REGULACJA CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY

P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI Katedra Elektroenergetyki Dr hab. inż. Ryszard Zajczyk profesor PG REGULACJA CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM (materiał do wykładu ) Gdańsk 2002 r.

2

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 3 Spis treści: str. 1 WSTĘP....5 2 OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO 6 2.1 BUDOWA SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO....6 2.1. ORGANIZACJA I KIEROWANIE PRACĄ SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO...7 3 SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY JAKO OBIEKT REGULACJI CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY....12 3.1. ZMIANY CZĘSTOTLIWOŚCI W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM, ICH PRZYCZYNY I SKUTKI...12 3.1.1. Obciążenie systemu elektroenergetycznego....12 3.1.2. Moc wytwarzana w systemie elektroenergetycznym...13 3.1.3. Zmiany częstotliwości w systemie elektroenergetycznym...13 3.2. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE....14 3.1.1 Charakterystyki statyczne odbiorów mocy czynnej....14 3.1.2 Charakterystyki statyczne źródeł mocy....16 3.1.3 Charakterystyki statyczne systemu elektroenergetycznego....18 3.3. REGULACJA PIERWOTNA I WTÓRNA CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY CZYNNEJ W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM...18 3.1.4 Regulacja częstotliwości i mocy czynnej w izolowanym systemie elektroenergetycznym....21 3.1.5 Regulacja częstotliwości i mocy czynnej w połączonych systemach elektroenergetycznych....22 4 UKŁADY REGULACJI CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM...24 4.1 TURBINY I ICH UKŁADY REGULACJI....24 4.1.1 Zadania i wymagania stawiane układom regulacji turbin....25 4.1.2 Zasada działania układów regulacji turbin...26 4.1.3 Elektrohydrauliczny układ regulacji turbiny....29 4.1.4 Regulacja turbin kondensacyjnych...30 4.1.5 Regulacja turbin upustowych....31 4.1.6 Regulacja turbin przeciwprężnych....32 4.2 BLOK ENERGETYCZNY JAKO OBIEKT REGULACJI...33 5 AUTOMATYCZNA REGULACJA CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY (ARCM) W KRAJOWYM SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM (KSE)...37 5.1 ZASADY REGULACJI...38 5.2 STRUKTURA I ZASADA DZIAŁANIA UKŁADU AUTOMATYCZNEJ REGULACJI CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY...40 5.3 REGULATOR CENTRALNY MRC I SYSTEM TRANSMISJI SYGNAŁÓW REGULACYJNYCH I TELEPOLECEŃ....42 6 WYPOSAŻENIE SPRZĘTOWE UKŁADU ARCM ZNAJDUJĄCE SIĘ W ELEKTROWNIACH KSE....47 6.1 ELEKTROWNIE CIEPLNE....47 6.1.1 Charakterystyka układów regulacji turbozespołów....47

4 6.1.2 Układ automatycznej regulacji kotłów energetycznych opalanych węglem brunatnym.... 50 6.1.3 Układ automatycznej regulacji kotłów energetycznych opalanych węglem kamiennym.... 52 6.1.4 Układ automatycznej regulacji pierwotnej i wtórnej bloków opalanych węglem kamiennym.... 52 6.2 ELEKTROWNIE WODNE... 55 6.2.1 Wyposażenie sprzętowe układów regulacji mocy czynnej i częstotliwości w elektrowniach Dychów, Rożnów, Solina, Żydowo i Tresna... 55 6.2.2 Wyposażenie sprzętowe układów regulacji mocy czynnej i częstotliwości w Elektrowni Szczytowo-Pompowej Żar-Porąbka... 56 6.2.3 Wyposażenie sprzętowe układów regulacji mocy czynnej i częstotliwości w Elektrowni Szczytowo-Pompowej Żarnowiec.... 59 7 BIBLIOGRAFIA:... 62

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 5 1 Wstęp. System elektroenergetyczny cechuje duża różnorodność charakterystyk statycznych i dynamicznych urządzeń realizujących procesy wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Różnorodność ta jest przyczyną dużych trudności eksploatacyjnych, występujących zwłaszcza w stanach nieustalonych, jeśli konieczne jest spełnienie podstawowego wymagania, niezawodnej dostawy energii elektrycznej o określonej jakości i wartości. Trudności te można w znacznym stopniu pokonać stosując odpowiednie wielopoziomowe układy sterowania i regulacji procesów wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii. Takie centralne i wielopoziomowe kierowanie pracą systemu elektroenergetycznego wymaga bardzo dobrej znajomości struktur i charakterystyk układów regulacji częstotliwości i napięcia, dwóch podstawowych parametrów jakościowych energii elektrycznej. Tak więc kierowanie pracą systemu elektroenergetycznego może być rozpatrywane jako kierowanie złożone z dwóch niezależnych procesów : 1. procesu regulacji częstotliwości powodowanego zmiennością bilansu mocy czynnej, 2. procesu regulacji napięcia powodowanego zmiennością bilansu mocy biernej.

6 2 Ogólna charakterystyka systemu elektroenergetycznego System elektroenergetyczny (SEE) jest to zbiór połączonych ze sobą urządzeń wytwórczych, przesyłowych, rozdzielczych i odbiorczych. Jego celem działania jest realizacja procesu ciągłej dostawy dla odbiorców energii elektrycznej o odpowiednich parametrach jakościowych i w uzgodnionej ilości. Odbiorcy energii elektrycznej stanowią więc podmiot działania systemu elektroenergetycznego. System elektroenergetyczny jest częścią wielonośnikowego systemu energetycznego, w skład którego wchodzą także systemy: ciepłowniczy, gazo-energetyczny oraz system paliw stałych i płynnych [1, 7, 21]. System elektroenergetyczny cechuje się następującymi właściwościami: 1. Wytwarzanie, przesył i przetwarzanie energii elektrycznej odbywa się praktycznie jednocześnie, nie ma pojęcia magazynowanie energii. W każdej chwili praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym jest wymuszona przez odbiory i wytwarza tyle mocy ile potrzebują odbiorcy energii elektrycznej. Głównym zadaniem służb energetyki jest ciągłe utrzymywanie w systemie odpowiednich stanów, konfiguracji i mocy źródeł w celu zapewnienia pokrywania obciążeń. Szczególnie wymagana jest wysoka niezawodność pracy systemu elektroenergetycznego, co pociąga za sobą konieczność stosowania odpowiedniego rezerwowania elementów systemu oraz wprowadzania w bardzo szerokim zakresie informatyki i automatyki. 2. System elektroenergetyczny jest systemem rozległym terytorialnie obejmującym całe państwo oraz będącym powiązanym z systemami elektroenergetycznymi innych krajów [9, 16]. 2.1 Budowa systemu elektroenergetycznego. System elektroenergetyczny określa zestaw elementów stanowiących jego składowe części i zbiór relacji połączeń wzajemnych tych elementów. W głównym ujęciu system elektroenergetyczny składa się z trzech części: elektrowni, sieci elektroenergetycznych i odbiorców, które z kolei złożone są z wielu urządzeń elektroenergetycznych. Elektrownie dzielą się na: konwencjonalne tj. cieplne, jądrowe, wodne, oraz niekonwencjonalne tj. słoneczne, wiatrowe, geotermiczne. Elektrownie cieplne podzielić można na parowe, gazowe i gazowo parowe. Każdy z wymienionych rodzajów elektrowni składa się z określonych urządzeń stanowiących zespoły wytwórcze i urządzenia potrzeb własnych. W elektrowniach cieplnych zespół wytwórczy tworzą: kocioł parowy i turbozespół. Urządzeń potrzeb własnych jest znacznie więcej, jak: pompy wody zasilającej, młyny węglowe, układy

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 7 wody chłodzącej, skraplacze, elektrofiltry, układy odpopielania i wiele innych. W elektrowniach jądrowych rolę kotła spełnia reaktor jądrowy i wytwornica pary. W elektrowniach wodnych obok hydrozespołów najważniejszymi elementami są urządzenia hydrotechniczne obejmujące budowle piętrzące, kanały derywacyjne, sztolnie, rurociągi itp. Elektrownie wiatrowe, słoneczne, geotermiczne składają się z urządzeń do pozyskiwania energii elektrycznej odpowiednio z: wiatru, promieniowania słonecznego, wnętrza ziemi [9]. Sieć elektroenergetyczną można zdefiniować jako zbiór urządzeń: linii napowietrznych i kablowych, stacji transformatorowo-rozdzielczych i rozdzielczych, łączników, dławików, kondensatorów oraz urządzeń pomocniczych, współpracujących ze sobą w celu realizacji zadania, jakim jest przesył energii z elektrownii do dużych węzłów odbiorczych i rozdział pomiędzy odbiorców. Sieci elektroenergetyczne dzielą się na przesyłowe i rozdzielcze. Sieci przesyłowe są to sieci najwyższych napięć 750, 400 i 220 kv. Do sieci rozdzielczych zaliczane są sieci okręgowe, rejonowe, miejskie, przemysłowe i zakładowe i wiejskie, ogólnie rzecz biorąc są to sieci o napięciach znamionowych 110, 15, 6, 0.4 kv [21]. System paliw Elektrownie System elektroenergetyczny Sieci Odbiorcy parowe Paliwa jądrowe jądrowe elektryczne -przesyłowe -rozdzielcze energii elektrycznej System hydroenergetyczny wodne Elektrociepłownie ciepłownicze energii cieplnej System ciepłowniczy Rys. 2.1. Uproszczony schemat systemu elektroenergetycznego [16]. 2.1. Organizacja i kierowanie pracą systemu elektroenergetycznego. System elektroenergetyczny charakteryzuje wiele parametrów, z których najważniejsze to: roczna produkcja energii elektrycznej, szczytowa moc odbiorców, moc zainstalowana elektrowni, moc największej elektrowni, moc największych bloków, najwyższe napięcie znamionowe sieci przesyłowej, największa odległość przesyłu mocy, struktura mocy, struktura sieci.

8 O sposobie pokrywania obciążenia dobowego systemu elektroenergetycznego (rys. 2.2.) mówi nam struktura mocy, której znajomość daje nam pojęcie o roli i zadaniach poszczególnych rodzajów elektrowni systemowych. Wyróżnić więc można elektrownie podstawowe, podszczytowe i szczytowe. Elektrownie podstawowe to nowoczesne elektrownie cieplne parowe, elektrownie jądrowe oraz elektrownie wodne przepływowe. Do elektrowni podszczytowych i szczytowych należą starszych typów elektrownie cieplne parowe, elektrownie wodne zbiornikowe, zaś do elektrowni szczytowych zalicza się także elektrownie wodne pompowe oraz elektrownie z turbinami gazowymi. Podane powyżej grupy elektrowni różnią się znacznie czasem wykorzystania mocy osiągalnej, które wynoszą odpowiednio [9, 21]: elektrownie podstawowe - 5500 h/a; elektrownie podszczytowe - 3000 5500 h/a; elektrownie szczytowe - 3000 h/a. P d c 1 c 2 b t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 Rys. 2.2. Pokrywanie obciążenia dobowego SEE przez elektrownie [9]. a podstawowe, b podszczytowe, c 1 + c 2 szczytowe; P d (t) dobowy przebieg obciążenia z okresami: t 1 + t 5 doliny nocnej obciążenia, t 2 szczytu rannego, t 3 doliny południowej, t 4 szczytu wieczornego. Struktura sieci jest wynikiem sposobów połączenia elementów systemu elektroenergetycznego. Elektrownie przyłączane są do sieci o napięciach znamionowych 400, 220 i 110 kv. Energia elektryczna z elektrownia przesyłana jest liniami przesyłowymi przez stacje transformatorowe sieciowe do rejonowej sieci rozdzielczej o napięciu 110 kv i rozprowadzana do punktów zasilających sieci rozdzielcze średniego napięcia 15, 20, 30 kv, które z kolei rozprowadzają energię do stacji zasilających sieci niskiego napięcia 0.4 kv, do których bezpośrednio przyłączane są odbiorniki. Odbiorniki większych mocy przyłączane są do sieci o a 24 t[h]

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 9 napięciu 6 lub 10 kv, rzadziej 15 kv; które także mogą być zasilane z własnych elektrowni zakładów przemysłowych. Jak wynika z powyższego opisu cały system elektroenergetyczny jest obiektem o bardzo złożonej wielopoziomowej strukturze, która wymaga ciągłej kontroli i odpowiedniego sterowania. W sterowaniu pracą systemu elektroenergetycznego wyróżnia się dwa systemy: zarządzania i system kierowania (rys. 2.3). Sterowanie pracą systemu elektroenergetycznego odbywa się z następujących poziomów: 1. Elektrowni i stacji elektroenergetycznych. 2. Dyspozycji mocy i dyspozycji ruchu. Sterowanie z poziomu elektrowni i stacji elektroenergetycznych odbywa się poprzez nastawnie cieplno elektryczne, w które w nowoczesnych elektrowniach wyposażone są wszystkie bloki wytwórcze. Obecnie w naszym kraju stosowany jest hierarchiczny, czterostopniowy system dyspozycji mocy i ruchu. Pierwszy z nich to Krajowa Dyspozycja Mocy (KDM), a drugim są Obszarowe Dyspozycje Mocy (ODM, jest ich 5). Obszarowym Dyspozycjom Mocy podlegają Zakładowe Dyspozycje Ruchu (ZDR), którym zaś podlegają Rejonowe Dyspozycje Ruchu (RDR). Mamy dwa działy w których odbywa się praca dyspozycji mocy: 1. Przygotowawczy; - jest to dział w którym z różnymi wyprzedzeniami czasowymi przygotowuje się konfiguracje i stany pracy systemu elektroenergetycznego. Są to np. okresy przygotowania i przeprowadzania remontów bloków wytwórczych, postoje i uruchomienia bloków, przewidywane obciążenia. 2. Dyspozycyjny; - dział ten podejmuje decyzje o działaniu w aktualnych sytuacjach ruchowych na podstawie danych dostarczanych przez układy telemechaniki i dział przygotowawczy.

10 Struktura zarządzania Struktura bezpośredniego kierowania pracą systemu Ministerstwo gospodarki Polskie Sieci Elektroenergetyczne (PSE) Krajowa Dyspozycja Mocy (KDM) Elektrownie wodne Stacje Nn. Oddziały eksploatacji sieci przesyłowych Obszarowa Dyspozycja Mocy (ODM) Elektrownie cieplne DIRE Stacje Nn/110 Dyspozytor bloku Zakład Energetyczny S.A. Zakładowa Dyspozycja Ruchu Stacje 110/SN Rejon Energetyczny Rejonowa Dyspozycja Ruchu Posterunek Energetyczny Rys. 2.3. Schemat zarządzania i kierowania w krajowym systemem elektroenergetycznym (stan w 1997 r.) [16].

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 11 Działania podejmowane przez personel elektrowni odbywają się na polecenie dyspozycji mocy, bądź też wymagają jej zgody. Bezpośrednią kontrolą pracy systemu elektroenergetycznego zajmują się dyspozytorzy, do zadań których należy: - zadawanie elektrowniom obciążeń; - kontrola rozpływów mocy; - korygowanie konfiguracji sieci; - decyzje o mocy wymienianej nieplanowany zakup lub sprzedaż energii. W sterowaniu pracą systemu elektroenergetycznego bardzo dużą pomocą służą wykorzystywane systemy komputerowe stosowane w bardzo szerokim zakresie. Wykorzystuje się je do zbierania danych, opracowywania prognoz obciążenia, przedstawiania w czasie rzeczywistym konfiguracji sieci, obciążeń linii, mocy elektrowni, położeń łączników itd. Także elektrownie, dla poprawnej eksploatacji i pracy, potrzebują odpowiednio zorganizowanego systemu zarządzania. W organizacji pracy elektrowni mamy dwa piony: 1. Pion administracyjno ekonomiczny. 2. Pion obsługi urządzeń (pion głównego inżyniera elektrowni). Na podstawie rysunku 2.4. możemy dokonać krótkiej charakterystyki funkcjonowania elektrowni. Za całość działań elektrownia odpowiada dyrektor elektrowni, który do swojej bezpośredniej dyspozycji ma kilka pomocniczych komórek, które swoją działalnością obejmują: sprawy bhp, zatrudnienie i szkolenie zawodowe, doradztwo prawne itp. W przypadku pionu administracyjno ekonomicznego, przeznaczenie i funkcje jego działów najlepiej przedstawiają ich nazwy. Pion obsługi urządzeń podzielony jest według trzech zasadniczych zadań: - bezpośrednia eksploatacja urządzeń (Dział Ruchu) - kontrola eksploatacji - remonty urządzeń. Dział Ruchu jest odpowiedzialny za wszystkie urządzenia, zarówno te pracujące jak i będące w rezerwie, oraz za personel użytkujący te urządzenia. Jedną z ważniejszych funkcji w elektrowni pełni Dyżurny Inżynier Pracy Elektrowni (DIRE). Jest to osoba odpowiadająca za poprawną pracę wszystkich użytkowanych układów i urządzeń oraz za pracę personelu dyżurnego. DIRE podlega operatywnie Obszarowemu Dyspozytorowi Mocy. DIRE jest osobą, która na popołudniowej i nocnej zmianie odpowiada za całokształt pracy elektrowni, reprezentuje wówczas dyrekcje elektrowni. Dział Ruchu Bloków eksploatuje urządzenia bloku począwszy od przykotłowego zasobnika węgla do zacisków generatora, łącznie ze sterowaniem

12 wyłącznikami blokowymi i urządzeniami potrzeb własnych. Pracę urządzeń blokowych i personelu obsługującego nadzoruje Kierownik Bloku. Kontrolę nad eksploatacją urządzeń i pracą personelu obsługującego prowadzi Dział Kontroli Eksploatacji. Dział ten odpowiada za instrukcje eksploatacji urządzeń, organizuje okresowe pomiary i badania urządzeń itp. Dział Remontów jest działem odpowiadającym za konserwacje naprawy i remonty wszystkich urządzeń i budynków na terenie elektrowni [9, 16, 21]. 3 System elektroenergetyczny jako obiekt regulacji częstotliwości i mocy. 3.1. Zmiany częstotliwości w systemie elektroenergetycznym, ich przyczyny i skutki. 3.1.1. Obciążenie systemu elektroenergetycznego. Przez moc obciążenia systemu elektroenergetycznego P odb należy rozumieć zapotrzebowanie na moc czynną pobieraną przez odbiorniki energii elektrycznej przyłączone do sieci elektroenergetycznej. Przy pominięciu strat mocy czynnej, można użyć stwierdzenia, że w stanie ustalonym moc obciążenia systemu jest to suma mocy pobieranej z zacisków generatorów pracujących w danej chwili w systemie elektroenergetycznym. Moc obciążenia w systemie elektroenergetycznym ulega ciągłym zmianom, które można sklasyfikować w następujący sposób: - Zmiany wynikające z przebiegu krzywych dobowej zmienności obciążenia; zmiany te mogą dochodzić nawet do 50% mocy szczytowej obciążenia danej doby. Dobowe zmiany obciążenia zachodzą dość wolno i w taki sposób, że mogą być one określane statystycznie z dużą dokładnością, w zależności od stosowanych metod obliczeniowych. - Zmiany mocy obciążenia o niedużej wartości i krótkim czasie trwania związane z załączaniem lub wyłączaniem różnego rodzaju odbiorników. - Przypadkowe duże zmiany mocy obciążenia związane z nagłymi stanami awaryjnymi np. awaryjnym odłączeniem części systemu z dużą grupą odbiorów. - Drobne zmiany mocy o oscylacyjnym charakterze związane z przerywaną pracą odbiorników. Wartość tych zmian jest bardzo mała, zaś częstość stosunkowo duża. W większości przypadków omówione powyżej rodzaje zmian mocy obciążenia wzajemnie nakładają się na siebie [11].

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 13 3.1.2. Moc wytwarzana w systemie elektroenergetycznym. Moc wytwarzana P T jest to moc mechaniczna na wale turbiny zespołu wytwórczego. Pomijając straty mocy czynnej można założyć, że w stanach ustalonych moc wytwarzana P T jest równa mocy mierzonej na zaciskach generatora P G. Moc wytwarzana w systemie elektroenergetycznym jest sumą mocy wytwarzanych przez poszczególne bloki elektroenergetyczne pracujące w danej chwili w systemie. Zmiany mocy wytwarzanej zależą od zdolności regulacyjnych i parametrów poszczególnych rodzajów bloków wytwórczych: - W turbozespołach parowych szybkie zmiany mocy wytwarzanej ze względu na ograniczenia technologiczne są ograniczone do przedziału nie przekraczającego ± 5% znamionowej mocy bloku. Dalsze zmiany mocy wytwarzanej przekraczające te tzw. pasmo szybkiej regulacji mogą być dokonywane z prędkością zależną od stanu ruchowego turbiny. - W hydrozespołach zmiany mocy wytwarzanej mogą zachodzić z dużo większą prędkością w całym zakresie mocy znamionowej zespołu wytwórczego. W pracy systemu elektroenergetycznego należy liczyć się ze zmianami mocy wytwarzanej, związanymi z awaryjnymi odstawieniami poszczególnych bloków bądź całych elektrowni [11]. 3.1.3. Zmiany częstotliwości w systemie elektroenergetycznym. Częstotliwość jest jednym z najważniejszych parametrów systemu elektroenergetycznego. W systemie elektroenergetycznym, przy pominięciu strat, w stanie ustalonym moc wytwarzana pracujących generatorów jest równa sumie mocy pobieranych z tegoż systemu P G = P odb. Częstotliwość w systemie wynosi wówczas 50 Hz. Naruszenie opisanego powyżej stanu równowagi, czy to przez zmianę mocy odbiorów, czy przez zmianę mocy wytwarzanej, spowoduje zmianę prędkości wirowania wszystkich maszyn obrotowych pracujących w danej chwili w systemie, zarówno zespołów prądotwórczych (generatorów) jak i silników u odbiorców, przez zmianę energii kinetycznej ich mas wirujących. Wynikiem tego są zmiany częstotliwości w systemie elektroenergetycznym. W przypadku wzrostu mocy obciążenia lub zmniejszeniu się z różnych przyczyn mocy wytwarzanej, czyli w przypadku przerostu mocy obciążenia nad mocą wytwarzaną następuje malenie częstotliwości, w przeciwnym razie następuje w wzrost częstotliwości w systemie elektroenergetycznym. Praca systemu elektroenergetycznego ze znacznie mniejszą jak i ze znacznie większą częstotliwością jest z wielu względów szkodliwa i niedopuszczalna [14].

14 Poza tym zmiany częstotliwości mają istotny wpływ na wymianę mocy pomiędzy systemami. 1. Skutki obniżenia częstotliwości: - Przy spadku częstotliwości poniżej 49,5 Hz, niektóre pierścienie łopatek turbinowych zaczynają drgać, co może wpływać na wibracyjne zmęczenie materiałów, a nawet doprowadzić do zniszczenia łopat turbin. - Przy spadku częstotliwości poniżej 49,0 Hz, następuje całkowite otwarcie dopływu pary do turbiny, a jej obciążenie osiąga znamionową wartość. Dalsze malenie częstotliwości obniża wydajność urządzeń potrzeb własnych elektrowni głównie pomp zasilających i wentylatorów, w których wydajność zależy nawet od czwartej potęgi częstotliwości. - Obniżona częstotliwość źle wpływa na pracę agregatów prądotwórczych odbiorców co źle wpływa na jakość produkcji np. walcownie blachy, fabryki papieru, przędzalnie włókien sztucznych dają produkty zbyt grube nie spełniające dopuszczalnych tolerancji. 2. Skutki podwyższenia częstotliwości: - W wyniku wzrostu częstotliwości rosną straty w żelazie i przegrzewają się wszystkie obwody magnetyczne silników i transformatorów. - Wzrost częstotliwości zwiększa niekorzystnie prędkość obrotową agregatów prądotwórczych u odbiorców naruszając wymogi technologiczne produkcji. - Wszelkie odbiorniki oporowe np. żarówki pracując przy zwiększonej częstotliwości ulegają przedwczesnemu zużyciu [14]. 3.2. Charakterystyki statyczne. 3.1.1 Charakterystyki statyczne odbiorów mocy czynnej. Pobór mocy czynnej przez odbiory pracujące w systemie elektroenergetycznym w zależności od zmian częstotliwości, przy założeniu stałego napięcia na zaciskach odbiorników można przedstawić następującą zależnością [9; 11]: α 4 f P = odb kα Podb _ n (3.1) α = 0 f n gdzie: k α - Parametr w skład którego wchodzą współczynniki k 0, k 1, k 2, k 3, k 4, które określają udziały poszczególnych grup rodzajów odbiorów o różnej zależności poboru mocy od częstotliwości. P odb_n - Całkowita moc pobierana z systemu przy znamionowej częstotliwości.

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 15 f n - Częstotliwość znamionowa. f - Częstotliwość rzeczywista. α - Wykładnik potęgowy zależny od rodzaju odbioru i określający zależność pobieranej mocy od częstotliwości. W zależności od rodzaju odbiorów wykładnik ten przyjmuje następujące wartości: α = 0 moc pobierana przez odbiory nie zależy od częstotliwości; są to głównie odbiory oświetleniowe, grzejne oporowe i trakcyjne prądu stałego. α = 1 pobór mocy przez odbiory jest wprost proporcjonalny do częstotliwości; zaliczyć tu można między innymi: prasy, napędy dźwigów, urządzenia obrabiające i transportery. α = 2 pobór mocy zależy od kwadratu częstotliwości; dotyczy to głównie strat mocy czynnej w systemie elektroenergetycznym. α = 3 pobór mocy jest proporcjonalny do trzeciej potęgi częstotliwości; są to wentylatory, pompy rotodynamiczne, dmuchawy. α = 4 pobór mocy zależy od czwartej potęgi częstotliwości; np. pompy zasilające kotły energetyczne. Po rozpisaniu równania (3.1) mamy: 0 1 2 3 4 f f f f f P + + + + odb = Podb _ n k 0 k1 k 2 k 3 k 4 (3.2) f n f n f n f n f n W przypadku niewielkich zmian częstotliwości od ok. 48 52 Hz zależność pobieranej z systemu elektroenergetycznego mocy czynnej P odb od częstotliwości można wyrazić za pomocą następującego równania liniowego: P odb = P _ + K f (3.3) odb n L gdzie: gdzie: K L współczynnik zwany energią regulującą mocy pobieranej, wyraża stosunek zmian mocy pobieranej P odb [MW] od zmian częstotliwości f [Hz] Podb K L = (3.4) f P = P _ P ; zmiana mocy pobieranej (3.5) odb odb n odb f = f n f ; zmiana częstotliwości w systemie (3.6) Po zróżniczkowaniu równania (3.2) względem częstotliwości otrzymujemy: dp df odb P f odb = P odb _ n f n k 1 + 2k 2 f f n + 3k Dla f = f n współczynnik K L przyjmuje następującą postać: K 3 odb _ n L ( k1 + 2k 2 + 3k 3 + 4k 4 f n f f n 2 + 4k 4 f f n 3 (3.7) P = ) (3.8)

16 Ostatnia postać współczynnika K L z równania (3.8) przedstawia nam względne zmiany poboru mocy czynnej, przypadające na jednostkową zmianę częstotliwości. Dobrze jest znać ten współczynnik, gdyż wówczas mamy możliwość ocenienia wpływu mocy obciążenia na regulację częstotliwości. W polskim systemie elektroenergetycznym wartości współczynnika K L wynoszą przeciętnie od 1,6 do 3 (j.w.) [11]. f f n f 1 P odb P odb_1 P odb_n P odb Rys. 3.1. Charakterystyka statyczna obciążenia systemu linearyzowana dla niewielkich zmian częstotliwości [11]. 3.1.2 Charakterystyki statyczne źródeł mocy. Zależność częstotliwości, proporcjonalnej do prędkości obrotowej bloku, od mocy czynnej przez niego generowanej przedstawia charakterystyka statyczna mocy wytwarzanej przez zespół wytwórczy [11]. f f 0 f f n f P Ti P Ti P Tni P T Rys. 3.2. Charakterystyka statyczna mocy wytwarzanej przez i-ty turbozespół. Charakterystyka ta została wykonana przy następujących założeniach: - parametry czynnika wlotowego (np. pary) przed zaworami regulacyjnymi są stałe;

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 17 - moc wytwarzana przez zespół wytwórczy jest proporcjonalna do stopnia otwarcia zaworów wlotowych turbiny, które jest zmieniane proporcjonalne do częstotliwości (prędkości obrotowej zespołu). Nachylenie charakterystyki widocznej na rys. 3.2. zwane potocznie statyzmem regulacji jest wielkością stosunkową odniesioną do znamionowych: wartości częstotliwości f n i mocy wytwarzanej P Tni. Wyznacza się ją z następującej zależności: f / f n δ Ti = (3.9) PTi / PTni gdzie: δ Ti nachylenie charakterystyki statycznej i-tego zespołu wytwórczego; P = P P zmiana mocy wytwarzanej przez i-ty zespół wytwórczy; (3.10) Ti Tni f jak w równaniu (3.6); Ti W przypadku całego systemu elektroenergetycznego charakterystykę statyczną mocy wytwarzanej można określić jeśli znane są statyzmy regulacji poszczególnych zespołów w nim pracujących: f / f n δ S = (3.11) PTi / PTni i gdzie: δ S nachylenie charakterystyki statycznej wytwarzania; P Ti sumaryczne zmiany mocy wytwarzanej w systemie; i f jak w równaniu (3.6); Odwrotności współczynników δ Ti i δ S nazywamy odpowiednio: energia regulującą wytwarzania i-tego zespołu K Ti oraz energią regulującą wytwarzania wszystkich źródeł w danym systemie elektroenergetycznym K T. Wyrażają się one następująco: K Ti = δ 1 Ti P f Tni n (3.12) PTi f n K T = (3.13) f P i Znak minus we wzorze (3.13) określa właściwości regulacyjne źródeł mocy wytwarzania w danym systemie elektroenergetycznym i oznacza wzrost mocy wytwarzania przy zmniejszaniu częstotliwości w systemie. Tni

18 3.1.3 Charakterystyki statyczne systemu elektroenergetycznego. W przypadku systemu elektroenergetycznego charakterystykę statyczną częstotliwość moc czynna otrzymamy znając charakterystykę statyczną mocy pobieranej z systemu f = F(P odb ) i charakterystykę statyczną mocy wytwarzanej w systemie f = G(P T ). Konstrukcję wypadkowej charakterystyki statycznej systemu, uwzględniającą łączny wpływ źródeł mocy i mocy pobieranej w systemie na jego częstotliwość pokazuje rys. 3.3. f f 0 f = G(P T ) f = F(P odb ) f n ΣP Tni P T Rys. 3.3. Charakterystyka statyczna systemu elektroenergetycznego. Poszczególne charakterystyki przecinają się w punkcie stanowiącym punkt pracy ustalonej systemu, któremu odpowiada częstotliwość znamionowa f n. Jako moc odniesienia przyjmuje się sumaryczną moc pobieraną przez odbiory danego systemu przy znamionowej częstotliwości lub sumę mocy znamionowych zespołów wirujących w systemie [11]. Z charakterystyką statyczną systemu związany jest wypadkowy współczynnik energii regulującej systemu określony wzorem (3.14). K S = K K (3.14) T odb Przy sumowaniu obu współczynników niezbędne jest aby były one określone dla tej samej wartości odniesienia. 3.3. Regulacja pierwotna i wtórna częstotliwości i mocy czynnej w systemie elektroenergetycznym. W ustalonym stanie pracy, dzięki specyficznym właściwościom maszyn synchronicznych, w całym systemie elektroenergetycznym częstotliwość jest jednakowa, a jej wartość zależy od aktualnego zbilansowania mocy zapotrzebowanej przez odbiory P odb i mocy wytwarzanej P T przez pracujące aktualnie elektrownie w systemie. Początkowy stan równowagi systemu elektroenergetycznego jest określony częstotliwością f n = 50 Hz. Jeżeli w systemie, z różnych przyczyn, nastąpi przewaga jednej z mocy nad

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 19 drugą, to przebieg powstałego w ten sposób stanu nieustalonego podzielić można na cztery fazy, których kolejność jest następująca: - kołysania wirników generatorów pracujących w systemie elektroenergetycznych; - zmiana częstotliwości w systemie elektroenergetycznym; - działanie regulatorów prędkości obrotowej bloków wytwórczych (regulacja pierwotna); - działanie regulatorów centralnych (regulacja wtórna). Załóżmy, że w systemie elektroenergetycznym wzrasta pobór mocy czynnej. Dodatkowe obciążenie, jakie przyjmuje na siebie system powoduje zmniejszenie jego energii kinetycznej zmagazynowanej w masach wirujących powodując powolne zmniejszanie się prędkości obrotowej wirników wszystkich generatorów pracujących w systemie w danej chwili, co oznacza zmniejszanie się częstotliwości w systemie. Kolejna fazą stanu nieustalonego dotyczy reakcji zespołów wytwórczych oraz odbiorów na spadek częstotliwości w systemie (p. 3.2.). W przedstawionym przypadku regulatory turbin otwierają zawory regulacyjne zwiększając przepływ czynnika napędowego, wskutek czego moce turbin wzrastają. Ostatnia faza stanu nieustalonego będąca wynikiem zaburzenia bilansu mocy czynnej dotyczy reakcji regulatora centralnego na zmniejszenie się częstotliwości i zmianę mocy wymiany międzysystemowej [17]. Regulacja pierwotna bloków wytwórczych dokonywana poprzez ich regulatory prędkości obrotowej polega na zmianach generowanych przez nie mocy czynnych zgodnie z ich indywidualnymi charakterystykami statycznymi wytwarzania. gdzie: P Ti = P Tni T 0 i + ( f o f ) K Ti = PT 0i + ( f o f ) (3.15) δ Ti f n P Ti moc wytwarzana przez i-ty zespół wytwórczy; P T0i moc wytwarzana przez i-ty zespół wytwórczy w stanie ustalonym przy częstotliwości f o ; K Ti energia regulująca i-tego zespołu wytwórczego (3.12). Zmianę mocy wytwarzanej w systemie spowodowana działaniem regulacji pierwotnej można określić następująco: gdzie: 1 PTi = K T f (3.16) i P Ti suma zmian mocy wytwarzanej przez zespoły wytwórcze pracujące w systemie, będąca wynikiem działania regulacji pierwotnej; i K T energia regulująca systemu elektroenergetycznego (3.13). P

20 W wyniku działania regulacji pierwotnej moc wytwarzana zostaje zrównoważona z aktualną mocą obciążenia systemu elektroenergetycznego przy nowej częstotliwości f, odchylonej od częstotliwości początkowej f o o f. Regulacja wtórna, jest regulacją polegającą na oddziaływaniu na odpowiednie bloki wytwórcze danego systemu elektroenergetycznego w taki sposób, aby odchylenie regulacyjne (3.17) dążyło do zera. gdzie: P Ti i P Tzadi i i PTi PTzadi + k R f = 0 (3.17) i suma mocy wytwarzanych równa aktualnemu obciążeniu systemu; suma mocy zadanych równa przewidywanej mocy obciążenia systemu; f odchylenie częstotliwości; k R parametr regulacji wtórnej. Celem regulacji wtórnej jest zniwelowanie odchyłki częstotliwości powstałej w systemie po wystąpieniu zakłócenia bilansu mocy czynnej i której nie likwiduje regulacja pierwotna. Regulacja wtórna realizowana jest przez dokonywanie odpowiednich zmian rozdziału mocy wytwarzanej miedzy pracujące zespoły wytwórcze. f f o f f = G(P T_1 ) f = G(P T ) 0 f = F(P odb ) f = F(P odb_1 ) 2 1 P T P T0 P T1 P T2 Rys. 3.4. Działanie regulacji częstotliwości i mocy. 0 punkt pracy w normalnym stanie pracy przy częstotliwości f o ; 1- punkt pracy po zadziałaniu regulacji pierwotnej; 2 punkt pracy po zadziałaniu regulacji wtórnej. Podana powyżej definicja regulacji wtórnej odnosi się do izolowanych systemów elektroenergetycznych. W połączonych systemach elektroenergetycznych celem regulacji wtórnej jest dopasowanie mocy wymiany międzysystemowej do wartości zgodnych z zawartymi umowami wymiany. Regulacja wtórna odbywa się przez regulator nadrzędny zainstalowany w dyspozycji mocy szczebla centralnego [9, 11].

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 21 3.1.4 Regulacja częstotliwości i mocy czynnej w izolowanym systemie elektroenergetycznym. Duże systemy elektroenergetyczne składają się z powiązanych wzajemnie podsystemów. Ich praca podporządkowana jest Krajowej Dyspozycji Mocy i musi spełniać wymagania ekonomicznego rozdziału obciążeń oraz wymagania technicznych ograniczeń przesyłu w obrębie całego systemu. Praca systemów elektroenergetycznych bez połączeń z systemami sąsiednimi należy obecnie do rzadkości, a realizacja ich regulacji częstotliwości i mocy opiera się na następujących zasadach: - udział możliwie największej liczby zespołów wytwórczych; - jak najmniejsza liczba zadziałań regulacyjnych; - wciąganie do pracy regulacyjnej zespołów pracujących normalnie przy stałej wartości mocy zadanej, w przypadku braku mocy regulacyjnej; - uzyskiwanie mocy regulacyjnej zespołów zgodnie z ich możliwościami technicznymi; - stabilność pracy równoległej zespołów nie może zostać naruszona w wyniku zmian przepływu mocy w obrębie systemu elektroenergetycznego; - udział w regulacji wszystkich podsystemów zgodnie z przyjętym programem. W przypadku wystąpienia zakłócenia bilansu mocy czynnej w izolowanym systemie elektroenergetycznym, powstaje zmiana jego częstotliwości. Jeżeli tylko odchylenie częstotliwości w systemie przekroczy wartość odpowiadającą strefie nieczułości regulatorów prędkości obrotowej poszczególnych zespołów wytwórczych, to spowodują one zmiany otwarcia zaworów regulacyjnych i zmiany mocy wytwarzanej w systemie w kierunku zrównania bilansu mocy w systemie, zgodnie z charakterystykami statycznymi wytwarzania poszczególnych zespołów. Rozkład pierwotnej mocy regulacyjnej między zespoły pracujące w systemie elektroenergetycznym może być całkiem przypadkowy, zależnie od nachylenia charakterystyk statycznych, które są różne dla poszczególnych zespołów wytwórczych. Zależnie od wartości mocy uprzednio wytwarzanych przez poszczególne zespoły mogą wystąpić niedopuszczalne przeciążenia bloków wytwórczych. Lokalne, ręczne lub automatyczne działanie regulacji wtórnej w kierunku dostosowania mocy wytwarzanych do aktualnych warunków eksploatacji poszczególnych zespołów może nie doprowadzić do przywrócenia częstotliwości w systemie do wartości występującej przed zakłóceniem. Stąd też niezbędne jest nadrzędne sterowanie centralne wypracowujące sygnały regulacji wtórnej, wyznaczających zadane wartości mocy wytwarzanej przez poszczególne zespoły.

22 Realizowana przez nadrzędny regulator systemowy najbardziej powszechna metoda regulacji częstotliwości i mocy polega na takim oddziaływaniu na zespoły biorące udział w regulacji aby dwumian (3.18) odchylenia częstotliwości i mocy w systemie był jak najbliższy zeru. f + 1 K S P = 0 (3.18) gdzie: f = f - f zad odchylenie częstotliwości f od wartości zadanej; P = P T - P odb arytmetyczna suma zmiany mocy wytwarzanej P T i zmiany mocy pobieranej P odb od wartości mocy w stanie ustalonym; K S energia regulująca systemu. Idealne spełnienie warunku (3.18) jest niemożliwe. Odchylenie dwumianu od zera stanowi systemowe odchylenie regulacyjne P sr, mogące być wyrażane w MW po przekształceniu równania (3.18) do postaci: P = K f + P (3.19) sr S Ponieważ w izolowanym systemie elektroenergetycznym bardzo trudno jest dokonać pomiaru sygnału regulacji mocy P jako systemowe odchylenie regulacyjne przyjmuje się odchylenie wywołane zmianą częstotliwości: P = K f f ) (3.20) sr S ( zad Zależność (3.20) oparta jest na założeniu, że całkowita moc wymieniana w systemie jest równa zeru. Możemy powiedzieć, że systemowe odchylenie regulacyjne P sr jest wartością, o jaką należy zmienić sumaryczną moc wytwarzaną w izolowanym systemie elektroenergetycznym, aby częstotliwość f doprowadzić do wartości zadanej f zad. Zmiana ta jest sumą zmian mocy wytwarzanej zespołów biorących udział w nadrzędnej regulacji częstotliwości i mocy [11]. 3.1.5 Regulacja częstotliwości i mocy czynnej w połączonych systemach elektroenergetycznych. Regulacja częstotliwości i mocy wymiany między wielkimi coraz silniej powiązanymi między sobą systemami stwarza całkiem nowe problemy realizacyjne. Wymiana mocy między systemami ma na celu: - wyrównanie deficytów bądź nadwyżek mocy i energii występujących okresowo, lecz przewidzianych w planach produkcji współpracujących systemów; - pomoc interwencyjną w przypadku nieplanowanych niedoborów mocy w jednym z współpracujących systemów;

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 23 - zmniejszenie niezbędnej rezerwy mocy w każdym z współpracujących systemów przez zaplanowaną wymianę mocy w szczytowych okresach obciążenia. Wymiana międzysystemowa odbywa się poprzez linie najwyższych napięć, zaś regulacja mocy wymiany odbywa się za pomocą nadrzędnych regulatorów centralnych należących do współpracujących systemów. Wymiana międzysystemowa jest określona programem zawierającym uzgodnione parametry techniczne mocy wymiany i ich dopuszczalne odchyłki, które stanowią podstawę do zawarcia umowy handlowej zawierającej zasady rozliczeniowe jak i konsekwencje finansowe wynikające z niedotrzymania warunków programu wymiany. Najważniejsze parametry wymiany międzysystemowej to: - odchyłka między wartością energii wymienianej ustalonej programem wymiany, a rzeczywistą wartością energii wymienianej w określonym czasie; t E p = ( Pp P 0 pz ) dt (3.21) - odchyłka częstotliwości od wartości znamionowej 50 Hz powoduje powstanie błędu czasowego, tj. odchylenia od czasu jaki pokazywałyby zegary synchroniczne, gdyby częstotliwość ta była ściśle równa 50 Hz. t f = 1 f n t 0 ( f f n ) dt = 1 f n t 0 f dt n (3.22) Kryteria optymalnej regulacji częstotliwości i mocy wymiany między systemami wymagają spełnienia następujących warunków: 1. Odchylenie regulacyjne (3.23) powinno dążyć do wartości minimalnej. gdzie: P = ( P P ) + K ( f f ) min (3.23) pr p pz P p moc wymiany; P pz zadana wartość mocy wymiany; K w energia regulująca wymiany; 2. Nieplanowana w programie wymiana energii między systemami powinna być kompensowana do zera w określonym czasie. 3. Błąd czasowy (3.22) powinien być jak najmniejszy (najwyżej 2, 3 sekundy na godzinę). 4. Wymiana międzysystemowa powinna odbywać się możliwie bez interwencji nadrzędnego regulatora międzysystemowego. w zad

24 5. Układy regulacji częstotliwości i mocy współpracujących systemów powinny działać równolegle, nie powodując kołysań mocy w liniach współpracy lub zagrożeń utraty równowagi pracy równoległej. 6. Powinna obowiązywać zasada nieinterwencji polegająca na tym, że każdy ze współpracujących systemów, w miarę możliwości, dąży do pokrywania swoich zmian mocy obciążenia przez własne źródła wytwórcze [11]. 4 Układy regulacji częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym. Właściwa praca elektrowni jest podstawowym elementem, od którego zależą najważniejsze parametry jakościowe energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom. Zmienność obciążenia systemu elektroenergetycznego P odb (t) sprawia, że część elektrowni, tj. elektrownie pracujące w szczycie i podszczycie obciążenia, pracuje ze zmienną mocą i musi nadążać za zmianami mocy obciążenia systemu P odb (t). Moc czynną wytwarzaną i częstotliwość w systemie reguluje się przez regulację momentu napędowego turbin poprzez regulatory prędkości obrotowej turbiny oraz odpowiednio: - za pomocą regulacji kotłowej bloku pozwalającej na ustalanie parametrów pary przed zaworami regulacyjnymi turbiny w klasycznych elektrowniach. - za pomocą regulacji mocy reaktora jądrowego w elektrowniach jądrowych. W elektrowniach wodnych sposób regulacji momentu zależy od rodzaju turbiny wodnej. W turbinach Kaplana i Deriaza moment napędowy regulujemy przez zmianę kąta położenia aparatu kierowniczego i kąta ustawienia łopatek wirnika, w turbinach Francisa wirnik jest nienastawny, w turbinach Peltona reguluje się przepływ przez dysze i kąt strumienia wody [17]. Rozdział ten został ograniczony do omówienia układów regulacji klasycznych elektrowni parowych. 4.1 Turbiny i ich układy regulacji. Układy regulacji turbin można podzielić na: - dźwigniowe; - hydrauliczne; - elektrohydrauliczne. Podział ten zależy od konstrukcji mierników prędkości obrotowej. Jako mierniki prędkości obrotowej są używane: - wahadła odśrodkowe, w układach regulacji dźwigniowych i hydraulicznych;

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 25 - pompki olejowe, których wydajność jest proporcjonalna do prędkości obrotowej, w układach hydraulicznych; - prądniczki tachometryczne, których napięcie jest proporcjonalne do prędkości obrotowej, w układach elektrohydraulicznych itp. [16]. Ze wzrostem instalowania zespołów o coraz to większych mocach, wzrastały też wymagania dotyczące układów regulacji turbin. Dotyczyły one głównie zwiększenia czułości, stabilności i niezawodności działania. Tak więc używane początkowo dźwigniowe układy regulacji zostały zastąpione hydraulicznymi układami regulacji. Jednak wymagania regulacji częstotliwości w połączonych systemach elektroenergetycznych narzuciły dalszą ewolucję układów regulacji turbin. Powstały układy elektrohydraulicznej regulacji, w których pomiar prędkości oraz formowanie sygnałów regulacyjnych odbywa się w układach mikroprocesorowych, natomiast elementami wykonawczymi pozostały nadal serwomotory hydrauliczne. Dzięki temu zwiększyła się czułość pomiaru prędkości i wyeliminowano nieliniowość układu regulacji [16, 20, 22]. 4.1.1 Zadania i wymagania stawiane układom regulacji turbin. Głównymi zadaniami jakie mają spełniać układy regulacji prędkości obrotowej turbozespołów i hydrozespołów są: - automatyczne dostosowywanie, w warunkach normalnej pracy bloku, dopływu czynnika napędowego do aktualnej mocy obciążenia lub do zadanej wartości mocy wytwarzanej; - opanowanie wzrostu prędkości obrotowej podczas rozbiegu bloku wywołanego nagłym odciążeniem zespołu, w celu nie dopuszczenia do zadziałania urządzeń zabezpieczających; - zapewnić programową regulację prędkości obrotowej podczas rozruchu bloku; - w czasie synchronizacji bloku z siecią doprowadzić zespół do prędkości synchronicznej, odpowiadającej częstotliwości sieci z dokładnością umożliwiającą synchronizację; - zapewnić prawidłowy rozdział mocy wytwarzanej pomiędzy pracujące równolegle zespoły w razie zmian obciążenia [11, 16]. Wymagania stawiane regulatorom prędkości obrotowej są zależne od zmian częstotliwości, które możemy podzielić na trzy grupy: 1. Małe odchylenia z przedziału 0,01 0,02 Hz, w wyjątkowych przypadkach dochodzące do 0,05 Hz. Są one spowodowane najczęściej niestabilnością układów regulacji przy czym na rozmiar odchylenia ma wpływ nierównomierność regulacji obrotów (statyzm), stała czasowa serwomotoru i przepływ oleju między ele-

26 mentami układu regulacyjnego. Czas trwania powyższych odchyleń jest dość długi i wynosi od 10 do 20 s. Odchylenia te są także wywoływane oscylacjami pomiędzy pracującymi równolegle generatorami, a odbiorami w systemie elektroenergetycznym. Wielkość odchyleń w tym przypadku zależy od mocy synchronizujących i stałych czasowych rozruchu generatorów, a czas ich trwania jest dość krótki i wynosi od 0,5 do 2 s. Odchylenia te są odchyleniami na które regulator prędkości obrotowej nie powinien reagować, ponieważ pogorszyłoby to skuteczność pracy urządzeń regulacyjnych i doprowadziło do tak zwanych przeregulowań. 2. Odchylenia średnie przekraczające 0,05 Hz, które można podzielić na dwie podgrupy: - odchylenia nie występujące periodycznie, które są przyczyną zmian mocy obciążenia systemu np. w okresie od rannym, kiedy to ciągle wzrasta sumaryczna moc odbiorów; - odchylenia występujące periodycznie, spowodowane np. pracą dorywczą bądź przerywaną dużych maszyn odbiorczych. Odchylenia te są odchyleniami wymagającymi interwencji regulatorów prędkości obrotowej. 3. Odchylenia duże wynikające z poważnych awarii układu elektroenergetycznego. Są to odchylenia wymagające szybkiej reakcji ze strony układów regulacji turbin [14]. 4.1.2 Zasada działania układów regulacji turbin. Z uwagi na złożoność nowoczesnych układów regulacji turbin, celem wyjaśnienia idei działania układu regulacji prędkości obrotowej przedstawiono uproszczony układ (rys. 4.1) hydrauliczny regulacji. Układ ten jest zasilany olejem z głównego rurociągu olejowego poprzez kryzę dławiącą 7. Wał turbiny 1 napędza ciężarkowy miernik prędkości 2. W przypadku zwiększenia prędkości następuje rozciąganie sprężyny i taśmowy element sprężysty 3 odkształca się i przesuwa tłoczek obrotowy 6 w prawo otwierając okna 5 znajdujące się w tulei 4. W ten sposób zwiększa się wypływ oleju układu, przez co ciśnienie oleju pod tłokami serwomotorów 9 spada i zawory regulacyjne turbiny przymykają się. Przy zmniejszaniu się prędkości obrotowej turbiny tłoczek 6 przesuwa się w lewo zmniejszając wypływ oleju, ciśnienie pod tłokami serwomotorów wzrasta i zawory unoszą się. Kolejność otwierania i wielkość skoku zaworów regulacyj-

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 27 nych zależy od napięcia sprężyn serwomotorów i ciśnienia aktualnie panującego pod tłokami serwomotorów. Położenie tłoczka 6 względem okien 5 jest wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej n. Tak więc ciśnienie oleju pod serwomotorami zaworów 9, strumień pary dopływający do turbiny, a więc i moc turbiny są wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej zespołu [16]. Oznaczenia: 19 główna pompa olejowa; 20 pomocnicza pompa olejowa; 21 zbiornik oleju; 22 zawór sterowany serwomotorem SH przedstawionym na rys. 4.3. Rys. 4.1. Uproszczony schemat ideowy działania układu regulacji prędkości obrotowej turbiny o sterowaniu hydraulicznym [16]. Charakterystyka statyczna regulatora wynika właśnie z powyższych zależności (rys. 4.2). Rys. 4.2. Charakterystyka statyczna regulatora prędkości obrotowej turbiny [16].

28 Załóżmy, że stan równowagi systemu elektroenergetycznego jest określony częstotliwością f 1 (punkt l na rys. 4.2). W przypadku wzrostu poboru mocy obciążenia w systemie, częstotliwość zmniejsza się do f 2` (punkt 2`). Zwiększeniu się mocy obciążenia generatora P e, przy stałej mocy turbiny P T odpowiada zmniejszanie się prędkości obrotowej turbiny i regulator prędkości obrotowej zwiększa dopływ pary do turbiny i jej moment napędowy M T (moc P T ) zwiększy się do wartości P 2 '. Turbina wykazuje tendencję do zwiększania prędkości obrotowej. Jednak wektor siły elektromotorycznej E w, którego położenie jest ściśle związane z wałem generatora, bardziej wyprzedza wektor napięcia U, przez co zwiększa się kąt mocy υ i moc obciążenia generatora P el. Powstający przez to tzw. moment synchronizujący P s, uniemożliwia dalsze zwiększenie prędkości obrotowej i wystąpi nowy stan równowagi przy częstotliwości f 2 (punkt 2), który jest wynikiem zrównoważenia procesów elektromagnetycznych (mocy P el ) i cieplnomechanicznych (mocy P T ). Taki właśnie sposób regulacji, polegający na zmianie mocy wytwarzanej danego turbozespołu zgodnie z charakterystyką statyczną, dokonywany przez regulator prędkości obrotowej, nazywa się regulacją pierwotną. Układ regulacji prędkości turbiny jest wyposażony w urządzenie do zmiany prędkości obrotowej, zwane często synchronizatorem. Nastawnikiem 10 można zmieniać prędkość obrotową na dwa sposoby: - pokrętłem 11 przy turbinie; - zdalnie z nastawni elektrowni za pomocą małego silnika elektrycznego 12. Nastawnikiem wywołujemy trwałą zmianę punktu pracy regulatora przesunięcie charakterystyki statycznej regulatora prędkości np. z charakterystyki / na charakterystykę // lub /// - rys. 4.2, przez przesunięcie położenia tulei 4 względem tłoczka 6 (rys. 4.1); jest to tzw. regulacja wtórna. Dzięki regulacji wtórnej turbina może rozwijać moc P 1 lub P 3, przy częstotliwości f 1, czyli można zmieniać moc turbiny przy stałej prędkości obrotowej (częstotliwości) [16]. Rys. 4.1. przedstawia także regulator bezpieczeństwa 13 posiadający sworzeń 14 na który działa siła odśrodkowa równoważona siłą sprężyny 15. Przy przekroczeniu granicznej prędkości turbozespołu, siła sprężyny nie jest w stanie zrównoważyć siły odśrodkowej i sworzeń 14 jest wyrzucany ze swojego położenia i uderza w dźwignię 16, która powoduje przesunięcie tłoczków 17. Powoduje to odsłonięcie się okna spływu oleju regulacyjnego z zaworu głównego 8 i serwomotorów zaworów regulacyjnych 9, powodując zamknięcie zaworów. Turbiny są wyposażone w dwa regulatory bezpieczeństwa, nastawione na zadziałanie przy 1,1 n N i l,12 n N (n N prędkość znamionowa). Ręczny wyłącznik turbiny 18 służy do spraw-

Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym 29 dzania regulatora bezpieczeństwa i ręcznego natychmiastowego wyłączenia turbiny w przypadkach awaryjnych. 4.1.3 Elektrohydrauliczny układ regulacji turbiny. Przedstawiony na rysunku 4.3 elektrohydrauliczny układ regulacji jest powiązany z układem hydraulicznym (rys. 4.1). Zawór sterujący 22 pokazany na rysunku 4.1 jest sterowany siłownikiem hydraulicznym SH z rys. 4.3. Prędkość obrotowa jest mierzona za pomocą prądniczki tachometrycznej, która składa się z obrotowej tarczy zębatej i nieruchomego magnesu trwałego, na którym jest nawinięte uzwojenie. Liczba impulsów w czasie określa prędkość obrotową. Regulator prędkości obrotowej R n jest wykorzystywany w czasie rozruchu, kiedy to wartość zadana prędkości obrotowej n o jest formowana w zależności od ograniczeń termicznych i mechanicznych turbiny. Blok P(f) służy do formowania charakterystyki statycznej regulatora mocy R P. Rola parowego ogranicznika mocy OP jest opisana następnym punkcie. Jeżeli prędkość obrotowa jest za duża, to wówczas sygnał z regulatora R n poprzez wzmacniacz WE powoduje przesunięcie rurki strumieniowej wzmacniacza WH na dół i olej podnosi tłok serwomotoru do góry, następuje otwarcie spływu oleju regulacyjnego (zawór 22) i zawory 9 przymykają się [14, 16, 17]. Rys. 4.3. Uproszczony schemat elektrohydraulicznego układu regulacji turbiny [16]. R n regulator prędkości obrotowej; R P, regulator mocy; P pomiar mocy; M n, miernik prędkości obrotowej; n o zadana prędkość obrotowa; n prędkość obrotowa; t temperatura korpusu turbiny; OT - ograniczenia technologiczne turbiny; p T ciśnienie pary przed turbiną; OP parowy ogranicznik mocy; P 0 moc zadana turbozespołu; f o częstotliwość zadana; P(f) człon formujący charakterystykę statyczną regulatora jak na rys. 4.2; p ro wartość zadana ciśnienia; WE wzmacniacz elektroniczny, WH wzmacniacz hydrauliczny; SH siłownik hydrauliczny; ZR zawory regulacyjne; oznaczenia liczbowe jak na rys. 4.1.