потери активной и реактивной мощностей. Современные отечественные энергосистемы характеризуются уровнем потерь активной мощности порядка 8-16 % от суммарной генерируемой мощности. Потери можно разделить на продольные, зависящие от загрузки элементов, и поперечные, практически постоянные (зависящие от уровней напряжений в узлах сети). Другие потери активной и реактивной мощностей зависят от типа элемента.
Продольные потери активной мощности в трансформаторах и авто-трансформаторах являются следствием выделения тепла при протекании тока по обмоткам, продольные потери реактивной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах вызваны наличием потоков рассеяния. Поперечные потери активной мощности обусловлены вихревыми токами в сердечнике, а реактивные - потерями на перемагничивание сердечника.
В воздушных линиях электропередачи продольные активные потери являются следствием выделения тепла при протекании тока по проводам, продольные реактивные потери вызваны наличием собственных и взаимных индуктивностей между фазами. К поперечным активным по-терям в воздушных линиях электропередачи относятся только потери на ко-рону, поскольку токи утечки через изоляторы пренебрежимо малы в хоро-шую погоду. Воздушные линии электропередачи являются источниками ре-активной мощности, которую они генерируют в сеть за счет наличия ёмкостей фаз по отношению к земле.
В кабельных линиях электропередачи продольные активные потери обусловлены выделением тепла при протекании тока по жилам кабеля. Продольные реактивные потери вызваны наличием собственных и взаимных индуктивностей между фазами, которые значительно меньше по сравнению с воздушными линиями. К поперечным активным потерям в кабельных линиях электропередачи относятся потери в изоляции, кабельные линии обладают значительно большей удельной емкостной проводимостью фаз по отношению к земле, чем воздушные линии.
Прочие виды потерь мощности в генераторах, компенсирующих устройствах, сборных шинах, соединительных проводах, коммутационном и защитном оборудовании, системах учета потери активной мощности при анализе баланса мощностей в электроэнергетической системе обычно не учитываются вследствие их малой величины.
Обеспечение нормальной работы основного силового оборудования для производства на электростанциях и преобразования и распределения на подстанциях электроэнергии 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% в зависимости от установленной мощности силового оборудования.
Компенсирующие устройства предназначены для производства реак-тивной мощности с целью увеличения уровней напряжений в близлежащем районе сети, либо, наоборот, поглощения избыточной реактивной мощности и снижения уровней напряжений.
Балансы мощностей в энергосистеме существуют в установившихся ре-жимах, которые характеризуются определенными значениями частоты переменного тока и напряжений в узлах сети, в том числе на шинах потребителя. При нарушениях балансов мощностей в энергосистеме происходят нарушения установившихся режимов и начинаются переходные процессы, которые заканчиваются новыми установившимися режимами с новыми значениями частоты и напряжения.
Кроме баланса мощностей в энергосистемах выполняется составление балансов энергии, которые позволяют получить интегральные характеристики показателей работы энергосистемы.
Мощности нагрузок энергосистемы характеризуют мгновенные показатели работы энергосистемы. Нагрузочные мощности, как отдельных потре-бителей, так и энергосистемы в целом носят случайный характер и не остаются неизменными в течение даже небольших временных интервалов. Эти изменения мощностей весьма трудно предсказать, так как они обусловлены постоянными включениями или отключениями как отдельных электроприёмников так и их групп, кроме того с сети могут меняться потоки мощностей, а значит и потери мощностей, вызванные изменением схемы сети вследствие производства коммутаций или изменения состава сетевого оборудования.
Кроме того для определения финансовых показателей работы энергосистемы и выполнения взаиморасчетов участников рынка электроэнергии важ-ны не столько мощности (мгновенные значения расхода электроэнергии за единицу времени), сколько значения количества произведенной, переданной и потребленной электроэнергии за рассматриваемый промежуток времени.
Балансы мощностей и энергии можно составить на прошедший период и на перспективный, Наибольший интерес представляют перспективные балансы, которые являются базой для решения некоторых задач управления энергосистемой.
Балансы мощностей, которые составляются с целью управ-ления режимами работы энергосистем, разрабатываются с весьма малой заблаговременностью, а балансы энергии на большее длительную перспективу. Обычно балансы мощности составляются на ближайшие час, полчаса или 15 минут, балансы энергии разрабатываются с перспективой на квартал, год или пять лет.
При разработке балансов электроэнергии, как правило, используются аппроксимация с часовым интервалом графиков нагрузок и генерации, при-чем, чем на более длительную перспективу составляются балансы энергии, тем меньшим числом интервалов постоянства мощностей заменяются суточ-ные графики нагрузок и генерации энергосистем.
Теоретически точное значение электроэнергии может быть найдено по графику нагрузки
(6.1.3)
Практически точное значение электроэнергии не может быть найдено в связи с тем, что неизвестен аналитический вид функции поэтому элек-троэнергию определяют по аппроксимированному графику нагрузки, как показано на рисунке 6.1.2, тогда энергия
(6.1.4)
Более того, при долгосрочном планировании количество электроэнер-гии которое может быть потреблено энергосистемой оценивается как сум-марное потребление всех нагрузок. Потребляемая электроэнергия каждой из нагрузок с номером j определяется по максимальной мощности нагрузки и числу часов использования максимальной мощности этой нагрузки,
(6.1.5)
Количество электроэнергии которое может быть вы¬работано каждой электростанцией с номером i оценивается по ее установленной мощности и числу часов использования установленной мощности.
(6.1.6)
При составлении баланса электроэнергии обычно представляет баланс по активной энергии, который можно записать в виде
(6.1.7)
здесь - суммарная активная электроэнергия, выработанная всеми ге-нераторами энергосистемы; - суммарная активная нагрузка энергоси-стемы; - суммарные активные потери электроэнергии в элементах энергосистемы; здесь - суммарный активный расход электроэнергии на собственные нужды. При разработке балансов мощностей на длительный период необходи-мо учитывать тенденции изменения нагрузок. Суммарная потребность в элек-троэнергии на планируемый период времени определяется анализом тенден-ции ее роста за прошедшие периоды.
Таким образом, наряду с прогнозом значений мощности, необходимой для покрытия нагрузки энергосистемы необходимо определять и количество электроэнергии, которое может быть вы¬работано электростанциями с учетом особенностей технологии на каждой их них. В первом приближении возмож-ная выработка электроэнергии оценивается по числу часов использования установленной мощности.
Так, например, блок атомной электростанции может обладать средней номинальной мощностью и высоким числом часов использования установ-ленной мощности, а гидроэлектростанция – большой мощностью, но исполь-зоваться в течение суток только для покрытия пиков нагрузки. Тогда атомная станция за месяц выработает большее количество электроэнергии, чем гидро-электростанция, что и происходит в реальных энергосистемах. В данном примере гидроэлектростанция будет вносить большую долю в баланс мощ-ности, а атомная – в баланс энергии.
При решении этих задач должны учитываться резервы и ограничения электрической мощности электростанций, объемы плановых капитальных, средних и текущих ремонтов (аварий¬ные снижения мощности определяются вероятностным расче¬том на основе показателей аварийности оборудования).
Мощности агрегатов, выводимых в капитальные и средние ремонты, являются практически определенными величинами, поскольку эти ремонты планируют на год исходя из норматив¬ной периодичности и продолжительно-сти. Значение мощности агрегатов тепловых электростанций, на¬ходящихся в аварийном ремонте, определяется на основании вероятностных характери-стик за ряд лет наблюдений.
При определении значений располагаемой и рабочей мощ¬ности необ-ходимо учитывать также сезонное снижение мощно¬сти гидроэлектростанций, обусловленное необходимостью уменьшения напора во время весеннего по-ловодья из-за роста уровня нижнего бьефа, и в зимние месяцы - снижением уровня верхнего бьефа.
Балансы реактивной энергии на длительный срок особого интереса не представляют.
