ויסות תדרים במערכת החשמל

במערכות חשמל, בכל רגע נתון, יש לייצר כמות חשמל כזו הדרושה לצריכה ברגע נתון, שכן אי אפשר ליצור רזרבות של אנרגיה חשמלית.

תדר יחד עם מתח הוא אחד העיקריים שבהם מחווני איכות חשמל... סטייה של התדר מהרגיל מובילה לשיבוש פעולת תחנות כוח, אשר, ככלל, מובילה לשריפת דלק. ירידה בתדירות במערכת מביאה לירידה בתפוקה של מנגנונים במפעלים תעשייתיים ולירידה ביעילות היחידות העיקריות של תחנות הכוח. עלייה בתדירות מביאה גם לירידה ביעילות יחידות תחנות הכוח ולעלייה בהפסדי הרשת.

כיום, הבעיה של ויסות תדרים אוטומטי מכסה מגוון רחב של נושאים בעלי אופי כלכלי וטכני. מערכת החשמל מבצעת כעת ויסות תדרים אוטומטי.

השפעת התדר על פעולת ציוד תחנות כוח

כל היחידות המבצעות תנועה סיבובית מחושבות בצורה כזו שהיעילות הגבוהה ביותר שלהן מתממשת שלוש פעמים ממהירות סיבוב אחת מאוד ספציפית, כלומר בזו הנומינלית. כרגע, היחידות המבצעות תנועה סיבובית מחוברות לרוב למכונות חשמליות.

ייצור וצריכת אנרגיה חשמלית מתבצעים בעיקר על זרם חילופין; לכן, רוב הבלוקים המבצעים תנועה סיבובית קשורים לתדירות של זרם חילופין. ואכן, כשם שתדירות האלטרנטור שנוצר על ידי האלטרנטור תלויה במהירות הטורבינה, כך מהירות המנגנון המופעל על ידי מנוע ה-AC תלויה בתדר.

לסטיות של תדר זרם החילופין מהערך הנומינלי יש השפעה שונה על סוגים שונים של יחידות, כמו גם על מכשירים ומכשירים שונים שבהם תלויה יעילות מערכת החשמל.

טורבינת הקיטור והלהבים שלה מתוכננים בצורה כזו שעוצמת הפיר המקסימלית האפשרית מסופקת במהירות המדורגת (תדירות) ובכניסת קיטור חלקה. במקרה זה, ירידה במהירות הסיבוב מובילה להתרחשות של הפסדים עבור פגיעת הקיטור על הלהב עם עלייה בו זמנית במומנט, ועלייה במהירות הסיבוב מובילה לירידה במומנט ועלייה במומנט. פגיעה בצד האחורי של הלהב. הטורבינה החסכונית ביותר עובדת ב תדר נומינלי.

בנוסף, פעולה בתדירות מופחתת מובילה לבלאי מואץ של להבי רוטור הטורבינה וחלקים אחרים.השינוי בתדירות משפיע על פעולת מנגנוני הצריכה העצמית של תחנת הכוח.

השפעת התדר על ביצועי צרכני החשמל

ניתן לחלק מנגנונים ויחידות של צרכני חשמל לחמש קבוצות לפי מידת התלות שלהם בתדר.

קבוצה ראשונה. משתמשים שלשינוי התדר שלהם אין השפעה ישירה על ההספק המפותח. אלה כוללים: תאורה, תנורי קשת חשמליים, דליפת התנגדות, מיישרים ועומסים המופעלים על ידם.

קבוצה שניה. מנגנונים שהעוצמה שלהם משתנה ביחס לחזק הראשון של התדר. מנגנונים אלו כוללים: מכונות חיתוך מתכת, טחנות כדורים, מדחסים.

קבוצה שלישית. מנגנונים שהעוצמה שלהם פרופורציונלית לריבוע התדר. אלו מנגנונים שרגע ההתנגדות שלהם פרופורציונלי לתדירות במעלה הראשונה. אין מנגנונים עם רגע ההתנגדות המדויק הזה, אבל למספר מנגנונים מיוחדים יש רגע שמתקרב לזה.

קבוצה רביעית. מנגנוני מומנט מאוורר שהכוח שלהם פרופורציונלי לקוביית התדר. מנגנונים כאלה כוללים מאווררים ומשאבות ללא התנגדות ראש סטטית או זניחה.

קבוצה חמישית. מנגנונים שעוצמתם תלויה בתדר במידה גבוהה יותר. מנגנונים כאלה כוללים משאבות עם ראש התנגדות סטטי גדול (למשל משאבות הזנה של תחנות כוח).

הביצועים של ארבע קבוצות המשתמשים האחרונות יורדים בתדירות הולכת ופוחתים ועוברים עם התדירות הגוברת. במבט ראשון נראה שמועיל למשתמשים לעבוד בתדירות מוגברת, אבל זה רחוק מלהיות המצב.

בנוסף, ככל שהתדר עולה, מומנט מנוע האינדוקציה יורד, מה שעלול לגרום לעצירת ההתקן ולעצירה אם למנוע אין עתודות כוח.

בקרת תדרים אוטומטית במערכת החשמל

מטרת בקרת תדרים אוטומטית במערכות חשמל היא בעיקר להבטיח תפעול חסכוני של תחנות ומערכות חשמל. לא ניתן להשיג את יעילות פעולת מערכת החשמל ללא שמירה על ערך התדר הרגיל וללא חלוקה נוחה ביותר של העומס בין יחידות העבודה המקבילות ותחנות הכוח של מערכת החשמל.

כדי לווסת את התדר, העומס מתחלק בין מספר יחידות עבודה מקבילות (תחנות). יחד עם זאת, העומס מתחלק בין היחידות באופן שעם שינויים קלים בעומס המערכת (עד 5-10%), מצב הפעולה של המספר העצום של היחידות והתחנות אינו משתנה.

עם אופי משתנה של העומס, המצב הטוב ביותר יהיה מצב שבו החלק העיקרי של הבלוקים (תחנות) נושא את העומס המתאים למצב של שוויון שלבים יחסיים, ותנודות קטנות וקצרות של העומס מכוסות על ידי שינוי העומס של חלק קטן מהיחידות.

כאשר הם מחלקים את העומס בין היחידות הפועלות במקביל, הם מנסים להבטיח שכולן יעבדו בתחום היעילות הגבוהה ביותר. במקרה זה מובטחת צריכת דלק מינימלית.

היחידות המוטלות על כיסוי כל שינויי העומס הבלתי מתוכננים, כלומר. ויסות התדרים במערכת חייב לעמוד בדרישות הבאות:

• יש יעילות גבוהה;

• בעלי עקומת יעילות עומס שטוחה, כלומר. לשמור על יעילות גבוהה על פני מגוון רחב של וריאציות עומס.

במקרה של שינוי משמעותי בעומס המערכת (למשל עלייתה), כאשר כל המערכת עוברת למצב פעולה עם ערך גדול יותר של הרווח היחסי, בקרת התדר מועברת לתחנה כזו ב שגודל הרווח היחסי קרוב לזה של המערכת.

לתחנת התדר יש את טווח הבקרה הגדול ביותר בהספק המותקן שלה. תנאי הבקרה קלים ליישום אם ניתן להקצות בקרת תדר לתחנה אחת. פתרון פשוט עוד יותר מתקבל במקרים בהם ניתן להקצות רגולציה ליחידה אחת.

מהירות הטורבינות קובעת את התדירות במערכת החשמל, ולכן התדר נשלט על ידי פעולה על מושאי מהירות הטורבינה. הטורבינות מצוידות בדרך כלל עם מושלי מהירות צנטריפוגליים.

המתאימות ביותר לבקרת תדרים הן טורבינות עיבוי בעלות פרמטרי קיטור רגילים. טורבינות לחץ גב הן סוגים בלתי מתאימים לחלוטין של טורבינות לבקרת תדרים, שכן העומס החשמלי שלהן נקבע כולו על ידי משתמש הקיטור והוא כמעט בלתי תלוי בתדירות במערכת.

זה לא מעשי להפקיד את המשימה של ויסות התדרים לטורבינות עם יניקה קיטור גדולה, כי ראשית, יש להן (טווח בקרה קטן מאוד, ושנית, הן לא חסכוניות לפעולת עומס משתנה.

כדי לשמור על טווח הבקרה הנדרש, הספק תחנת בקרת התדר צריך להיות לפחות 8 - 10% מהעומס במערכת כדי שיהיה מספיק טווח בקרה. טווח הרגולציה של תחנת הכוח התרמית אינו יכול להיות שווה להספק המותקן. לכן, ההספק של ה-CHP, שמתאים את התדר, בהתאם לסוגי הדוודים והטורבינות, צריך להיות גבוה פי שניים עד שלושה מטווח ההתאמה הנדרש.

הכוח המותקן הקטן ביותר של המפעל ההידרואלקטרי ליצירת טווח הבקרה הדרוש יכול להיות פחות משמעותית מהכוח התרמי. עבור מפעלים הידרואלקטריים, טווח הרגולציה שווה בדרך כלל לקיבולת המותקנת. כאשר התדר נשלט על ידי מפעל הידרואלקטרי, אין הגבלה לקצב עליית העומס החל מרגע הפעלת הטורבינה. עם זאת, ויסות תדר של מפעלים הידרואלקטרים ​​קשורה לסיבוך הידוע של ציוד בקרה.

בנוסף לסוג התחנה ומאפייני הציוד, בחירת עמדת הבקרה מושפעת ממיקומה במערכת החשמל, כלומר המרחק החשמלי ממרכז העומס. אם התחנה ממוקמת במרכז העומס החשמלי ומחוברת לתחנות משנה ולתחנות אחרות של המערכת באמצעות קווי מתח חזקים, אזי, ככלל, עלייה בעומס תחנת הוויסות אינה מובילה להפרה של יציבות סטטית.

לעומת זאת, כאשר תחנת הבקרה ממוקמת הרחק ממרכז המערכת, עלול להיות חשש לחוסר יציבות.במקרה זה, ויסות התדר חייב להיות מלווה בשליטה על זווית ההתבדלות של הווקטורים ה-e. וכו ' ג מערכת ותחנה לניהול או בקרה של ההספק המועבר.

הדרישות העיקריות למערכות בקרת תדרים מסדירות:

• פרמטרים ומגבלות התאמה,

• שגיאה סטטית ודינמית,

• קצב השינוי בעומס הבלוק,

• הבטחת יציבות של תהליך הרגולציה,

• היכולת לווסת בשיטה נתונה.

הרגולטורים צריכים להיות פשוטים בעיצובם, אמינים בתפעול וזולים.

שיטות בקרת תדרים במערכת החשמל

צמיחת מערכות החשמל הובילה לצורך לווסת את התדירות של מספר בלוקים של תחנה אחת, ולאחר מכן של מספר תחנות. לצורך כך, נעשה שימוש במספר שיטות על מנת להבטיח פעולה יציבה של מערכת החשמל ואיכות תדר גבוהה.

אסור ששיטת הבקרה המיושמת תאפשר הגדלת מגבלות סטיית התדר עקב שגיאות המתרחשות בהתקני עזר (התקני חלוקת עומסים פעילים, ערוצי טלמטריה וכו').

שיטת ויסות התדר נחוצה כדי להבטיח שהתדר נשמר ברמה נתונה, ללא קשר לעומס על יחידות בקרת התדר (אלא אם כן נעשה שימוש בכל טווח הבקרה שלהן), מספר היחידות ותחנות בקרת התדר. , וגודל ומשך סטיית התדר.... שיטת הבקרה חייבת גם להבטיח שמירה על יחס עומס נתון של יחידות הבקרה וכניסה בו-זמנית לתהליך הרגולציה של כל היחידות השולטות בתדר.

שיטה של ​​מאפיינים סטטיים

השיטה הפשוטה ביותר מתקבלת על ידי התאמת התדירות של כל היחידות במערכת, כאשר האחרונות מצוידות בווסת מהירות עם מאפיינים סטטיים. בפעולה מקבילה של בלוקים הפועלים ללא הסטת מאפייני הבקרה, ניתן למצוא את חלוקת העומסים בין הבלוקים ממשוואות המאפיינים הסטטיים ומשוואות ההספק.

במהלך הפעולה, שינויי העומס עולים באופן משמעותי על הערכים שצוינו, ולכן לא ניתן לשמור על התדירות בגבולות שצוינו. בשיטת ויסות זו, יש צורך במאגר מסתובב גדול הפרוס על כל יחידות המערכת.

שיטה זו אינה יכולה להבטיח תפעול חסכוני של תחנות כוח, שכן, מצד אחד, היא אינה יכולה להשתמש במלוא הקיבולת של יחידות חסכוניות, ומצד שני, העומס על כל היחידות משתנה כל הזמן.

שיטה עם מאפיין אסטטי

אם כל יחידות המערכת או חלקן מצוידות בווסת תדרים בעלי מאפיינים אסטטיים, אזי תיאורטית התדר במערכת יישאר ללא שינוי בכל שינוי בעומס. עם זאת, שיטת בקרה זו אינה מביאה ליחס עומס קבוע בין היחידות הנשלטות בתדר.

ניתן ליישם שיטה זו בהצלחה כאשר בקרת תדר מוקצית ליחידה אחת.במקרה זה, הספק של המכשיר צריך להיות לפחות 8 - 10% מהספק המערכת. לא משנה אם לבקר המהירות יש מאפיין אסטטי או שהמכשיר מצויד בווסת תדרים עם מאפיין אסטטי.

כל שינויי העומס הבלתי מתוכננים נתפסים על ידי יחידה בעלת מאפיין אסטטי. מאחר שהתדירות במערכת נשארת ללא שינוי, העומסים על שאר יחידות המערכת נשארות ללא שינוי. בקרת תדר של יחידה אחת בשיטה זו היא מושלמת, אך מתגלה כבלתי מקובלת כאשר בקרת תדר מוקצית למספר יחידות. שיטה זו משמשת לוויסות במערכות הספק נמוך.

שיטת הגנרטור

ניתן להשתמש בשיטת גנרטור מאסטר במקרים בהם, בהתאם לתנאי המערכת, יש צורך להתאים את התדר של מספר יחידות באותה תחנה.

על אחד הבלוקים מותקן וסת תדרים בעל מאפיין אסטטי, הנקרא הראשי. על הבלוקים הנותרים מותקנים ווסתי עומס (אקוולייזרים), המופקדים גם על משימת ויסות התדר. מוטלת עליהם המשימה לשמור על יחס נתון בין העומס על יחידת האב לבין שאר היחידות המסייעות לווסת את התדר. לכל הטורבינות במערכת יש מושלי מהירות סטטיים.

השיטה של ​​סטטיזם דמיוני

השיטה הסטטית הדמיונית חלה הן על ויסות תחנות בודדות והן לרבות תחנות.במקרה השני חייבים להיות ערוצי טלמטריה דו-כיוונית בין התחנות המתאימות את התדר לחדר הבקרה (שידור חיווי העומס מהתחנה לחדר הבקרה ושידור הזמנה אוטומטית מחדר הבקרה לתחנה ).

וסת תדרים מותקן על כל מכשיר המעורב ברגולציה. תקנה זו הינה אסטטית ביחס לשמירה על התדר במערכת וסטטית ביחס לחלוקת העומסים בין הגנרטורים. זה מבטיח חלוקה יציבה של עומסים בין הגנרטורים המווסתים.

חלוקת עומסים בין ההתקנים נשלטי התדר מושגת באמצעות התקן שיתוף עומסים פעיל. האחרון, המסכם את כל העומס של יחידות הבקרה, מחלק אותו ביניהן ביחס מסוים שנקבע מראש.

שיטת הסטטיסטיקה הדמיונית מאפשרת גם לווסת את התדר במערכת של מספר תחנות, ובמקביל יכבד יחס העומס הנתון הן בין תחנות והן בין יחידות בודדות.

שיטת זמן סינכרוני

שיטה זו משתמשת בסטייה של זמן סינכרוני מהזמן האסטרונומי כקריטריון לוויסות תדרים במערכות כוח רב-תחנות ללא שימוש בטלמכניקה. שיטה זו מבוססת על התלות הסטטית של סטיית הזמן הסינכרוני מהזמן האסטרונומי, החל מרגע מסוים בזמן.

במהירות הסינכרונית הרגילה של הרוטורים של מחוללי הטורבינות של המערכת ובשוויון מומנטי הסיבוב ורגעי ההתנגדות, הרוטור של המנוע הסינכרוני יסתובב באותה מהירות. אם מונח חץ על ציר הרוטור של מנוע סינכרוני, הוא יציג את הזמן בקנה מידה מסוים. על ידי הנחת גלגל שיניים מתאים בין ציר המנוע הסינכרוני לציר המחוג, ניתן לגרום למחוגה להסתובב במהירות השעה, הדקה או המחוג השני של השעון.

הזמן שמוצג על ידי חץ זה נקרא זמן סינכרוני. זמן אסטרונומי נגזר ממקורות זמן מדויקים או מתקני תדר זרם חשמלי.

שיטה לשליטה בו זמנית במאפיינים אסטטיים וסטטיים

המהות של שיטה זו היא כדלקמן. במערכת החשמל קיימות שתי עמדות בקרה, אחת מהן פועלת לפי המאפיין האסטטי, והשנייה לפי הסטטית עם מקדם סטטי קטן. עבור סטיות קטנות של לוח העומס בפועל מחדר הבקרה, כל תנודות עומס ייתפסו על ידי תחנה בעלת מאפיין אסטטי.

במקרה זה, תחנת בקרה בעלת מאפיין סטטי תשתתף בוויסות רק במצב חולף, תוך הימנעות סטיות תדר גדולות. כאשר טווח ההתאמה של התחנה הראשונה מוצה, התחנה השנייה נכנסת לכוונון. במקרה זה, ערך התדר הנייח החדש יהיה שונה מזה הנומינלי.

בעוד שהתחנה הראשונה שולטת בתדר, העומס על תחנות הבסיס יישאר ללא שינוי. בהתאמת התחנה השנייה, העומס על תחנות הבסיס יחרוג מזה הכלכלי.היתרונות והחסרונות של שיטה זו ברורים.

שיטת ניהול נעילת חשמל

שיטה זו מורכבת מכך שכל אחת ממערכות החשמל הכלולות בקישור משתתפת בוויסות התדרים רק אם סטיית התדר נגרמת משינוי בעומס בה. השיטה מבוססת על התכונה הבאה של מערכות אנרגיה מחוברות.

אם העומס במערכת חשמל כלשהי גדל, אזי ירידה בתדירות בה מלווה בירידה בהספק החליפין הנתון, בעוד שבמערכות חשמל אחרות, ירידה בתדר מלווה בעלייה בהספק החליפין הנתון.

זאת בשל העובדה שכל המכשירים בעלי מאפייני בקרה סטטיים, המנסים לשמור על התדר, מגדילים את כוח המוצא. לפיכך, עבור מערכת חשמל שבה התרחש שינוי עומס, הסימן של סטיית התדר והסימן של סטיית ההספק מתאימים, אך במערכות חשמל אחרות הסימנים הללו אינם זהים.

לכל מערכת חשמל יש תחנת בקרה אחת שבה מותקנים ווסתי תדר וממסר חוסם מתח חילופי.

כמו כן, ניתן להתקין באחת המערכות ווסת תדרים חסום על ידי ממסר חילופי חשמל, ובמערכת חשמל צמודה - ווסת מתח חילופי חסום על ידי ממסר תדרים.

לשיטה השנייה יש יתרון על פני הראשונה אם ווסת מתח AC יכול לפעול בתדר מדורג.

כאשר העומס במערכת חשמל משתנה, הסימנים של סטיות תדר והספק חילופי חופפים, מעגל הבקרה אינו נחסם, ותחת פעולת וסת התדרים, העומס על בלוקים של מערכת זו גדל או יורד. במערכות חשמל אחרות, הסימנים של סטיית התדר והספק החלפה שונים ולכן מעגלי הבקרה חסומים.

ויסות בשיטה זו מחייב הימצאות ערוצי טלוויזיה בין תחנת המשנה ממנה יוצא הקו המחבר למערכת חשמל אחרת לבין התחנה המווסתת את התדר או זרימת החליפין. ניתן ליישם בהצלחה את שיטת הבקרה החסימה במקרים בהם מערכות החשמל מחוברות בחיבור אחד בלבד זו לזו.

שיטת מערכת התדרים

במערכת מקושרת הכוללת מספר מערכות חשמל, בקרת תדר מוקצית לעיתים למערכת אחת בעוד שהאחרות שולטות בכוח המשודר.

שיטת סטטיזם פנימי

שיטה זו היא פיתוח נוסף של שיטת חסימת הבקרה. חסימה או חיזוק פעולת ווסת התדרים אינה מתבצעת באמצעות ממסרי הספק מיוחדים, אלא באמצעות יצירת סטטיזם בהספק המשודר (החילופי) בין המערכות.

בכל אחת ממערכות האנרגיה המקבילות הפועלות, מוקצת תחנת ויסות אחת, עליה מותקנים רגולטורים, בעלי סטטיזם מבחינת כוח חליפין. הרגולטורים מגיבים הן לערך המוחלט של התדר והן להספק החליפין, בעוד שהאחרון נשמר קבוע, והתדר שווה לנומינלי.

בפועל, במערכת החשמל במהלך היום העומס אינו נשאר ללא שינוי, אך גם השינויים בהתאם ללוח העומסים, מספר והספק הגנרטורים במערכת והספק החליפין הנקוב אינם נשארים ללא שינוי. לכן, המקדם הסטטי של המערכת אינו נשאר קבוע.

עם כושר ייצור גבוה יותר במערכת הוא קטן יותר ועם הספק נמוך יותר, להיפך, המקדם הסטטי של המערכת גבוה יותר. לכן, התנאי הנדרש של שוויון מקדמי סטטיזם לא תמיד יתקיים. זה יביא לכך שכאשר העומס משתנה במערכת חשמל אחת, ממירי התדר בשתי מערכות החשמל ייכנסו לפעולה.

במערכת חשמל בה התרחשה סטיית עומס, ממיר התדרים יפעל כל הזמן בכיוון אחד במהלך כל תהליך הוויסות, וינסה לפצות על חוסר האיזון שנוצר. במערכת החשמל השנייה פעולת וסת התדרים תהיה דו-כיוונית.

אם המקדם הסטטי של הרגולטור ביחס להספק החליפין גדול מהמקדם הסטטי של המערכת, אז בתחילת תהליך הוויסות, תחנת הבקרה של מערכת החשמל הזו תפחית את העומס, ובכך תגדיל את כוח החליפין, ולאחר מכן להגדיל את העומס כדי להחזיר את הערך שנקבע של כוח החליפין בתדר המדורג.

כאשר המקדם הסטטי של הרגולטור ביחס להספק החליפין קטן מהמקדם הסטטי של המערכת, רצף הבקרה במערכת החשמל השנייה יתהפך (ראשית, הקבלה של הגורם המניע תגדל, ולאחר מכן היא תגדל. לְהַקְטִין).